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.
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.
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.