金属加热工艺

波塞冬的信徒

以钢为例，进炉子里烧，需要解决四个问题，（1）加热温度，（2）加热制度，（3）加热速度，（4）加热时间。


（1）加热温度
主要是指钢料出炉表面温度tb，炉温tl，入炉允许炉温[tl]，及出炉截面允许温差Δt。

钢料出炉表面温度tb，根据下游工艺要求不同，锻轧等热加工，需要满足塑性，塑性不够，设备干不动，或者磨损过大，还不能导致晶界熔化氧化产生过烧，不能导致晶粒粗大产生过热，不能导致表面氧化皮熔化产生粘钢，都是常见的加热缺陷。

都知道面心奥氏体塑性好，热加工以及完全退火/正火/淬火等热处理，tb温度下限就是要求保证完成相变，AC3/或者ACcm以上30~50℃，tb温度上限就是固相线以下100~150℃，当然合金钢比碳钢区间窄。

至于固溶，扩散退火，球化退火，等温退火，去应力退火，高/中/低温回火啥的，那温度需要另行确定。

炉温tl，根据不同炉子，钢料表面温度tb确定了，tl-tb有参考范围，烧的快，就大，烧的慢，就小。
热处理，tl-tb=20~50℃；一般加热炉，50~100℃，快速加热炉，100~150℃。

入炉允许炉温[tl]，需要先确定入炉时截面许用温差[Δt]。首先满足热涨应力条件，热膨胀系数β，热涨应变ε=[Δt]*β，热涨应力=ε*E≤[σ]；然后就是热平衡，传热路径，炉气——钢料表面——钢料中心（初始温度t0）。
钢料表面至钢料中心，温差[Δt]，热传导热阻，R=δ/λ，热流率q=[Δt]/R；炉气至钢料表面，初算时综合传热系数αΣ有估算式，热流率q=αΣ*{ [tl]-(t0+[Δt]) }，热平衡解出[tl]。

出炉截面允许温差Δt，就是温度均匀性。
炉温＞钢表面温度，热辐射+炉气对流，综合传热系数αΣ不为零，持续向钢加热，这个截面温差始终存在。

热加工，毕渥数Bi≤0.1，薄材，Δt=20~30℃；毕渥数Bi>0.1，厚材，Δt=50~150℃；
热处理，Δt=10~15℃。

毕渥数Bi=αΣ*δ/λ，实际上[δ/λ]/[1/αΣ]，就是钢内热传导热阻，与外部辐射+对流热阻之比。
Bi≤0.1，内部热阻小了，就容易烧透，温差可以小；Bi>0.1，热阻大，当然不好烧透，温差就大，那就别太勉强。

（2）加热制度
一段，就是直接加热；二段，就是加热完，均热；三段，预热，加热，均热；四段，预热，加热一，加热二，均热，还有更多段。

一段，温差小，应力小，薄材；
二段，低温热装的低碳钢或者热装合金钢；
三段以上，带预热，适应各种高碳钢，高合金钢。
真要仔细计算，就是在应力许可条件下，核算总的加热时间，然后进行比较。

（3）加热速度
就是速度爬升斜率[dt/dτ]。
爬升段，对于单位截面钢料，热流率q=c*m*[dt/dτ]=c*ρ*1*δ**[dt/dτ]，钢表面至钢中心热流率q*R=q*δ/λ=Δt，热涨应变ε=Δt*β，热涨应力=ε*E≤[σ]
就是c*ρ*1*δ*[dt/dτ]*δ/λ*β*E≤[σ]，自然能解出[dt/dτ]≤[σ]/[β*E*δ^2]*[λ/(ρ*c)]=[σ]/[β*E*δ^2]*α。

式中，c表示比热，m表示质量，δ表示厚度，τ表示时间，R表示热阻，λ表示热导率或者导热系数，β表示热膨胀系数，α=[λ/(ρ*c)]，代表热扩散系数或者导温系数。

大钢锭加热曲线，预热——缓慢升温——均热——快速升温——均热保温。500℃之前，不能升太快，[dt/dτ]限制，500℃之后可以提速，但截面许用温差[Δt]限制，所以均温后提速加热，节省时间。

（4）加热时间
完全的非稳态的热传导，工艺计算中最麻烦的部分。
按一维考虑，非稳态偏微分方程；平板是直角坐标，圆柱是柱坐标。
ət/əτ=α*[ə^2t]/[əx^2]
ət/əτ=α*{ 1/r* ət/ər+[ə^2t]/[ər^2] }

第一类边界条件，初始条件已知，表面温度规律已知，就是预热，均温，盐浴，淬火，直线升温（默认钢表面温度跟随炉气温度变化），就是差分或者查图表。
不是直线怎么办？切片，逐段计算，最后汇总求和。

第二类边界条件，热流量q变化规律已知，这种很少用到。

第三类边界条件，传热系数已知，周围介质温度变化规律已知，主要是炉膛加热。
炉膛加热，默认对流全部给了热损失，只有辐射给了钢料，所以传热系数就是辐射传热系数，烟气黑度，角系数，辐射系数计算就是了。
时间计算，也是差分或者查图表。

对于一维，数值计算，空间差分，时间差分，设定步长，代入初值条件，根据边界条件不断迭代，步骤明确后，制表计算。

这些东西不会，热处理时，遇到风一吹就裂，或者一淬火就裂，脑门就嗡嗡的。

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挺好的，我玩这些，聊过大把案例，你几乎跟上节奏了，应付普通合金钢已经够了！

迷茫的维修

为什么我都不知道