Tài liệu Giáo trình lò luyện kim P3 doc

Chơng 3

Nung kim loại
3.1. Khái niệm chung
3.1.1. Mục đích của quá trình nung
Nung kim loại là một khâu quan trọng trong nhiều quá trình sản xuất luyện kim.
Trong gia công kim loại bằng áp lực, nung nóng nhằm mục đích tăng độ dẻo, giảm trở
lực biến dạng, làm tăng khả năng biến dạng của kim loại, điều đó cho phép tăng năng
suất gia công, giảm đợc yêu cầu về công suất thiết bị và giảm hao mòn dụng cụ.
Trong gia công nhiệt luyện, kim loại đợc nung nóng đến nhiệt độ thích hợp trớc khi
làm nguội để đạt đợc sự thay đổi tổ chức theo yêu cầu. Quá trình nung kim loại đợc
thực hiện trong các lò nung, cờng độ nung kim loại không những phụ thuộc công tác
nhiệt của lò mà còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác nh: tính chất nhiệt, vật lý của kim
loại, kích thớc hình dạng của vật nung ... Việc xác định hợp lý cờng độ nung và thời
gian nung có ảnh hởng rất lớn đến chất lợng sản phẩm cũng nh các chỉ tiêu kinh tế,
kỹ thuật của lò.
3.1.2. Các hiện tợng xẩy ra khi nung
Trong quá trình nung, tuỳ theo kim loại cũng nh điều kiện nung có thể xẩy ra
nhiều hiện tợng không mong muốn nh: hiện tợng oxy hóa kim loại, hiện tợng
thấm hoặc thoát cácbon (đối với các loại thép), hiện tợng quá nhiệt hoặc cháy, hiện
tợng nứt.
- Hiện tợng oxy hóa: trong môi trờng nhiệt độ cao và tác động của môi trờng khí
lò, kim loại ở lớp bề mặt bị oxy hóa, gây ra sự cháy hao kim loại. Lợng kim loại bị
cháy hao trong một lần nung để cán và rèn từ 1- 2 %, nung để nhiệt luyện khoảng 0,5 -
1,0 %. Tốc độ oxy hóa kim loại xẩy ra mạnh khi ở nhiệt độ cao, ví dụ đối với chi tiết
bằng thép khi nhiệt độ trên 800
o
C xẩy ra với tốc độ rất lớn.
- Hiện tợng thoát các bon: Đối với chi tiết bằng thép, song song với quá trình oxy
hóa còn xẩy ra quá trình khử các bon, các phản ứng khử cacbon xẩy ra nh sau:
2H

2
+ Fe
3
C 3Fe + CH
4
CO
2
+ Fe
3
C 3Fe + 2CO
H
2
O + Fe
3
C 3Fe + H
2
+ CO
-43-
- Hiện tợng nứt: Khi nung, nếu tốc độ nung lớn, trong kim loại phát sinh ứng suất
nhiệt do các lớp kim loại có nhiệt độ khác nhau, nếu ứng suất sinh ra quá lớn, kim loại
có thể bị nứt. Do vậy, khi nung các loại thép có hàm lợng cacbon cao, thép hợp kim
lúc đầu phải nung với tốc độ chậm để tránh nứt (trong khoảng nhiệt độ dới 500
o
C),
còn khi ở nhiệt độ cao cần nung với tốc độ lớn để giảm cháy hao và tăng năng suất.
Còn khi nhiệt độ nung chọn không hợp lý có thể dẫn đến kim loại bị quá nhiệt
hoặc cháy làm giảm chất lợng sản phẩm hoặc gây ra phế phẩm.
3.1.3. Chế độ nung khi nung kim loại
Chế độ nung quyết định cờng độ nung kim loại, thờng đợc thể hiện qua các
giản đồ nung, biểu hiện sự thay đổi nhiệt độ của lò, nhiệt độ kim loại theo thời gian.

Chọn chế độ nung hợp lý không những nâng cao chỉ tiêu kỹ thuật, chất lợng sản phẩm
mà còn làm tăng đáng kể hiệu quả kinh tế.
Tuỳ thuộc tính chất kim loại, hình dáng, kích thớc cũng nh nhiệt độ yêu cầu
sau khi nung, ngời ta có thể ứng dụng nhiều chế độ nung khác nhau. Trên hình 3.1
trình bày một số giản đồ nung với các chế độ nung điển hình.

t
o
C
t
o
C t
o
C


II
I
t
m
t
t

t
m
t
t
I I
II
III

t
k
t
m
t
t
t
k
t
k







c)
a)

b)

Hình 3.1 Giản đồ nung
a) Nung 1 giai đoạn b) Nung 2 giai đoạn c) Nung 3 giai đoạn


- Giản đồ hình 3.1a: giản đồ nung một giai đoạn thờng áp dụng cho các vật nung
mỏng hoặc các vật nung trung bình có hệ số dẫn nhiệt lớn (trở nhiệt bé).
- Giản đồ hình 3.1b: giản đồ nung hai giai đoạn thờng áp dụng cho các vật nung
trung bình có hệ số dẫn nhiệt khá lớn (trở nhiệt trung bình) và độ chênh lệch nhiệt độ

mặt và tâm cho phép sau khi nung khá lớn.
-44-
- Giản đồ hình 3.1c: giản đồ nung ba giai đoạn có giai đoạn giữ nhiệt, áp dụng cho
các vật nung dày, có hệ số dẫn nhiệt thấp (trở nhiệt cao) và độ chênh lệch nhiệt độ mặt
và tâm cho phép sau khi nung bé.
Khi xây dựng các giản đồ nung, nếu chúng ta chọn nhiệt độ lò cao, cờng độ
nung lớn, giảm đợc thời gian nung, giảm đợc cháy hao kim loại nhng dễ gây ra nứt
(nhất là giai đoạn khi nhiệt độ vật nung còn thấp) và quá nhiệt kim loại. Ngợc lại,
chọn nhiệt độ lò thấp, cờng độ nung bé, thời gian nung kéo dài, tăng oxy hoá (nhất là
khi ở nhiệt độ cao) và giảm năng suất.
3.2. Tính toán thời gian nung
3.2.1. Các điều kiện giới hạn khi nung
Tính toán quá trình nung kim loại liên quan tới việc giải phơng trình vi phân
truyền nhiệt dẫn nhiệt (phơng trình Phu-ri-ê) có dạng:











+


+

=


2
2
2
2
2
2
z
t
y
t
x
t
a
t
(3.1)
Trong đó a là hệ số truyền nhiệt độ:



=
c
a
[m
2
/s] (3.2)
Nghiệm của phơng trình (3.1) xác lập mối quan hệ giữa sự thay đổi của nhiệt độ của

vật thể theo thời gian và không gian:

),z,y,x(ft =
(3.3)
Nghiệm cụ thể của phơng trình phụ thuộc vào các điều kiện giới hạn: trạng thái
nhiệt độ ban đầu của vật thể (gọi là điều kiện ban đầu), kích thớc hình học của vật thể
và quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể với môi trờng chung quanh (gọi là điều
kiện biên).
a) Điều kiện ban đầu : là điều kiện giới hạn về thời gian, xác định sự phân bố nhiệt độ
vật thể tại thời điểm ban đầu = 0, biểu thị bởi hàm số có dạng:
t
đ
= f(x, y, z, 0) (3.4)
Trờng hợp đơn giản nhất là trờng hợp nhiệt độ ban đầu của vật thể ở mọi điểm là nh
nhau:
t
đ
= t
0
= const.
Đối với trạng thái nhiệt ổn định, nhiệt độ ban đầu của vật thể không ảnh hởng đến sự
phân bố nhiệt độ của vật thể nên điều kiện giới hạn về thời gian không cần chú ý đến.
-45-
b) Điều kiện biên: là điều kiện giới hạn về không gian, đợc chia ra ba trờng hợp:
- Điều kiện biên loại 1: cho chế độ nhiệt độ của bề mặt vật thể, nghĩa là cho biết nhiệt
độ bề mặt của vật thể thay đổi nh thế nào theo thời gian:
t
m
= f(). (3.5)
Ví dụ nhiệt độ bề mặt vật thể tăng theo hàm số bậc nhất:

t
m
= C
n
hay t
m
= t
đ
+ C
n
(3.6)
Trong đó C
n
là tốc độ nung [
o
C/s].
- Điều kiện biên loại 2: cho trớc dòng nhiệt đi qua mặt vật thể.
q = f() hay q = const. (3.7)
- Điều kiện biên loại 3: Cho chế độ nhiệt độ của nguồn nhiệt và quy luật truyền nhiệt
từ nguồn nhiệt đến bề mặt vật thể.
t
lò
= f() hay t
lò
= const (3.8)
Và
()
mlò
ttq =
hay

( )
4
m
4
lò0
TTCq =

3.2.2. Phơng pháp tính
Trong trờng hợp tổng quát, việc xác định thời gian nung bằng phơng pháp giải
giải tích phơng trình vi phân truyền nhiệt kết hợp với các điều kiện giới hạn thờng
rất phức tạp và gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên, trong những trờng hợp đơn giản nh
vật nung có dạng hình học đơn giản (hình tấm, hình trụ, hình cầu) và với những giả
thiết gần đúng, cho phép ta giải bài toán với độ chính xác chấp nhận đợc. Dới đây
khảo sát một số trờng hợp điển hình khi tính toán thời gian nung kim loại trong lò.
a) Phân loại vật nung
Để tính toán ngời ta phân vật nung thành hai loại: vật mỏng và vật dày.
Các vật nung đợc coi là vật mỏng là những vật có trở nhiệt bé (tỉ số giữa chiều
dày và hệ số dẫn nhiệt
)0
x


, đó là các vật mà vật liệu có hệ số dẫn nhiệt rất lớn
(
) hoặc chiều dày của vật bé ( ). Khi đó nhiệt độ vật gần nh đồng nhất
trong toàn bộ vật thể và chỉ phụ thuộc thời gian:
0x

)(ft =

Các vật dày là những vật có trở nhiệt lớn (


x
có giá trị đáng kể), nhiệt độ vật
nung phụ thuộc toạ độ điểm khảo sát và thời gian:
-46-

),z,y,x(ft =

Khi đó không thể bỏ qua chênh lệch nhiệt độ giữa mặt và tâm trong quá trình nung.
Trong tính toán, ngời ta thờng dùng tiêu chuẩn Bi (tiêu chuẩn Bi-ô) để xác định
giới hạn giữa vật mỏng và vật dày:



=
x
Bi
(3.9)
Trong đó:
- hệ số trao đổi nhiệt [W/m
2
.độ].
- hệ số dẫn nhiệt [W/m.độ].
x - tọa độ điểm khảo sát [m].
Khi giá trị Bi < 0,25 vật nung đợc gọi là vật mỏng và Bi > 0,5 gọi là vật dày,
còn với giá trị Bi = 0,25 - 0,5 đợc coi là vật trung bình nhng trong tính toán thờng
tính toán theo vật dày.
b) Tính thời gian nung các vật mỏng

Để tính toán thời gian nung đối với các vật mỏng với điều kiện biên loại 3, ngời
ta chia thời gian nung thành nhiều giai đoạn, ứng với mỗi giai đoạn coi nhiệt độ lò và
nhiệt độ vật không đổi và lấy bằng giá trị trung bình. Tổng thời gian nung xác định
theo công thức:

[h] (3.10)

=
=
n
1i
ni
Khi đó thời gian nung với mỗi giai đoạn tính theo công thức:

(
tdtci
FF
k
cx



=
)
[h] (3.11)
Trong đó:
x - chiều dày quy dẫn [m].
- khối lợng riêng của vật liệu, [kg/m
3
].

c- nhiệt dung của vật liệu [Kcal/kg.
o
C].
k - hệ số hình dạng, ví dụ đối với dạng tấm k = 1, dạng trụ k = 2.
- hệ số trao đổi nhiệt bề mặt [Kcal/m
2
.h.
o
K
4
].
F
tđ
, F
tc
- thông số nhiệt độ, tra theo biểu đồ (hình 3.2 và 3.3) ứng với nhiệt độ đầu
và cuối giai đoạn.
Các thông số vật lý trong biểu thức chọn theo nhiệt độ trung bình.
-47-