第一章 金属的加热

④ 真空加热的特点 辐射为主 工件表面光洁、黑度更小， 工件表面光洁、黑度更小，给热系数较光亮加 光洁 热时更小
流态化技术 流态化技术 流态化 利用流动流体的作用，将固体颗粒群悬浮起来， 利用流动流体的作用，将固体颗粒群悬浮起来，从而 使固体颗粒具有某些流体表观特征， 使固体颗粒具有某些流体表观特征，利用这种流体与固体 间的接触方式实现生产过程的操作，称为流态化技术， 间的接触方式实现生产过程的操作，称为流态化技术，属 于粉体工程的研究范畴。 于粉体工程的研究范畴。 应用 流态化技术在强化某些单元操作和反应过程以及开发 新工艺方面，起着重要作用。它已在化工、炼油、冶金、 新工艺方面，起着重要作用。它已在化工、炼油、冶金、 轻工和环保等部门得到广泛应用。 轻工和环保等部门得到广泛应用。
以热传导为主， 以热传导为主，兼有辐射传热及对流传热 ——综合传热 综合传热
③ 在气态介质中加热的特点 属于综合传热 高温区： 高温区：辐射为主 中温区： 中温区：辐射和对流兼有 低于600ºC的循环气体炉：对流为主 的循环气体炉： 低于 的循环气体炉
下表是钢材在不同条件下的给热系数
钢材αf 钢材 炉温/ºC 炉温 300 500 700 900 空气介质 75.4 184.3 368.6 615.5 光亮加热 46 105 209 355.9 气流速度m/min 气流速度 自然对流 2 5 10 15 αc 42 63-75 92-121 147-167 251-335
T——物体的绝对温度，K；c——辐射系数，J/(m2·h·K4) 物体的绝对温度， ； 辐射系数， 物体的绝对温度 辐射系数 c=20.52kJ/(m2·h·K4)的物体称为绝对黑体，用c0表示； 的物体称为绝对黑体， 的物体称为绝对黑体 表示； 称为黑度系数， ① c/c0＝ε，ε称为黑度系数，简称黑度； ， 称为黑度系数 简称黑度； 表示一物体的辐射能力接近黑体的程度； 表示一物体的辐射能力接近黑体的程度； 辐射能力是物体在单位时间内单位表面积向表面上半球空 ② 辐射能力是物体在单位时间内单位表面积向表面上半球空 间所有方向发射的全部波长的总辐射能量。 间所有方向发射的全部波长的总辐射能量。
第一章 金属的加热
主要内容
金属加热的物理过程及其影响因素 金属及合金在不同介质中加热时常见的物理化学现象及加 热介质选择
基本要求 基本要求
掌握热处理加热时间的确定、影响热处理工件加热的因素、 掌握热处理加热时间的确定、影响热处理工件加热的因素、 钢加热时的氧化反应及脱碳、 钢加热时的氧化反应及脱碳、加热介质的选择
说明： 说明：负号表示热流量方向和温度梯度方向相反
综合传热 4 综合传热
Q = Qc + Qr + Qcd
——公式 公式1 公式 ——公式 公式2 公式 ——公式 公式3 公式 ——公式 公式4 公式
Q = α (t 介 − t 工 )
α = α c + α r + α cd
T 4 T 4 α =AC 1 − 2 (T −T ) r n 0 介 工 100 100
本章重点
热处理加热时间的确定、钢的氧化脱碳、加热介质的选择 热处理加热时间的确定、钢的氧化脱碳、
本章难点
金属的氧化过程及脱碳过程
1.1
金属加热的物理过程及其影响因素
加热过程 炉内热源 工件表面 工件内部
传导传热 辐射传热 辐射传热 对流传热 对流传热
传导传热 或热传导
1.1.1 加热介质和工件表面的传热过程 加热介质和工件表面的 1 对流传热 对流传热 靠气体或液体的流动来传热的方式 特点 通过发热体和工件之间流体的流动进行 过程 发热体 流动质点 工件表面
α—综合传热系数 综合传热系数
1.1.2 工件内部的热传导过程 工件内部的热传导过程 内部的 1 工件表面获取能量后，表面温度升高，在表面和心部 工件表面获取能量后，表面温度升高， 存在温度梯度，发生传导传热。 存在温度梯度，发生传导传热。 传热强度以比热流量表示
dt q = −λ dx
λ
——热传导系数，表示材料具有单位温度梯度时所允许通过的 热传导系数， 热传导系数 流量密度。 流量密度。
2 加热时间的确定 1） 温度场的通式 ） t=f(x, y, z,τ) 2）考虑到工件形状(对圆柱体工件） ）考虑到工件形状 对圆柱体工件 对圆柱体工件）
Q dt dt 1 ∂ = ⋅ (λdA ) + E dτ ρcdA ∂r dτ ρc
Q dt = α∆T + E dτ ρc
——1
ρ——材料密度 材料密度 c——比热 比热 QE——加热过程中工件 加热过程中工件 本身发生的热量或损失 的热量 α——导温系数 导温系数 △——拉普拉斯运算式 拉普拉斯运算式
移至预定工件加热温度的炉中加热至工件达到所要求的温度。 移至预定工件加热温度的炉中加热至工件达到所要求的温度。
到温入炉加热又称热炉装料加热： 到温入炉加热又称热炉装料加热：先把炉子升到工件要求
的加热温度， 的加热温度，然后再把工件装入炉内进行加热
高温入炉加热：工件装入较工件要求加热温度高的炉内进行加热， 高温入炉加热：工件装入较工件要求加热温度高的炉内进行加热，
dt −λ dr
R
则有
α (t 介－t 工 ) = −λ
dt dr
R
整理得
t介 = t介 +
λ dt α dr
R
——3
将公式2、 带入公式 即可得温度方程， 带入公式1即可得温度方程 将公式 、3带入公式 即可得温度方程，进 而获得加热时间
1.1.4 影响热处理工件加热的因素 1 加热方式的影响 随炉加热：工件装入炉中，随着炉子升温而加热， 随炉加热：工件装入炉中，随着炉子升温而加热，直至所需加热温度 预热加热：工件先在已升温至较低温度的炉子中加热， 预热加热：工件先在已升温至较低温度的炉子中加热，到温后再转
2 辐射传热 辐射传热 高温物体直接向外发射热的现象。 高温物体直接向外发射热的现象。 特点 以电磁波的形式传递能量 以电磁波的形式传递能量 传递 波长范围： 波长范围：0.4~40µm
关系式 物体在单位时间内由单位面积辐射的能量
T 2 E = c J /(m ⋅ h) 100
关系式
Qc = α c F (t 介 − t 工 )
Qc —— 单位时间内通过热交换面对流传热给工件的热量，J/h。 单位时间内通过热交换面对流传热给工件的热量， 。
t 工 —— 介质温度，ºC 介质温度，
t介
—— 工件表面温度，ºC 工件表面温度， —— 对流给热系数，J/(m2·h·ºC) 对流给热系数， —— 热交换面积（工件与流体接触面积）， 2 热交换面积（工件与流体接触面积）， ），m
辐射传热时工件表面所吸收的热量 工件表面所吸收的热量＝ 工件表面所吸收的热量＝ 发热体、炉壁等辐射的热量－ 发热体、炉壁等辐射的热量－反射的热量及自身辐射的热量
T1 4 T2 4 Q = An C 0 − F 100 100
An
3）初始条件 ） 温度均匀分布， 温度均匀分布，其值为室温 τ＝0；x=x；t=t0 ＝ ； ； ——2 4）边界条件，τ>0时 ）边界条件， 时 设工件表面与加热介质间的传热为综合传热， 设工件表面与加热介质间的传热为综合传热，其 热量为
Q = α (t 介 − t 工表面 )
沿一定方向进行传导传热， 沿一定方向进行传导传热，设从表面流入的比热流 量为
λ－－温度为tºC时的热传导系数 －－温度为t 温度为
λ0－－温度为0ºC时的热传导系数 －－温度为 温度为0 时的热传导系数
b－－热传导温度系数，与钢的 －－热传导温度系数， －－热传导温度系数 化学成分与组织状态有关
1.1.3 热处理加热时间的确定 1 热处理加热时间 （1）工件达到热处理规范所要求温度的时间（整体处 ）工件达到热处理规范所要求温度的时间（ 理应为工件心部达到要求温度的时间）； 理应为工件心部达到要求温度的时间）； （2）完成组织转变及其它热处理目的所要求的组织结 ） 构状态变化所需要的时间； 构状态变化所需要的时间；
① 流态化炉中加热的特点 流态化物质： 流态化物质：石墨粒子 作 用 加热过程 工作时，一定压力和流量的气流通入炉内， 工作时，一定压力和流量的气流通入炉内，石 墨粒子翻滚，接触或分离，产生电阻，发热， 墨粒子翻滚，接触或分离，产生电阻，发热，加热 工件。 工件。 电阻发热体 加热介质
在液态介质（熔盐或金属） ② 在液态介质（熔盐或金属）中加热的特点 加热均匀，不易脱碳，加热速度快。 加热均匀，不易脱碳，加热速度快。
流态化现象
将一批固体颗粒堆放在多孔的分布板上形成床层(图 ， 将一批固体颗粒堆放在多孔的分布板上形成床层 图1)，使流体自下而上 通过床层。由于流体的流动及其与颗粒表面的摩擦， 通过床层。由于流体的流动及其与颗粒表面的摩擦，造成流体通过床层的压 力降。当流体通过床层的表观流速(按床层截面计算的流速 不大时， 按床层截面计算的流速)不大时 力降。当流体通过床层的表观流速 按床层截面计算的流速 不大时，颗粒之 间仍保持静止和互相接触，这种床层称为固定床 固定床。 间仍保持静止和互相接触，这种床层称为固定床。当表观流速增大至起始流 化速度时，床层压力降等于单位分布板面积上的颗粒浮重（ 化速度时，床层压力降等于单位分布板面积上的颗粒浮重（颗粒的重力减去 同体积流体的重力），这时颗粒不再相互支撑，并开始悬浮在流体之中。 ），这时颗粒不再相互支撑 同体积流体的重力），这时颗粒不再相互支撑，并开始悬浮在流体之中。进 一步提高表观流速，床层随之膨胀，床层压力降近几乎不变， 一步提高表观流速，床层随之膨胀，床层压力降近几乎不变，但床层中颗粒 的运动加剧。这时的床层称为流化床 流化床。 的运动加剧。这时的床层称为流化床。当表观流速增加到等于颗粒的自由沉 降速度时，所有颗粒都被流体带走，而流态化过程进入输送阶段。（见彩图） 降速度时，所有颗粒都被流体带走，而流态化过程进入输送阶段。（见彩图） 输送阶段。（见彩图
直至工件达到要求温度
关键不同之处： 关键不同之处：加热速度不同
2 加热介质及工件放置方式的影响 (1) 加热介质的影响 常用的加热介质 空气、惰性气体、氨热分解气体、 空气、惰性气体、氨热分解气体、CO-H2-N2-H2OCO2、N2-CO-H2混合气体、熔融盐类液体、熔融金属液 混合气体、熔融盐类液体、 体等。 体等。
（2）流体的物理性质 ）流体的物理性质 导热系数λ、比热 及密度 愈大→αc↑ 及密度γ愈大 导热系数 、比热c及密度 愈大 粘度系数↑→αc↓ 粘度系数 （3）工件表面形状及其在炉内放置位置 ） 工件表面形状及其在炉内放置位置不同， 也不同； 工件表面形状及其在炉内放置位置不同，αc也不同； 工件形状和放置位置对流体流动越有利， ； 工件形状和放置位置对流体流动越有利，αc↑；
2 影响λ的因素 影响λ （1） 钢的化学成分 ）
合金元素及碳 含量一般降低λ。 含量一般降低 。
（2）组织状态 ） 传热系数λ随钢中组织组成物， 传热系数 随钢中组织组成物，按A、M淬、 随钢中组织组成物 、 M回、P顺序增大。 顺序增大。 顺序增大
（3）加热温度 ）
λ = λ0 (1 + bt )
——相当吸收率，与工件表面黑度、发热体表面黑度、工件 相当吸收率，与工件表面黑度、发热体表面黑度、 相当吸收率 对于发热体的位置及炉内介质等有关； 对于发热体的位置及炉内介质等有关；
发热体（ 发热体 或炉壁）的绝对温度， ； T1 ——发热体（或炉壁）的绝对温度，K；
T2
——工件表面的绝对温度，K； 工件表面的绝对温度， ； 工件表面的绝对温度 ——工件吸收热量的表面积，m2； 工件吸收热量的表面积， 工件吸收热量的表面积
αc
F
影响 α c的因素 （1）流体流动情况 ） 静止状态——自然对流 α c小 自然对流→ 静止状态 自然对流 强迫流动——用外加动力强制流体流动 α c较大 强迫流动 用外加动力强制流体流动→ 用外加动力强制流体流动 层流：有规律流动， 层流：有规律流动，不利传热 紊流：无规律流动， 紊流：无规律流动，有利传热
F
3 传导传热 传导传热 热从物体温度较高的一部分沿着物体传到温度较 低的部分的方式。 低的部分的方式。 特点 传热物质质点间的相互碰撞； 传热物质质点间的相互碰撞； 固体中热传递的主要方式； 固体中热传递的主要方式；
关系式
dT q = −λ J /(m 2 ⋅ h) dx
λ
dT dx
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——热传导系数，J/(m·h·ºC) 热传导系数， 热传导系数 ——温度梯度 温度梯度