03金属加热工艺

0 1 3 t
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4.1 金属的物理和力学性能

4.1.4 导温系数
导温系数不仅与导热系数有关，还跟金属的比热容及密度有关。 在室温下，碳素钢的导温系数变化在0.04~0.06m2/h之间，而合金钢则为 0.04m2/h或低于此值。导温系数随温度的升高而降低，在1000℃附近，导温系 数有最低值，以后又稍有回升。在高温时各碳素钢的导温系数渐趋一致。
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4.2 金属的加热缺陷
金属在加热过程中，有可能出现氧化、脱碳、过烧、过热等

4.2.1 钢的氧化
由于炉气中含有大量O2、CO2、H2O、SO2，钢表面层的氧化烧损量 可高达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，使耐火材料受到侵蚀，影响炉体寿命，清理氧化铁皮造成被迫停 产。 轧制过程中，氧化铁皮压在钢的表面产生麻点，损害表面质量。
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4.1 金属的物理和力学性能

4.1.3 金属的密度
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7800～7850kg/m3之间。在室温 下钢的密度按下式计算：
7880 x
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：
t
金属经过冷加工后，组织结构改变，处于加工硬化状态，需要热处 理达到所要求的物理性能和力学性能；消除浇铸时形成的组织缺陷， 如碳化物偏析（高速钢）。
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金属的加热质量直接影响到轧材的质量、产量、能源消 耗以及轧机寿命。加热工艺不当，就会影响到轧机的生产， 例如加热温度过高，会发生钢的过烧、过热，轧制时就易出 废品，钢的表面发生严重的氧化或脱碳，影响钢的质量。生 产中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，必须了解金属加热工艺的基本知识，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、炉温制度和炉内气氛等。
0 69.8 10.1(C)% 16.7(Mn)% 33.7(Si)%
或者采用下列公式：
当 (C )% 0.4%时 0＝ 418.7 5.74+2.43(C)% 5.09(Si)% 2.46(Mn)%
当 (C )% 0.4%时 0＝
418.7 4.4+8.7(C)% 3.67(Si)% 1.9(Mn)%
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简述：
金属坯在轧制和锻造之前的加热，是金属的热加工过程中一个必要 的环节。加热目的： 提高金属的塑性
金属在冷的状态下可塑性很低，温度越低，加工所消耗的能量越大， 轧机的磨损也越快，不利于加工，甚至有可能发生断辊事故；一般来 说，热加工温度越高，可塑性越好。
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，应力会造成轧材的废 品或缺陷。 改变金属的结晶组织
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主要内容

第一节 金属的物理和力学性能
第二节 金属的加热缺陷
第三节 金属的加热温度和加热速度
第四节 金属的加热制度和加热时间
第五节 金属的冷却 第六节 连续铸钢过程的传热
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4.1 金属的物理和力学性能

4.1.1 金属的导热系数
金属的导热系数与化学成分、温度、组织、杂质含量以及加工 条件有关。钢的导热系数会随碳含量的增加而降低，当碳含量 小于0.2％时，这种影响最为明显。 常温下碳素钢的导热系数计算经验公式：
一段式
二段式
三段式
多段式
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4.4 金属的加热制度和加热时间
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4.4 金属的加热制度和加热时间
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4.4 金属的加热制度和加热时间
加热期和均热期： 加热速度快，断面上温度差小，但出炉废气温度高，热利用率低。适 应冷装或低温热装的低碳钢钢锭及热装的合金钢。 预热期和加热期： 出炉废气温度低，金属的加热速度较慢，温度应力小。不宜用于加热 断面大的钢坯。
决定。而金属的轧制、锻压前的加热，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 热加工工艺要求来定。
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4.3 金属的加热温度和加热速度

合金元素的加热对钢的加热温度也有一定的影响，一是合金元素对奥 氏体区域的影响；二是生产碳化物的影响。 一些高熔点合金元素的加热，可适当提高钢的加热温度。 低合金钢加热温度主要依据含碳量的高低来确定，高合金钢的加热温 度不仅要参照相图，还要根据塑性图、变形抗力曲线和金相组织来确 定。 轧制工艺对加热温度也有一定要求。 合金状态图是选择加热温度的重要依据。
在100℃以下至室温，钢的比热容可以按下面公式计算：
cp 0.4662 0.0191(C)%
总的来说，钢中化学成分对比热容的影响不大，但温度的影 响则比较大。无论是碳素钢还是合金钢，比热容随温度的升高 而增大，800 ℃以下更为明显；超过900 ℃后则变化不大，甚 至某些钢种的比热容值还略有下降。 不同有色金属其比热容值的变化较大，在熔点以下各种有色 金属的比热容随温度升高而略有增大。
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4.2 金属的加热缺陷
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4.2 金属的加热缺陷
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4.2 金属的加热缺陷
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4.2 金属的加热缺陷
（4）钢的成分的影响
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4.2 金属的加热缺陷

4.2.1.4 减少氧化的措施
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4.2 金属的加热缺陷
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4.2 金属的加热缺陷

4.2.2 有色金属的氧化 有色金属加热时表面的氧化程度与合金成分、锭坯尺 寸、加热温度、加热时间及炉内气氛有关。 有色金属加热时减少氧化和控制炉内气氛的方法与钢 加热时的措施类似，如快速加热，调节空气和燃料的比例， 控制燃烧程度，控制炉压以及使用保护气氛等。
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4.1 金属的物理和力学性能


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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。 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，都提高了金属的塑性变形能力。 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，这种变化对 塑性也产生了影响。
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4.1 金属的物理和力学性能
组织影响：一般说来，铁素体和珠光体钢导热性优于奥氏 体和马氏体组织的钢。钢锭经退火后热导率约增加50％， 轧、锻坯经退火后热导率增加约15~20% 非金属夹杂物影响：含量越高，钢的热导率越低 晶粒细化程度影响：晶粒越细，热导率越低
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4.1 金属的物理和力学性能



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4.4 金属的加热制度和加热时间

4.4.1 金属的加热制度
金属的加热制度和金属种类、钢锭或钢坯的尺寸大小、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。 钢在压力加工前和热处理时的加热制度，按炉内温度的变化，可以分为 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。
有色金属中，多数的a值大于钢铁。大多数导温系数随温度升高而减小。
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图4-3 钢铁导温与温度的关系
图4-4 有色金属导温系数与温度的关系
4.1 金属的物理和力学性能

4.1.5 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ν，钢的泊松比为 0.3。金属的塑性指金属在外作用力下产生永久变形而不破坏的性能， 它可用相对伸长率δ、断面收缩率ψ和冲击韧性αk来表示。 塑性加工时金属抵抗变形的能力，称为变形抗力。 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 度及其他变形条件。 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。
温度影响：各种钢的热导率随温度变化规律大不一样， 下图为三种含碳量的钢的热导率随温度的变化曲线
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，随温度 升高而略有上升。
其他有色合金的导热 系数与温度的关系
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4.1 金属的物理和力学性能

4.1.2 金属的比热
4.3 金属的加热温度和加热速度

钢的加热过程中，由于金属本身的热阻，存在内外的温度差，表 面温度比中心温度升高得快，表面的膨胀要大于中心。表面受压 力而中心受张力，于是在钢的内部产生温度应力，即热应力。 在冷凝过程中，由于表面冷却快而中心冷却慢产生应力，即残余 应力。 金属的相变常常伴有体积的变化，造成不同部位间的内应力，即 组织应力。 钢锭断面的大小也是应考虑的因素，断面大的往往残余应力也大。



塑性图是确定有色金属加热温度的主要依据。
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4.3 金属的加热温度和加热速度
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4.3 金属的加热温度和加热速度
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4.3 金属的加热温度和加热速度
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4.3 金属的加热温度和加热速度
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4.3 金属的加热温度和加热速度
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4.3 金属的加热温度和加热速度
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4.3 金属的加热温度和加热速度
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4.2 金属的加热缺陷

4.2.3 钢的脱碳
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4.2 金属的加热缺陷
影响脱碳的因素：
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4.2 金属的加热缺陷
减少脱碳的措施：
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4.2 金属的加热缺陷

4.2.4 钢的过热和过烧
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4.2 金属的加热缺陷
a)
b)
d
c)
100μm
100μm
100μm
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4.2 金属的加热缺陷

4.2.5 钢的加热温度不均匀
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4.2 金属的加热缺陷
氧化机理
氧化性强弱：SO2 > O2 > H2O > CO2
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4.2 金属的加热缺陷

4.2.1.2 氧化铁皮的结构
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4.2 金属的加热缺陷

4.2.1.3 影响氧化的因素
（1）加热温度的影响
常温干燥条件下很缓慢；温度达到200～ 300℃时亦较慢，氧化物主要是Fe2O3；之后随 温度升高氧化加快，若以900℃时的氧化量为1， 则1000℃时的氧化量可达到2，1100℃时的氧 化量为3.5，1300℃时的氧化量达到7，此时氧 化铁皮开始熔化，扩散阻力减小，氧化速度大 增。 经验表明，600～1200℃范围内，碳钢的氧 化烧损量与温度的关系为：
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4.3 金属的加热温度和加热速度

4.3.2 金属的加热速度
金属的加热速度是指在单位时间内，金属的表面温 度升高的度数。
从生产率的角度，加热速度愈快愈好，加热时间短， 金属的氧化烧损也减少。但提高加热速度受到一些因素 的控制，除了炉子供热条件的限制外，特别要考虑金属 内外允许温度差的问题。
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4.2 金属的加热缺陷

4.2.6 表面烧化及粘钢
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4.2 金属的加热缺陷

4.2.7 加热裂纹
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4.3 金属的加热温度和加热速度

4.3.1 金属的加热温度
金属的加热温度是指金属加热完毕出炉时的表面温
度。对金属热处理而言，加热是为了改善金属内部
的结晶组织，加热温度主要根据热处理工艺要求来
氧化铁皮恶化传热条件，降低炉子生产率，增加能源消耗。
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4.2 金属的加热缺陷

4.2.1.1 氧化铁皮的生成
钢在常温下也会氧化生锈，在干燥的条件下，这一氧化过程是很缓慢 的；到了200～300℃，表面会生成氧化膜，但如果湿度不大，这时 氧化还是比较慢的；温度继续升高，氧化速度也随之加快，到1000 ℃以上，氧化过程开始激烈进行；当超过1300 ℃以后，氧化铁皮开 始熔化，氧化更加剧烈。 氧化过程主要有两种： 一、炉气内的氧化性气体和钢的表面层的铁进行化学反应； 二、氧和铁两种元素的扩散过程，氧由表面向铁的内部扩散，而铁则 向外部扩散。
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4.2 金属的加热缺陷
（2）加热时间的影响
加热时间越长，钢的氧化烧损量越
多，可由经验公式看到：
因此，实际加热时应尽量缩短加热时间， 尤其是钢在高温阶段的加热时间越短越好
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4.2 金属的加热缺陷
（3）炉膛内气氛的影响
炉气成份：氧化性气氛、中性气氛、还原性气氛，取决于燃料 成分、空气消耗系数、燃烧的程度、加热炉的密封状况等，需 借助于平衡曲线来分析。即气氛的性质与 CO/CO2及H2/H2O的比 值（平衡常数）有关。
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4.1 金属的物理和力学性能
纯金属的导热系数高于合金的导热系数，银（420）＞ 铜（395）＞金（202）＞铝（140）＞铸铁（60-80） ＞钢（25-46）。
合金元素影响：一般随碳及合金含量增加而降低，其次 序一般为C、Ni、Cr最大，Al、Si、Mn、W次之，Zr最 小。因此，对高镍铬钢的加热都是缓慢升温，并有足够 的保温与均热时间。主要原因是合金元素的存在破坏了 金属的晶格点阵，使金属原子的热振动受到阻碍或自由 电子难以顺利通过，从而降低了热导率。