» » Способы нагрева цветных металлов
20.01.2015

Нагрев цветных металлов и сплавов при термической обработке может осуществляться в печах электросопротивления, пламенных печах, в жидких средах печах-ваннах, в кипящем слое, электроконтактным и индукционным методами.
Наиболее широко применяют печи электросопротивления и пламенного нагрева, в которых тепло нагреваемому телу передается конвекцией и излучением. Основные требования, предъявляемые к печам этого типа:
1. Обеспечение высокой производительности при минимальном удельном расходе топлива.
2. Возможность легкого и надежного регулирования температуры печи в необходимых пределах,
3. Высокая стойкость кладки, каркаса и остальных частей печи и отсутствие взаимодействия любой из ее частей с металлом, подвергаемым термической обработке.
4. Возможность создания необходимой атмосферы в печи.
5. Автоматизация управления тепловыми режимами работы печи.
При индукционном нагреве нагреваемое тело помещают в переменное магнитное поле, которое возбуждает в теле электрический ток вследствие электромагнитной индукции. Этот ток нагревает тело. Основные преимущества индукционного способа нагрева следующие:
1) высокий к.п.л. (до 70%);
2) высокая скорость нагрева;
3) компактность и простота установки;
4) высокая производительность труда,
5) отсутствие особых требований к качеству поверхности заготовки;
6) улучшение санитарно-гигиенических условий труда.
Применение индукционного способа нагрева наиболее целесообразно при термической обработке деталей и заготовок сравнительно простой формы при крупносерийном производстве, когда время нагрева заготовки является определяющим фактором. Этот метод наиболее эффективен при нагреве заготовок и полуфабрикатов и изделий постоянного сечения. При нагреве Тел переменного сечения конструкция индуктора существенно усложняется. Следует иметь в виду значительную неравномерность нагрева заготовки из-за выделения основною количества энергии в объеме, близком к поверхности. Эта особенность индукционного нагрева может быть как его недостатком, так и достоинством. В частности, индукционный нагрев целесообразно применять, когда необходимо обеспечить разные свойства поверхностных слоев и сердцевины детали, в частности при нагреве под поверхностную закалку.
При контактном нагреве заготовка нагревается проходящим через нее током большой силы. Основные преимущества этого способа:
1) высокий к.п.д. (до 93%) ;
2) быстрый и равномерный нагрев;
3) высокая производительность труда;
4) сокращение расхода электроэнергии в 1,5—2 раза по сравнению с нагревом в печах электросопротивления:
5) улучшение санитарно-гигиенических условий труда.
Недостатки метода, ограничивающие возможности его применения следующие:
1) сечение нагреваемой заготовки должно быть постоянным;
2) при увеличении диаметра заготовки резко возрастает время нагрева при постоянной мощности установки, так что необходимо использовать установки чрезмерно большой мощности при нагреве заготовок большого диаметра;
3) отношение длины к диаметру должно быть не менее 30:1;
4) невысокая стойкость контактов, подводящих электроэнергию к нагреваемому изделию.
Быстрый и равномерный нагрев заготовок, исключающий сильное окисление и значительный рост зерна, делает этот способ наиболее высокопроизводительным и рациональным при нагреве длинномерных изделий типа прутков и профилей.
В табл. 1 рассматривается рациональность применения и некоторые характеристики перечисленных способов нагрева на примере титановых полуфабрикатов.
Способы нагрева цветных металлов

Из приведенных данных следует, что при выборе того или иного способа нагрева полуфабрикатов следует учитывать вид полуфабриката (форма, сечение) и технико-экономические показатели выбранного способа.
При термической обработке цветных металлов широкое применение нашли печи-ванны. В качестве нагревательной среды в них используют расплавы солей, щелочей, металлов, а также масла. Теплообмен между изделиями и жидкими средами осуществляется только путем конвекции, как капельные жидкости непрозрачны для лучистой энергии. Поэтому интенсивность теплообмена зависит главным образом от физических характеристик расплава и условий перемешивания жидкой ванны.
Коэффициент теплоотдачи α для жидких сред в 4-7 раз больше, чем для газовой атмосферы в топливных и электрических печах. Поэтому длительность нагрева металла до заданной температуры в печах-ваннах значительно меньше, чем в указанных выше печах. Преимуществом печей-ванн наряду с высокими скоростями нагрева является отсутствие окисления нагреваемого металла при правильном выборе состава ванн и выполнении условий их эксплуатации.
Выбор состава нагревательных жидких сред определяется режимом термической обработки и в первою очередь температурой нагрева. Составы наиболее широко распространенных ванн приведены в табл. 2.
Способы нагрева цветных металлов

Время нагрева изделий в печах для термической обработки определяется значением коэффициента теплоотдачи, который для наиболее распространенных рабочих температур (до 1000°C) при нагреве излучением составляет 100—200 Вт/(м2*К), а при конвективном теплообмене значительно меньше. Значения коэффициентов теплоотдачи можно увеличить, повышая температуру рабочей среды, но при этом возникает неоднородность распределения температур по сечению изделии, которая в ряде случаев не приемлема при термообработке.
Повышение коэффициентов теплоотдачи при нагреве достигается применением печен кипящего слоя. Суть этого метода нагрева сводится к тому, что в рабочем пространстве печи создается взвешенный в потоке воз духа или другого газа слой, состоящий из мелких твердых частиц, который и является теплоносителем. В качестве частиц для создания кипящего слоя могут быть использованы песок, карборунд, графит и т. п. Естественно, что рабочая среда должна подогреваться.
Изделия, помещенные в такой кипящий слой, нагреваются с большой скоростью, так как величины коэффициентов теплоотдачи в этом случае составляют 400—500 Вт/(м2*К). Это объясняется тем, что тепло от теплоносителя передается изделию в условиях интенсивной сменяемости остывших частиц горячими, а заборы между поверхностью изделия и частицами малы. Теплопередача в рассматриваемом случае осуществляется в основном конвекцией, и степень черноты поверхности нагреваемого изделия практически не влияет на значения величин коэффициентов теплоотдачи
Рассматриваемый метод нагрева обеспечивает высокую равномерность распределения температур в объеме изделия и применяется при термообработке тонких (в термическом смысле) тел, для которых время нагрева зависит только от величины коэффициентов теплоотдачи.