加热炉及加热工艺.pptx

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,加热炉及加热工艺,对加热炉的要求是：,(1)生产率高 在保证质量的前提下，物料加热速度越快越好，这样可以提高加热炉的生产率，减少炉子座数或缩小炉子尺寸。快速加热还能降低金属的烧损和单位燃料消耗，节约维护费用。一般用单位生产率即炉底强度的高低来评价一座炉子工作的优劣。,(2),加热质量好,金属的轧制质量与金属加热质量有密切的关系。加热时物料出炉温度应符合工艺要求，断面上温度分布均匀，金属烧损率低。防止过烧和表层的脱碳现象。,(3)燃料消耗低 轧钢厂能量消耗的10一15用于加热炉上，节省燃料对降低成本和节约能源都有重大意义。一般用单位燃料消耗量来评价炉子的工作，如每kg钢消耗的燃料量(kg)或热量(kJ)。,(4)炉子寿命长 由于高温作用和机械磨损炉子不可避免会有损坏，必须定期进行检修。应尽可能延长炉子的使用寿命，降低修炉的费用。,(5)劳动条件好 要求炉子的机械化及自动化程度高，操作条件好，安全卫生，对环境无污染。,燃料的一般性质,一、燃料的化学组成,自然界中的固体燃料和液体燃料，都是由有机物和无机物两部分所组成。有机物是由碳、氢、氧及少量的氮、硫等构成。这些复杂的有机化合物，分析十分因难，所以一般只测定碳、氢、氧、氮、硫的百分含量，与燃料的其他特性配合起来。帮助我们判断燃料的性质和进行燃烧计算，燃料的无机物部分主要是水分和矿物质灰分。,气体燃料由CO、H,2,、CH,4,、C,2,H,4,、C,n,H,m,、CO,2,、N,2,、O,2,、H,2,S、H,2,O等简单的化合物,或单质混合组成，其中主要的可燃成分是CO、H,2,、CH,4,、C,2,H,4,、C,n,H,m,等。CO,2,、H,2,O、N,2,、,O,2,等是不可燃成分。,固体燃料和液体燃科的元素组成用质量百分数表示，如C、H、O、N、S等。,燃料中的水分和灰分分别以符号W及A表示。,1碳,碳是固体燃料和液体燃料中员主要的热能来源。碳在燃烧时与空气中的氧化合生成CO,2,，同时放出大量的热,C十O,2,CO,2,十33915 (kJ/kg),燃料不完全燃烧时，碳与氧生成CO。,C十1/2 O,2,CO十10258 (kJ/kg),2氢,氢也是燃料中重要的可燃成分。氢燃烧时生成水蒸汽，同时放出大量的热。,H,2,十1/2 O,2,H,2,O(汽)十119915 (kJ/kg),固体燃料和液体燃料中的氢与碳、氧、硫结合成各种化合物状态存在，与碳、硫结合的氢可以燃烧；与氧结合的氢形成了燃料内的水分，不仅降低了燃料可燃成分的比例，而且蒸发时还要消耗热量。这种水分在干燥时不能除去，只有高温下分解时才能被除掉。,3氧,氧是燃料中有害的组成部分，因为在固体燃料及液体燃料中，它与碳、氢等可燃成分结合呈化合物状态存在。所以作为燃料使用时，它不仅不参与燃烧，反而约束了一部分可燃成分。,4氮,氮是惰性物质，燃烧时一般不参加反应而进入烟气中。在温度高和含氮量高的情况下，特产生较多的NO,x,，造成大气污染。,5硫,硫是燃料中有害的杂质。燃料中有机硫和黄铁矿硫在空气中燃烧都能生成二氧化硫。呈硫酸盐状态存在的硫不能燃烧，燃烧时进入灰分。,有机硫及黄铁矿硫燃烧时虽然能够产生一定热量,(10468kJ/kg),，但,SO,2,腐蚀金属设备，会使钢材表而烧损增加，严重影响钢的加热质量，并且污染环境造成公害。所以冶金燃料中的硫含量一般均有限制，在选用时必须加以考虑。,6水分,燃料中的水分是有害的成分。它的存在降低了可燃成分的比例热而蒸发，而且对燃料的运输和加工都不利。,原始煤中水分含量比较高是由于煤在开采、洗选、运输、贮存过程中，表面吸附了大量水分。这些水分在空气中风干时即可以除去，称为外部水分。其余水分吸肘在煤的小毛细管中，并以物理化学方式与煤质相连接，需要加热到,102,105,才能除去，称为内在水分。此外煤的矿物质中还常有少量结晶水，只有在更高温度下才能除去。,7灰分 ，,煤中的灰分高，相对可燃成分的比例就减少，而燃烧时灰分本身的加热和分解还要吸收热量；灰分高的煤往往容易夹杂烧不透的可燃物，造成燃料的损失；清灰也是很繁重的劳动。所以灰分的多少是衡量燃料经济价值的重要指标。,除了灰分的含量之外，在衡量固体燃料的质量时，还必须考虑灰分的熔点。灰分熔点太低时，容易在炉栅上结成大块，影响通风，清灰除渣也困难。所以一般要求灰分的软化,温度不低于,1200,。,燃料组成的表示方法,固体燃料和液体燃料的分析结果表示为各组成的质量百分数，由于燃料中水分和灰分含量波动很大，同一种煤由于取样时条件不同，如采用的分析基准不同，表示的结果也不相同。所以固体燃料和液体燃科的元素分析值必须标明所采用的基准。,冶金燃料基于不同的分所基准常用的成分表达方式有三种：应用成分、干煤成分和可燃成分。,应用成分反映了燃料在实际应用时的组成，包括全部C、H、O、N、S和灰分(A)、水分(W)。以上述组成的总和为100，即,C,用,+H,用,+O,用,+N,用,+S,用,+A,用,+W,用,=100%,燃科中的水分受外界条件影内很大。因此应用成分常常不能正确反映燃料的本性。为了便于比较，常以C、H、O、N、S、A六个组分的总和为100即水分不计在内，这样各成分所占的质量百分数称为燃料的干煤成分，即,C,干,+H,干,+O,干,+N,干,+S,干,+A,干,=100%,灰分往往受到运输和储存条件的影响而被动。为了更确切地反映燃料的性质，有时还采用无水无灰的基准，以这种方式表达的质量百分组成。称为燃料的可燃成分，即,C,燃,+H,燃,+O,燃,+N,燃,+S,燃,=100%,三、燃科的发热量,单位质量或体积的燃料完全燃烧后所放出的热量称为燃料的发热量。,单位：kJkg（固、液）,kJm,3,（气体）,由于燃科中含有水分，燃料中的氢及碳氢化合物燃烧后也会生成水，发热量的值也有所不同。,当燃烧产物的温度冷却到使其中的水蒸汽冷凝成为0的水时，所放出的热量称为燃料的高发热量，用Q,高,表示。,当燃烧产物中的水分不是呈液态，而是呈20的水蒸汽存在时。由于扣除了水分的汽化热而使发热量降低，这时得到的热量称为燃料的低发热量，用Q,低,表示。,在实际燃烧过程中，低发热量比较有意义。,高发热量与低发热量之间的换算关系如下；,水在恒压下由0的水变为20蒸汽的汽化热近似地为2512kJkg，,设每100kg燃料中的氢为Hkg，水为Wkg，则燃烧后总的水质量为9H十W kg，故高发热量与低发热量之 间的差额为,2512(9H十W)(kJ100kg)25.12(9H十W)(kJ/kg),Q,高,Q,低,十25.12(9H十W)(kJ/kg),Q,低,Q,高,一25.12(9H十W)(kJ/kg),燃料的发热量可以用热量计直接测定，也可以根据燃料的元素分析值或工业分析值用,计算来确定。常用的利用元素分析值计算发热量的公式，如门捷列夫公式：,Q,低,339.1C,用,十l 256H,用,108.9(O,用,S,用,),25.12(9H,用,十W,用,)(kJ/kg),利用燃料的工业分析值计算发热量的公式很多，大都是利用统计方法得出的经验公式，这类公式常常带有地区性。,气体燃料是一些独立存在的可燃成分所组成，每种可燃成分的发热量可以精确测定。所以只需把各可燃成分的发热量加起来即可，其计算公式为,Q,低,12.7CO,湿,十107.6H,2,湿,十358.8CH,4,湿,十 599.6C,2,H,4,湿,十(kJ/m,3,),各种燃料的发热量差别很大如果要比较各炉子的能耗，单讲质量是不确切的。为了便于比较，人为地规定了一个“标准燃料”的慨念。每1kg标准燃料的发热量定为29270kJ(相当于7000kcal)，这样就可以把各种燃料折算为标准燃料。,加热炉常用燃料,常用于加热炉的燃料：煤、重油、天然气、高炉煤气及焦炉煤气、发生炉煤气等。,三、天然气,天然气是直接由地下开采出来的可燃气体，是一种工业经济价值很高的气体燃料。它的主要成分是甲烷(CH4)，及少量重碳氢化合物和H,2,、CO等可燃气体，发热量很高，大多都在33500一46000kJm,3,。,天然气是一种无色、稍带腐烂臭味的气体，密度约0.73一0.80kgm,3,，比空气轻。天然气容易着火，着火温度范围在640一850之间，与空气温合到一定比例(容积比为415)，遇到明火会立即着火或爆炸。天然气燃烧时所需的空气量很大，每m,3,天然气需914m,3,空气。,四、高炉煤气和焦炉煤气,1、高炉煤气,高炉煤气是高炉炼铁的副产物。高炉每消耗一吨焦炭可以得到3800一4000m,3,的高炉煤气。高炉煤气含有大量的N,2,和CO,2,所以发热量比较低，通常只有3350一4200kJm,3,。高炉煤气由于发热量低。燃烧温度也较低。火焰的辐射能力弱，在加热炉上单独使用困难，往往是与焦炉煤气温合使用，或在燃烧前将煤气与空气预热。高炉煤气是钢铁联合企业内数量很大的副产品，所以被作为一项重要的能源。,高炉煤气的成分(干成分)大致如下：,CO H,2,CH,4,22,31 2,3 0.3,0.5,CO,2,N,2,10,19 57,58,现代高炉往往采用富氧鼓风和高压炉顶技术，采用富氧鼓风时，高炉煤气的CO和H,2,升高，而N,2,含量降低，所以煤气的发热量相应提高。采用高压炉顶技术时，随着炉顶压力的升高，煤气中CO略有降低，而CO,2,相应升高，所以煤气的发热量也稍有下降。,高炉出来的煤气含有大量水分和灰尘，含水量50一80gm,3,，含尘量60一80gm,3,。这种煤气在运输与使用上都很不便，必须进行认真的脱水与除尘。,2焦炉煤气,焦炉煤气是炼焦的副产物。每炼制一吨焦炭可得400450m,3,焦炉煤气。焦炉煤气的主要可燃成分是H,2,、CH,4,、CO、C,2,H,4,等，焦炉煤气的成分(干成分)大致如下()：,H,2,CH,4,C,n,H,m,CO CO,2,5560 2428 24 68 24,O,2,N,2,0.40.8 47,由于焦炉煤气内的主要可燃成分是高发热量的H,2,和CH,4,，所以焦炉煤气的发热量为16000一18800kJm,3,。如果煤的挥发分高，焦炉煤气中CH,4,等的含量将增高，煤气的发热量也将增高。焦炉煤气由于含H,2,高，所以黑度小，较难预热。同时密度只有0.40.5kgm,3,比其他煤气轻，火焰的刚性差，往上飘。,3高炉焦炉混合煤气,在钢铁联合企业里，焦炉煤气与高炉煤气产量的比值大约为1：10，单独使用焦炉煤气从能量分配看是不合理的。所以可以利用不同比例的高炉煤气和焦炉煤气配成各种发热量的混合煤气，其发热量为59009200kJm,3,，供各种冶金炉作为燃料。,设焦炉煤气在混合煤气中的百分比为x，则高炉煤气的百分比为(1-x)，,Q,混,xQ,焦,十(1一x)Q,高,五、发生炉煤气,发生炉煤气是以固体燃料为原料，在煤气发生炉中制得的煤气，这个热化学过程叫固体燃料的气化。,根据工艺过程的不同，发生炉煤气可以分为：空气煤气、空气蒸汽煤气、水煤气等。作为加热炉燃料的主要是空气蒸汽煤气，通常泛指的发生炉煤气就是指这一种。图12是在发生炉中制造煤气的原理示意图。,原料自上方连续加入发生炉内，空气与蒸汽从下部送入。空气与蒸汽通过灰渣层被预热后继续上升，空气中的氧与炽热的焦炭在氧化层发生燃挠反应，并放出大量的热。,C+O,2,CO,2,+406900(J/mol),当气体上升时，生成的CO2在还原层又被炽热的焦炭还原为C0，,CO,2,+C2CO-160700(J/mol),总的来看，以上两个反应式可以表达为,2C+O,2,=2CO+246200(J/mol),这是放热反应，因此发生炉的温度将不断升高。,10、很多事情努力了未必有结果，但是不努力却什么改变也没有。,令Ln代表实际供给空气量，L0代表理论空气需要量，则二者的比值就称为空气消耗系数并用n表示，即,料坯进入加热段后，强化加热，表面迅速升温到出炉所要求的温度，允许物料内外有较大温差。,H2 CH4 CnHm CO CO2,金属的导热系数与金属化学成分、温度、组织、杂质含量以及加工条件都有关。,在已知燃烧产物成分的条件下，气体燃料燃烧产物的密度可按式(120)计算。,十月 224:09 下午10月-2216:09October 25,2022,CO+H2OCO2+H2-43580(J/mol),燃烧产生的炉气一般是对着被加热的料坯向炉尾流动，即逆流式流动。,所以终轧温度也不能太高，最好在850左右，不要超过900也不要低于700。,燃料中有机硫和黄铁矿硫在空气中燃烧都能生成二氧化硫。,2022/10/25 16:09:4516:09:4525 October 2022,10月-2210月-2216:09:4516:09:45October 25,2022,1C用十l 256H用108.,在不同的加热条件下，不同金属在加热过程中性能的变化也不相同，了解金属热物理性能和机械性能及它们随温度变化的情况，对于正确制定加热工艺制度是重要的依据，也是进行加热计算的依据。,为了在生产中控制反应温度，所以鼓风中同时效入蒸汽，蒸汽在炉内与炽热焦炭相遇时，发生还原反应。,H,2,O+CH,2,+CO-118720(J/mol),2H,2,O+CCO,2,+2H,2,-75240(J/mol),CO+H,2,OCO,2,+H,2,-43580(J/mol),由于这几个反应都是吸热反应。因此降低了空气鼓风时过高的炉温，而且生成可燃气体CO,2,和H,2,。增加了煤气的发热量。,燃烧计算,为了合理利用燃料，需要掌握燃料燃烧的若干热工参数和进行燃烧计算。燃烧计算包括空气需要量和燃烧产物量的计算，燃烧产物成分和密度的计算，燃烧温度的计算等。,燃烧过程是很复杂的，为了使计算简化，在燃烧计算中作如下几项假定：,(1)气体的体积都按标准状态(0 和105Pa)计算，一切气体在标准状下每kmol的体积都是22.4m：；,(2)在计算中不考虑热分解的产物；,(3),空气的组成只考虑,O,2,和N,2,。,1、完全燃烧和不完全燃烧,燃料中的可燃物质和氧进行了充分的燃烧反应，燃烧产物中巳不存在可燃物质，称为完全燃烧。如燃料中的碳全部氧化生成CO,2,，而不存在CO。,不完全燃烧又有两种情况：,(1)化学不完全燃烧 燃料中的可燃成分由于空气不足或燃料与空气混合不好，而没能得到充分反应的燃烧，叫化学不完全燃烧。,(2)机械不完全燃烧 燃料的部分可燃成分没有参加或进行燃挠反应就损失了的燃烧过程，叫机械不完全燃烧。如灰渣裹走的煤，炉栅漏下的煤，管道漏掉的重油或煤气。,2空气消耗系数,燃料燃烧时所需的氧气通常是由空气供给的。根据化学反应方程式计算的每1kg或1m,3,燃料完全燃烧时所需要的空气量，叫理论空气需要量。由于空气供给不足或燃料与空气的混合不好，会造成化学不完全燃烧。因此，为了保证燃料的完全燃烧，所供给的空气量实际上都大于理论的空气需要量。令L,n,代表实际供给空气量，L,0,代表理论空气需要量，则二者的比值就称为空气消耗系数并用n表示，即,空气消耗系数的大小与燃料种类、燃烧方法、燃烧装置的结构及其工作好坏都有关。各,类燃料空气消耗系数的经验数据如下：,固体燃料 n=1.201.50,液体燃料 n=1.151.25,气体燃料 n=1.051.15,二、气体燃料完全燃烧的分析计算,已知气体燃料的湿成分,CO,湿,+H,2,湿,+CH,4,湿,+C,m,H,n,湿,+HS2,湿,+CO,2,湿,+SO,2,湿,+O,2,湿,+N,2,湿,+H,2,O,湿,=100%,气体燃料的燃烧计算方法与固体燃料、液体燃料的燃烧计算相似，而且更为简便。因为任何气体每1kmol的体积为22.4m,3,，所以参加燃烧反应的各气体与燃烧生成物之间的mol数之比，就是其体积比。例如：,CO+1/2O,2,=CO,2,1mol：0.5 mol：1 mol,1m,3,：0.5 m,3,：1m,3,1、空气需要量,2、燃烧产物量,料坯进入加热段后，强化加热，表面迅速升温到出炉所要求的温度，允许物料内外有较大温差。,H2 CH4 CnHm CO CO2,1C用十l 256H用108.,各成分的体积百分数为：,10 19 57 58,二段式加热制度是使金属先后在两个不同的温度区城内加热，是由加热期和均热期组成或由预热期和加热期组成。,由于奥氏体组织的钢塑性最好，这时金属的变形抗力小，而且加工后的残余应力小，不会出现裂纹等缺陷。,12(9H十W)(kJ/kg),一般说来，金属的热加工温度越高，可塑性越好。,这时即使产生较大的温度差，将由于塑性变形而使应力消失，不致造成裂纹或折断。,加热不分阶段，故称为一段式(或一期)加热制度。,为了合理利用燃料，需要掌握燃料燃烧的若干热工参数和进行燃烧计算。,3、燃烧产物成分,各成分的体积百分数为：,4燃烧产物的密度,在已知燃烧产物成分的条件下，气体燃料燃烧产物的密度可按式(120)计算。在已知气体燃料湿成分时，也可按下式计算：,三、燃烧温度的计算,燃烧时燃烧产物所能达到的温度称为燃料的燃烧温度。燃烧产物所含的热量，可以由燃烧过程的热平衡求出。根据能量守恒，燃料燃烧时燃烧产物的热量收入和热量支出应当相等。由热量收支关系可以建立热平衡方程式。根据热平衡方程式即可求出燃烧温度。,1燃烧过程中热量收入,在燃烧过程中，热量收入项包括：,(1)燃料燃烧的化学热Q,化,(2)燃料带入的物理热Q,燃,(3)空气带入的物理热Q,空,2燃烧过程中热量支出,热量的支出项包括：,(1)燃烧产物包含的热量t,理,V,n,c，在简单的理想情况下，没有热量消耗与损失，燃烧产物所得到的热量都用以提高自身的温度。这时的燃烧温度称为理论燃烧温度t,理,。V,n,是燃烧产物的体积m,3,/kg或m,3,/m,3,；c为燃烧产物的平均比热kJ/(m,3,)。,(2)由于燃烧产物的热分解而损失的热量Q解，燃烧产物中的部分CO,2,和H,2,O在约2000高温下要发生热分解、消耗一部分热量，即,CO,2,CO+O-Q,解,H,2,O,H+OH-Q,解,因此，可以建立燃烧过程的热平衡方程式如下：,理论燃烧温度是燃料能完全燃烧，而没有其他热支出时，燃烧产物所能达到的最高温度。但是，在实际的燃烧条件下，由于向周围介质散失的热量和燃料不完全燃烧造成的损失，实际燃烧温度比理论燃烧温度低得多。,因为热损失，特别是不完全燃烧的热损失从形论上计算很困难，所以不可能进行实际燃烧温度的理论计算。,式中的系数称为炉温系数。加热炉和热处理炉的炉温系数,式中指,1m,3,燃挠产物的热含量，它包括,分别代表1m,3,燃烧产物中由于燃料化学热、,燃料物理热、空气物理热所带入的热量。,四、空气消耗系数,炉内的过剩空气太多，会降低燃烧温度和增加钢的氧化与脱碳。因此，在燃烧情况好的烟气中不完全燃烧产物和过剩空气量都较少。应该在尽可能小的空气消耗系数下，保证燃料的完全燃烧，避免过剩空气量过多或空气供给量不足。,空气消耗系数可以根据经验选定，由于多种原因(如燃料量波动、漏风漏气、计量不准等)，炉内实际的情况与规定的数值往往有出入。所以有时要根据测得的燃烧产物成分来计算空气消耗系数，再按计算结果去调整空气供给量。,空气消耗系数的计算法较多，常用的有氮平衡法和氧平衡法，前者适用于在空气中的燃烧，后者还可用于富氧空气中的燃烧。现介绍用氮平伤法计算m值的方法。,烟气的干成分为,CO,2,%+CO%+H,2,%+CH,4,%+N,2,%+,+,O,2,%=100%,式中氧含量包括两部分，一部分是过剩空气中的氧O,2,过,；另一部分是由于CO、H,2,、CH,4,等的不完全燃烧，而未利用的氧O,2,未,，即,令L,过,代表过剩空气量，,L,过,L,n,一L,0,，故,过剩空气中的氧量O,2,过,V,n,0.21 L,过,或,现在建立氮的平衡关系：,烟气中的氮量空气带进的氮量十燃料中的氮量,烟气中的氮量N,2,V,n,；空气带进的氮量0.79L,n,；,燃料中的氮量N,燃,。,即,式中的Vn和燃烧产物成分有一定关系。现分析如下：,燃烧产物中,金属加热工艺,金属在轧制之前的加热，是金属的热加工过程中一个必要的环节。加热的目的是：,(1)提高金属的塑性 金属在冷的状态下塑性很低，为了改善金属的热加工条件，必须提高金属的塑性。一般说来，金属的热加工温度越高，可塑性越好。例如高碳钢在常温下的变形抗力约为6000kgcm,2,，这样在轧制时就需要很大的轧制压力，消耗很大的能量。如果将它加热到1200，这时的变形抗力降低到大约300kgcm,2,，比常温下的变形抗力降低20倍。所以钢的温度越低，加工所消耗的能量越大，轧机的磨损也越快，而且温度不足时还容易发生断辊事故。,(2)使金属锭或坯内外温度均匀 由于金属内外的温度差，使其内部产生应力，应力会造成轧材时的废品或缺陷。通过均热使断面亡温差缩小，避免出现危险的温度应力。,(3)改变金属的结晶组织 金属经过冷加工以后，组织结构改变，处于加工硬化状态，需要加热进行热处理达到所要求的物理性能和力学性能。有时钢锭在浇铸过程中会带来一些组织缺陷，例如高速钢中碳化物的偏析等，通过在高温下长时间保温，可以消除或减轻这类缺陷的危害。,金属加热的质量直接影响到轧材的质量、产量、能源消耗以及轧辊寿命。正确的加热工艺可以提高金后的塑性，降低热加工时的变形抗力，按时为轧机提供加热质量优良的锭或坯，保证轧机生产顺利进行,反之，如加热工艺不当，就会直接影响轧机的生产。例如加热温度过高会发生钢的过热、过烧，轧制时就要造成废品；如钢的表面发生严重的氧化或脱碳也会影响钢的质量，甚至报废。目前有的轧机不能充分发挥作用，往往是因为加热工艺这一环节薄弱。因此，制定正确的加热工艺制度，防止加热过程中可能出现的各种缺陷。,金属的加热工艺包括确定加热温度、加热速度、加热时间、炉温制度、炉内气氛等。为了制定正确的加热工艺，还应当了解与金属加热有关的金后热物理性能及力学性能，了解加热过程中缺陷产生的原因及防止的措施。,金属的物理和机械性能,在不同的加热条件下，不同金属在加热过程中性能的变化也不相同，了解金属热物理性能和机械性能及它们随温度变化的情况，对于正确制定加热工艺制度是重要的依据，也是进行加热计算的依据。,一、金属的导热系数,金属的导热系数与金属化学成分、温度、组织、杂质含量以及加工条件都有关。钢的导热系数随含碳量的增加而降低，当含碳量小于0.2时，这种影响最明显。杂质如锰、硅、硫、磷也降低钢的导热系数。,常温下碳素钢的导热系数可以根据下列经验式算出：,碳素钢的导热系数随温度的升高而下降，但当温度超过900时，由于组织中出现奥氏体，奥氏体钢的导热系数又随温度升高而略有上升。,合金元素可以降低钢的导热性，钢中合金元素愈多，则其导热系数愈低。,金属的比热,在100以下至室温，钢的比热可以按下而公式计算,总的说来，钢化学成分对比热的影响不大，但温度的影内则比较大，无论碳素钢或合金钢，比热均随温度的升高而增大特别在,800,以下更为明显，超过,900,则变化不大，甚至某些钢种的比热值还略有下降。,金属的密度与金属的化学成分、组织和温度有关。碳素钢的密度因含碳量的不同变化于,78007850kg,m,3,之间。,温度升高时钢的密度因体积膨胀而降低，密度与温度的关系用下式表示温度升高时钢的密度因体积膨胀而降低，密度与温度的关系用下式表示。,四、导温系数,导热系数A越大时，表示通过金属传导的热量越多，但是传递热量的多寡并不完全直接反映金属温度升高的快慢，因为升温的快但不仅与导热性能有关，还和金属的比热及密度有关。表示这一关系的物理量称为导温系数 单位：m,2,h或m,2,s。,五、金属的机械性能及其与温度的关系,为了了解金属在加热时的温度应力问题，应掌握金属的弹、塑性及变形抗力的知识。金属的弹性决定于拉伸时的弹性模量,E,及泊松比。表示试样断面收缩与纵向延伸之比，各种金属的，值波动在,0.28,一,0.45,的范围内，对于钢,0.3,。弹性模量决定于金属的化学成分及其温度。钢为200220GPa，钢种的影响很小。通常金用的弹性模量随温度升高而减小。例如，钢在500时，E值下降20，超过500一550，碳钢失去弹性而入塑性范围。,塑性加工时金属抵抗变形的能力、称为变形抗力。变形抗力与变形力数值相等方向相反。变形抗力和塑性是两个不同的概念，塑性反映金局变形的能力，变形抗力则反映金属变形的难易程度。金属的塑性好，变形抗力不一定就低，反之亦然。,金属的塑性和变形抗力主要取决于金属的化学成分、组织状态、温度及其它变形条件。,温度影响总的趋势是，随温度升高，大多数金属及合金的塑性增加，变形抗力降低。这是因为温度升高，原子热运动加剧，原子间的结合力减弱，所以变形抗力降低。同时，可能增加新的滑移系，以及热变形过程中伴随回复再结晶软化过程，这些都提高了金属的塑性变形能力，但是，随温度的升高，金属的塑性并不是直线上升的。因为相态和晶粒边界同时也发生了变化，这种变化又对塑性产生了影响。,金属的加热缺陷,金属在加热过中，炉子的温度和气氛必须调整得当，如果操作不当，会出现各种加热缺陷，如氧化、脱碳、过热、过烧等。这些缺陷影响金属的加热质量，重则造成废品，所以加热过程中应尽力避免。,一、钢的氧化,钢在高温炉内加热时，由于炉气中合有大量,O,2,CO,2,、,H,2,O,，钢的表面层要发生氧化。而且从钢锭到成品材往往加工多次，每加热次，有,0.5,3,的钢由于氧化而烧损。所以整个热加工过程中，烧损量高达,4,5,。,氧化不仅造成钢的直接损失，而且氧化后产生的氧化铁皮堆积在炉底上，特别是实炉底部分，不仅使耐火材料受到侵蚀，影响炉体寿命，而且清除这些氧化铁皮是一项很繁重的劳动，严重的时候加热炉会被迫停产。,氧化铁皮还会影响钢的质量它在轧制过程中压在钢的表面上，就会使表面产生麻点，损害表而质量。如果氧化层过深，会使钢锭的皮下气泡暴露，轧后造成废品。,氧化铁皮的导热系数比纯金属低，所以钢表面上覆盖了氧化铁皮，又恶化了传热条件，降低了炉子生产率，增加了能源的消耗。,影响氧化的因素,(1)加热温度的影响 在850一900以下，铁的氧化速度很小，1000以上则急剧上升。因为随着温度的升高，各成分的扩散加快。超过1300以后，表面的氧化铁皮熔化，扩散的阻力减小，氧化速度大大增加。在6001200的范围内，碳钢氧化烧损量与温度及时间的函数关系，有如下的经验式：,(2)加热时间的影响 在同样条件下，加热时间越长，钢的氧化烧损量越多。,(3)炉气成分的影响 火焰炉的炉气成分决定于燃料成分、空气消耗系数、完全燃烧与否，炉气成分对氧化的影响很大。,(4)钢的成分的影响 随着钢中含碳量的增加，钢的烧损率有所下降，可能是因为钢中的碳氧化，部分生成CO，它阻碍了氧化性气体的作用。,但是钢的成分的影响主要是对氧化铁皮构造的影响。合金元素如Cr、Ni、Si、Al、Mn、V等，都能够提高钢的抗氧化性能。这些元素本身也能被氧化，而且比铁的氧化倾向还大。但它们在钢的表面生成一层非常薄而致密的氧化膜。这层合金成分氧化物构成的膜成了钢的保护膜，使钢的氧化速度大为降低，外部的氧化性介质不易透入。,三、钢的脱碳,钢在加热过程中，表而除了被氧化烧损而外，还会造成表层内合碳量的减少，称为钢的脱碳。碳在钢中早以Fe,3,C的形式存在，它是直接决定钢的机械性质的成分。例如高碳工具钢，就是依靠碳获得很高的红硬性，如果表面脱碳后，钢的硬度特大为降低。,合金钢中除不锈钢外大多是高碳钢，除了电工硅钢要求脱碳以外，其他钢种的脱碳都被认为是钢的缺陷，特别是工具钢、滚珠轴承钢、弹簧钢都不希望发生脱碳现象。脱碳后最明显的是硬度下降，弹簧钢的抗疲劳强度将降低，要淬火的钢还容易出现裂纹。要清除钢的脱碳层，势必增加额外的工作量。防止钢的脱碳，也是钢的加热过程中的重要问题,四、钢的过热,如果钢的加热温度超过临界温度Ac,3,钢的晶粒就开始长大，晶粒粗化是过热的主要特征。加热温度越高。加热时间越长，这种晶粒长大的现象越显著。晶粒过份长大，钢的机械性能下降，轧制时容易产生裂纹。,加热温度与加热时间对晶粒的长大行决定性的影响，在轧钢作业和热处理的加热过程中，应掌握好加热温度、以及钢在高温区域停留的时间。,合金元素大多数是可以减小晶粒长大趋势的，只有碳、磷、锰会促进晶粒的长大。故一般合金钢的过热敏感性比碳素钢低，即合金元素起了细化晶粒的作用。,已经过热的钢可以通过退火处理恢复钢的机械性能，即使钢缓慢加热到略高于Ac,3,的温度，再慢慢冷却下来，使组织再结晶。这样的钢可以重新加热进行压力加工。但严重过热的钢，晶粒太大，已不能通过再结晶使晶粒细化，就难以用退火的办法恢复。,五、钢的过烧,当钢加热到比过热更高的温度时，不仅钢的晶粒长大，晶粒周围的薄膜开始熔化，氧进入了晶粒之间的间隙，使金属发生氧化，又促进了它的熔化。导致晶粒间彼此结合力大为降低，塑性变坏，这样钢在进行压力加工过程中就会裂开，这种现象就是过烧。过烧的钢用退火的方法无法挽救，只有间加重新熔炼。,过烧不仅取决于加热温度，也和炉内气氛有关。炉气的氧化能力越强，越容易发生过烧现象，因为氧化性气体扩散到金属中去，更易使品粒间界氧化或局部熔化。钢中含碳量越高，产生过烧危险的温度越低。,与过热相同，发生过烧往往也是在高温区域停留时间过长，例如在轧机发生故障、换辊的时候，遇到这类情况要及时采取措施，设法降低炉温并减少进入炉内的空气量。,金属的加热温度和加热速度,一、金属的加热温度,金属的加热温度指金属加热完毕出炉时的表面温度。金属的轧制前的加热，是为了获得良好的塑性和较小的变形抗力加热温度主要根据热加工工艺要求，由金属的塑性和变形抗力等性质来确定。合适的加热温度，应使金属获得最好的塑性和最小的变形抗力，出为这样有利于轧制，提高产量，减少设备磨损和动力消耗。,金属的加热温度，一般来说需要参考金属的状态相图、塑性图及变形抗力图等资料综合确定。碳钢和低台金钢加热温度的选择主要是借助于铁碳平衡相图。,确定轧制的加热温度要依据固相线，因为过烧现象和金属的开始熔化有关。钢内如果有偏析、非金属夹杂，都会促使熔点降低。因此加热的最高温度应比固相线低100150。,在选择其加热温度时，还应考虑钢材表面脱碳问题，为了使脱碳层在规定标准以下，应适当降低钢坯加热温度。,钢的加热温度不能太低，必须保证钢在压力加工的末期仍能保持一定的温度,(,即终轧温度,),。由于奥氏体组织的钢塑性最好，这时金属的变形抗力小，而且加工后的残余应力小，不会出现裂纹等缺陷。根据终轧温度再考虑到钢在出炉和加工过程中的热损失，便可确定钢的最低加热温度。终轧温度对钢的组织和性能影响很大，终轧温度越高。晶粒集聚长大的倾向越大，奥氏体的晶粒越粗大，钢的机械性能越低。所以终轧温度也不能太高，最好在,850,左右，不要超过,900,也不要低于,700,。,金属的加热速度,从生产率的角度，希望加热速度愈快愈钢在加热过程中，由于金属本身的热阻，不可避免地存在内外的温度差，表面温度总比中心温度升高得快，这时表面的膨胀要大于中心的膨胀。这样表面受压力而中心受张力，于是在钢的内部产生了热应力。热应力的大小取决于温度梯度的大小，加热速度越快，内外温差越大，热应力就越大。应力超过了钢的破裂强度极限，钢的内部就要产生裂纹，所以加热速度要限制在应力所允许的范围之内。,但是，钢中的应力只是在一定温度范围内才是危险的。多数钢在550以下处于弹性状态，这时如果加热速度太快，温度应力超过了钢的强度极限，就会出现裂纹。温度超过了这个温度范围，钢就进入了塑性状态，对低碳钢可能更低的温度就进入塑性范围。这时即使产生较大的温度差，将由于塑性变形而使应力消失，不致造成裂纹或折断。,金属的加热制度和加热时间,一、金属的加热制度,正确选择金属的加热工艺，不仅要考虑金属的加热温度，是否达到了出炉的要求，还应考虑断面上的温度差，即温度的均匀性。,金属的加热制度和金属种类、钢坯的尺寸大小、温度状态以及炉子的结构和物料在炉内的布置等因素有关。,钢在轧制前和热处理时的加热制度，按炉内温度的变化可分为：,一段式加热制度、,二段式加热制度、三段式加热制度和多段式加热制度。,一段式加热制度,整个加热过程中，炉温大体保持一定，而钢的表面和中心温度逐渐上升，达到所要求的温度。加热不分阶段，故称为一段式(或一期)加热制度。,这种加热制度的待点是炉温和钢料表面的温差大，所以加热速度快，加热的时间短。,这种加热制度适用于一些断面尺寸不大，导热性好，塑性好的钢科，如钢板、薄板坯、薄壁钢管的加热。或者是热装的钢科，不致产生危险的温度应力。,二段式加热制度,二段式加热制度是使金属先后在两个不同的温度区城内加热，是由加热期和均热期组成或由预热期和加热期组成。,由加热期和均热期组成的二段式加热制度，是把钢坯直接装入高温炉膛进行加热，加热速度快。钢坯断面上的温差大。为了使断面温度趋于均匀，需要经过均热期。在均热阶段，表面与中心的温度差逐渐缩小而趋于均匀。这种温度制度的特点是加热速度快，最后断面上温度差小。通常冷装或低温热装的低碳钢钢坯及热装的合金钢坯。,由预热期和加热期所组成的二段式加热制度，金属的加热速度较慢，因为中心与表面的温差小，一些导热性差的钢适于先在预热段加热，温度应力小，待温度升高进入钢的塑性状态后，再到高温区域进行快速加热。这种加热制度由于没有均热期，最终不能保证断面上温度的均匀性，所以不宜用于加热断面大的钢坯。,三段式加热制度,三段式加热制度是把钢坯放在三个温度条件不同的区段期)内加热，依次是预热段、加热段、均热段(或称应力期、快速加热期、均热期)。,这种加热制度是比较完善的加热制度，它综合了以上两种加热制度的优点。钢坯首先在低温区域进行预热，这时加热速度比较慢，温度应力小，不会造成危险。等到金属中心温度超过500以后，进入塑性范围，这时就可以快速加热，直到表面温度迅速升高到出炉所要求的温度。加热期结束时，钢坯断面上还有较大的温度差需要进入均热期进行均热。此时钢的表面温度基本不再升高，而使中心温度逐渐上升，缩小断面上的温度差。,这种加热制度可用于加热各种尺寸冷装的碳素钢坯及合金钢坯，特别是高碳钢、高合金金钢，在加热初期必须缓慢进行预热。,无论一段、二段或二段式都是指温度与热流随时间的变化而言。但在连续式加热炉中，随时间变化的“段”的概念恰好与连续式加热炉沿炉长分段的概念相吻合，一些文献资料上对加热制度个体段，而称“期”，但习惯上连续式加热方式仍多沿用某段式加热制度的叫法。一些现代化的大型连续式加热炉，从炉型结构上尽可以分成许多段，如预热段、第一上加热段、第二上加热段等，往往只是增加了加热段供热的地点，但从加热制度的观点上说，仍属于三段式加热制度。,金属的加热时间,金属的加热是不稳定态传导传热，可根据传热学理论对不稳定态传导传热三种边界条件下进行求解可以计算金属的加热时间。这种经典的解法，至今不仅具有理论上的意义，在解决实际问题时也有价值。但是由于炉内传热条件变化相当大，温度场、黑度场并不都是均匀的，所以计算还要相经验公式及实际资料结合起来。,连续加热炉,连续加热炉是轧制车间应用最普遍的炉子。料坯由炉尾装入。加热后由另一端排出。推钢式连续加热炉，钢坯在炉内是靠推钢机的推力沿炉底滑道不断向前移运；机械化炉底连续加热护，料坯则靠炉底的传动机械不停地在炉内向前运动。燃烧产生的炉气一般是对着被加热的料坯向炉尾流动，即逆流式流动。料坯移到出料端时，被加热到所需要的温度，经过出料口出炉，再沿辊道送往轧机。,具有连续加热炉热工特点的炉子很多，从结构、热工制度等分面看，连续加热炉可按下列特征进行分类。,(1)按温度制度可分为：两段式、三段式和强化加热式。,(2)按被加热金属的形状可分为：加热方坯的、加热板坯的、加热圆管坯的、加热异型坯的。,(3)按所用燃料种类可分为：使用固体燃料的、使用重油的、使用气体燃料的、使用混合燃料的。,(4)按空气和煤气的预热方式可分为：换热式的、蓄热式的、不预热的。,(5)按出料方式可分为：端出料的和侧出料的。