Как закалить металл в домашних условиях. Закалка металла в домашних условиях: закаливаем сталь правильно Как быстро разогреть металл в бытовых условиях

Если знать, как закалить металл правильно, то даже в домашних условиях можно повысить твердость изделий из него в два-три раза. Причины, по которым возникает необходимость в этом, могут быть самыми разными. Такая технологическая операция, в частности, требуется в том случае, если металлу надо придать твердость, достаточную для того, чтобы он мог резать стекло.

Чаще всего закалить надо режущий инструмент, причем выполняется термическая обработка не только в том случае, если надо увеличить его твердость, но также и тогда, когда данную характеристику требуется уменьшить. Когда твердость инструмента слишком мала, его режущая часть будет заминаться в процессе эксплуатации, если же она высока, то металл будет крошиться под воздействием механических нагрузок.

Немногие знают, что существует простой способ, позволяющий проверить, насколько хорошо закален инструмент из стали, не только в производственных или домашних условиях, но и в магазине, при покупке. Для того чтобы выполнить такую проверку, вам потребуется обычный напильник. Им проводят по режущей части приобретаемого инструмента. Если тот закалили плохо, то напильник будет как будто прилипать к его рабочей части, а в противоположном случае – легко отходить от тестируемого инструмента, при этом рука, в которой находится напильник, не будет чувствовать на поверхности изделия никаких неровностей.

Если все же так вышло, что в вашем распоряжении оказался инструмент, качество закалки которого вас не устраивает, переживать по этому поводу не стоит. Решается такая проблема достаточно легко: закалить металл можно даже в домашних условиях, не используя для этого сложного оборудования и специальных приспособлений. Однако следует знать, что закалке не поддаются малоуглеродистые стали. В то же время твердость углеродистых и достаточно просто повысить даже в домашних условиях.

Технологические нюансы закалки

Закалка, которая является одним из типов термической обработки металлов, выполняется в два этапа. Сначала металл нагревают до высокой температуры, а затем охлаждают. Различные металлы и даже стали, относящиеся к разным категориям, отличаются друг от друга своей структурой, поэтому режимы выполнения термической обработки у них не совпадают.

Термическая обработка металла (закалка, отпуск и др.) может потребоваться для:

• его упрочнения и повышения твердости;
• улучшения его пластичности, что необходимо при обработке методом пластической деформации.

Закаливают сталь многие специализированные компании, но стоимость этих услуг достаточно высока и зависит от веса детали, которую требуется подвергнуть термической обработке. Именно поэтому целесообразно заняться этим самостоятельно, тем более что сделать это можно даже в домашних условиях.

Если вы решили закалить металл своими силами, очень важно правильно осуществлять такую процедуру, как нагрев. Этот процесс не должен сопровождаться появлением на поверхности изделия черных или синих пятен. О том, что нагрев происходит правильно, свидетельствует ярко-красный цвет металла. Хорошо демонстрирует данный процесс видео, которое поможет вам получить представление о том, до какой степени нагревать металл, подвергаемый термической обработке.

В качестве источника тепла для нагрева до требуемой температуры металлического изделия, которое требуется закалить, можно использовать:

• специальную печь, работающую на электричестве;
• паяльную лампу;
• открытый костер, который можно развести во дворе своего дома или на даче.

Выбор источника тепла зависит от того, до какой температуры надо нагреть металл, подвергаемый термической обработке.

Выбор метода охлаждения зависит не только от материала, но также от того, каких результатов нужно добиться. Если, например, закалить надо не все изделие, а только его отдельный участок, то охлаждение также осуществляется точечно, для чего может использоваться струя холодной воды.

Технологическая схема, по которой закаливают металл, может предусматривать мгновенное, постепенное или многоступенчатое охлаждение.

Быстрое охлаждение, для которого используется охладитель одного типа, оптимально подходит для того, чтобы закаливать стали, относящиеся к категории углеродистых или легированных. Для выполнения такого охлаждения нужна одна емкость, в качестве которой может использоваться ведро, бочка или даже обычная ванна (все зависит от габаритов обрабатываемого предмета).

В том случае, если других категорий или если кроме закалки требуется выполнить отпуск, применяется двухступенчатая схема охлаждения. При такой схеме нагретое до требуемой температуры изделие сначала охлаждают водой, а затем помещают в минеральное или синтетическое масло, в котором и происходит дальнейшее охлаждение. Ни в коем случае нельзя использовать сразу масляную охлаждающую среду, так как масло может воспламениться.

Для того чтобы правильно подобрать режимы закалки различных марок сталей, следует ориентироваться на специальные таблицы.

Как закалить сталь на открытом огне

Как уже говорилось выше, закалить сталь можно и в домашних условиях, используя для нагрева открытый костер. Начинать такой процесс, естественно, следует с разведения костра, в котором должно образоваться много раскаленных углей. Вам также потребуются две емкости. В одну из них надо налить минеральное или синтетическое масло, а в другую – обычную холодную воду.

Для того чтобы извлекать раскаленное железо из костра, вам понадобятся кузнечные клещи, которые можно заменить любым другим инструментом подобного назначения. После того как все подготовительные работы выполнены, а в костре образовалось достаточное количество раскаленных углей, на них можно уложить предметы, которые требуется закалить.

По цвету образовавшихся углей можно судить о температуре их нагрева. Так, более раскаленными являются угли, поверхность которых имеет ярко-белый цвет. Важно следить и за цветом пламени костра, который свидетельствует о температурном режиме в его внутренней части. Лучше всего, если пламя костра будет окрашено в малиновый, а не белый цвет. В последнем случае, свидетельствующем о слишком высокой температуре пламени, есть риск не только перегреть, но даже сжечь металл, который надо закалить.

За цветом нагреваемого металла также необходимо внимательно следить. В частности, нельзя допустить, чтобы на режущих кромках обрабатываемого инструмента появлялись черные пятна. Посинение металла свидетельствует о том, что он сильно размягчился и стал слишком пластичным. Доводить до такого состояния его нельзя.

После того как изделие прокалится до требуемой степени, можно приступать к следующему этапу – охлаждению. В первую очередь, его опускают в емкость с маслом, причем делают это часто (с периодичностью в 3 секунды) и как можно более резко. Постепенно промежутки между этими погружениями увеличивают. Как только раскаленная сталь утратит яркость своего цвета, можно приступать к ее охлаждению в воде.

При охлаждении водой металла, на поверхности которого остались капельки раскаленного масла, следует соблюдать осторожность, так как они могут вспыхнуть. После каждого погружения воду необходимо взбалтывать, чтобы она постоянно оставалась прохладной. Получить более наглядное представление о правилах выполнения такой операции поможет обучающее видео.

Есть определенные тонкости при охлаждении закаливаемых сверл. Так, их нельзя опускать в емкость с охлаждающей жидкостью плашмя. Если поступить таким образом, то нижняя часть сверла или любого другого металлического предмета, имеющего вытянутую форму, резко охладится первой, что приведет к ее сжатию. Именно поэтому погружать такие изделия в охлаждающую жидкость необходимо со стороны более широкого конца.

Для термической обработки особых сортов стали и плавки цветных металлов возможностей открытого костра не хватит, так как он не сможет обеспечить нагрев металла до температуры 700–9000. Для таких целей необходимо использовать специальные печи, которые могут быть муфельными или электрическими. Если изготовить в домашних условиях электрическую печь достаточно сложно и затратно, то с нагревательным оборудованием муфельного типа это вполне осуществимо.

Самостоятельное изготовление камеры для закаливания металла

Муфельная печь, которую вполне возможно сделать самостоятельно в домашних условиях, позволяет закалить различные марки стали. Основным компонентом, который потребуется для изготовления этого нагревательного устройства, является огнеупорная глина. Слой такой глины, которой будет покрыта внутренняя часть печи, должен составлять не более 1 см.

Схема камеры для закалки металла: 1 — нихромовая проволока; 2 — внутренняя часть камеры; 3 — наружная часть камеры; 4 — задняя стенка с выводами спирали

Для того чтобы придать будущей печи требуемую конфигурацию и желаемые габариты, лучше всего изготовить форму из картона, пропитанного парафином, на которую и будет наноситься огнеупорная глина. Глина, замешанная с водой до густой однородной массы, наносится на изнаночную сторону картонной формы, от которой она сама отстанет после полного высыхания. Металлические изделия, нагреваемые в таком устройстве, помещаются в него через специальную дверцу, которая тоже изготавливается из огнеупорной глины.

Камеру и дверцу устройства после просушки на открытом воздухе дополнительно просушивают при температуре 100°. После этого их подвергают обжигу в печи, температуру в камере которой постепенно доводят до 900°. Когда они остынут после обжига, их необходимо аккуратно соединить друг с другом, используя слесарные инструменты и наждачную шкурку.

На поверхность полностью сформированной камеры наматывают нихромовую проволоку, диаметр которой должен составлять 0,75 мм. Первый и последний слой такой намотки необходимо скрутить между собой. Наматывая проволоку на камеру, следует оставлять между ее витками определенное расстояние, которое тоже надо заполнить огнеупорной глиной, чтобы исключить возможность короткого замыкания. После того как слой глины, нанесенный для обеспечения изоляции между витками нихромовой проволоки, засохнет, на поверхность камеры наносится еще один слой глины, толщина которого должна составлять примерно 12 см.

Готовая камера после полного высыхания помещается в корпус из металла, а зазоры между ними засыпаются асбестовой крошкой. Для того чтобы обеспечить доступ к внутренней камере, на металлический корпус печи навешиваются дверцы, отделанные изнутри керамической плиткой. Все имеющиеся зазоры между конструктивными элементами заделываются при помощи огнеупорной глины и асбестовой крошки.

Концы нихромовой обмотки камеры, к которым необходимо подвести электрическое питание, выводятся с задней стороны ее металлического каркаса. Чтобы контролировать процессы, происходящие во внутренней части муфельной печи, а также замерять температуру в ней при помощи термопары, в ее передней части необходимо выполнить два отверстия, диаметры которых должны составлять 1 и 2 см соответственно. С лицевой части каркаса такие отверстия будут закрываться специальными стальными шторками. Самодельная конструкция, изготовление которой описано выше, позволяет в домашних условиях закаливать слесарные и режущие инструменты, рабочие элементы штампового оборудования и др.

Нагрев металла сварочным током. Закон Джоуля-Ленца. Электрическое сопротивление металла.

Все токоведущи элементы нагреваются электрическим током, а количество тепла, выделяемое на любом участке электрической цепи с активным сопротивлением R=R(t), которое является функцией от t и τ при токе I=I(t) в зависимости от времени t определяется законом Джоуля-Ленца:

Это общая формула, которая не показывает и не определяет конкретных температур в зоне соединения при нагреве его сварочном током.

Однако надо помнить, что величина R и I в значительной мере зависит от длительности протекания этого тока.

Контактные машины конструктивно изготовлены так, что наибольшее количество теплоты выделяется между электродами.

У шовной точечной сварки наибольшее количество участок электрод-электрод, общее количечтво сопротивления складываются из сопротивления электрод- деталь + деталь- деталь+ деталь+ электрод- деталь

Rээ= 2Rэд+Rдд+2Rд

Все составляющие общего сопротивления Rээ непрерывно изменяются в течении термического цикла сварки.

Контактное сопротивление – Rдд является самым большим по величине, т.к. контактирование осуществляется по микровыступам и площадь физического контакта мала.

Кроме того на поверхности детали присутствуют окисные плёнки и различные загрязнения.

Т.к. свариваем в основном стали и сплавы, обладающие значительной прочностью, то полное смятие микроенровностей происходит лишь при нагреве их сварочным током до тепмератур около 600градС

Сопротивление в контакте электрод- деталь значительно меньше Rдд, т.к. более мягкий и более высокотеплоэлектропроводный материал электродов активно внедряется между выступов микронеровностей деталей.

Повышенное сопротивление в контактах также из-за того, что в контактных областях резкое искривление линии тока, что определяет более высокое сопротивление за счёт увеличиния пути тока.

Сопротивление контактов Rдд и Rэд в значительной мере зависит от очистки поверхности под сварку.

Измеряя 2 пластинки, толщиной 3мм очень сильно сжатые 200Н по схеме амперметр-вольтметр, получили следующие значения:

Зачистка поверхностей кругом и шлифованием: 100мкОм

Вывод: шлифовать

На практике применяют травление (при сварке больших поверхностей), обработка поверхностей металлическими щётками, пескоструйная и дробеструйная обработка.

При контактной сварке стараются применять холоднокатаный прокат на поверхности которого могут быть остатки масла.

Если нет ржавчины на поверхности, то достаточно обезжирить свариваемые поверхности.

Контактное сопротивление чистых, но покрытых окисью деталей уменьшается с ростом усилий сжатия. Это объяснятся большей деформацией микровыступов.

Включаем ток, наибольшая плотность линии тока сосредотачивается на ювенильных поверхностях. Ток через контакты, образовавшегося при деформации микровыступов.

В начальный момент времени плотность тока в материале детали меньше, т.к. линии тока распостранены относительно равномерно, а в контакте деталь- деталь ток течёт только через зоны проводимости, следовательно, плотность тока выше, чем в основной массе детали и тепловыделения и нагрев в этой области более значительны.

Металл в контакте станет пластичным. Он деформируется под действием сварочного усилия, площадь проводящих контактов будет возрастать и при достижении t=600 градС (ерез сотые доли секунды) микровыступы полностью деформируются, окисные плёнки частично разрушаться, частично диффундируют в массу детали и роль контактного сопротивления Rдд перестанет быть первостепенной в процессе нагрева.

Однако к этому моменту температура в области контакта деталь-деталь будет наиболее высокой, удельное сопротивление материала ρ - наибольшее и тепловыделение будет более интенсивным всё равно в этой зоне.

При достаточных плотностях тока длительности его протекания именно там начинается плавление металла.

Появлению изотермы плавления именно в контакте деталь-деталь будет способствовать наименьший теплоотвод из этой области, собственное сопротивление детали.

Собственное сопротивление детали

S- сечение проводника

Коэффициент А увеличивает растекание линии тока в массу детали, при этом происходит увеличение реальной площади растекания

dk- диаметр растекания

А= 0,8-0,95, зависит от твёрдости материала, а в большей степени от удельного сопротивления.

От соотношения dk/δ= 3-5 А=0,8

Очевидно, что сопротивление детали зависит от толщины, это учитывается коэффициентом А и от удельного электрического сопротивления материала детали ρ, оно зависит от химического состава.

Кроме этого удельное сопротивление зависит от температуры

ρ(t)=ρ0*(1+αp*T)

В процессе сварки при протекании тока t измеряется от контактной до tпл и выше

Tпл=1530 градС

При достижении tпл удельное сопротивление скачком увеличивается.

αρ- температурный коэффициент

αρ=0,004 1/градС- для чистых металлов

αρ=0,001-0,003 1/градС- для сплавов

Значение αρ падает с увеличением степени лигирования.

С ростом температуры металл как в контакте, так и в основной массе под электродами деформируется, площадь контакта возрастает и если рабочая повехность электродов сферическая, то площадь контакта может увеличиваться в 1,5-2 раза.

График изменения сопротивления в процессе сварки.

В начальный момент времени сопротивление детали растёт вследствие увеличения температуры и роста удельного электрического сопротивления , затем метал становится пластичным и начинает увеличиваться площадь контакта вследствие вдавливания электродов в поверхность детали, а также увеличение размеров площади контакта деталь-деталь.

Общее сопротивление будет снижаться по мере выключения сварочного тока. Однако это справедливо для сварки углеродистых и низколегированных сталей.

Для сварки жаропрочных Ni и Cr сплавов, сопротивление может даже вырастать.

Электрическое и температурное поле.

Закон Джоуля-Ленца Q=IRt показывает тепловыделение в токоведущих элементах, а происходят ещё процессы теплоотвода.

Благодатя активному охлаждению электродов и увеличению теплоотвода в них получаем чечевицеобразную форму литого ядра.

Но такую форму не всегда удаётся получить, особенно при сварке разнородных, разнотолщинных материалов и тонких деталей.

Зная характер температурного поля в зоне сварки можно проанализировать:

1) Размеры литого ядра.
2) Размер ЗТВ (структуры)
3) Величину остаточных напряжений, т.е. свойства соединений.

Температурное поле- совокупность температур в различных точках детали в определённый момент времени.

Точки с одинаковой температурой, соединённые линией называются изотермой.

Размер чистого ядра на микрошлифе называет изотерму плавления по границам литого ядра.

В конечном счёте на температуру и размер изотермы плавления т.е. литого ядра, влияет в основном сопротивление детали.

Основоположник- Гельман, взял две детали 2+2мм, отшлифовал, протравил и получил литое ядро; взял детали и получил тоже литое ядро.

Однако трудности, возникающие при сварке разнородных толщин вынуждают исследовать распределение тепловых полей в зоне сварки.

Плотность тока – это количество зарядов, проходящих в течение 1 секунды через малую площадку, перпендикулярную направлению движения зарядов, отнесенная к длине ее поверхности.

Термообработка металлов - это один из основных способов улучшения их механических и физико-химических характеристик: твердости, прочности и других.

Одним из видов термообработки является закалка. Она успешно применялась человеком кустарным способом еще с давних времен. В Средневековье этот способ термической обработки использовали, чтобы улучшить прочность и твердость металлических предметов быта: топоров, серпов, пил, ножей, а также боевого оружия в виде копий, сабель и других.

И сейчас используют такой способ улучшения характеристик металла, не только в промышленных масштабах, но и в домашних условиях, в основном для закалки металлических предметов быта.

Под закалкой понимают вид термообработки металла, состоящий из его нагрева до температуры, при достижении которой наступает изменение структуры кристаллической решетки (полиморфное превращение) и дальнейшего ускоренного охлаждения в воде или масляной среде. Целью такой термообработки является повышение твердости металла.

Применяется также закалка, при которой температура нагрева металла не дает состояться полиморфному превращению. В этом случае фиксируется его состояние, которое свойственно металлу при температуре нагрева. Это состояние называют пересыщенным твердым раствором.

Технологию закалки с полиморфным превращением используют в основном для изделий из стальных сплавов. Цветные металлы подвергают закалке без достижения полиморфного изменения.

После такой обработки стальные сплавы становятся тверже, но при этом они приобретают повышенную хрупкость, теряя пластичность.

Чтобы снизить нежелательную хрупкость после нагрева с полиморфным изменением, применяется термообработка, называемая отпуском. Она проводится при более низкой температуре с постепенным дальнейшим охлаждением металла. Таким способом снимается напряжение металла после процесса закаливания, и уменьшается его хрупкость.

При закалке без полиморфного превращения нет проблемы с излишней хрупкостью, но твердость сплава не достигает требуемого значения, поэтому при повторной термической обработке, называемой старением, ее наоборот повышают за счет распада пересыщенного твердого раствора.

Особенности закалки стали

Закаливаются в основном нержавеющие стальные изделия и сплавы, предназначенные для их изготовления. Они имеют мартенситную структуру и характеризуются повышенной твердостью, приводящей к хрупкости изделий.

Если провести термообработку таких изделий с нагревом до определенной температуры с последующим быстрым отпуском, то можно добиться повышения вязкости. Это позволит использовать такие изделия в различных сферах.

Виды закаливания сталей

В зависимости от предназначения нержавеющих изделий, можно провести закалу всего предмета или только той его части, которая должна быть рабочей и иметь повышенные прочностные характеристики.

Поэтому закалку нержавеющих изделий подразделяют на два способа: глобальный и локальный.

Охлаждающая среда

Достижение необходимых свойств нержавеющих материалов во многом зависит от выбора способа их охлаждения.

Разные марки нержавеющих сталей подвергаются охлаждению по-разному. Если низколегированные стали охлаждают в воде или ее растворах, то для нержавеющих сплавов для этих целей применяют масляные растворы.

Важно: При выборе среды, в которой проводят охлаждение металла после нагрева, следует учитывать, что в воде охлаждение проходит быстрее, чем в масле! Например, вода температурой 18°C способна охладить сплав на 600°C за секунду, а масло всего на 150°C.

Для того, чтобы получить высокую твердость металла, охлаждение проводят в проточной холодной воде. Также для повышения эффекта закалки для охлаждения готовят соляной раствор, добавляя в воду около 10% поваренной соли, или используют кислотную среду, в которой не менее 10% кислоты (чаще серной).

Кроме выбора охлаждающей среды немаловажным является режим и скорость охлаждения. Скорость снижения температуры должна быть не меньше 150°C за секунду. Таким образом, за 3 секунды температура сплава должна снизиться до 300°C. Дальнейшее снижение температуры может проводиться с любой скоростью, т. к. зафиксированная в результате быстрого охлаждения структура при низких температурах уже не разрушится.

Важно: Слишком быстрое охлаждение металла приводит к его излишней хрупкости! Это следует учитывать при самостоятельной закалке.

Различают следующие способы охлаждения:

• С использованием одной среды, когда изделие помещают в жидкость и держат там до полного охлаждения.
• Охлаждение в двух жидких средах: масле и воде (или солевом растворе) для нержавеющих сталей. Изделия из углеродистых сталей сначала охлаждают в воде, т. к. она является быстро охлаждающей средой, а потом в масле.
• Струйным методом, когда деталь охлаждается струей воды. Это очень удобно, когда требуется закалить определенную область изделия.
• Методом ступенчатого охлаждения с соблюдением температурных режимов.

Температурный режим

Правильный температурный режим проведения закалки нержавеющих изделий является важным условием их качества. Для достижения хороших характеристик их равномерно прогревают до 750-850°C, а потом быстро проводят охлаждение до температуры 400-450°C.

Важно: Нагрев металла выше точки рекристаллизации приводит к крупнозернистому строению, ухудшающему его свойства: излишней хрупкости, приводящей к растрескиванию!

Для снятия напряжения после нагрева до нужной температуры упрочнения металла, иногда используют поэтапное охлаждение изделий, постепенно снижая температуру на каждом из этапов нагрева. Такая технология позволяет полностью снять внутренние напряжения и получить прочное изделие с нужной твердостью.

Как закалить металл в домашних условиях

Пользуясь элементарными знаниями, можно провести закалку стали в домашних условиях. Нагревание металла обычно проводят с помощью костра, муфельных электропечей или горелок с использованием газа.

Закалка топора на костре и в печи

Если требуется придать дополнительную прочность бытовым инструментам, например, сделать топор более прочным, то самый простой способ его закалки можно провести в домашних условиях.

На топорах при изготовлении ставится клеймо, по которому можно узнать марку стали. Мы рассмотрим процесс закалки на примере инструментальной стали У7.

Выполнять технологию нужно с соблюдением следующих правил:

1. Отжиг . Перед обработкой затупить острую кромку лезвия и поместить топор в горящую кирпичную печь для нагрева. За процедурой термообработки нужно внимательно следить, чтобы не допустить перегрева (допустимый нагрев 720-780°C). Более продвинутые мастера температуру узнают по цвету каления.

А новички, температуру могут узнать с помощью магнита. Если магнит перестал приставать к металлу, значит топор нагрелся свыше 768°C (цвет красно-бордовый) и пришло время охлаждения.

Кочергой придвинуть раскаленный топор к дверце печи, жар убрать вглубь, закрыть дверцу и задвижку, оставить нагретый металл в печи на 10 часов. Пусть топор постепенно остывает с печкой.

2. Закалка стали . Нагреть топор на костре, буржуйке или печи до темно-красного цвета — температура 800-830°C (магнит перестал магнитится, подождать ещё 2-3 минуты).

Закалка выполняется в подогретой воде (30°C) и масле. Опустить лезвие топора в воду на 3-4 см, интенсивно двигая его.

3. Отпуск лезвия топора . Отпуск уменьшает хрупкость стали и снимает внутренне напряжение. Зачистить металл наждаком, чтобы лучше различать цвета пебежалости.

Выдержать топор в течение 1 часа в духовке, при температуре 270-320°C. После выдержки, достать и остудить на воздухе.

Видео: термообработка топора в домашних условиях, три стадии: отжиг, закалка, отпуск.

Закаливание ножа

Самостоятельно для закалки металлов целесообразно использовать печи. Для предметов быта в виде ножей, топоров, и других, наиболее подходящими являются муфельные печи небольшого размера. В них можно достичь температуры закалки намного выше, чем на костре и проще добиться равномерного прогрева металла.

Такую печь можно изготовить самостоятельно. В интернете можно найти множество простых вариантов ее конструкции. В таких печах можно разогреть металлическое изделие до 700-900°C.

Рассмотрим, как закалить нож из нержавейки в домашних условиях, используя муфельную электропечь. Для охлаждения вместо воды или масла используется расплавленный сургуч (можно достать в воинской части).

Нагрев металлов и сплавов производят либо для уменьшения их сопротивления пластической деформации (т. е. перед ковкой или прокаткой), либо для изменения кристаллической структуры происходящего под воздействием высоких температур (термообработка). В каждом из этих случаев условия протекания процесса нагрева оказывают существенное влияние на качество конечного продукта.

Решаемые задачи предопределяют основные характеристики процесса нагрева: температуру, равномерность и продолжитель­ность.

Температурой нагрева обычно называют конечную температуру поверхности металла, при которой он в соответ­ствии с требованиями технологии может быть выдан из печи. Значение температуры нагрева зависит от химического состава (марки) сплава и от цели нагрева.

При нагреве перед обработкой давлением температура выдачи заготовок из печи должна быть достаточно высокой, так как это способствует уменьшению сопротивления пластической деформа­ции и приводит к сокращению расхода электроэнергии на обра­ботку, повышению производительности прокатного и кузнечного оборудования, а также увеличению срока его службы.

Однако существует верхний предел температуры нагрева, поскольку она лимитируется ростом зерна, явлениями перегрева и пережога, а также ускорением окисления металла. В процессе нагрева большинства сплавов при достижении точки, лежащей на 30-100°С ниже линии солидус на их диаграмме состояния, благодаря ликвации и неметаллическим включениям, на границах зерен появляется жидкая фаза; это приводит к ослаблению меха­нической связи между зернами, интенсивному окислению на их границах; такой металл теряет прочность и разрушается при обработке давлением. Это явление, называемое пережогом, ли­митирует максимальную температуру нагрева. Пережженный металл не может быть исправлен никакой последующей терми­ческой обработкой и пригоден только для переплавки.

Перегрев металла приводит к чрезмерному росту зерна, в ре­зультате чего ухудшаются механические свойства. Поэтому про­катка должна завершаться при температуре более низкой, чем температура перегрева. Перегретый металл можно исправить посредством отжига или нормализации.

Низший предел температуры нагрева устанавливают исходя из допускаемой температуры в конце обработки давлением с уче­том всех потерь тепла от заготовки в окружающую среду и вы­деления тепла в ней самой за счет пластической деформации. Следовательно, для каждого сплава и для каждого вида обработки давлением существует определенный диапазон температур, выше и ниже которого не следует нагревать заготовку. Эти сведения приведены в соответствующих справочниках.

Вопрос о температуре нагрева особенно важен для таких слож­ных сплавов, как, например, высоколегированные стали, которые в процессе обработки давлением оказывают большое сопротивле­ние пластической деформации, и в то же время, склонны к пере­греву и пережогу. Эти факторы обусловливают более узкий диа­пазон температур нагрева высоколегированных сталей по сравне­нию с углеродистыми.

В табл. 21-1 в качестве иллюстрации приведены данные для некоторых сталей о предельно допустимой температуре их нагрева перед обработкой давлением и о температуре пережога.

При термической обработке температура нагрева зависит только от технологических требований, т. е. от вида термообра­ботки и ее режима, обусловленных строением и структурой сплава.

Равномерность нагрева определяется величиной разности температур между поверхностью и центром (поскольку это обычно наибольшая разность) заготовки при выдаче ее из печи:

∆Т кон = Т кон пов - Т кон цен. Этот показатель также очень важен, по­скольку слишком большая разность температур по сечению заготовки при нагреве перед обработкой давлением может вызвать неравномерную деформацию, а при нагреве под термообработку - повлечь за собой незавершенность требуемых превращений по всей толщине металла, т. е. в обоих случаях - брак конечной продукции. Вместе с этим, Процесс выравнивания температура по сечению металла требует длительной выдержки его при высокой температуре поверхности.

Однако, полной равномерности нагрева металла перед обработкой давлением не требуется, так как в процессе транспортировки его от печи к стану или прессу и прокатки (ковки) неизбежно происходит выравнивание температуры по сечению слитков и заготовок в связи с отдачей тепла в окружающую среду с их поверхности и теплопроводностью внутрь металла. Исходя из этого, допустимую разность температур по сечению принимают обычно по практическим данным при нагреве перед обработкой давлением в следующих пределах: для высоколегированных сталей ∆Т кон = 100δ; для всех других марок стали ∆Т кон = 200δ при δ <0,1 м и ∆Т кон = 300δ при δ > 0,2 м. Здесь δ - прогреваемая толщина металла.

Во всех случаях перепад температур по толщине заготовки в конце ее нагрева перед прокаткой или ковкой не должен пре­вышать 50 °С, а при нагреве под термообработку 20 °С, независимо от толщины изделия. При нагреве крупных слитков допускается их выдача из печи при ∆Т кон <100 °С.

Другой важной задачей технологии нагрева металла является обеспечение равномерного распределения температуры по всей поверхности заготовок или изделий к моменту их выгрузки из печи. Практическая необходимость этого требования очевидна, так как при значительной неравномерности нагрева по поверх­ности металла (даже при достижении необходимого перепада тем­ператур по толщине) неизбежны такие дефекты, как неравномер­ность профиля готового проката или различные механические свойства изделия, подвергнутого термообработке.

Обеспечение равномерности температуры по поверхности на­греваемого металла достигается посредством правильного выбора печи для нагрева определенного типа заготовок или изделий и соответствующего размещения в ней теплогенерирующих уст­ройств, создающих необходимое поле температур в рабочем пространстве печи, взаимного расположения заготовок и т. п.

Продолжительность нагрева до конечной температуры также является важнейшим показателем, так как от него зависят производительность печи и ее размеры. В то же время продолжительность нагрева до заданной температуры опре­деляет скорость нагрева, т. е. изменение температуры в некоторой точке нагреваемого тела в единицу времени. Обычно скорость нагрева изменяется по ходу протекания процесса, и поэтому различают скорость нагрева в некоторый момент времени и сред­нюю скорость нагрева за рассматриваемый интервал времени.

Чем быстрее осуществляется нагрев (т. е. чем больше скорость нагрева), тем, очевидно, выше производительность печи при про­чих равных условиях. Однако в ряде случаев скорость нагрева не может быть выбрана сколь угодно большой, даже если условия внешнего теплообмена и позволяют его осуществить. Это связано с определенными ограничениями, накладываемыми условиями протекания процессов, сопровождающих нагрев металла в печах и рассматриваемых ниже.

Процессы, протекающие при нагреве металла. При нагреве металла происходит изменение его энтальпии, а по­скольку в большинстве случаев подвод тепла производится к по­верхности слитков и заготовок, то их наружная температура выше температуры внутренних слоев. В результате термического рас­ширения разных частей твердого тела на разную величину возни­кают напряжения, получившие название термических.

Другая группа явлений связана с химическими процессами на поверхности металла при нагреве. Поверхность металла, находя­щаяся при высокой температуре, вступает во взаимодействие с окружающей средой (т. е. с продуктами сгорания или с воздухом), в результате чего на ней образуется слой оксидов. В случае, если какие-либо элементы сплава взаимодействуют с окружающей металл средой с образованием газовой фазы, то происходит обед­нение поверхности этими элементами. Например, окисление угле­рода стали при ее нагреве в печах, вызывает поверхностное обез­углероживание.

Термические напряжения

Как отмечено выше, в сечении слитков и заготовок при их нагреве возникает неравномерное распределение температур и, следова­тельно, разные части тела стремятся изменить свой размер в раз­ной степени. Так как в твердом теле существуют связи между всеми отдельными его частями, то они не могут независимо де­формироваться в соответствии с теми температурами, до которых они нагреты. В результате возникают термические напряжения, обусловленные разностью температур. Наружные, более нагретые слои, стремятся расшириться и находятся, поэтому в сжатом со­стоянии. Внутренние, более холодные слои, подвержены при этом растягивающим усилиям. Если эти напряжения не превосходят предела упругости нагреваемого металла, то с выравниванием температуры по сечению термические напряжения исчезают.

Все металлы и сплавы обладают упругими свойствами до опре­деленной температуры (например, большинство марок стали до 450-500 °С). Выше этой определенной температуры металлы переходят в пластическое состояние и возникшие в них терми­ческие напряжения вызывают пластическую деформацию и исче­зают. Следовательно, температурные напряжения должны учиты­ваться при нагреве и охлаждении стали только в интервале тем­ператур от комнатной до точки перехода данного металла или сплава из упругого состояния в пластическое. Такие напряжения называются исчезающими, или временными.

Кроме временных, существуют остаточные температурные напряжения, увеличивающие опасность разрушения при нагреве. Эти напряжения возникают в случае, если слиток или заготовка ранее подвергались нагреву и охлаждению. При охла­ждении наружные слои металла (более холодные) раньше дости­гают температуры перехода из пластического в упругое состояние. По мере дальнейшего охлаждения внутренние слои оказываются под воздействием растягивающих усилий, которые не исчезают вследствие малой пластичности холодного металла. Если этот слиток или заготовка будут снова нагреты, то возникающие в них временные напряжения наложатся с тем же самым знаком на остаточные, что усугубит опасность возникновения трещин и раз­рывов.

Помимо временных и остаточных температурных напряжений при нагреве и охлаждении сплавов возникают также напряжения, вызванные структурными изменениями объема. Но так как эти явления имеют место обычно при температурах, превышающих границу перехода из упругого состояния в пластическое, то структурные напряжения рассеиваются в связи с пластическим состоянием металла.

Зависимость между деформациями и напряжениями уста­навливает закон Гука

σ= (Т ср -Т )

где β - коэффициент линейного расширения; Т ср - средняя тем­пература тела; Т - температура в данном сечении тела; Е - модуль упругости (для многих марок стали величина Е снижается с (18÷22) . 10 4 МПа до (14÷17) . 10 4 МПа с увеличением темпера­туры от комнатной до 500 °С; σ -- напряжение; v - отношение Пуассона (для стали v ≈ 0,3).

Большой практический интерес представляет нахождение ма­ксимально допустимой разности температур по сечению тела ∆Т доп = Т пов - Т цен. Наиболее опасными в этом случае являются растягивающие напряжения, поэтому их следует учитывать при расчете допустимой разности температур. В качестве прочностной характеристики следует принимать значение временного сопро­тивления сплава разрыву σ в.

Тогда, используя решения задач теплопроводности (см. гл. 16) и накладывая на них выражение (21-1), для случая регулярного режима II рода можно, в частности, получить:

для равномерно и симметрично обогреваемой бесконечной пластины

∆Т доп = 1,5 (1 - v) σ в /();

для равномерно и симметрично обогреваемого бесконечного ци­линдра

∆Т доп = 2 (1 - v) σ в /().

Допустимая разность температур, найденная по формулам (21-2) и (21-3), не зависит от размеров тела и его теплофизических характеристик. Размеры тела оказывают косвенное влияние на величину ∆Т доп, так как остаточные напряжения в телах большего размера больше.

Окисление и обезуглероживание поверхности при нагреве. Окисление слитков и заготовок при нагреве в печах - явление крайне нежелательное, поскольку его следствием являются не­возвратимые потери металла. Это приводит к очень большому экономическому ущербу, который становится особенно очевидным, если сопоставить стоимость потерь металла при окислении с дру­гими расходами на передел. Так, например, при нагреве стальных слитков в нагревательных колодцах стоимость металла, теря­емого с окалиной, обычно выше стоимости топлива, расходуемого на нагрев этого металла, и стоимости электроэнергии, расходу­емой на его прокатку. При нагреве заготовок в печах сортопро­катных цехов потери с окалиной несколько ниже, но все же они достаточно велики и по стоимости соизмеримы с расходами на топливо. Так как на пути от слитка до готового изделия металл обычно подвергается нагреву несколько раз в разных печах, то потери вследствие окисления составляют весьма существенную величину. Помимо этого, более высокая твердость оксидов по сравнению с металлом приводит к повышенному износу инстру­ментов и увеличивает процент брака при ковке и прокатке.

Меньшая по отношению к металлу теплопроводность образо­вавшегося на поверхности слоя оксидов увеличивает продолжи­тельность нагрева в печах, что влечет за собой снижение их произ­водительности при прочих равных условиях, а осыпающиеся оксиды образуют шлаковые наросты на поду печей, затрудняя эксплуатацию и вызывая повышенный расход огнеупорных мате­риалов.

Появление окалины также не позволяет точно измерять тем­пературу поверхности металла, задаваемую технологами, что усложняет управление тепловым режимом печи.

Упоминавшееся выше взаимодействие с газовой средой в печи какого-либо элемента сплава имеет практическое значение для стали. Снижение содержания углерода в ней вызывает понижение твердости и предела прочности. Для получения заданных механи­ческих свойств изделия приходится снимать обезуглероженный слой (достигающий 2 мм), что увеличивает трудоемкость обра­ботки в целом. Особенно недопустимо обезуглероживание тех изделий, которые в последующем подлежат поверхностной тер­мической обработке.

Процессы окисления сплава в целом и его отдельных примесей при нагреве в печах следует рассматривать совместно, поскольку они тесно связаны между собой. Например, по опытным данным, при нагреве стали до температуры 1100°С и выше в обычной печ­ной атмосфере окисление протекает быстрее, чем обезуглероживание поверхности, и образующаяся окалина играет роль защитного слоя, предупреждающего обезуглероживание. При более низких температурах окисление многих сталей (даже в ярко выраженной окислительной среде) идет медленнее, чем обезуглероживание. Поэтому сталь, нагреваемая до температуры 700-1000 °С, может иметь обезуглероженную поверхность. Это особенно опасно, так как диапазон температур 700-1000 °С характерен для термо­обработки.

Окисление металла. Окисление сплавов представляет собой процесс взаимодействия окисляющих газов с их основой и легиру­ющими элементами. Этот процесс определяется не только ско­ростью протекания химических реакций, но и закономерностями образования оксидной пленки, которая по мере роста изолирует поверхность металла от воздействия окислительных газов. По­этому скорость роста слоя оксидов зависит не только от протека­ния химического процесса окисления стали, но и от условий передвижения ионов металла (от металла и внутренних слоев оксидов к наружным) и атомов кислорода (с поверхности к вну­тренним слоям), т. е. от условий протекания физического процесса двусторонней диффузии.

Диффузионный механизм образования оксидов железа, по­дробно изученный В. И. Архаровым, обусловливает трехслойную структуру слоя окалины, образующейся при нагреве стали в окис­лительной среде. Внутренний слой (примыкающий к металлу) имеет самое высокое содержание железа и состоит главным обра­зом из FeO (вюстита): Fe В V 2 0 2 Ц| FeCX Температура плавления вюстита 1317 °С. Средний слой - магнетит Fe 3 0 4 , имеющий тем­пературу плавления 1565 °С, образуется при последующем окис­лении вюстита: 3FeO Ц 1 / 2 0 2 ift Fe s 0 4 . Этот слой содержит меньше железа и по сравнению с внутренним слоем обогащен кислородом, хотя и не в такой степени, как наиболее богатый кислородом гематит Fe 2 0 8 (температура плавления 1538 °С): 2Fe 3 0 4 -f V 2 0 2 - Ц 3Fe 2 O s . Состав каждого из слоев не является постоянным по сечению, а постепенно изменяется за счет примесей более (ближе к поверхности) или менее (ближе к металлу) богатых кислородом оксидов.

Окисляющим газом при нагреве в печах является не только свободный кислород, но и кислород связанный, входящий в состав продуктов полного сгорания топлива: СО 2 Н 2 0 и S0 2 . Эти газы, так же как и О 2 , называются окислительными в отличие от вос­становительных: СО, Н 2 и СН 4 , которые образуются в результате неполного сгорания топлива. Атмосфера в большей части топлив­ных печей представляет собой смесь N 2 , С0 2 , Н 2 0 и S0 2 с не­большим количеством свободного кислорода. Наличие большого количества восстановительных газов в печи свидетельствует о не­полном сгорании и недопустимо е точки зрения использования топлива. Поэтому атмосфера обычных топливных печей всегда имеет окислительный характер.

Окислительная и восстановительная способность всех пере­численных газов по отношению к металлу зависит от их концентра­ции в атмосфере печи и от температуры поверхности металла. Наиболее сильным окислителем является О 2 , за ним следует Н 2 О и наиболее слабым окисляющим воздействием отличается СО 2 . Увеличение доли нейтрального газа в печной атмосфере умень­шает скорость окисления, которая в значительной степени зависит от содержания Н 2 О и SO 2 в печной атмосфере. Присутствие в печ­ных газах даже очень небольших количеств SO 2 резко увеличивает скорость окисления, так как на поверхности сплава образуются легкоплавкие соединения из оксидов и сульфидов. Что касается H 2 S, то это соединение может присутствовать в восстановительной атмосфере и его воздействие на металл (наряду с SO 2) приводит к увеличению содержания серы в поверхностном слое. Качество металла при этом Сильно ухудшается, причем особенно вредное влияние сера оказывает на легированные Стали, так как они поглощают ее в большей степени, чем простые углеродистые, а никель образует с серой легкоплавкую эвтектику.

Толщина образующегося слоя оксидов на поверхности ме­талла зависит не только от атмосферы, в которой нагревается металл, но к От ряда других факторов, к которым в первую оче­редь относятся температура и продолжительность нагрева. Чем выше Температура поверхности металла, тем выше скорость его окисления. Однако установлено, что скорость роста слоя оксидов возрастает быстрее после достижения некоторой температуры. Так, окисление стали при температурах до 600°С происходит со сравнительно малой скоростью, а при температурах свыше 800-900°С скорость роста слоя оксидов резко возрастает. Если принять скорость окисления при 900 °С за единицу, то при 950°С она составит 1,25, при 1000°С- 2, а при 1300 - 7.

Продолжительность пребывания металла в печи оказывает очень сильное влияние на количество образующихся оксидов. Увеличение продолжительности нагрева до заданной температуры приводит к росту слоя оксидов, хотя скорость окисления падает со временем из-за утолщения образующейся пленки и, следова­тельно, уменьшения плотности диффузионного потока через нее ионов железа и атомов кислорода. Установлено, что если толщина окисленного слоя составляет δ 1 при времени нагрева t 1 то при времени нагрева t 2 до той же температуры толщина окисленного слоя будет равна:

δ 2 = δ1/( t 1 / t 2 ) 1/2 .

Продолжительность нагрева металла до заданной температуры может быть сокращена, в частности, в результате увеличения температуры в рабочей камере печи, что приводит к более интенсивному внешнему теплообмену и, таким образом, способствует уменьшению толщины окисленного слоя.

Установлено, что факторы, влияющие на интенсивность диф­фузии кислорода к поверхности нагреваемого металла из атмо­сферы печи, не оказывает существенного влияния на рост слоя оксидов. Это обусловлено тем, что диффузионные процессы в самой твердой поверхности протекают медленно и именно они являются определяющими. Поэтому скорость движения газов практически не влияет на окисление поверхности. Однако картина движения продуктов сгорания в целом может оказывать заметное влияние, так как местные перегревы металла, обусловленные неравномер­ным полем температуры газов в печи (которое может быть вызвано чрезмерно большим углом наклона горелок, их неправильным размещением по высоте и длине печи и т. д.), неизбежно приводят к местному интенсивному окислению металла.

Условия перемещения нагреваемых заготовок внутри печей и состав нагреваемого сплава также оказывают заметное влияние на скорость его окисления. Так, при перемещении металла в печи может происходить механическое отслаивание и отделение обра­зовавшегося слоя оксидов, что способствует более быстрому последующему окислению незащищенных участков.

Наличие в сплаве некоторых легирующих элементов (например, для стали Сr, Ni, Al, Si и др.) может обеспечить образование тон­кой и плотной, хорошо прилегающей пленки оксидов, надежно предупреждающей последующее окисление. Такие стали назы­ваются жаростойкими и хорошо сопротивляются окислению при нагреве. Помимо этого, сталь с более высоким содержанием углерода в меньшей степени подвержена окислению, чем мало­углеродистая. Это объясняется тем, что в стали часть железа находится в связанном с углеродом состоянии, в виде карбида железа Fe 3 C. Углерод же, содержащийся в стали, окисляясь, превращается в оксид углерода, диффундирующий к поверхности и препятствующий окислению железа.

Обезуглероживание поверхностного слоя стали . Обезуглеро­живание стали при нагреве происходит в результате взаимодей­ствия газов с углеродом, который находится или в виде твердого раствора, или в виде карбида железа Fe 8 C. Реакции обезуглеро­живания в результате взаимодействия различных газов с карбидом железа могут протекать следующим образом:

Fe 3 C + Н 2 О = 3Fe + СО + Н 2 ; 2Fe 3 C + О 2 = 6Fe + 2СО;

Fe 3 C + СО 2 = 3Fe + 2СО; Fe 3 C + 2H 2 = 3Fe + CH 4 .

Аналогичные реакции протекают при взаимодействии этих газов с углеродом, находящимся в твердом растворе.

Скорость обезуглероживания определяется главным образом процессом двухсторонней диффузии, происходящей под действием разности концентраций обеих сред. С одной стороны, обезугле­роживающие газы диффундируют к поверхностному слою стали, а с другой - образующиеся газообразные продукты движутся в обратном направлении. Помимо этого, углерод из внутренних слоев металла перемещается в поверхностный обезуглероженный слой. Как константы скорости химических реакций, так и коэф­фициенты диффузии увеличиваются с повышением температуры. Поэтому глубина обезуглероженного слоя возрастает с увеличе­нием температуры нагрева. А поскольку плотность диффузионного потока пропорциональна разности концентраций диффундиру­ющих компонентов, то глубина обезуглероженного слоя больше в случае нагрева высокоуглеродистой стали, чем в случае нагрева малоуглеродистой. Легирующие элементы, содержащиеся в стали, также играют определенную роль в процессе обезуглероживания. Так, хром и марганец понижают коэффициент диффузии углерода, а кобальт, алюминий и вольфрам увеличивают его, соответственно препятствуя или способствуя обезуглероживанию стали. Крем­ний, никель и ванадий не оказывают существенного влияния на обезуглероживание.

К числу газов, входящих в состав печной атмосферы и вызы­вающих обезуглероживание, относятся Н 2 0, СО 2 , О 2 и Н 2 . Наи­более сильным обезуглероживающим воздействием на сталь отли­чается Н 2 0, а наиболее слабым Н 2 . При этом обезуглероживающая способность СО 2 увеличивается с ростом температуры, а обез­углероживающая способность сухого Н 2 уменьшается. Водород в присутствии водяных паров оказывает очень сильное обезугле­роживающее воздействие на поверхностный слой стали.

Защита стали от окисления и обезуглероживания. Вредное влияние окисления и обезуглероживания металла при нагреве на его качество требует принятия мер, предупреждающих эти явления. Наиболее полная защита поверхности слитков, заготовок и деталей достигается в печах, где исключается воздействие на нее окисляющих и обезуглероживающих газов. К числу таких печей относятся соляные и металлические ванны, а также печи, где нагрев ведется в контролируемой атмосфере. В печах подоб­ного типа изолируется от газов либо нагреваемый металл, обычно закрываемый специальным герметичным муфелем, либо само пламя помещается внутрь так называемых радиантных труб, тепло от которых передается к нагреваемому металлу без его контакта с окисляющими и обезуглероживающими газами. Рабо­чее пространство таких печей заполняется специальными атмо­сферами, состав которых выбирается в зависимости от технологии нагрева и марки сплава. Защитные атмосферы приготовляются отдельно в специальных установках.

Известен также способ создания слабоокислительной атмо­сферы непосредственно в рабочем пространстве печей, без муфелирования металла или пламени. Это достигается за счет непол­ного сжигания топлива (с коэффициентом расхода воздуха 0,5- 0,55). В состав продуктов сгорания при этом входят СО и Н а наряду с продуктами полного сгорания СО 2 и Н 2 О. Если соотношения СО/С02 и H 2 /H 2 O не меньше 1,3, то нагрев металла в такой среде происходит почти без окисления его поверхности.

Уменьшение окисления поверхности металла при его нагреве в топливных печах с открытым пламенем (составляющих большую часть парка печей металлургических и машиностроительных заводов) может быть достигнуто также за счет сокращения продолжительности пребывания его при высокой температуре поверхности. Это достигается выбором наиболее рационального режима нагрева металла в печи.

Расчеты нагрева металла в печах выполняются для определения темпе-ратурного поля слитка, заготовки или готового изделия, исходя из условий, продиктованных технологической целью нагрева. При этом учитываются ог-раничения, накладываемые процессами, протекающими при нагреве, а также закономерности выбранного режима нагрева. Часто рассматривается задача определения времени нагрева до заданной температуры при условии обеспе-чения требуемой равномерности к концу его пребывания в печи (последнее - в случае массивных тел). При этом обычно задаются законом изменения тем-пературы греющей среды, выбирая режим нагрева в зависимости от степени термической массивности металла. Для выявления степени термической массивности и для последующего расчета нагрева очень важен вопрос о прогреваемой толщине слитка или заготовки.

Основные методы и способы преобразования электрической энергии в тепловую классифицируют следующим образом. Различают прямой и косвенный электрический нагрев.

При прямом электронагреве преобразование электрической энергии в тепловую происходит в результате прохождения электрического тока непосредственно по нагреваемому телу или среде (металл, вода, молоко, почва и т. п.). При косвенном электронагреве электрический ток проходит по специальному нагревательному устройству (нагревательному элементу), от которого тепло передается нагреваемому телу или среде посредством теплопроводности, конвекции или излучения.

Существует несколько видов преобразования электрической энергии в тепловую, которые определяют способы электрического нагрева.

Протекание электрического тока по электропроводящим твердым телам или жидким средам сопровождается выделением тепла. По закону Джоуля - Ленца количество тепла Q=I 2 Rt, где Q - количество, тепла, Дж; I - силатока, А; R - сопротивление тела или среды, Ом; t - время протекания тока, с.

Нагрев сопротивлением может быть осуществлен контактным и электродным способами.

Контактный способ применяется для нагрева металлов как по принципу прямого электрического нагрева, например в аппаратах электроконтактной сварки, так и по принципу косвенного электрического нагрева - в нагревательных элементах.

Электродный способ применяется для нагрева неметаллических проводящих материалов и сред: воды, молока, сочных кормов, почвы и др. Нагреваемый материал или среда помещается между электродами, к которым подводится переменное напряжение.

Электрический, ток, протекая по материалу между электродами, нагревает его. Обычная (недистиллированная) вода проводит электрический ток, так как в ней всегда содержится некоторое количество солей, щелочей или кислот, которые диссоциируют на ионы, являющиеся носителями электрических зарядов, то есть электрического тока. Аналогична природа электропроводности молока и других жидкостей, почвы, сочных кормов и т. п.

Прямой электродный нагрев осуществляется только на переменном токе, так как постоянный ток вызывает электролиз нагреваемого материала и его порчу.

Электронагрев сопротивлением нашел широкое применение в производстве в связи с его простотой, надежностью, универсальностью и невысокой стоимостью нагревательных устройств.

Электродуговой нагрев

В электрической дуге, возникающей между двумя электродами в газообразной среде, происходит превращение электрической энергии в тепловую.

Для зажигания дуги электроды, присоединенные к источнику питания, на мгновение соприкасают, а затем медленно разводят. Сопротивление контакта в момент разведения электродов сильно нагревается проходящим по нему током. Свободные электроны, постоянно движущиеся в металле, с повышением температуры в месте соприкосновения электродов ускоряют свое движение.

С ростом температуры скорость свободных электронов настолько возрастает, что они отрываются от металла электродов и вылетают в воздушное пространство. При движении они сталкиваются с молекулами воздуха и расщепляют их на положительно и отрицательно заряженные ионы. Происходит ионизация воздушного пространства между электродами, которое становится электропроводным.

Под действием напряжения источника положительные ионы устремляются к отрицательному полюсу (катоду), а отрицательные ионы - к положительному полюсу (аноду), тем самым образуя длительный разряд - электрическую дугу, сопровождающуюся выделением тепла. Температура дуги неодинакова в различных ее частях и составляет при металлических электродах: у катода - около 2400 °С, у анода - около 2600 °С, в центре дуги - около 6000 - 7000 °С.

Различают прямой и косвенный электродуговой нагрев. Основное практическое применение находит прямой электродуговой нагрев в дуговых электросварочных установках. В установках косвенного нагрева дуга используется как мощный источник инфракрасных лучей.

Если в переменное магнитное поле поместить кусок металла, то в нем будет индуктироваться переменная э. д. с, под действием которой в металле возникнут вихревые токи. Прохождение этих токов в металле вызовет его нагрев. Такой способ нагрева металла называется индукционным. Устройство некоторых индукционных нагревателей основано на использовании явления поверхностного эффекта и эффекта близости.

Для индукционного нагрева используются токи промышленной (50 Гц) и высокой частоты (8-10 кГц, 70-500 кГц). Наибольшее распространение получил индукционный нагрев металлических тел (деталей, заготовок) в машиностроении и при ремонте техники, а также для закалки металлических деталей. Индукционный способ может использоваться также для нагрева воды, почвы, бетона и пастеризации молока.

Диэлектрический нагрев

Физическая сущность диэлектрического нагрева заключается в следующем. В твердых телах и жидких средах с плохой электрической проводимостью (диэлектриках), помещенных в быстропеременное электрическое поле, электрическая энергия превращается в тепловую.

В любом диэлектрике имеются электрические заряды, связанные межмолекулярными силами. Эти заряды называются связанными в отличие от свободных зарядов в проводниковых материалах. Под действием электрического поля связанные заряды ориентируются или смещаются в направлении поля. Смещение связанных зарядов под действием внешнего электрического поля называется поляризацией.

В переменном электрическом поле происходит непрерывное перемещение зарядов, а следовательно, и связанных с ними межмолекулярными силами молекул. Энергия, затрачиваемая источником на поляризацию молекул непроводниковых материалов, выделяется в виде тепла. В некоторых непроводниковых материалах есть небольшое количество свободных зарядов, которые создают под действием электрического поля незначительный по величине ток проводимости, способствующий выделению дополнительного тепла в материале.

При диэлектрическом нагреве материал, подлежащий нагреванию, помещается между металлическими электродами - обкладками конденсатора, к которым подводится напряжение высокой частоты (0,5 - 20 МГц и выше) от специального высокочастотного генератора. Установка для диэлектрического нагрева состоит из лампового генератора высокой частоты, силового трансформатора и сушильного устройства с электродами.

Высокочастотный диэлектрический нагрев - перспективный способ нагрева и применяется главным образом для сушки и тепловой обработкидревесины, бумаги, продуктов и кормов (сушки зерна, овощей и фруктов), пастеризации и стерилизации молока и т. п.

Электронно-лучевой (электронный) нагрев

При встрече потока электронов (электронного луча), ускоренных в электрическом поле, с нагреваемым телом электрическая энергия превращается в тепловую. Особенностью электронного нагрева является высокая плотность концентрации энергии, составляющая 5х10 8 кВт/см2, что в несколько тысяч раз выше, чем при электродуговом нагреве. Электронный нагрев применяется в промышленности для сварки очень мелких деталей и выплавки сверхчистых металлов.

Кроме рассмотренных способов электронагрева, в производстве и быту находит применение инфракрасный нагрев (облучение).