Общая характеристика методов расчета нагрева металла

Расчет нагрева металла в печи должен основываться на выборе рациональной технологии нагрева.

Рациональная технология нагрева стали – это нагрев металла в оптимальных условиях с точки зрения скорости и качества нагрева.

Таким образом, необходимо нагреть металл до заданной температуры с максимальной скоростью и заданной конечной равномерностью, и при этом избежать все возможные вредные явления. С соблюдением этого принципа должен назначаться режим нагрева.

После выбора режима нагрева необходимо произвести его численный расчет.

При нагреве металла, различают внешний и внутренний теплообмены.

Внешний теплообмен – теплоот­дача от печных газов и внутренней поверхности кладки печи к поверхности металла. Основными параметрами, влияющими на внешний теплообмен, являются: температура печи, металла в начале и конце периода нагрева, излучательная способность печных газов и обмуровки, размеры рабочего пространства печи.

Внутренний теплообмен (теплообмен в металле) – передача тепла теплопроводностью от поверхности металла к его внутренним слоям. Основными параметрами, влияющими на внутренний теплообмен, являются: теплопроводность и теплоемкость металла, его толщина и химический состав.

Теоретической базой разработки методов расчета нагрева металла являются решения основных, уравнений теплопровод­ности при различных краевых условиях. Наиболее широкую практическую реализацию имеют краевые условия III рода.

При расчетах времени нагрева металла используют кри­терий Био:

,

где – коэффициент тепло­отдачи, при передаче тепла от печного пространства к поверхности нагре­ваемого металла, ; s – толщина тела, м; – теплопроводность тела, .

Выражение представляет собой тепло­вое сопротивление нагреваемого тела, а – тепловое сопротивление, возникающее при переходе тепла от нагревающей среды к нагреваемому телу.

Критерий характеризует тепловую массивность тела, а, следовательно, дальнейший порядок расчета нагрева тела.

Если <0,25, то тело считают тонким, если >0,5 – массивным. В пределах значений от 0,25 до 0,50 находится переходная область. В этом случае целесообразнее вести расчет тела как массив­ного.

Следует учитывать, что тепловая массивность тела зависит не только от его геометрической толщины, но и от условий нагрева. Например, когда массивная заготовка (значительной толщины) греется медленно, к ее поверхности поступает такое количество тепла, которое может быть переда­но от поверхности заготовки внутрь ее без существенного повы­шения температуры поверхности, эта заготовка считается тонким телом.