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- F t t k o C Hình 3.2 Biểu đồ xác định thông số nhiệt độ khi tính thời gian nung đối với vật mỏng khi t k <1000 o C t k o C F t Hình 3.3 Biểu đồ xác định thông số nhiệt độ khi tính thời gian nung đối với vật mỏng khi t k >1000 o C c) Tính thời gian nung các vật dày Để tính toán với vật nung đợc coi là vật dày, ngời ta ứng dụng rộng rãi các phơng trình tiêu chuẩn đợc thiết lập trên cơ sở của lý thuyết đồng dạng. Khi đó phơng trình vi phân truyền nhiệt đợc viết lại dới dạng phơng trình của các tiêu chuẩn đồng dạng là những đại lợng không thứ nguyên. Đối với vật nung đơn giản và điều kiện biên loại ba, phơng trình có dạng: -48- = = 00 x x ,Fo,BiF (3.12) Trong đó 0 = thông số nhiệt độ tơng đối, xác định theo công thức (3.13): ovk vk 0 tt tt = = (3.13) - nhiệt độ trung bình của khí lò [ k t o C]. - nhiệt độ của điểm khảo sát trên vật nung tại thời điểm [ v t o C]. ov t - nhiệt độ ban đầu của điểm khảo sát trên vật nung [ o C]. Fo- tiêu chuẩn Fu-ri-ê: 2 x a Fo = (3.14) 0 x x - tọa độ tơng đối của điểm khảo sát, khi 0 x x 0 = thì điểm khảo sát ở tâm vật thể, 1 x x 0 = thì điểm khảo sát ở trên bề mặt vật thể. Bằng tính toán lý thuyết và thực nghiệm, ngời ta xây dựng các biểu đồ biểu thị quan hệ giữa các tiêu chuẩn (phơng trình 3.12) ứng với các trờng hợp khác nhau. Trên các hình (3.4 - 3.7) giới thiệu biểu đồ tính toán ứng với vật nung dạng tấm và dạng trụ. Hình 3.4 Nhiệt độ tơng đối của bề mặt vật khi vật nung dạng tấm -49- Hình 3.5 Nhiệt độ tơng đối của tâm vật khi vật nung dạng tấm Hình 3.6 Nhiệt độ tơng đối của mặt vật khi vật nung dạng trụ Thời gian nung vật dày gồm thời gian nung cơ bản và thời gian giữ nhiệt, để tính toán ngời ta cũng chia thời gian nung thành nhiều giai đoạn, trong mỗi giai đoạn nhiệt độ khí lò và nhiệt độ kim loại đợc coi nh không đổi và lấy bằng nhiệt độ trung bình. Khi đó tổng thời gian nung xác định bởi công thức: (3.15) gn 1n 1i ni += = Trong đó: n - số giai đoạn nung và giữ nhiệt. -50- ni - thời gian nung cơ bản ứng với giai đoạn thứ i. gn - thời gian giữ nhiệt với mục đích làm đồng đều nhiệt độ giữa tâm và mặt Hình 3.7 Nhiệt độ tơng đối của tâm vật khi vật nung dạng trụ Để tính thời gian nung cơ bản, ta tiến hành tính toán cho từng giai đoạn. Trong mỗi giai đoạn, dựa vào nhiệt độ trung bình của kim loại, lấy gần đúng theo nhiệt độ trung bình của mặt vật 2 tt t c m d m i + = , xác định các thông số vật lý của vật liệu, tính tiêu chuẩn Bi i , nhiệt độ tơng đối bề mặt m,i và tra biểu đồ ( ) mm ,BiFFo = để xác định tiêu chuẩn Fo i . Biết giá trị của Fo i , tính đợc thời gian nung: i 2 0i i,n a x.Fo = (3.16) Sau đó dùng giản đồ , xác định đợc ( iit Fo,BiF= ) i,t và tính nhiệt độ tâm cuối giai đoạn theo công thức: i,t d i,t i,ki,k c i,t )tt(tt = (3.17) Để tính thời gian giữ nhiệt, trớc hết cần xác định độ chênh nhiệt độ cho phép giữa mặt và tâm cuối giai đoạn giữ nhiệt: [] (3.18) 0 c t c mc x.tttt == -51- Trong đó t là độ chênh nhiệt độ cho phép trên một đơn vị chiều dày [ o C/cm], x 0 chiều dày truyền nhiệt [cm]. Nếu đầu giai đoạn giữ nhiệt (cuối giai đoạn nung cuối cùng) độ chênh nhiệt độ mặt và tâm [ cd tt ] > ta phải tính thời gian giữ nhiệt. Giả thiết nhiệt độ tâm khi kết thúc giữ nhiệt yêu cầu bằng , xác định nhiệt độ mặt tấm: c t t (3.19) c c t c m ttt += Biết , và , tính đợc Bi và d m t d t t c m t m , tra biểu đồ ( ) mm ,BiFo = để xác định giá trị của Fo và tính gn . 1 2 6 1 2 3 4 5 2 0 x a 0,20,4 0,6 0 0,4 0,8 0,12 Fo = c c t t Hình 3.8 Biểu đồ tra Fo khi giữ nhiệt 1) Dạng tấm. 2-5) Dạng thỏi (khi B/S=2;1,5;1,2;1) 6) Dạng trụ Để tính thời gian giữ nhiệt gn khi t m = const, cũng có thể sử dụng phơng trình thực nghiệm đối với mỗi dạng vật nung: - Đối với dạng tấm: 2 0 gn x a 47,2 d c e.03,1 t t = (3.20) - Đối với dạng trụ: 2 0 gn r a 76,5 d c e.142,1 t t = (3.21) Hoặc 2 0 gn 2 gn r a 25,8 h a 47,2 d c e.142,1 t t = khi r 0 <0,5h. Trong đó: r 0 , h là bán kính và chiều dài thỏi hình trụ [m]. -52- [...]... =1350 tk3 =1250 tm2=1200 tm1=1000 tk0 =1000 tm t 3 = 30 tt2 tt1 tt tm0=tto=20 n 1 n 2 gn Hình 3 9 Giản đồ nung a) Giai đoạn nung 1: - Nhiệt độ trung bình của khí lò: t k1 = - t k 0 + t k1 1000 + 1350 = = 1175 2 2 [oC] Nhiệt độ trung bình của kim loại: t1 = t m 0 + t m1 20 + 1000 = = 510 2 2 - 53 - [oC] Tra bảng ta có: 1 = 7695 [kg/m3], 1 = 33,8 [Kcal/m.h.oC], c1 = 0,134 [Kcal/kg.oC] và tính đợc a1... xác định đợc t1 = 0,2 và tính nhiệt độ tâm x0 cuối giai đoạn: t t1 = t k1 (t k1 t t 0 ). t1 = 1175 (1175 20).0,2 = 944 b) Giai đoạn nung 2: - Nhiệt độ trung bình của khí lò: t k 2 = 1350 - [oC] Nhiệt độ trung bình của kim loại: - 54 - [oC] t2 = t m1 + t m 2 1000 + 1200 = = 1100 2 2 [oC] Tra bảng ta có: 2 = 7696 [kg/m3], 2 = 24,5 [Kcal/m.h.oC], c 2 = 0,165 [Kcal/kg.oC] và tính đợc a2 = 0,02... (Bi 2 , Fo 2 ) xác định đợc t 2 = 0,6 và tính nhiệt độ tâm cuối giai đoạn: t t 2 = t k 2 (t k 2 t t1 ). t 2 = 1350 (1350 944).0,6 = 1106 c) Tính thời gian giữ nhiệt - Nhiệt độ trung bình của khí lò: t k 3 = 1250 [oC] Độ chênh nhiệt độ giữa mặt và tâm cho phép 3oC/cm: - 55 - [oC] t 3 = t.x 0 = 30 Tỉ số [oC] t c 30 = = 0,32 , tra biểu đồ (3.8) nhận đợc Fo = 0,5, tính đợc: t d 94 gn 2 Fo 3 x 0 0,5.0,12 . 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. 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