热工技术基础知识

1职工培训教材热工技术基础知识2004年4月15日23目录第一章钢铁基础知识第一节钢与铁的差别第二节钢铁生产的工序排布及我公司的设备配置第三节我们这条线（棒材）的配置第二章热工基础知识第一节概念第二节热工工艺第三章炉子的操作第一节炉子的组成第二节烘炉第三节点炉第四章安全知识第一节安全规程第二节煤气中毒的产生、预防第三节煤气着火事故的发生、预防和处理第五章HTAC高温空气燃烧技术第一节概述第二节原理第三节优势第四节HTAC技术的开发与应用进展4第一章钢铁基础知识第一节钢与铁的差别铁：是金属，铁的化学符号Fe；钢是一种铁的合金，除含铁外还可以加有：C、Mn、Si、P、S、Cr、Co、Ti、等元素。根据品种不同，各种元素含量也不同。含碳量小于等于2.3%是钢，大于2.3%是铁。具体各类钢的元素含量，大家可以查阅相关的国家相关标准。钢的生产过程就是：尽量减少有害元素P，S等的含量，保证添加的各种合金元素满足要求。其中我们生产的光圆Q235是低碳钢，C含量在＜.0.25范围。光圆45＃钢的C含量在（0.25～0.5）%范围属于中碳钢。螺纹钢HRB335、HRB400的C含量为＜0.25%，属于低合金钢。钢的主要元素有：Fe、C、Si、Mn、P、S几种元素。另外，各类特钢还要添加很多种元素，如：Mn、Cr、Ni、W、Ti等等。钢材的比重一般在：（7.80～7.85）g/㎝⒊钢的性质主要是与化学成分：C、Mn、Si、S、P及其它合金元素等的含量有着密切关系。分述如下：C为各种元素中对钢的性质影响最大者。增加钢的含碳量，其钢的脆性、硬度、强度均增加，并且易熔化，同时焊接性能随之降低。减少钢中含碳量，则其韧性、可朔性、可锻性及焊接性均随之增强，熔化也较难，但硬度随之减小。高碳钢和中碳钢易于淬火，而低碳钢则无淬火性能。5含碳＜0.25%为低碳钢，含碳（0.25～0.5）%为中碳钢，含碳＞0.5%为高碳钢。还有如Mn钢、Si钢、Cr钢等各类钢种，其性能不同。由铁转变成钢，其钢的性能有很大的提高，适用于机械加工业，建筑业和各类制造业。钢铁在国民经济中所占的重要性，如果把石油比做血液，那么钢铁就是国民经济的骨架了。我们国家现在（2003年底）年产钢2.2亿吨，是世界上最大的产钢大国，也是世界最大的钢铁消费大国。现在，中国已经成为世界的制造中心，钢铁业的发展前景是广阔的。第二章热工基础知识（金属加热工艺）6前言金属在加热炉内进行加热，首先要保证加热质量，这样加工或热处理才能正常进行。金属加热的主要目的是提高金属的可塑性。加热温度、加热速度、加热制度的确定是从金属本身出发的，它主要决定于金属的性质以及在加热过程中的变化以及压力加工工艺和设备对金属性质的要求。它着重考虑金属加热的质量、缺陷和消耗问题。在此我们主要介绍与加热工艺密切相关的金属热物理性质和机械性质、金属加热时的氧化、脱碳、过热与过烧等问题。加热的目的是把坯料加热到均匀的、适合与轧制的温度。温度提高以后，首先是提高了钢的塑性，降低变形抗力，使钢坯容易变形。如T12钢室温下的变形抗力约为600Mpa，加热到1200℃时变形抗力下降到30Mpa左右，只相当室温下变形抗力的二十分之一。加热温度合适的钢，轧制时可以有较大的压下量，减少因磨损和冲击造成的设备事故，提高轧机的生产率和作业率，而且轧制能耗也较少。其次，加热能改善钢锭和钢坯的内部组织和性能。不均匀组织和非金属夹杂通过高温加热的扩散作用而均匀化。加热温度和均匀程度是加热质量的标志，加热质量好的钢，容易获得断面形状正确、几何尺寸精确的成品。加热炉是小型连续轧钢车间内将钢坯加热到满足轧制要求温度的一个主要设备。加热炉的能耗要占车间工序能耗的60％—70％左右。轧钢生产的产量、质量、能耗以及经济效益和加热7炉的生产操作情况有很大的关系。第一节概念1）钢的概导热系数钢的导热系数：单位时间单位长度每升高一度能传递多少热量。符号“λ”，单位“W/m.K”（注）1℃=273K（看一下P96页《冶金炉热工与构造》、P120页《火焰炉》两书中图、表。）常温下C钢的导热系数经验公式：λ=69.8-10.1C-16.7Mn-33.7Si，式中C、Mn、Si分别代表碳、锰、硅含量的百分数。从图中我们的出以下结论：1.随着合金化程度的增加，钢的导热系数是下降的，尤其在800℃以前差别更大。如在：0℃时20#钢的λ=52W/mK，1Cr13的λ=27W/mK，而1Cr18Ni9的λ=16W/mK。彼此相差数倍。2.各种钢的导热系数随着温度的变化也是不一样的。在800℃以前碳钢随着温度的升高其导热系数是下降的，低合金也一样，而合金钢的导热系数随着温度的变化则比较小。3.导热系数在800℃以后，不同钢种的导热系数趋于一致，稍有升高。2）钢的平均热容量（也叫比热容）8符号“c”，单位“KJ/kgK”平均热容量：是指钢在某个温度范围内的热容量平均值。在（17～100）℃范围内，C钢的平均比热容经验公式：c=0.466+0.0188C钢的热容量与它的化学成分，温度，组织结构等有关。这里主要讲解碳钢的热容量。从图6—2中可的出以下结论：（1）钢的化学成分对钢的热容量影响不大。（2）随着温度的增加，C钢及合金钢的热容量稍有增加。（3）在相变温度范围内，热容量有较大的波动。（注）讲解P98页图6—2、另书P123表3）钢的导温系数（金属的热扩散率）代表金属所具有的温度变化（加热和冷却）的能力。它是金属的导热系数与容积比热容之比，即a=λ/ρc，其中“ρ”是金属的密度，符号“a”，单位cm/s、㎡/h。C钢在室温下导温系数和它的化学成分有关，其值波动在（0.04—0.06）㎝/s。见图P98页6—3图和6—2表。（金属的机械性质部分）4）脆性：当物体受到冲击，弯曲或其他变形时而破裂9的性质。5）弹性：物体受力后发生变形，当作用于物体的外力去掉时，发生变形的物体，即刻恢复其原来形状，物体的这种特性就叫弹性。可以用压缩或拉伸的方法来进行。金属的弹性不是无限度的。钢的弹性决定于拉伸的弹泊松比性模量E和υ（表示式样横向收缩和纵向伸长之比，钢的泊松比约为0.3）。6）可塑性：是金属的最主要的性质之一，即当加于物体上之力超过弹性极限时，使物体形状发生永久变形，虽然外力除去，也不能完全恢复原来状态。具有可塑性的物体可以变形很大。在轧钢过程中就是利用这种性质使金属受力变成所需要的形状。钢的塑性愈好，愈容易进行压力加工，钢的塑性常以相对延伸率和断面收缩率表示。钢的弹性和塑性主要与钢种、化学成分和温度有关。常温下各种钢可按塑性高低分为三类：（1）低塑钢：相对延伸率小于15%，如高碳钢和高合金钢；（2）中塑钢：相对延伸率在15%～25%之间，如中碳钢和一些合金结构钢；（3）高塑钢：相对延伸率大于25%，如低碳钢。随着温度的升高，钢的弹性下降，朔性提高。温度超过10（500～550）℃，各种钢将失去弹性，进入塑性区。温度愈高，塑性愈好，轧制前的加热目的就是提高钢的可塑性。钢的可塑性在热状态时比冷状态时有所增加，因而容易使其变形。所以一般在轧制或锻造之前都将钢加热，以提高其可塑性。（拉伸强度）：为了检验钢材的性质，取样做拉伸实验，逐步的增加拉力，当式样被拉短时，其拉力的大小即该钢材的强度——拉伸强度。这是钢材检验中主要的性能指标。7）硬度：是物体抵抗外物压入的一种特性。钢的硬度随钢的化学成分及其他因数之影响而有很大的差别。8）焊接性：也是金属的主要性质之一，即两块或多块金属在一定的温度与压力下能够紧密的联接。含杂质很少的软钢具有很好的焊接性，钢质越硬，杂质越多，其焊接性越差。9）比重：单位体积的质量叫比重，也叫密度。单位“kg/m”。钢的密度在（7800～7850）kg/m。第二节热工工艺金属加热工艺包括：1）金属的加热温度和加热的均匀性；2）加热速度；3）加热制度。11在这里我们讲授的是钢的加热工艺。1.加热温度和加热质量金属加热温度是指加热终了时金属出炉前的表面温度。正确选择加热温度对热加工是十分重要的，尤其是高合金钢，不适合的加热温度，往往是无法进行热加工的。一般说来，加热温度越高，对热加工过程越有利。因为较高的加热温度，金属的塑性较好，加工时的变形阻力小，能量消耗少；同时，较高加热温度，轧机可以增大压下量，提高轧制速度，从而使产量增加，设备磨损减轻。但是，提高加热温度受到金属过热、过烧以及氧化铁皮熔化、表面脱碳等因素的限制。因此，每一种金属的加热温度都有一个“上限”，即最高加热温度。因此，加热温度越高，加热能耗越多。金属加热温度也不能过低。过低的温度，不但使热加工无法顺利进行，而且还往往因保证不了终加工温度，产品性能达不到一定要求。这是因为多数钢种在高温下的奥氏体组织具有良好的塑性，在这种结晶组织下进行压力加工的钢材，不会有很大的残存应力。当钢在过低的温度下钢坯的加热温度实际上包括表面温度和沿断面上的温差，有时还包括沿坯料长度方向上的温度差。钢坯在炉内的最终加热温度是考虑了轧制工艺、轧制的结构特点以及炉子的结构特点等实际情况后规定的。加热到规定的温度和断面温差所需的时间，取决于坯料的尺寸、钢种、是一面加热还是几面加热、采用的温度12制度以及一些其他条件。钢坯在炉内以对流方式和辐射方式得到热量，前者是指炉气冲刷坯料表面，传热量和炉气、钢坯表面间的温差成比例；后者的热源是炉气和炽热的炉衬，传热量和热源、钢坯表面的绝对温度的四次方之差成比例。钢坯进入加热炉的预热段后，每平方米表面积接受辐射和对流综合在一起的热量（即热流）开始增大，在加热段内热流值保持不变或开始减小，出炉前一段区间内钢坯表面温度应基本保持不变而断面温差则逐步缩小。钢坯表面得到的热量以热传导的方式向内部扩散。传给钢坯表面的热流越小而受热面积越大、钢坯的断面尺寸越小、钢的热导率越大，断面温差就越小。各钢种的热导率在低温下相差颇大（100℃时低碳钢的热导率约为55W/m℃，镍铬不锈钢的仅为16W/m℃），温度超过900℃后，各种钢的热导率十分接近。因此，在其他条件相同时，镍铬不锈钢加热需要的时间要比低碳钢加热所需的时间长。单面加热时受热面和贴着炉低那一面的断面温差最大，双面加热时受热面和坯料中部的断面温差最大。加热温度以及均匀程度等基本要求满足后，还需要考虑的问题就是经济效益，以及是否出现影响轧件成品质量的加热缺陷（影响轧件质量的还有原料质量和轧钢本身）。加热的开始阶段（例如600℃以下），对高碳工具钢、高锰钢、轴承钢、高速钢等这类热导率小的钢，如果升温速度过快，13表面温度聚然升高而断面温差过大，将产生热应力，导致出现裂纹。低碳钢的朔性和导热率都很好，升温速度便不受限制。在加热后期，要特别注意防止过热和过烧等缺陷。加热温度过高或在高温下停留时间过长，会使钢的晶粒过分长大，晶粒间的联系削弱，钢变脆，这称为过热。过热的坯料轧制时会产生裂纹；即使轧制中没有开裂，成品的力学性能也不能满足要求。除了莫些铁素体和奥氏体组织的钢坯外，这种钢坯多数情况下进行正火可以挽救，即再次加热使之超过相变温度20—30℃，冷却后经相变使晶粒细化，但增加了额外的消耗。过热进一步发展，晶粒继续长大，而且晶界出现氧化或熔化，轧制时往往碎裂或崩裂，这称为过烧。过烧的坯料是不可挽回的废品，可能出现过烧的的标志是氧化铁皮溶化。过烧还和炉内气氛性质有关，低碳钢过烧的开始温度，在氧化性气氛下要比还原性气氛下低60—75℃。高碳钢较低碳钢低，如温度控制不当，很容易造成过热或过烧。轧制作业突然出现故障停轧时，炉温控制不及时，同样容易出现过热或过烧现象。对轧制质量有影响的还有钢坯厚度、宽度、长度上的加热温度的均匀性。钢坯上下温度不均匀轧制时容易产生弯曲、扭转现象，甚至发生缠辊等事故。端出料的炉子通过出料炉门吸入大量冷空气时，使出炉的钢坯侧面被冷却，造成宽度上的温度不均，轧件可能出现镰刀弯或缠辊。长度上的温度不均匀如水管黑印，轧制时能使同一轧件尺寸波动，不宜控制成品尺寸公差。钢坯长14度上的温度不均匀由以下原因造成：各烧嘴操作不正常或烧嘴配置不合理；均热床长度不够或支撑梁垫块结构不完善