Giáo trình lò luyện kim - chương 3

Chia sẻ: Vu Manh Cuong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:14

Thêm vào BST

Báo xấu

176
lượt xem 67
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tham khảo tài liệu 'giáo trình lò luyện kim - chương 3', kỹ thuật - công nghệ, cơ khí - chế tạo máy phục vụ nhu cầu học tập, nghiên cứu và làm việc hiệu quả

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình lò luyện kim - chương 3

Ch−¬ng 3 Nung kim lo¹i 3.1. Kh¸i niÖm chung 3.1.1. Môc ®Ých cña qu¸ tr×nh nung Nung kim lo¹i lµ mét kh©u quan träng trong nhiÒu qu¸ tr×nh s¶n xuÊt luyÖn kim. Trong gia c«ng kim lo¹i b»ng ¸p lùc, nung nãng nh»m môc ®Ých t¨ng ®é dÎo, gi¶m trë lùc biÕn d¹ng, lµm t¨ng kh¶ n¨ng biÕn d¹ng cña kim lo¹i, ®iÒu ®ã cho phÐp t¨ng n¨ng suÊt gia c«ng, gi¶m ®−îc yªu cÇu vÒ c«ng suÊt thiÕt bÞ vµ gi¶m hao mßn dông cô. Trong gia c«ng nhiÖt luyÖn, kim lo¹i ®−îc nung nãng ®Õn nhiÖt ®é thÝch hîp tr−íc khi lµm nguéi ®Ó ®¹t ®−îc sù thay ®æi tæ chøc theo yªu cÇu. Qu¸ tr×nh nung kim lo¹i ®−îc thùc hiÖn trong c¸c lß nung, c−êng ®é nung kim lo¹i kh«ng nh÷ng phô thuéc c«ng t¸c nhiÖt cña lß mµ cßn phô thuéc nhiÒu yÕu tè kh¸c nh−: tÝnh chÊt nhiÖt, vËt lý cña kim lo¹i, kÝch th−íc h×nh d¹ng cña vËt nung ... ViÖc x¸c ®Þnh hîp lý c−êng ®é nung vµ thêi gian nung cã ¶nh h−ëng rÊt lín ®Õn chÊt l−îng s¶n phÈm còng nh− c¸c chØ tiªu kinh tÕ, kü thuËt cña lß. 3.1.2. C¸c hiÖn t−îng xÈy ra khi nung Trong qu¸ tr×nh nung, tuú theo kim lo¹i còng nh− ®iÒu kiÖn nung cã thÓ xÈy ra nhiÒu hiÖn t−îng kh«ng mong muèn nh−: hiÖn t−îng oxy hãa kim lo¹i, hiÖn t−îng thÊm hoÆc tho¸t c¸cbon (®èi víi c¸c lo¹i thÐp), hiÖn t−îng qu¸ nhiÖt hoÆc ch¸y, hiÖn t−îng nøt. - HiÖn t−îng oxy hãa: trong m«i tr−êng nhiÖt ®é cao vµ t¸c ®éng cña m«i tr−êng khÝ lß, kim lo¹i ë líp bÒ mÆt bÞ oxy hãa, g©y ra sù ch¸y hao kim lo¹i. L−îng kim lo¹i bÞ ch¸y hao trong mét lÇn nung ®Ó c¸n vµ rÌn tõ 1- 2 %, nung ®Ó nhiÖt luyÖn kho¶ng 0,5 - 1,0 %. Tèc ®é oxy hãa kim lo¹i xÈy ra m¹nh khi ë nhiÖt ®é cao, vÝ dô ®èi víi chi tiÕt b»ng thÐp khi nhiÖt ®é trªn 800oC xÈy ra víi tèc ®é rÊt lín. - HiÖn t−îng tho¸t c¸c bon: §èi víi chi tiÕt b»ng thÐp, song song víi qu¸ tr×nh oxy hãa cßn xÈy ra qu¸ tr×nh khö c¸c bon, c¸c ph¶n øng khö cacbon xÈy ra nh− sau: 2H2 + Fe3C → 3Fe + CH4 CO2 + Fe3C → 3Fe + 2CO H2O + Fe3C → 3Fe + H2 + CO - 43 -
- HiÖn t−îng nøt: Khi nung, nÕu tèc ®é nung lín, trong kim lo¹i ph¸t sinh øng suÊt nhiÖt do c¸c líp kim lo¹i cã nhiÖt ®é kh¸c nhau, nÕu øng suÊt sinh ra qu¸ lín, kim lo¹i cã thÓ bÞ nøt. Do vËy, khi nung c¸c lo¹i thÐp cã hµm l−îng cacbon cao, thÐp hîp kim lóc ®Çu ph¶i nung víi tèc ®é chËm ®Ó tr¸nh nøt (trong kho¶ng nhiÖt ®é d−íi 500oC), cßn khi ë nhiÖt ®é cao cÇn nung víi tèc ®é lín ®Ó gi¶m ch¸y hao vµ t¨ng n¨ng suÊt. Cßn khi nhiÖt ®é nung chän kh«ng hîp lý cã thÓ dÉn ®Õn kim lo¹i bÞ qu¸ nhiÖt hoÆc ch¸y lµm gi¶m chÊt l−îng s¶n phÈm hoÆc g©y ra phÕ phÈm. 3.1.3. ChÕ ®é nung khi nung kim lo¹i ChÕ ®é nung quyÕt ®Þnh c−êng ®é nung kim lo¹i, th−êng ®−îc thÓ hiÖn qua c¸c gi¶n ®å nung, biÓu hiÖn sù thay ®æi nhiÖt ®é cña lß, nhiÖt ®é kim lo¹i theo thêi gian. Chän chÕ ®é nung hîp lý kh«ng nh÷ng n©ng cao chØ tiªu kü thuËt, chÊt l−îng s¶n phÈm mµ cßn lµm t¨ng ®¸ng kÓ hiÖu qu¶ kinh tÕ. Tuú thuéc tÝnh chÊt kim lo¹i, h×nh d¸ng, kÝch th−íc còng nh− nhiÖt ®é yªu cÇu sau khi nung, ng−êi ta cã thÓ øng dông nhiÒu chÕ ®é nung kh¸c nhau. Trªn h×nh 3.1 tr×nh bµy mét sè gi¶n ®å nung víi c¸c chÕ ®é nung ®iÓn h×nh. toC toC toC tk tk tk tm tm tm tt tt tt I τ I II τ I II III a) b) c) H×nh 3.1 Gi¶n ®å nung a) Nung 1 giai ®o¹n b) Nung 2 giai ®o¹n c) Nung 3 giai ®o¹n - Gi¶n ®å h×nh 3.1a: gi¶n ®å nung mét giai ®o¹n th−êng ¸p dông cho c¸c vËt nung máng hoÆc c¸c vËt nung trung b×nh cã hÖ sè dÉn nhiÖt lín (trë nhiÖt bÐ). - Gi¶n ®å h×nh 3.1b: gi¶n ®å nung hai giai ®o¹n th−êng ¸p dông cho c¸c vËt nung trung b×nh cã hÖ sè dÉn nhiÖt kh¸ lín (trë nhiÖt trung b×nh) vµ ®é chªnh lÖch nhiÖt ®é mÆt vµ t©m cho phÐp sau khi nung kh¸ lín. - 44 -
- Gi¶n ®å h×nh 3.1c: gi¶n ®å nung ba giai ®o¹n cã giai ®o¹n gi÷ nhiÖt, ¸p dông cho c¸c vËt nung dµy, cã hÖ sè dÉn nhiÖt thÊp (trë nhiÖt cao) vµ ®é chªnh lÖch nhiÖt ®é mÆt vµ t©m cho phÐp sau khi nung bÐ. Khi x©y dùng c¸c gi¶n ®å nung, nÕu chóng ta chän nhiÖt ®é lß cao, c−êng ®é nung lín, gi¶m ®−îc thêi gian nung, gi¶m ®−îc ch¸y hao kim lo¹i nh−ng dÔ g©y ra nøt (nhÊt lµ giai ®o¹n khi nhiÖt ®é vËt nung cßn thÊp) vµ qu¸ nhiÖt kim lo¹i. Ng−îc l¹i, chän nhiÖt ®é lß thÊp, c−êng ®é nung bÐ, thêi gian nung kÐo dµi, t¨ng oxy ho¸ (nhÊt lµ khi ë nhiÖt ®é cao) vµ gi¶m n¨ng suÊt. 3.2. TÝnh to¸n thêi gian nung 3.2.1. C¸c ®iÒu kiÖn giíi h¹n khi nung TÝnh to¸n qu¸ tr×nh nung kim lo¹i liªn quan tíi viÖc gi¶i ph−¬ng tr×nh vi ph©n truyÒn nhiÖt dÉn nhiÖt (ph−¬ng tr×nh Phu-ri-ª) cã d¹ng: ∂t ⎛ ∂2t ∂2t ∂2t ⎞ = a⎜ 2 + 2 + 2 ⎟ ⎜ ∂x (3.1) ∂τ ⎝ ∂y ∂z ⎟⎠ Trong ®ã a lµ hÖ sè truyÒn nhiÖt ®é: λ a= [m2/s] (3.2) cρ NghiÖm cña ph−¬ng tr×nh (3.1) x¸c lËp mèi quan hÖ gi÷a sù thay ®æi cña nhiÖt ®é cña vËt thÓ theo thêi gian vµ kh«ng gian: t = f (x, y, z, τ) (3.3) NghiÖm cô thÓ cña ph−¬ng tr×nh phô thuéc vµo c¸c ®iÒu kiÖn giíi h¹n: tr¹ng th¸i nhiÖt ®é ban ®Çu cña vËt thÓ (gäi lµ ®iÒu kiÖn ban ®Çu), kÝch th−íc h×nh häc cña vËt thÓ vµ quy luËt trao ®æi nhiÖt gi÷a bÒ mÆt vËt thÓ víi m«i tr−êng chung quanh (gäi lµ ®iÒu kiÖn biªn). a) §iÒu kiÖn ban ®Çu : lµ ®iÒu kiÖn giíi h¹n vÒ thêi gian, x¸c ®Þnh sù ph©n bè nhiÖt ®é vËt thÓ t¹i thêi ®iÓm ban ®Çu τ = 0, biÓu thÞ bëi hµm sè cã d¹ng: t® = f(x, y, z, 0) (3.4) Tr−êng hîp ®¬n gi¶n nhÊt lµ tr−êng hîp nhiÖt ®é ban ®Çu cña vËt thÓ ë mäi ®iÓm lµ nh− nhau: t® = t0 = const. §èi víi tr¹ng th¸i nhiÖt æn ®Þnh, nhiÖt ®é ban ®Çu cña vËt thÓ kh«ng ¶nh h−ëng ®Õn sù ph©n bè nhiÖt ®é cña vËt thÓ nªn ®iÒu kiÖn giíi h¹n vÒ thêi gian kh«ng cÇn chó ý ®Õn. - 45 -
b) §iÒu kiÖn biªn: lµ ®iÒu kiÖn giíi h¹n vÒ kh«ng gian, ®−îc chia ra ba tr−êng hîp: - §iÒu kiÖn biªn lo¹i 1: cho chÕ ®é nhiÖt ®é cña bÒ mÆt vËt thÓ, nghÜa lµ cho biÕt nhiÖt ®é bÒ mÆt cña vËt thÓ thay ®æi nh− thÕ nµo theo thêi gian: tm = f(τ). (3.5) VÝ dô nhiÖt ®é bÒ mÆt vËt thÓ t¨ng theo hµm sè bËc nhÊt: tm = Cnτ hay tm = t® + Cnτ (3.6) Trong ®ã Cn lµ tèc ®é nung [oC/s]. - §iÒu kiÖn biªn lo¹i 2: cho tr−íc dßng nhiÖt ®i qua mÆt vËt thÓ. q = f(τ) hay q = const. (3.7) - §iÒu kiÖn biªn lo¹i 3: Cho chÕ ®é nhiÖt ®é cña nguån nhiÖt vµ quy luËt truyÒn nhiÖt tõ nguån nhiÖt ®Õn bÒ mÆt vËt thÓ. tlß = f(τ) hay tlß = const (3.8) Vµ q = α(t lß − t m ) hay q = C 0 (Tlß − Tm ) 4 4 3.2.2. Ph−¬ng ph¸p tÝnh Trong tr−êng hîp tæng qu¸t, viÖc x¸c ®Þnh thêi gian nung b»ng ph−¬ng ph¸p gi¶i gi¶i tÝch ph−¬ng tr×nh vi ph©n truyÒn nhiÖt kÕt hîp víi c¸c ®iÒu kiÖn giíi h¹n th−êng rÊt phøc t¹p vµ gÆp nhiÒu khã kh¨n. Tuy nhiªn, trong nh÷ng tr−êng hîp ®¬n gi¶n nh− vËt nung cã d¹ng h×nh häc ®¬n gi¶n (h×nh tÊm, h×nh trô, h×nh cÇu) vµ víi nh÷ng gi¶ thiÕt gÇn ®óng, cho phÐp ta gi¶i bµi to¸n víi ®é chÝnh x¸c chÊp nhËn ®−îc. D−íi ®©y kh¶o s¸t mét sè tr−êng hîp ®iÓn h×nh khi tÝnh to¸n thêi gian nung kim lo¹i trong lß. a) Ph©n lo¹i vËt nung §Ó tÝnh to¸n ng−êi ta ph©n vËt nung thµnh hai lo¹i: vËt máng vµ vËt dµy. C¸c vËt nung ®−îc coi lµ vËt máng lµ nh÷ng vËt cã trë nhiÖt bÐ (tØ sè gi÷a chiÒu x dµy vµ hÖ sè dÉn nhiÖt → 0) , ®ã lµ c¸c vËt mµ vËt liÖu cã hÖ sè dÉn nhiÖt rÊt lín λ ( λ → ∞ ) hoÆc chiÒu dµy cña vËt bÐ ( x → 0 ). Khi ®ã nhiÖt ®é vËt gÇn nh− ®ång nhÊt trong toµn bé vËt thÓ vµ chØ phô thuéc thêi gian: t = f ( τ) x C¸c vËt dµy lµ nh÷ng vËt cã trë nhiÖt lín ( → cã gi¸ trÞ ®¸ng kÓ), nhiÖt ®é vËt λ nung phô thuéc to¹ ®é ®iÓm kh¶o s¸t vµ thêi gian: - 46 -
t = f (x, y, z, τ) Khi ®ã kh«ng thÓ bá qua chªnh lÖch nhiÖt ®é gi÷a mÆt vµ t©m trong qu¸ tr×nh nung. Trong tÝnh to¸n, ng−êi ta th−êng dïng tiªu chuÈn Bi (tiªu chuÈn Bi-«) ®Ó x¸c ®Þnh giíi h¹n gi÷a vËt máng vµ vËt dµy: αx Bi = (3.9) λ Trong ®ã: α - hÖ sè trao ®æi nhiÖt [W/m2.®é]. λ - hÖ sè dÉn nhiÖt [W/m.®é]. x - täa ®é ®iÓm kh¶o s¸t [m]. Khi gi¸ trÞ Bi < 0,25 vËt nung ®−îc gäi lµ vËt máng vµ Bi > 0,5 gäi lµ vËt dµy, cßn víi gi¸ trÞ Bi = 0,25 - 0,5 ®−îc coi lµ vËt trung b×nh nh−ng trong tÝnh to¸n th−êng tÝnh to¸n theo vËt dµy. b) TÝnh thêi gian nung c¸c vËt máng §Ó tÝnh to¸n thêi gian nung ®èi víi c¸c vËt máng víi ®iÒu kiÖn biªn lo¹i 3, ng−êi ta chia thêi gian nung thµnh nhiÒu giai ®o¹n, øng víi mçi giai ®o¹n coi nhiÖt ®é lß vµ nhiÖt ®é vËt kh«ng ®æi vµ lÊy b»ng gi¸ trÞ trung b×nh. Tæng thêi gian nung x¸c ®Þnh theo c«ng thøc: n τ = ∑ τ ni [h] (3.10) i =1 Khi ®ã thêi gian nung víi mçi giai ®o¹n tÝnh theo c«ng thøc: xρc τi = (Ftc − Ftd ) [h] (3.11) kα Trong ®ã: x - chiÒu dµy quy dÉn [m]. ρ - khèi l−îng riªng cña vËt liÖu, [kg/m3]. c- nhiÖt dung cña vËt liÖu [Kcal/kg.oC]. k - hÖ sè h×nh d¹ng, vÝ dô ®èi víi d¹ng tÊm k = 1, d¹ng trô k = 2. α - hÖ sè trao ®æi nhiÖt bÒ mÆt [Kcal/m2.h.oK4]. Ft®, Ftc - th«ng sè nhiÖt ®é, tra theo biÓu ®å (h×nh 3.2 vµ 3.3) øng víi nhiÖt ®é ®Çu vµ cuèi giai ®o¹n. C¸c th«ng sè vËt lý trong biÓu thøc chän theo nhiÖt ®é trung b×nh. - 47 -
Ft tkoC H×nh 3.2 BiÓu ®å x¸c ®Þnh th«ng sè nhiÖt ®é khi tÝnh thêi gian nung ®èi víi vËt máng khi tk 1000oC c) TÝnh thêi gian nung c¸c vËt dµy §Ó tÝnh to¸n víi vËt nung ®−îc coi lµ vËt dµy, ng−êi ta øng dông réng r·i c¸c ph−¬ng tr×nh tiªu chuÈn ®−îc thiÕt lËp trªn c¬ së cña lý thuyÕt ®ång d¹ng. Khi ®ã ph−¬ng tr×nh vi ph©n truyÒn nhiÖt ®−îc viÕt l¹i d−íi d¹ng ph−¬ng tr×nh cña c¸c tiªu chuÈn ®ång d¹ng lµ nh÷ng ®¹i l−îng kh«ng thø nguyªn. §èi víi vËt nung ®¬n gi¶n vµ ®iÒu kiÖn biªn lo¹i ba, ph−¬ng tr×nh cã d¹ng: - 48 -
ϑτ ⎛ x ⎞ φ= = F⎜ Bi, Fo, ⎟ ⎜ (3.12) ϑ0 ⎝ x0 ⎟ ⎠ ϑτ Trong ®ã φ = th«ng sè nhiÖt ®é t−¬ng ®èi, x¸c ®Þnh theo c«ng thøc (3.13): ϑ0 ϑ τ t k − t vτ φ= = (3.13) ϑ0 t k − t vτo t k - nhiÖt ®é trung b×nh cña khÝ lß [oC]. t vτ - nhiÖt ®é cña ®iÓm kh¶o s¸t trªn vËt nung t¹i thêi ®iÓm τ [oC]. t vτo - nhiÖt ®é ban ®Çu cña ®iÓm kh¶o s¸t trªn vËt nung [oC]. aτ Fo- tiªu chuÈn Fu-ri-ª: Fo = (3.14) x2 x x - täa ®é t−¬ng ®èi cña ®iÓm kh¶o s¸t, khi = 0 th× ®iÓm kh¶o s¸t ë t©m vËt x0 x0 x thÓ, = 1 th× ®iÓm kh¶o s¸t ë trªn bÒ mÆt vËt thÓ. x0 B»ng tÝnh to¸n lý thuyÕt vµ thùc nghiÖm, ng−êi ta x©y dùng c¸c biÓu ®å biÓu thÞ quan hÖ gi÷a c¸c tiªu chuÈn (ph−¬ng tr×nh 3.12) øng víi c¸c tr−êng hîp kh¸c nhau. Trªn c¸c h×nh (3.4 - 3.7) giíi thiÖu biÓu ®å tÝnh to¸n øng víi vËt nung d¹ng tÊm vµ d¹ng trô. H×nh 3.4 NhiÖt ®é t−¬ng ®èi cña bÒ mÆt vËt khi vËt nung d¹ng tÊm - 49 -
H×nh 3.5 NhiÖt ®é t−¬ng ®èi cña t©m vËt khi vËt nung d¹ng tÊm H×nh 3.6 NhiÖt ®é t−¬ng ®èi cña mÆt vËt khi vËt nung d¹ng trô Thêi gian nung vËt dµy gåm thêi gian nung c¬ b¶n vµ thêi gian gi÷ nhiÖt, ®Ó tÝnh to¸n ng−êi ta còng chia thêi gian nung thµnh nhiÒu giai ®o¹n, trong mçi giai ®o¹n nhiÖt ®é khÝ lß vµ nhiÖt ®é kim lo¹i ®−îc coi nh− kh«ng ®æi vµ lÊy b»ng nhiÖt ®é trung b×nh. Khi ®ã tæng thêi gian nung x¸c ®Þnh bëi c«ng thøc: n −1 τ = ∑ τ ni + τ gn (3.15) i =1 Trong ®ã: n - sè giai ®o¹n nung vµ gi÷ nhiÖt. - 50 -
τni - thêi gian nung c¬ b¶n øng víi giai ®o¹n thø i. τgn - thêi gian gi÷ nhiÖt víi môc ®Ých lµm ®ång ®Òu nhiÖt ®é gi÷a t©m vµ mÆt H×nh 3.7 NhiÖt ®é t−¬ng ®èi cña t©m vËt khi vËt nung d¹ng trô §Ó tÝnh thêi gian nung c¬ b¶n, ta tiÕn hµnh tÝnh to¸n cho tõng giai ®o¹n. Trong mçi giai ®o¹n, dùa vµo nhiÖt ®é trung b×nh cña kim lo¹i, lÊy gÇn ®óng theo nhiÖt ®é td + tc trung b×nh cña mÆt vËt t i = m m , x¸c ®Þnh c¸c th«ng sè vËt lý cña vËt liÖu, tÝnh tiªu 2 chuÈn Bii, nhiÖt ®é t−¬ng ®èi bÒ mÆt φm,i vµ tra biÓu ®å Fo m = F (Bi, φ m ) ®Ó x¸c ®Þnh tiªu chuÈn Foi. BiÕt gi¸ trÞ cña Foi, tÝnh ®−îc thêi gian nung: 2 Fo i .x 0 τ n ,i = (3.16) ai Sau ®ã dïng gi¶n ®å φ t = F (Bi i , Fo i ) , x¸c ®Þnh ®−îc φ t ,i vµ tÝnh nhiÖt ®é t©m cuèi giai ®o¹n theo c«ng thøc: t c,i = t k ,i − (t k ,i − t d,i )φ t ,i t t (3.17) §Ó tÝnh thêi gian gi÷ nhiÖt, tr−íc hÕt cÇn x¸c ®Þnh ®é chªnh nhiÖt ®é cho phÐp gi÷a mÆt vµ t©m cuèi giai ®o¹n gi÷ nhiÖt: [∆t c ] = t cm − t ct = δt.x 0 (3.18) - 51 -
Trong ®ã δt lµ ®é chªnh nhiÖt ®é cho phÐp trªn mét ®¬n vÞ chiÒu dµy [oC/cm], x0 chiÒu dµy truyÒn nhiÖt [cm]. NÕu ®Çu giai ®o¹n gi÷ nhiÖt (cuèi giai ®o¹n nung cuèi cïng) ®é chªnh nhiÖt ®é mÆt vµ t©m ∆t d > [∆t c ] ta ph¶i tÝnh thêi gian gi÷ nhiÖt. Gi¶ thiÕt nhiÖt ®é t©m khi kÕt thóc gi÷ nhiÖt yªu cÇu b»ng t c , x¸c ®Þnh nhiÖt ®é t mÆt tÊm: t c = t c + ∆t c m t (3.19) BiÕt t d , t d vµ t c , tÝnh ®−îc Bi vµ φm, tra biÓu ®å Fo m = (Bi, φ m ) ®Ó x¸c ®Þnh gi¸ trÞ m t m cña Fo vµ tÝnh τgn. aτ Fo = 2 x0 0,12 3 0,8 2 1 1 6 0,4 2 5 4 0,6 ∆t c 0 0,2 0,4 ∆t c H×nh 3.8 BiÓu ®å tra Fo khi gi÷ nhiÖt 1) D¹ng tÊm. 2-5) D¹ng thái (khi B/S=2;1,5;1,2;1) 6) D¹ng trô §Ó tÝnh thêi gian gi÷ nhiÖt τgn khi tm= const, còng cã thÓ sö dông ph−¬ng tr×nh thùc nghiÖm ®èi víi mçi d¹ng vËt nung: - §èi víi d¹ng tÊm: aτgn −2 , 47 2 ∆t c = 1,03.e x0 (3.20) ∆t d - §èi víi d¹ng trô: aτgn −5, 76 ∆t c 2 = 1,142.e r0 (3.21) ∆t d aτgn aτgn −2 , 47 2 −8, 25 2 ∆t c HoÆc = 1,142.e h r0 khi r0
HoÆc sö dông biÓu ®å h×nh 3.8, khi ®ã: 2 Fo.x 0 τ= (3.22) a §èi víi vËt nung d¹ng thái, Fo phô thuéc vµo tØ lÖ gi÷a bÒ réng thái (B) vµ chiÒu dµy truyÒn nhiÖt (S). 3.3. VÝ dô tÝnh thêi gian nung Ta xÐt tr−êng hîp vËt nung b»ng thÐp C20 d¹ng tÊm, chiÒu dµy 2x0 =200 mm, t® = 20oC, nhiÖt ®é nung yªu cÇu tt,c = 1200oC, nung ®èi xøng 2 mÆt. Gi¶n ®å nung biÓu thÞ trªn h×nh 3.9 gåm 2 giai ®o¹n nung vµ mét giai ®o¹n gi÷ nhiÖt. - Giai ®o¹n 1: nung tõ 20 - 1000oC, cã hÖ sè bøc x¹ quy dÉn C1 = 2,92 Kcal/m2.h.oK4. - Giai ®o¹n 2: nung tõ 1000 - 1200oC, cã hÖ sè bøc x¹ quy dÉn C2 = 2,57 Kcal/m2.h.oK4. - Giai ®o¹n 3: gi÷ nhiÖt, cã hÖ sè bøc x¹ quy dÉn C3 = 2,34 Kcal/m2.h.oK4. toC tk1 =1350 tk3 =1250 tm2=1200 ∆t 3 = 30 tm1=1000 tt2 tk0 =1000 tm tt1 tt tm0=tto=20 τn 1 τn 2 τgn τ H×nh 3. 9 Gi¶n ®å nung a) Giai ®o¹n nung 1: - NhiÖt ®é trung b×nh cña khÝ lß: t k 0 + t k1 1000 + 1350 t k1 = = = 1175 [oC] 2 2 - NhiÖt ®é trung b×nh cña kim lo¹i: t m 0 + t m1 20 + 1000 t1 = = = 510 [oC] 2 2 - 53 -
Tra b¶ng ta cã: ρ1 = 7695 [kg/m3], λ 1 = 33,8 [Kcal/m.h.oC], c1 = 0,134 [Kcal/kg.oC] vµ tÝnh ®−îc a1 = 0,033 [m2/h]. - HÖ sè truyÒn nhiÖt bøc x¹: ⎡⎛ ⎞ ⎛ T1 ⎞ ⎤ 4 4 C 1 ⎢⎜ T k1 ⎟ ⎜ − ⎟ ⎥ ⎡⎛ 1448 ⎞ 4 ⎛ 783 ⎞ 4 ⎤ ⎢⎜ 100 ⎟ ⎜ 100 ⎟ ⎥ 2,92.⎢⎜ ⎟ −⎜ ⎟ ⎥ ⎢⎝ ⎣ ⎠ ⎝ ⎠ ⎥⎦ ⎢⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥ ⎣ ⎦ α 1,bx = = = 176 [Kcal/m2.h.oK4] T k1 − T 1 1448 − 783 LÊy α 1,dl = 0,1.α 1,bx , ta tÝnh ®−îc hÖ sè truyÒn nhiÖt tæng céng: α1 = α 1,bx + α1,dl = 1,10.α1,bx = 1,10.176 = 194 [Kcal/m2.h.oK4] - TÝnh tiªu chuÈn Bi: α1 .x 0 194.0,1 Bi1 = = = 0,57 λ1 33,8 Bi1 = 0,57 >Bith, vËt nung coi lµ vËt dµy. - TÝnh nhiÖt ®é t−¬ng ®èi cña mÆt tÊm: T k1 − Tm1 1448 − 1000 φ m1 = = = 0,15 T k1 − Tm 0 1448 − 293 - TÝnh thêi gian nung giai ®o¹n 1: BiÕt Bi1 = 0,57, φm1 = 0,15 tra biÓu ®å Fo m = (Bi 1 , φ m1 ) x¸c ®Þnh ®−îc Fo 1 = 3,4 vµ tÝnh ®−îc thêi gian nung: 2 Fo 1 .x 0 3,4.0,12 τ n1 = = = 1,04 [h] a1 0,33 - X¸c ®Þnh nhiÖt ®é t©m cuèi giai ®o¹n: ⎛ x ⎞ BiÕt Bi, Fo tra biÓu ®å φ t = ⎜ Bi, F0 , ⎟ x¸c ®Þnh ®−îc φ t1 = 0,2 vµ tÝnh nhiÖt ®é t©m ⎜ ⎝ x0 ⎟ ⎠ cuèi giai ®o¹n: t t1 = t k1 − (t k1 − t t 0 ).φ t1 = 1175 − (1175 − 20).0,2 = 944 [oC] b) Giai ®o¹n nung 2: - NhiÖt ®é trung b×nh cña khÝ lß: t k 2 = 1350 [oC] - NhiÖt ®é trung b×nh cña kim lo¹i: - 54 -
t m1 + t m 2 1000 + 1200 t2 = = = 1100 [oC] 2 2 Tra b¶ng ta cã: ρ 2 = 7696 [kg/m3], λ 2 = 24,5 [Kcal/m.h.oC], c 2 = 0,165 [Kcal/kg.oC] vµ tÝnh ®−îc a2 = 0,02 [m2/h]. - HÖ sè truyÒn nhiÖt bøc x¹: ⎡⎛ 4 4 ⎤ ⎢⎜ T k2 ⎞ ⎛ T 2 ⎞ ⎥ ⎟ −⎜ ⎟ ⎡⎛ 1623 ⎞ 4 ⎛ 1373 ⎞ 4 ⎤ C2 ⎟ −⎜ ⎢⎜ 100 ⎟ ⎜ 100 ⎟ ⎥ 2,57.⎢⎜ ⎟ ⎥ ⎢ ⎣⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎥ ⎦= ⎢ ⎣⎝ 100 ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎥ ⎦ = 348 [Kcal/m2.h.oK4] α 2,bx = T k2 − T 2 1623 − 1373 LÊy α 2,dl = 0,05.α1,bx , ta tÝnh ®−îc hÖ sè truyÒn nhiÖt tæng céng: α1 = α 1,bx + α1,dl = 1,05.α1,bx = 1,05.348 = 365 [Kcal/m2.h.oK4] - TÝnh tiªu chuÈn Bi: α 2 .x 0 365.0,1 Bi 2 = = = 1,49 λ2 24,5 - TÝnh nhiÖt ®é t−¬ng ®èi cña mÆt tÊm: T k 2 − Tm 2 1623 − 1473 φm2 = = = 0,43 T k 2 − Tm1 1623 − 1273 - TÝnh thêi gian nung giai ®o¹n: BiÕt Bi2 = 1,49, φm2 = 0,43 tra biÓu ®å Fo m = (Bi 2 , φ m 2 ) x¸c ®Þnh ®−îc Fo 2 = 0,5 vµ tÝnh ®−îc thêi gian nung: 2 Fo 2 .x 0 0,5.0,12 τ2 = = = 0,25 [h] a2 0,02 - X¸c ®Þnh nhiÖt ®é t©m cuèi giai ®o¹n: BiÕt Bi2, Fo2 tra biÓu ®å φ t = (Bi 2 , Fo 2 ) x¸c ®Þnh ®−îc φ t 2 = 0,6 vµ tÝnh nhiÖt ®é t©m cuèi giai ®o¹n: t t 2 = t k 2 − (t k 2 − t t1 ).φ t 2 = 1350 − (1350 − 944).0,6 = 1106 [oC] c) TÝnh thêi gian gi÷ nhiÖt - NhiÖt ®é trung b×nh cña khÝ lß: t k 3 = 1250 [oC] §é chªnh nhiÖt ®é gi÷a mÆt vµ t©m cho phÐp 3oC/cm: - 55 -
∆t 3 = δt.x 0 = 30 [oC] ∆t c 30 TØ sè = = 0,32 , tra biÓu ®å (3.8) nhËn ®−îc Fo = 0,5, tÝnh ®−îc: ∆t d 94 2 Fo 3 .x 0 0,5.0,12 τ gn = = = 0,23 [h]. a3 0,022 VËy thêi gian nung tæng céng: τ = τ1 + τ 2 + τ gn = 1,04 + 0,25 + 0,23 = 1,52 [h] - 56 -