Jak ohřívat kov. Jak a čím správně řezat kov. Elektrické a teplotní pole
Ohřev kovu svařovacím proudem. Joule-Lenzův zákon. Elektrický odpor kovu.
Všechny prvky vedoucí proud jsou ohřívány elektrickým proudem a množství tepla generovaného v kterékoli části elektrického obvodu s aktivním odporem R=R(t), které je funkcí t a τ s proudem I=I(t) v závislosti na čase t, je určeno Jouleovým zákonem -Lenza:
Tento obecný vzorec, která neukazuje ani neurčuje konkrétní teploty v zóně spoje při jejím zahřívání svařovacím proudem.
Musíme si však pamatovat, že hodnoty R a I do značné míry závisí na době trvání toku tohoto proudu.
Kontaktní stroje jsou konstrukčně vyrobeny tak, aby se mezi elektrodami uvolnilo největší množství tepla.
Švové bodové svařování má největší počet sekcí elektroda-elektroda, celková velikost odporu je součtem odporu elektroda-obrobek + detail - detail+ díl + elektroda - díl
Ree = 2Červená+Rdd+2Rd
Všechny složky celkového odporu Reee se během tepelného cyklu svařování průběžně mění.
Kontaktní odpor – Rdd má největší hodnotu, protože kontakt se provádí podél mikrovýčnělků a oblast fyzického kontaktu je malá.
Kromě toho jsou na povrchu součásti oxidové filmy a různé nečistoty.
Protože Svařujeme především oceli a slitiny, které mají značnou pevnost, k úplnému zhroucení mikrorovnic pak dochází až při jejich zahřátí svařovacím proudem na teploty cca 600 stupňů C
Odpor v kontaktu elektroda-obrobek je výrazně menší než Rdd, protože mezi výstupky mikrodrsnosti dílů se aktivně zavádí měkčí a více tepelně vodivý materiál elektrod.
Zvýšený odpor v kontaktech je dán i tím, že v kontaktních plochách dochází k prudkému zakřivení proudové čáry, což určuje vyšší odpor v důsledku zvýšení proudové dráhy.
Přechodový odpor Rdd a Red závisí do značné míry na čištění povrchu pro svařování.
Měřením 2 desek o tloušťce 3 mm, velmi silně stlačených 200 N podle obvodu ampérmetr-voltmetr, jsme získali následující hodnoty:
Čištění povrchu kotoučem a broušení: 100 µOhm
Závěr: brousit
V praxi se používá leptání (při svařování velkých ploch), povrchová úprava kovovými kartáči, pískování a brokování.
Při odporovém svařování se snaží používat za studena válcovanou ocel, na jejímž povrchu mohou být zbytky oleje.
Pokud na povrchu není rez, pak stačí svařované plochy odmastit.
Kontaktní odpor čistých, ale oxidem potažených dílů klesá s rostoucími kompresními silami. To lze vysvětlit větší deformací mikrovýčnělků.
Zapneme proud nejvyšší hustota proudového vedení je soustředěna na juvenilní povrchy. Proud přes kontakty vzniklé při deformaci mikrovýčnělků.
V počátečním okamžiku je proudová hustota v materiálu součásti menší, protože Proudové čáry jsou rozmístěny relativně rovnoměrně a v kontaktu dílčí části proud protéká pouze vodivými zónami, proto je proudová hustota vyšší než v převážné části části a tvorba tepla a ohřev v této oblasti je významnější. .
Kontaktní kov se stane plastickým. Deformuje se vlivem svařovací síly, zvětší se plocha vodivých kontaktů a při t = 600 stupňů C (v setinách sekundy) jsou mikrovýčnělky zcela deformovány, oxidové filmy jsou částečně zničeny, částečně difundují do hmotnost součásti a role přechodového odporu Rdd již nebudou v procesu ohřevu rozhodující.
V tomto okamžiku však bude teplota v kontaktní oblasti mezi částmi nejvyšší, odpor materiál ρ je největší a uvolňování tepla bude v této zóně stále intenzivnější.
Pokud je proudová hustota dostatečná a doba jeho toku dostatečná, zde začíná tavení kovu.
Vznik izotermy tavení přesně v kontaktu součásti a součásti bude usnadněn nejmenším odvodem tepla z této oblasti, vlastním odporem součásti.
Vlastní odpor součásti
S- průřez vodiče
Koeficient A zvyšuje rozprostření aktuální linie do hmoty součásti, zatímco skutečná plocha rozprostření se zvětší
dk - rozmetací průměr
A = 0,8-0,95, závisí na tvrdosti materiálu a ve větší míře na měrném odporu.
Z poměru dk/δ= 3-5 A=0,8
Je zřejmé, že odpor součásti závisí na tloušťce, která je zohledněna koeficientem A a na konkrétní elektrický odpor materiálu dílu ρ, záleží na chemické složení.
Navíc odpor závisí na teplotě
ρ(t)=ρ0*(1+αp*T)
Během procesu svařování, kdy protéká proud, se měří t od kontaktu po tpl a vyšší
Tm = 1530 °C
Po dosažení tmelt se odpor prudce zvýší.
αρ-teplotní koeficient
αρ=0,004 1/degC - pro čisté kovy
αρ=0,001-0,003 1/degC - pro slitiny
Hodnota αρ klesá s rostoucím stupněm ligace.
S rostoucí teplotou se kov jak v kontaktu, tak v objemu pod elektrodami deformuje, kontaktní plocha se zvětšuje, a pokud je pracovní plocha elektrod kulovitá, může se kontaktní plocha zvětšit 1,5-2krát.
Graf změn odporu během procesu svařování.
V počátečním okamžiku se odpor součásti zvýší v důsledku zvýšení teploty a zvýšení elektrického odporu, poté se kov stane plastickým a kontaktní plocha se začne zvětšovat v důsledku vtlačení elektrod do povrchu části a také zvětšení velikosti kontaktní plochy mezi částmi.
Celkový odpor se s vypínáním sníží svařovací proud. To však platí pro svařování uhlíkových a nízkolegovaných ocelí.
U svařování žáruvzdorných slitin Ni a Cr se odpor může dokonce zvýšit.
Elektrické a teplotní pole.
Joule-Lenzův zákon Q=IRt ukazuje uvolňování tepla v prvcích vedoucích proud a dochází také k procesům odvodu tepla.
Díky aktivnímu chlazení elektrod a zvýšenému odvodu tepla v nich získáme čočkovitý tvar litého jádra.
Ale ne vždy je možné získat takový tvar, zejména při svařování rozdílných materiálů různých tlouštěk a tenkých dílů.
Znáte-li povahu teplotního pole ve svařovací zóně, můžete analyzovat:
1) Rozměry litého jádra.
2) Velikost HAZ (struktura).
3) Velikost zbytkových napětí, tzn. vlastnosti sloučenin.
Teplotní pole je soubor teplot v různých bodech součásti v určitém časovém okamžiku.
Body se stejnou teplotou spojené přímkou se nazývají izoterma.
Velikost čistého jádra na mikrořezu udává izotermu tavení podél hranic odlévaného jádra.
V konečném důsledku teplota a velikost izotermy tání, tzn. lité jádro, ovlivňuje především odolnost součásti.
Zakladatel Gelman vzal dva díly 2+2mm, vyleštil, vyleptal a získal lité jádro; Vzal jsem díly a také dostal lité jádro.
Potíže vznikající při svařování nestejných tlouštěk nás však nutí studovat rozložení tepelných polí ve svařovací zóně.
Proudová hustota je počet nábojů, které projdou během 1 sekundy malou oblastí kolmou ke směru pohybu nábojů, dělený délkou jeho povrchu.
Tepelné zpracování kovů je jedním z hlavních způsobů, jak zlepšit jejich mechanické a fyzikálně-chemické vlastnosti: tvrdost, pevnost a další.
Jedním typem tepelného zpracování je kalení. Od pradávna ji člověk úspěšně používal řemeslným způsobem. Ve středověku se tento způsob tepelného zpracování používal ke zlepšení pevnosti a tvrdosti kovových předmětů pro domácnost: seker, srpů, pil, nožů, ale i vojenských zbraní v podobě kopí, šavlí a dalších.
A nyní používají tuto metodu zlepšování vlastností kovu nejen v průmyslovém měřítku, ale také doma, hlavně pro kalení kovových předmětů pro domácnost.
Kalením se rozumí druh tepelného zpracování kovu, spočívající v jeho zahřátí na teplotu, při jejímž dosažení dochází ke změně struktury krystalové mřížky (polymorfní přeměna) a dalším zrychleném ochlazování ve vodě nebo olejovém médiu. Účelem tohoto tepelného zpracování je zvýšit tvrdost kovu.
Používá se také kalení, při kterém teplota zahřívání kovu zabraňuje polymorfní přeměně. V tomto případě se zaznamená jeho stav, který je charakteristický pro kov při teplotě ohřevu. Tento stav se nazývá přesycený pevný roztok.
Technologie polymorfního transformačního kalení se používá především u výrobků z ocelových slitin. Neželezné kovy jsou podrobeny kalení bez dosažení polymorfní změny.
Ocelové slitiny po takové úpravě ztvrdnou, ale zároveň se stanou křehčími a ztratí svou tažnost.
Pro snížení nežádoucí křehkosti po ohřevu s polymorfní změnou se používá tepelné zpracování zvané temperování. Provádí se při nižší teplotě za postupného dalšího ochlazování kovu. Tímto způsobem se uvolní pnutí kovu po procesu kalení a sníží se jeho křehkost.
Při kalení bez polymorfní přeměny není problém s nadměrnou křehkostí, ale tvrdost slitiny nedosahuje požadované hodnoty, proto při opakování tepelné zpracování, nazývané stárnutí, naopak přibývá v důsledku rozkladu přesyceného tuhého roztoku.
Vlastnosti kalení oceli
Kaleny jsou především nerezové výrobky a slitiny určené k jejich výrobě. Mají martenzitickou strukturu a vyznačují se zvýšenou tvrdostí, což vede ke křehkosti výrobků.
Pokud takové výrobky tepelně upravíte zahřátím na určitou teplotu a následným rychlým temperováním, můžete dosáhnout zvýšení viskozity. To umožní použití takových produktů v různých oblastech.
Druhy kalení oceli
V závislosti na účelu nerezových výrobků je možné kalit celý předmět nebo jen tu jeho část, která musí být funkční a má zvýšené pevnostní charakteristiky.
Proto se kalení výrobků z nerezové oceli dělí na dvě metody: globální a lokální.
Chladící médium
Dosažení požadovaných vlastností nerezových materiálů do značné míry závisí na volbě způsobu chlazení.
Různé značky nerezové oceli se chladí jinak. Pokud se nízkolegované oceli chladí ve vodě nebo jejích roztocích, pak se pro nerezové slitiny pro tyto účely používají olejové roztoky.
Důležité: Při volbě média, ve kterém se kov po zahřátí ochladí, je třeba vzít v úvahu, že ochlazování probíhá rychleji ve vodě než v oleji! Například voda o teplotě 18 °C dokáže zchladit slitinu o 600 °C za sekundu, ale olej jen o 150 °C.
Pro dosažení vysoké tvrdosti kovu se chlazení provádí v proudu studená voda. Pro zvýšení vytvrzovacího účinku se také připravuje solný roztok pro chlazení přidáním asi 10 % do vody. stolní sůl nebo použijte kyselé prostředí, ve kterém je alespoň 10% kyseliny (obvykle sírové).
Kromě volby chladicího média je důležitý také režim chlazení a rychlost. Rychlost poklesu teploty musí být alespoň 150 °C za sekundu. Teplota slitiny by tedy měla za 3 sekundy klesnout na 300 °C. Další snížení teploty lze provést jakoukoliv rychlostí, protože struktura fixovaná v důsledku rychlého ochlazení se již při nízkých teplotách nezničí.
Důležité: Příliš rychlé ochlazení kovu vede k jeho nadměrné křehkosti! To je třeba vzít v úvahu při svém otužování.
Rozlišují se následující způsoby chlazení:
- Pomocí jednoho média, kdy se produkt umístí do kapaliny a udržuje se tam až do úplného ochlazení.
- Chlazení ve dvou kapalných médiích: olej a voda (příp fyziologický roztok) pro nerezové oceli. Výrobky z uhlíkové oceli se nejprve ochladí ve vodě, protože jde o rychle chladící médium, a poté v oleji.
- Pomocí tryskové metody, kdy je díl chlazen proudem vody. To je velmi výhodné, když potřebujete vytvrdit konkrétní oblast produkty.
- Použití metody stupňovitého chlazení při dodržení teplotních podmínek.
Teplota
Opravit teplotní režim kalení výrobků z nerezové oceli je důležitou podmínkou jejich kvality. Za úspěch dobré vlastnosti jsou rovnoměrně zahřáté na 750-850 °C a poté rychle ochlazeny na teplotu 400-450 °C.
Důležité: Zahřívání kovu nad bodem rekrystalizace vede k hrubozrnné struktuře, která zhoršuje jeho vlastnosti: nadměrná křehkost, vedoucí k praskání!
Ke zmírnění pnutí po zahřátí kovu na požadovanou vytvrzovací teplotu se někdy používá postupné ochlazování výrobků, které postupně snižuje teplotu v každém zahřívacím stupni. Tato technologie umožňuje zcela odstranit vnitřní pnutí a získat odolný produkt s požadovanou tvrdostí.
Jak vytvrdit kov doma
Pomocí základních znalostí můžete kalit ocel doma. Ohřev kovu se obvykle provádí pomocí ohně, elektrických muflových pecí nebo plynových hořáků.
Kalení sekery na kůlu a v peci
Pokud potřebujete dodat nástrojům pro domácnost dodatečnou sílu, například aby sekera byla odolnější, pak nejjednodušší způsob, jak ji vytvrdit, lze provést doma.
Při výrobě jsou osy vyraženy značkou, podle které lze identifikovat jakost oceli. Jako příklad se podíváme na proces kalení pomocí nástrojové oceli U7.
Technologie musí být provedena v souladu s následujícími pravidly:
1. Žíhání. Před zpracováním otupte ostrou hranu čepele a vložte sekeru do pece na hořící cihly, aby se zahřála. Postup tepelného zpracování je nutné pečlivě sledovat, aby nedošlo k přehřátí (přípustný ohřev je 720-780°C). Pokročilejší řemeslníci poznají teplotu podle barvy tepla.
A začátečníci mohou zjistit teplotu pomocí magnetu. Pokud se magnet přestane lepit na kov, znamená to, že se sekera zahřála nad 768 °C (červeno-vínová barva) a je čas vychladnout.
Pomocí pohrabáče přesuňte žhavou sekeru ke dvířkům trouby, odstraňte teplo hlouběji, zavřete dvířka a ventil, zahřátý kov nechte v troubě 10 hodin. Sekeru necháme postupně v kamnech vychladnout.
2. Kalení oceli. Sekeru zahřejte nad ohněm, vařičem nebo vařičem do tmavě červena - teplota 800-830°C (magnet přestal magnetizovat, počkejte další 2-3 minuty).
Kalení se provádí v ohřáté vodě (30°C) a oleji. Spusťte ostří sekery do vody 3-4 cm a energicky jí pohybujte.
3. Uvolnění ostří sekery. Popouštění snižuje křehkost oceli a uvolňuje vnitřní pnutí. Kov obruste brusným papírem, abyste lépe rozlišili barvy laku.
Sekeru vložte do trouby na 1 hodinu při teplotě 270-320°C. Po odstátí vyjměte a ochlaďte na vzduchu.
Video: tepelné zpracování sekery doma, tři stupně: žíhání, kalení, popouštění.
Kalení nože
K vlastnímu kalení kovů je vhodné používat pece. Pro domácí potřeby v podobě nožů, seker a dalších jsou nejvhodnější muflové pece malá velikost. V nich můžete dosáhnout teploty kalení mnohem vyšší než na ohni a je snazší dosáhnout rovnoměrného zahřátí kovu.
Takový sporák si můžete vyrobit sami. Na internetu jich najdete mnoho jednoduché možnosti jeho návrhy. V takových pecích můžete kovový výrobek zahřát na 700-900 °C.
Podívejme se, jak vytvrdit nerezový nůž doma pomocí elektrické muflové pece. Pro chlazení se místo vody nebo oleje používá roztavený pečetní vosk (lze získat od vojenské jednotky).
Už jste někdy museli řezat nebo řezat něco kovového vlastníma rukama? Pokud ano, pravděpodobně máte otázku, jak to udělat. Samozřejmě se vždy dá použít stará dobrá pilka na kov, ale co když se nebavíme o tenkém pozinkovaném plechu, ale například o silnostěnné trubce?
Zde samozřejmě může pomoci pilka na železo, ale bude vynaloženo neúměrné množství času a úsilí. To znamená, že je zapotřebí radikálnější přístup a v tomto článku budeme hovořit o tom, jak řezat kov a jak to nejlépe udělat.
Řezání kovu bruskou
Není s jistotou známo, proč se tento nástroj tak nazýval. Hlavní verzí je, že první produkční zemí bylo Bulharsko, ale ve skutečnosti je to jen verze.
Při výběru toho, čím řezat kov, většina lidí dává přednost brusce, protože na rozdíl od plynové zařízení, jeho cena je mnohem nižší a k práci s ním nepotřebujete žádné specifické dovednosti.
Na druhou stranu se kvůli ní mnozí velmi bojí pracovat jako úhlová bruska vysoký výkon a nebezpečí. Ve skutečnosti není nic složitého, hlavní věcí je přísně dodržovat bezpečnostní opatření a nezanedbávat ani maličkosti.
V práci s kovem a celku nemohou být žádné maličkosti řezací nástroj kov představuje určité nebezpečí. Bezpečnostní pokyny při práci s řeznými nástroji jsou relevantní jak pro velké brusky s výkonem nad dva kilowatty, tak pro velmi malé, které i přes svou kompaktní velikost mohou způsobit značné poškození zdraví.
Tento nástroj řeže kov otáčením brusný kotouč, jehož tloušťka se může lišit v závislosti na kovu, který je třeba řezat. Čím tenčí je stěna ocelový výrobek, čím tenčí bude kotouč na řezání kovů použit.
V tomto článku nebudeme mluvit o tom, jak důležitá jsou bezpečnostní opatření. Toto je vždy prioritní záležitost, ale pokud nemáte zkušenosti s prací s úhlovou bruskou, pak speciálně pro vás dáme několik jemností, o kterých musíte vědět, abyste nepoškodili své zdraví.
Několik důležitých bodů
Tak:
- Z bezpečnostních důvodů by rotace kotouče měla probíhat ve směru řezu, tedy směrem k osobě, která kov řeže, ale tato poloha zpravidla není příliš vhodná a je mnohem snazší, když proudění jiskry míří dopředu. V zásadě zde nejsou žádná významná omezení, vše závisí na osobním pohodlí obsluhy nástroje.
- Při řezání kovu používejte pouze vhodné kotouče. Kotouče na kámen nebo dřevo mají nižší hustotu a při kontaktu s ocelovým povrchem se rychle rozsypou a úlomky mohou poškodit vás nebo ostatní.
- Nepracujte bez ochranný obal. Směruje jiskry na stranu, takže vám nebudou létat do obličeje. Také je to jediná záchrana v případě, že se disk kousne a rozpadne.
- Neřežte kov od sebe. Díky tomu je mnohem pravděpodobnější, že se disk kousne. Směr řezu by měl být vždy směrem k fréze.
- Udržujte přístroj vodorovně. Řezání pod úhlem povede k deformaci disku a jeho zlomení a úlomky vylétající takovou rychlostí mohou způsobit značnou újmu zdraví.
- K čištění povrchu nikdy nepoužívejte řezací nůž. Pro odizolování existují speciální kotouče, které se liší tloušťkou a hustotou.
- Některé typy brusek používají pouze vlastní značkové kotouče. Je to dáno rozdílem v počtu otáček, takže pokud jste majitelem značkového nářadí, používejte kotouče pouze pod touto značkou.
- Nikdy nepoužívejte disky jiné velikosti. Každá velikost je určena pro nástroj s určitým počtem otáček. Pokud tedy na velkou brusku položíte malý nebo středně velký kotouč, jednoduše praskne.
- Nešetřete penězi. Pokud se na disku objeví prasklina nebo jste si toho při nákupu nevšimli, okamžitě jej vyhoďte do koše. Náhodné prasknutí při řezání pro vás může skončit velmi špatně. Pamatujte, že cena disku nestojí za váš život a zdraví.
- Při práci vždy dávejte dobrý pozor na to, co je před vámi. Jiskry létající zpod úhlové brusky mohou zapálit dřevo, plasty a další hořlavé materiály. Kromě toho byste neměli pracovat s úhlovou bruskou v blízkosti benzínu nebo plynu.
- Před řezáním kovu bruskou se ujistěte, že je správně umístěna. Při řezání musí být řezaný díl mimo dohled, jinak může dojít k ukousnutí kotouče.
Důležité! Nikdy se nástroje nebojte, bez ohledu na to, jak nebezpečně vypadá nebo jak je hlučný. Když víte, jak správně řezat kov, zaručeně se nezraníte.
Takže jsme přišli na brusku, ale to není zdaleka jediný nástroj na řezání kovu. A níže se podíváme na další možnosti, ale prozatím vám doporučujeme podívat se na video v tomto článku, které hovoří o řezání kovů a řezných nástrojích. Mezitím jedeme dál.
Ostatní nástroje pro řezání kovů
S bruskou se dá samozřejmě řezat cokoliv, hlavní je vybrat k tomu ten správný kotouč. Ale tato možnost není vždy nejpohodlnější a nejpraktičtější. Zde je jen několik okamžiků, kdy je vhodnější řezání kovu jiným nástrojem.
- Pokud materiál má zinkový povlak. Díky vysokým otáčkám bruska povlak jednoduše spálí a nezůstane po něm ani stopa.
- Lakovaný materiál se také nejlépe stříhá kovovými nůžkami. Budou chránit povlak a nebudou ho pálit.
- Je vhodnější řezat kov pilkou na železo, pokud je pod napětím, například pokud se jedná o topné potrubí uzavřené v okruhu systému.
- Je lepší řezat kov o tloušťce větší než 10 milimetrů pomocí plynové řezačky, protože bruska se s tím prostě nemusí vyrovnat.
Důležité! V tomto článku záměrně neřekneme, jak řezat kov řezačkou, protože to vyžaduje speciální znalosti a zkušenosti. Nikdy se nepokoušejte spustit řezací hořák sami. To může způsobit výbuch propanu nebo požár.
To je daleko úplný seznam okamžiky, kdy je lepší odmítnout použití úhlové brusky, ale všechny výše uvedené situace jsou v každodenním životě velmi běžné. Co tedy používat pro práci?
Podívejme se na nejoblíbenější a cenově dostupné alternativní nástroje pro řezání kovu:
- Řezací hořák . Je obtížné tento nástroj nazvat přístupným, ale nemohli jsme to ignorovat, protože v některých případech je to jediný nástroj, který se s tímto úkolem vyrovná. Například při řezání silných kovů může být jedinou alternativou k řezačce laser a takový nástroj není pro potřeby domácnosti k dispozici.
- Pilka na kov. Tento nástroj je zpravidla v arzenálu každého domácí kutil. Řezání kovu pilkou je časově náročné a problematické, ale v některých těžko dostupná místa je možné se plazit pouze k ní.
- Kovové nůžky. Samozřejmě, že takovým nástrojem trubku neuříznete, ale pokud potřebujete například ukousnout profil pro sádrokarton, pak lepší varianta prostě nelze najít. Snadno se s nimi pracuje, jsou bezpečné a neničí zinkový povlak ani barvu.
- Lisovací nůžky. Tento nástroj je určen pro řezání drátu nebo tvarovek. Podle velikosti dokážou nůžky oddělit tyč o průměru až 20 milimetrů a pracuje se s nimi mnohem pohodlněji než s bruskou.
Jak vidíte, výběr je velmi bohatý a nástroj byste si měli vybrat v závislosti na konkrétní situaci. Samozřejmě je těžké konkurovat úhlové brusce, ale ne vždy je možné ji použít a pak přijdou na pomoc alternativní možnosti.
A na závěr bych ještě jednou připomněl – vždy dodržujte bezpečnostní opatření a používejte prostředky Osobní ochrana. Žádná práce nestojí za to riskovat své zdraví nebo dokonce život.
Základní metody a způsoby přeměny elektrické energie na teplo klasifikovány následovně. Rozlišuje se přímé a nepřímé elektrické vytápění.
Na přímé elektrické vytápění k přeměně elektrické energie na teplo dochází v důsledku průchodu elektrický proud přímo nad zahřátým tělesem nebo médiem (kov, voda, mléko, půda atd.). Na nepřímé elektrické vytápění elektrický proud prochází speciálním topným zařízením ( topné těleso), ze kterého se teplo přenáší do ohřívaného tělesa nebo média vedením, prouděním nebo sáláním.
Existuje několik typů přeměny elektrické energie na energii tepelnou, které určují způsoby elektrické vytápění.
Proudění elektrického proudu elektricky vodivými pevnými látkami nebo kapalnými médii je doprovázeno uvolňováním tepla. Podle Joule-Lenzova zákona je množství tepla Q=I 2 Rt, kde Q je množství tepla J; I - silatok, A; R - tělo nebo střední odpor, Ohm; t - aktuální doba průtoku, s.
Odporový ohřev lze provádět kontaktními a elektrodovými metodami.
Kontaktní metoda používá se pro ohřev kovů jak na principu přímého elektrického ohřevu např. u elektrických kontaktních svářeček, tak na principu nepřímého elektrického ohřevu - v topných tělesech.
Metoda elektrod slouží k ohřevu nekovových vodivých materiálů a médií: voda, mléko, šťavnaté krmivo, půda atd. Ohřátý materiál nebo médium se umístí mezi elektrody, na které je přiváděno střídavé napětí.
Elektrický proud protékající materiálem mezi elektrodami jej ohřívá. Obyčejná (nedestilovaná) voda vede elektrický proud, protože vždy obsahuje určité množství solí, zásad nebo kyselin, které se disociují na ionty, které jsou nositeli elektrického náboje, tedy elektrického proudu. Povaha elektrické vodivosti mléka a jiných tekutin, půdy, šťavnatého krmiva atd. je podobná.
Přímý ohřev elektrody se provádí pouze na střídavý proud, protože stejnosměrný proud způsobuje elektrolýzu ohřátého materiálu a jeho znehodnocení.
Elektrický ohřev odporem nalezen široké uplatnění ve výrobě díky své jednoduchosti, spolehlivosti, všestrannosti a nízké ceně topných zařízení.
Topení elektrickým obloukem
V elektrickém oblouku, který vzniká mezi dvěma elektrodami v plynném prostředí, se elektrická energie přeměňuje na tepelnou energii.
Pro spuštění oblouku se na okamžik dotknete elektrod připojených ke zdroji energie a poté se pomalu oddělí. Přechodový odpor v okamžiku roztažení elektrod je silně zahříván procházejícím proudem. Volné elektrony, neustále se pohybující v kovu, urychlují svůj pohyb s rostoucí teplotou v místě kontaktu elektrod.
Se stoupající teplotou se rychlost volných elektronů zvyšuje natolik, že se odtrhnou od kovu elektrod a vyletí do vzduchu. Při pohybu se srážejí s molekulami vzduchu a štěpí je na kladně a záporně nabité ionty. Vzduchový prostor mezi elektrodami je ionizován, který se stává elektricky vodivým.
Pod vlivem napětí zdroje se kladné ionty vrhají na záporný pól (katoda) a záporné ionty na kladný pól (anoda), čímž vytvářejí dlouhý výboj - elektrický oblouk, doprovázený uvolňováním tepla. Teplota oblouku není v různých částech stejná a pro kovové elektrody je: na katodě - asi 2400 °C, na anodě - asi 2600 °C, ve středu oblouku - asi 6000 - 7000 °C .
Existuje přímý a nepřímý elektrický obloukový ohřev. Základy praktické využití nachází přímý elektrický obloukový ohřev v instalacích pro svařování elektrickým obloukem. V instalacích nepřímé vytápění oblouk se používá jako výkonný zdroj infračervené paprsky.
Pokud je kus kovu umístěn ve střídavém magnetickém poli, pak se v něm indukuje proměnná e. d.s, pod jejichž vlivem budou v kovu vznikat vířivé proudy. Průchod těchto proudů v kovu způsobí jeho zahřátí. Tento způsob ohřevu kovu se nazývá indukce. Konstrukce některých indukčních ohřívačů je založena na využití povrchového efektu a proximity efektu.
Pro indukční ohřev se používají průmyslové (50 Hz) a vysokofrekvenční proudy (8-10 kHz, 70-500 kHz). Indukční ohřev kovových těles (dílů, obrobků) je nejrozšířenější ve strojírenství a opravách zařízení a také pro kalení kovové části. Indukční metodu lze také použít k ohřevu vody, půdy, betonu a pasterizaci mléka.
Dielektrické vytápění
Fyzikální podstata dielektrického ohřevu je následující. V pevných látkách a kapalinách se špatnou elektrickou vodivostí (dielektrika) umístěných v rychle se měnícím elektrickém poli se elektrická energie přeměňuje na tepelnou energii.
Jakékoli dielektrikum obsahuje elektrické náboje spojené mezimolekulárními silami. Tyto náboje se nazývají vázané na rozdíl od volných nábojů ve vodivých materiálech. Vlivem elektrického pole jsou vázané náboje orientovány nebo posunuty ve směru pole. Přemístění vázaných nábojů vlivem vnějšího elektrického pole se nazývá polarizace.
V proměnné elektrické pole Dochází k nepřetržitému pohybu nábojů a následně i molekul s nimi spojených mezimolekulárními silami. Energie vynaložená zdrojem na polarizaci molekul nevodivých materiálů se uvolňuje ve formě tepla. Některé nevodivé materiály obsahují malé množství volných nábojů, které vlivem elektrického pole vytvářejí nepatrný vodivý proud, který přispívá k uvolnění extra teplo v materiálu.
Při dielektrickém ohřevu je ohřívaný materiál umístěn mezi kovové elektrody - kondenzátorové desky, na které je přiváděno vysokofrekvenční napětí (0,5 - 20 MHz a vyšší) ze speciálního vysokofrekvenčního generátoru. Zařízení pro dielektrický ohřev se skládá z vysokofrekvenčního lampového generátoru, výkonového transformátoru a sušícího zařízení s elektrodami.
Vysokofrekvenční dielektrický ohřev je perspektivní způsob ohřevu a používá se především pro sušení a tepelné zpracování dřeva, papíru, potravin a krmiv (sušení obilí, zeleniny a ovoce), pasterizaci a sterilizaci mléka atd.
Vyhřívání elektronovým paprskem (elektronické).
Když se proud elektronů (elektronový paprsek), urychlený v elektrickém poli, setká se zahřátým tělesem, elektrická energie se přemění na tepelnou energii. Funkce elektronického vytápění je vysoká hustota koncentrace energie ve výši 5x10 8 kW/cm2, což je několik tisíckrát více než u elektrického obloukového ohřevu. Elektronický ohřev se používá v průmyslu pro svařování velmi malých dílů a tavení ultračistých kovů.
Kromě uvažovaných způsobů elektrického vytápění se používá také ve výrobě a každodenním životě. infračervené vytápění(ozáření).
Zahřívání kovů a slitin se provádí buď za účelem snížení jejich odolnosti proti plastické deformaci (tedy před kováním nebo válcováním), nebo za účelem změny krystalové struktury, ke které dochází vlivem vysokých teplot (tepelné zpracování). V každém z těchto případů mají podmínky procesu ohřevu významný vliv na kvalitu konečného produktu.
Úkoly, které je třeba řešit, předurčují hlavní charakteristiky procesu ohřevu: teplotu, rovnoměrnost a dobu trvání.
Teplota ohřevu se obvykle nazývá konečná teplota povrchu kovu, při které může být uvolněn z pece v souladu s požadavky technologie. Teplota ohřevu závisí na chemickém složení (kvalitě) slitiny a účelu ohřevu.
Při zahřátí před tlakovým zpracováním by teplota, při které se obrobky uvolňují z pece, měla být poměrně vysoká, protože to pomáhá snížit odolnost proti plastické deformaci a vede ke snížení spotřeby energie na zpracování, zvýšení produktivity válcování a kovací zařízení a zvýšení jeho životnosti.
Existuje však horní hranice teploty ohřevu, protože je omezena růstem zrn, jevy přehřívání a vyhoření, jakož i zrychlením oxidace kovu. Během zahřívání většiny slitin, po dosažení bodu ležícího 30-100°C pod čárou solidu na jejich fázovém diagramu, se vlivem segregace a nekovových vměstků objeví na hranicích zrn kapalná fáze; to vede k oslabení mechanického spojení mezi zrny a intenzivní oxidaci na jejich hranicích; takový kov ztrácí pevnost a během tlakové úpravy se ničí. Tento jev, nazývaný přepalování, omezuje maximální teplotu ohřevu. Spálený kov nelze korigovat žádným následným tepelným zpracováním a je vhodný pouze k přetavení.
Přehřátí kovu vede k nadměrnému růstu zrn, což má za následek znehodnocení mechanické vlastnosti. Proto musí být válcování dokončeno při teplotě nižší, než je teplota přehřátí. Přehřátý kov lze korigovat žíháním nebo normalizací.
Nejnižší mez teploty ohřevu je stanovena na základě přípustné teploty na konci tlakového zpracování s přihlédnutím ke všem tepelným ztrátám z obrobku v životní prostředí a uvolňování tepla uvnitř sebe v důsledku plastické deformace. Proto pro každou slitinu a pro každý typ tváření existuje určitý teplotní rozsah, nad a pod kterým by se obrobek neměl zahřívat. Tyto informace jsou uvedeny v příslušných referenčních knihách.
Otázka teploty ohřevu je důležitá zejména u takových složitých slitin, jako jsou vysokolegované oceli, které při tlakovém zpracování vykazují velkou odolnost proti plastické deformaci a zároveň jsou náchylné k přehřívání a vyhoření. Tyto faktory určují užší rozsah teplot ohřevu u vysokolegovaných ocelí ve srovnání s oceli uhlíkovými.
V tabulce 21-1 poskytuje údaje pro některé oceli na maximum přípustná teplota jejich ohřev před tlakovým zpracováním a teplota vyhoření.
Při tepelném zpracování závisí teplota ohřevu pouze na technologických požadavcích, tj. na druhu tepelného zpracování a jeho režimu, určeném strukturou a strukturou slitiny.
Rovnoměrnost vytápění je určena velikostí rozdílu teplot mezi povrchem a středem (protože to je obvykle největší rozdíl) obrobku při jeho uvolnění z pece:
∆T con = T con pov - T con c. Tento indikátor je také velmi důležitý, protože příliš velký teplotní rozdíl napříč průřezem obrobku při zahřátí před tlakovým zpracováním může způsobit nerovnoměrnou deformaci a při zahřátí na tepelné zpracování vést k neúplnosti požadovaných přeměn v celé tloušťce obrobku. kov, tj. v obou případech vady finálních výrobků. Současně proces vyrovnávání teploty na průřezu kovu vyžaduje dlouhodobou expozici při vysoká teplota povrchy.
Úplné rovnoměrné zahřátí kovu před tlakovým zpracováním však není nutné, protože během jeho přepravy z pece do válcovny nebo lisu a válcování (kování) nevyhnutelně dochází k vyrovnání teplot napříč průřezem ingotů a předvalků v důsledku uvolňování tepla do okolí z jejich povrchu a tepelná vodivost do kovu. Na základě toho se obvykle bere podle praktických údajů při ohřevu před tlakovým zpracováním přípustný teplotní rozdíl na průřezu v následujících mezích: pro vysokolegované oceli ∆ T con= 1008; pro všechny ostatní třídy oceli ∆ T con= 2008 při 5<0,1 м и ∆T con= 300δ při δ > 0,2 m Zde δ je zahřátá tloušťka kovu.
Ve všech případech by teplotní rozdíl v tloušťce obrobku na konci jeho ohřevu před válcováním nebo kováním neměl překročit 50 °C a při ohřevu na tepelné zpracování 20 °C, bez ohledu na tloušťku výrobku. Při ohřevu velkých ingotů je dovoleno je uvolnit z pece při ∆ T con <100 °С.
Dalším důležitým úkolem technologie ohřevu kovů je zajistit rovnoměrné rozložení teploty po celém povrchu obrobků nebo výrobků v době jejich vykládání z pece. Praktická nutnost tohoto požadavku je zřejmá, neboť při výrazném nerovnoměrném ohřevu na povrchu kovu (i při dosažení požadovaného teplotního rozdílu po tloušťce) mohou vznikat vady jako nerovnoměrný profil hotového válcovaného výrobku nebo odlišné mechanické vlastnosti vývalku. produktu podrobeného tepelnému zpracování jsou nevyhnutelné.
Zajištění stejnoměrnosti teploty po povrchu ohřívaného kovu je dosaženo správným výběrem pece pro ohřev určitého typu obrobku nebo výrobku a vhodným umístěním zařízení pro výrobu tepla v ní, vytvářejících potřebné teplotní pole v pracovním prostoru. pec, vzájemná poloha obrobků atd.
Doba ohřevu Konečná teplota je také nejdůležitějším ukazatelem, protože na ní závisí produktivita pece a její rozměry. Délka ohřevu na danou teplotu zároveň určuje rychlost ohřevu, tj. změnu teploty v některém bodě ohřívaného tělesa za jednotku času. Typicky se rychlost ohřevu mění s postupem procesu, a proto se rozlišuje mezi rychlostí ohřevu v určitém časovém okamžiku a průměrnou rychlostí ohřevu za uvažovaný časový interval.
Čím rychleji se provádí ohřev (tj. čím vyšší je rychlost ohřevu), tím je zjevně vyšší produktivita pece, přičemž všechny ostatní věci jsou stejné. V řadě případů však rychlost ohřevu nemůže být zvolena tak vysoká, jak je požadováno, i když to podmínky vnějšího přenosu tepla umožňují. To je způsobeno určitými omezeními vyplývajícími z podmínek procesů, které doprovázejí ohřev kovu v pecích a jsou diskutovány níže.
Procesy, ke kterým dochází při zahřívání kovu. Při zahřívání kovu se mění jeho entalpie, a protože ve většině případů je teplo přiváděno na povrch ingotů a obrobků, je jejich vnější teplota vyšší než teplota vnitřních vrstev. V důsledku tepelné roztažnosti různých částí pevné látky o různé velikosti vznikají napětí, nazývaná tepelná.
Další skupina jevů je spojena s chemickými procesy na povrchu kovu při zahřívání. Kovový povrch, který má vysokou teplotu, interaguje s prostředím (tedy se zplodinami hoření nebo vzduchem), v důsledku čehož se na něm vytváří vrstva oxidů. Pokud některé prvky slitiny interagují s prostředím obklopujícím kov za vzniku plynné fáze, pak je povrch o tyto prvky ochuzený. Například oxidace uhlíku v oceli při jejím zahřívání v pecích způsobuje povrchovou dekarbonizaci.
Tepelné namáhání
Jak bylo uvedeno výše, v příčném řezu ingotů a předvalků dochází při jejich zahřívání k nerovnoměrnému rozložení teploty, a proto různé části tělesa mají tendenci měnit svou velikost v různé míře. Protože v pevném tělese existují spojení mezi všemi jeho jednotlivými částmi, nelze je nezávisle deformovat podle teplot, na které jsou ohřívány. V důsledku toho vznikají teplotní pnutí v důsledku teplotních rozdílů. Vnější více zahřáté vrstvy mají tendenci se roztahovat a jsou proto ve stlačeném stavu. Vnitřní, chladnější vrstvy jsou vystaveny tahovým silám. Pokud tato napětí nepřekročí mez pružnosti ohřívaného kovu, pak jak se teplota na průřezu vyrovnává, tepelná napětí mizí.
Všechny kovy a slitiny mají elastické vlastnosti do určité teploty (například většina jakostí oceli do 450-500 °C). Nad touto určitou teplotou přecházejí kovy do plastického stavu a tepelná napětí, která v nich vznikají, způsobují plastickou deformaci a mizí. V důsledku toho by teplotní napětí měla být brána v úvahu při ohřevu a chlazení oceli pouze v teplotním rozsahu od pokojové teploty do bodu přechodu daného kovu nebo slitiny z elastického do plastického stavu. Taková napětí se nazývají mizející nebo dočasná.
Kromě dočasných existují zbytková teplotní pnutí, která zvyšují riziko destrukce při zahřátí. K těmto napětím dochází, pokud byl ingot nebo obrobek předtím vystaven ohřevu a chlazení. Při ochlazování dosáhnou vnější vrstvy kovu (chladnější) teploty přechodu z plastického do elastického stavu dříve. Při dalším ochlazování jsou vnitřní vrstvy vystaveny tahovým silám, které nemizí v důsledku nízké tažnosti studeného kovu. Pokud se tento ingot nebo sochor znovu zahřeje, pak se v nich vznikající dočasná napětí superponují se stejným znaménkem na zbytková, což zvýší nebezpečí prasklin a prasklin.
Kromě přechodných a zbytkových teplotních napětí vznikají při ohřevu a ochlazování slitin také napětí způsobená strukturálními změnami objemu. Ale protože tyto jevy obvykle probíhají při teplotách přesahujících hranici přechodu z elastického do plastického stavu, strukturální napětí jsou rozptýlena díky plastickému stavu kovu.
Vztah mezi deformacemi a napětími je stanoven Hookovým zákonem
σ= ( T av -T)
kde β je koeficient lineární roztažnosti; T prům- průměrná tělesná teplota; T- teplota v daném úseku těla; E- modul pružnosti (pro mnoho druhů oceli hodnota E klesá z (18÷22) . 10 4 MPa až (14÷17) . 10 4 MPa s rostoucí teplotou z pokojové teploty na 500 °C; σ -- napětí; v - Poissonův poměr (pro ocel v ≈ 0,3).
Velmi praktické je zjištění maximálního přípustného teplotního rozdílu na průřezu tělesa ∆T add = T povrch - T cena. Nejnebezpečnější jsou v tomto případě tahová napětí, proto je třeba je vzít v úvahu při výpočtu přípustného rozdílu teplot. Jako pevnostní charakteristiku je třeba vzít hodnotu pevnosti slitiny v tahu σv.
Potom pomocí řešení problémů s vedením tepla (viz kapitola 16) a uložením výrazu (21-1) na ně pro případ regulárního módu druhého druhu lze získat zejména:
pro rovnoměrně a symetricky vyhřívané nekonečné desky
∆T další = 1,5 (1 - v) σ v /();
pro rovnoměrně a symetricky vyhřívaný nekonečný válec
∆T další = 2 (1 - v) σ v /().
Přípustný teplotní rozdíl, zjištěný pomocí vzorců (21-2) a (21-3), nezávisí na velikosti těla a jeho termofyzikálních vlastnostech. Rozměry tělesa mají nepřímý vliv na hodnotu ∆ T navíc, protože zbytková napětí ve větších tělesech jsou větší.
Oxidace a dekarbonizace povrchu při zahřátí. Oxidace ingotů a sochorů při zahřívání v pecích je krajně nežádoucí jev, protože vede k nevratné ztrátě kovu. To vede k velmi velkým ekonomickým škodám, které jsou zvláště zřejmé, pokud porovnáme náklady na ztráty kovu během oxidace s jinými náklady na zpracování. Takže například při ohřevu ocelových ingotů v topných vrtech jsou náklady na kov ztracený vodním kamenem obvykle vyšší než náklady na palivo vynaložené na ohřev tohoto kovu a náklady na elektřinu vynaloženou na jeho válcování. Při ohřevu předvalků v pecích dlouhých válcoven jsou ztráty z okují poněkud nižší, ale stále jsou poměrně velké a jejich cena je srovnatelná s náklady na palivo. Protože na cestě od ingotu k hotovému výrobku je kov obvykle několikrát ohříván v různých pecích, ztráty v důsledku oxidace jsou poměrně značné. Vyšší tvrdost oxidů ve srovnání s kovem navíc vede ke zvýšenému opotřebení nástroje a zvyšuje procento vad při kování a válcování.
Tepelná vodivost oxidové vrstvy vytvořené na povrchu, která je nižší než u kovu, prodlužuje dobu ohřevu v pecích, což má za následek snížení jejich produktivity při zachování všech ostatních podmínek a rozpadající se oxidy vytvářejí nahromaděné strusky. dno pece, což ztěžuje provoz a způsobuje zvýšenou spotřebu žáruvzdorných materiálů.
Vzhled okují také znemožňuje přesné měření teploty povrchu kovu, nastavenou technology, což komplikuje kontrolu tepelného režimu pece.
Výše zmíněná interakce s plynným prostředím v peci jakéhokoli legovaného prvku má pro ocel praktický význam. Snížení obsahu uhlíku v něm způsobuje pokles tvrdosti a pevnosti v tahu. Pro získání specifikovaných mechanických vlastností výrobku je nutné odstranit dekarbonizovanou vrstvu (dosahující 2 mm), což zvyšuje složitost zpracování jako celku. Zvláště nepřijatelná je dekarbonizace těch výrobků, které jsou následně podrobeny povrchovému tepelnému zpracování.
Procesy oxidace slitiny jako celku a jejích jednotlivých nečistot při zahřívání v pecích by měly být zvažovány společně, protože spolu úzce souvisí. Například podle experimentálních dat při zahřátí oceli na teplotu 1100 °C a vyšší v atmosféře konvenční pece dochází k oxidaci rychleji než k povrchovému oduhličování a vzniklé okují hraje roli ochranné vrstvy, která oduhličení brání. Při nižších teplotách je oxidace mnoha ocelí (i v silně oxidujícím prostředí) pomalejší než oduhličení. Proto ocel zahřátá na teplotu 700-1000 °C může mít dekarbonizovaný povrch. To je zvláště nebezpečné, protože pro tepelné zpracování je typický teplotní rozsah 700-1000 °C.
Oxidace kovů. Oxidace slitin je proces interakce oxidačních plynů s jejich bází a legujícími prvky. Tento proces je určen nejen rychlostí chemických reakcí, ale také vzorem tvorby oxidového filmu, který při svém růstu izoluje povrch kovu od účinků oxidačních plynů. Rychlost růstu oxidové vrstvy proto závisí nejen na průběhu chemického procesu oxidace oceli, ale také na podmínkách pohybu kovových iontů (z kovu a vnitřních vrstev oxidů k vnějším) a atomů kyslíku. (od povrchu k vnitřním vrstvám), tedy za podmínek proudění fyzikální proces obousměrné difúze.
Difúzní mechanismus vzniku oxidů železa, který podrobně studoval V.I. Arkharov, určuje třívrstvou strukturu vrstvy okují vzniklé při zahřívání oceli v oxidačním prostředí. Vnitřní vrstva (přiléhající ke kovu) má nejvyšší obsah železa a skládá se převážně z FeO (wustite): Fe B V 2 0 2 C| FeCX Teplota tání wustitu je 1317 °C. Střední vrstva - magnetit Fe 3 0 4, s teplotou tání 1565 ° C, vzniká při následné oxidaci wustitu: 3FeO Ts 1 / 2 0 2 ift Fe s 0 4. Tato vrstva obsahuje méně železa a je obohacena kyslíkem ve srovnání s vnitřní vrstvou, i když ne v takové míře jako hematit nejbohatší na kyslík Fe 2 0 8 (bod tání 1538 ° C): 2Fe 3 0 4 -f V 2 0 2 - C 3Fe 2 O s. Složení každé vrstvy není v průřezu konstantní, ale postupně se mění v důsledku nečistot více (blíže k povrchu) nebo méně (blíže ke kovu) oxidů bohatých na kyslík.
Oxidačním plynem při ohřevu v pecích je nejen volný kyslík, ale i kyslík vázaný, který je součástí produktů úplného spalování paliva: CO 2 H 2 0 a S0 2. Tyto plyny se stejně jako O 2 nazývají oxidační na rozdíl od redukčních plynů: CO, H 2 a CH 4, které vznikají v důsledku nedokonalého spalování paliva. Atmosféra ve většině palivových topenišť je směsí N 2, C0 2, H 2 0 a S0 2 s malým množstvím volného kyslíku. Přítomnost velkého množství redukčních plynů v peci ukazuje na nedokonalé spalování a nepřijatelné použití paliva. Atmosféra konvenčních palivových pecí má proto vždy oxidační charakter.
Oxidační a redukční schopnost všech uvedených plynů ve vztahu ke kovu závisí na jejich koncentraci v atmosféře pece a na teplotě povrchu kovu. Nejsilnějším oxidačním činidlem je O2, následuje H2O a nejslabší oxidační účinek má CO2. Zvýšení podílu neutrálního plynu v atmosféře pece snižuje rychlost oxidace, která do značné míry závisí na obsahu H 2 O a SO 2 v atmosféře pece. Přítomnost i velmi malých množství SO 2 v pecních plynech prudce zvyšuje rychlost oxidace, protože na povrchu slitiny se tvoří nízkotavné sloučeniny oxidů a sulfidů. Pokud jde o H 2 S, tato sloučenina může být přítomna v redukční atmosféře a její vliv na kov (spolu s SO 2) vede ke zvýšení obsahu síry v povrchové vrstvě. V tomto případě je kvalita kovu značně zhoršena a síra má zvláště škodlivý účinek na legované oceli, protože ji absorbují ve větší míře než jednoduché uhlíkové oceli a nikl tvoří se sírou eutektikum s nízkou teplotou tání.
Tloušťka výsledné vrstvy oxidů na povrchu kovu závisí nejen na atmosféře, ve které se kov zahřívá, ale na řadě dalších faktorů, mezi které patří především teplota a doba ohřevu. Čím vyšší je teplota povrchu kovu, tím vyšší je rychlost jeho oxidace. Bylo však zjištěno, že rychlost růstu oxidové vrstvy se po dosažení určité teploty zvyšuje rychleji. K oxidaci oceli při teplotách do 600 °C tedy dochází relativně nízkou rychlostí a při teplotách nad 800-900 °C se rychlost růstu oxidové vrstvy prudce zvyšuje. Pokud vezmeme rychlost oxidace při 900 °C za jednu, pak při 950 °C bude 1,25, při 1000 °C - 2 a při 1300 - 7.
Doba, po kterou kov zůstává v peci, má velmi silný vliv na množství vytvořených oxidů. Prodlužování doby ohřevu na danou teplotu vede k růstu oxidové vrstvy, i když rychlost oxidace s časem klesá v důsledku ztluštění výsledného filmu a následně snížení hustoty difúzního toku iontů železa a kyslíku. atomy přes něj. Bylo zjištěno, že pokud je tloušťka oxidované vrstvy 5 1 v době ohřevu t 1 pak v době ohřevu t 2 do stejné teploty bude tloušťka oxidované vrstvy rovna:
δ 2 = δ1/( t 1/t 2) 1/2 .
Doba ohřevu kovu na danou teplotu se může zkrátit zejména v důsledku zvýšení teploty v pracovní komoře pece, což vede k intenzivnějšímu vnějšímu přenosu tepla, a tím ke snížení tloušťky oxidovaná vrstva.
Bylo zjištěno, že faktory ovlivňující intenzitu difúze kyslíku k povrchu ohřátého kovu z atmosféry pece nemají významný vliv na růst vrstvy oxidu. Je to dáno tím, že difúzní procesy v samotném tvrdém povrchu probíhají pomalu a jsou rozhodující. Proto rychlost pohybu plynu nemá prakticky žádný vliv na povrchovou oxidaci. Vzorec pohybu spalin jako celku však může mít znatelný vliv, protože místní přehřátí kovu způsobené nerovnoměrným teplotním polem plynů v peci (které může být způsobeno příliš velkým úhlem sklonu hořáky, jejich nesprávné umístění po výšce a délce pece atd.) nevyhnutelně vedou k místní intenzivní oxidaci kovu.
Znatelný vliv na rychlost její oxidace mají také podmínky pro pohyb ohřátých obrobků uvnitř pecí a složení ohřáté slitiny. Při přemisťování kovu v peci tedy může docházet k mechanickému odlupování a separaci vzniklé oxidové vrstvy, což přispívá k rychlejší následné oxidaci nechráněných oblastí.
Přítomnost určitých legujících prvků ve slitině (například u oceli Cr, Ni, Al, Si atd.) může zajistit vytvoření tenkého a hustého, dobře přilnavého filmu oxidů, který spolehlivě zabrání následné oxidaci. Takové oceli se nazývají žáruvzdorné a mají dobrou odolnost proti oxidaci při zahřívání. Ocel s vyšším obsahem uhlíku je navíc méně náchylná k oxidaci než ocel s nízkým obsahem uhlíku. To se vysvětluje tím, že v oceli je část železa ve stavu vázaném na uhlík, ve formě karbidu železa Fe 3 C. Uhlík obsažený v oceli se oxidací mění na oxid uhlíku, difundující k povrchu a zabraňující oxidaci železa.
Oduhličení povrchové vrstvy oceli. K oduhličení oceli při ohřevu dochází v důsledku interakce plynů s uhlíkem, který je buď ve formě tuhého roztoku nebo ve formě karbidu železa Fe 8 C. Oduhličovací reakce jako výsledek interakce různých plynů s karbid železa může postupovat následovně:
Fe3C + H20 = 3Fe + CO + H2; 2Fe3C + 02 = 6Fe + 2CO;
Fe3C + C02 = 3Fe + 2CO; Fe3C + 2H2 = 3Fe + CH4.
K podobným reakcím dochází, když tyto plyny interagují s uhlíkem v pevném roztoku.
Rychlost dekarbonizace je dána především procesem obousměrné difúze, ke které dochází vlivem rozdílu koncentrací obou médií. Oduhličovací plyny jednak difundují k povrchové vrstvě oceli a jednak se výsledné plynné produkty pohybují opačným směrem. Kromě toho se uhlík z vnitřních vrstev kovu přesouvá do povrchové dekarbonizované vrstvy. S rostoucí teplotou rostou jak rychlostní konstanty chemických reakcí, tak i difúzní koeficienty. Proto se hloubka dekarbonizované vrstvy zvyšuje s rostoucí teplotou ohřevu. A protože hustota difúzního toku je úměrná rozdílu koncentrací difuzních složek, je hloubka dekarbonizované vrstvy v případě ohřevu oceli s vysokým obsahem uhlíku větší než v případě ohřevu oceli s nízkým obsahem uhlíku. Svou roli v procesu oduhličení hrají také legující prvky obsažené v oceli. Chrom a mangan tedy snižují koeficient difúze uhlíku, zatímco kobalt, hliník a wolfram jej zvyšují, respektive brání nebo podporují dekarbonizaci oceli. Křemík, nikl a vanad nemají na oduhličení významný vliv.
Mezi plyny, které tvoří atmosféru pece a způsobují dekarbonizaci, patří H 2 0, CO 2, O 2 a H 2. H20 má nejsilnější dekarbonizační účinek na ocel a H2 má nejslabší. V tomto případě se s rostoucí teplotou dekarbonizační schopnost CO 2 zvyšuje a dekarbonizační schopnost suchého H 2 klesá. Vodík v přítomnosti vodní páry má velmi silný dekarbonizační účinek na povrchovou vrstvu oceli.
Ochrana oceli před oxidací a oduhličením.Škodlivé účinky oxidace a dekarbonizace kovu při ohřevu na jeho kvalitu vyžadují přijetí opatření, která těmto jevům zabrání. Nejúplnější ochrany povrchu ingotů, sochorů a dílů je dosaženo v pecích, kde je vyloučena expozice oxidačních a dekarbonizačních plynů. Tyto pece zahrnují solné a kovové lázně, stejně jako pece, kde se ohřev provádí v řízené atmosféře. V pecích tohoto typu se buď ohřátý kov izoluje od plynů, obvykle se uzavře speciální utěsněnou muflí, nebo se sám plamen umístí do tzv. sálavých trubic, ze kterých se teplo přenáší na ohřívaný kov bez jeho kontaktu. s oxidačními a dekarbonizačními plyny. Pracovní prostor takových pecí je naplněn speciální atmosférou, jejíž složení se volí v závislosti na technologii ohřevu a kvalitě slitiny. Ochranné atmosféry se připravují samostatně ve speciálních instalacích.
Je také známý způsob vytváření slabě oxidační atmosféry přímo v pracovním prostoru pecí, bez tlumení kovu nebo plamene. Toho je dosaženo v důsledku nedokonalého spalování paliva (s koeficientem spotřeby vzduchu 0,5-0,55). Složení produktů spalování zahrnuje CO a H a spolu s produkty úplného spalování CO 2 a H 2 O. Pokud poměr CO/C02 a H 2 / H 2 O není menší než 1,3, pak ohřev kovu v takovém prostředí probíhá téměř bez oxidace jeho povrchu.
Snížení oxidace kovového povrchu při jeho ohřevu v otevřených palivových pecích (které tvoří většinu pecního parku hutních a strojírenských provozů) lze také dosáhnout zkrácením doby jeho pobytu při vysoké povrchové teplotě. . Toho je dosaženo výběrem nejracionálnějšího režimu ohřevu kovu v peci.
Výpočty ohřevu kovu v pecích se provádějí pro stanovení teplotního pole ingotu, sochoru nebo hotového výrobku na základě podmínek daných technologickým účelem ohřevu. V tomto případě se berou v úvahu omezení vyplývající z procesů probíhajících během vytápění a také zákony zvoleného režimu vytápění. Často je zvažován problém stanovení doby ohřevu na danou teplotu za předpokladu, že požadovaná rovnoměrnost je zajištěna koncem jeho pobytu v peci (u masivních těles to druhé). V tomto případě jsou změny teploty topného média obvykle stanoveny zákonem, přičemž se volí režim ohřevu v závislosti na stupni tepelné masivnosti kovu. Pro stanovení stupně tepelné masivnosti a pro následný výpočet ohřevu je velmi důležitá otázka ohřáté tloušťky ingotu nebo obrobku.
