Chơng 3

Nung kim loại
3.1. Khái niệm chung
3.1.1. Mục đích của quá trình nung
Nung kim loại là một khâu quan trọng trong nhiều quá trình sản xuất luyện kim.
Trong gia công kim loại bằng áp lực, nung nóng nhằm mục đích tăng độ dẻo, giảm trở
lực biến dạng, làm tăng khả năng biến dạng của kim loại, điều đó cho phép tăng năng
suất gia công, giảm đợc yêu cầu về công suất thiết bị và giảm hao mòn dụng cụ.
Trong gia công nhiệt luyện, kim loại đợc nung nóng đến nhiệt độ thích hợp trớc khi
làm nguội để đạt đợc sự thay đổi tổ chức theo yêu cầu. Quá trình nung kim loại đợc
thực hiện trong các lò nung, cờng độ nung kim loại không những phụ thuộc công tác
nhiệt của lò mà còn phụ thuộc nhiều yếu tố khác nh: tính chất nhiệt, vật lý của kim
loại, kích thớc hình dạng của vật nung Việc xác định hợp lý cờng độ nung và thời
gian nung có ảnh hởng rất lớn đến chất lợng sản phẩm cũng nh các chỉ tiêu kinh tế,
kỹ thuật của lò.
3.1.2. Các hiện tợng xẩy ra khi nung
Trong quá trình nung, tuỳ theo kim loại cũng nh điều kiện nung có thể xẩy ra
nhiều hiện tợng không mong muốn nh: hiện tợng oxy hóa kim loại, hiện tợng
thấm hoặc thoát cácbon (đối với các loại thép), hiện tợng quá nhiệt hoặc cháy, hiện
tợng nứt.
- Hiện tợng oxy hóa: trong môi trờng nhiệt độ cao và tác động của môi trờng khí
lò, kim loại ở lớp bề mặt bị oxy hóa, gây ra sự cháy hao kim loại. Lợng kim loại bị
cháy hao trong một lần nung để cán và rèn từ 1- 2 %, nung để nhiệt luyện khoảng 0,5 -
1,0 %. Tốc độ oxy hóa kim loại xẩy ra mạnh khi ở nhiệt độ cao, ví dụ đối với chi tiết
bằng thép khi nhiệt độ trên 800
o
C xẩy ra với tốc độ rất lớn.
- Hiện tợng thoát các bon: Đối với chi tiết bằng thép, song song với quá trình oxy
hóa còn xẩy ra quá trình khử các bon, các phản ứng khử cacbon xẩy ra nh sau:
2H

Chọn chế độ nung hợp lý không những nâng cao chỉ tiêu kỹ thuật, chất lợng sản phẩm
mà còn làm tăng đáng kể hiệu quả kinh tế.
Tuỳ thuộc tính chất kim loại, hình dáng, kích thớc cũng nh nhiệt độ yêu cầu
sau khi nung, ngời ta có thể ứng dụng nhiều chế độ nung khác nhau. Trên hình 3.1
trình bày một số giản đồ nung với các chế độ nung điển hình.

t
o
C
t
o
C t
o
C


II
I
t
m
t
t

t
m
t
t
I I
II
III

mặt và tâm cho phép sau khi nung khá lớn.
-44-
- Giản đồ hình 3.1c: giản đồ nung ba giai đoạn có giai đoạn giữ nhiệt, áp dụng cho
các vật nung dày, có hệ số dẫn nhiệt thấp (trở nhiệt cao) và độ chênh lệch nhiệt độ mặt
và tâm cho phép sau khi nung bé.
Khi xây dựng các giản đồ nung, nếu chúng ta chọn nhiệt độ lò cao, cờng độ
nung lớn, giảm đợc thời gian nung, giảm đợc cháy hao kim loại nhng dễ gây ra nứt
(nhất là giai đoạn khi nhiệt độ vật nung còn thấp) và quá nhiệt kim loại. Ngợc lại,
chọn nhiệt độ lò thấp, cờng độ nung bé, thời gian nung kéo dài, tăng oxy hoá (nhất là
khi ở nhiệt độ cao) và giảm năng suất.
3.2. Tính toán thời gian nung
3.2.1. Các điều kiện giới hạn khi nung
Tính toán quá trình nung kim loại liên quan tới việc giải phơng trình vi phân
truyền nhiệt dẫn nhiệt (phơng trình Phu-ri-ê) có dạng:











+


+



),z,
y
,x(
f
t
= (3.3)
Nghiệm cụ thể của phơng trình phụ thuộc vào các điều kiện giới hạn: trạng thái
nhiệt độ ban đầu của vật thể (gọi là điều kiện ban đầu), kích thớc hình học của vật thể
và quy luật trao đổi nhiệt giữa bề mặt vật thể với môi trờng chung quanh (gọi là điều
kiện biên).
a) Điều kiện ban đầu : là điều kiện giới hạn về thời gian, xác định sự phân bố nhiệt độ
vật thể tại thời điểm ban đầu = 0, biểu thị bởi hàm số có dạng:
t
đ
= f(x, y, z, 0) (3.4)
Trờng hợp đơn giản nhất là trờng hợp nhiệt độ ban đầu của vật thể ở mọi điểm là nh
nhau:
t
đ
= t
0
= const.
Đối với trạng thái nhiệt ổn định, nhiệt độ ban đầu của vật thể không ảnh hởng đến sự
phân bố nhiệt độ của vật thể nên điều kiện giới hạn về thời gian không cần chú ý đến.
-45-
b) Điều kiện biên: là điều kiện giới hạn về không gian, đợc chia ra ba trờng hợp:
- Điều kiện biên loại 1: cho chế độ nhiệt độ của bề mặt vật thể, nghĩa là cho biết nhiệt
độ bề mặt của vật thể thay đổi nh thế nào theo thời gian:
t

mlò
ttq

= hay
(
)
4
m
4
lò0
TTCq =
3.2.2. Phơng pháp tính
Trong trờng hợp tổng quát, việc xác định thời gian nung bằng phơng pháp giải
giải tích phơng trình vi phân truyền nhiệt kết hợp với các điều kiện giới hạn thờng
rất phức tạp và gặp nhiều khó khăn. Tuy nhiên, trong những trờng hợp đơn giản nh
vật nung có dạng hình học đơn giản (hình tấm, hình trụ, hình cầu) và với những giả
thiết gần đúng, cho phép ta giải bài toán với độ chính xác chấp nhận đợc. Dới đây
khảo sát một số trờng hợp điển hình khi tính toán thời gian nung kim loại trong lò.
a) Phân loại vật nung
Để tính toán ngời ta phân vật nung thành hai loại: vật mỏng và vật dày.
Các vật nung đợc coi là vật mỏng là những vật có trở nhiệt bé (tỉ số giữa chiều
dày và hệ số dẫn nhiệt
)0
x


, đó là các vật mà vật liệu có hệ số dẫn nhiệt rất lớn
(
) hoặc chiều dày của vật bé ( ). Khi đó nhiệt độ vật gần nh đồng nhất
trong toàn bộ vật thể và chỉ phụ thuộc thời gian:

x - tọa độ điểm khảo sát [m].
Khi giá trị Bi < 0,25 vật nung đợc gọi là vật mỏng và Bi > 0,5 gọi là vật dày,
còn với giá trị Bi = 0,25 - 0,5 đợc coi là vật trung bình nhng trong tính toán thờng
tính toán theo vật dày.
b) Tính thời gian nung các vật mỏng
Để tính toán thời gian nung đối với các vật mỏng với điều kiện biên loại 3, ngời
ta chia thời gian nung thành nhiều giai đoạn, ứng với mỗi giai đoạn coi nhiệt độ lò và
nhiệt độ vật không đổi và lấy bằng giá trị trung bình. Tổng thời gian nung xác định
theo công thức:

[h] (3.10)

=
=
n
1i
ni
Khi đó thời gian nung với mỗi giai đoạn tính theo công thức:

(
tdtci
FF
k
cx



=
)
[h] (3.11)
Hình 3.2 Biểu đồ xác định thông số nhiệt độ
khi tính thời gian nung đối với vật mỏng khi t
k
<1000
o
C t
k
o
C
F
t Hình 3.3 Biểu đồ xác định thông số nhiệt độ
khi tính thời gian nung đối với vật mỏng khi t
k

(3.12)
Trong đó
0


=

thông số nhiệt độ tơng đối, xác định theo công thức (3.13):

ovk
vk
0
tt
tt




=


= (3.13)

- nhiệt độ trung bình của khí lò [
k
t
o
C].

- nhiệt độ của điểm khảo sát trên vật nung tại thời điểm [

= thì điểm khảo sát ở trên bề mặt vật thể.
Bằng tính toán lý thuyết và thực nghiệm, ngời ta xây dựng các biểu đồ biểu thị
quan hệ giữa các tiêu chuẩn (phơng trình 3.12) ứng với các trờng hợp khác nhau.
Trên các hình (3.4 - 3.7) giới thiệu biểu đồ tính toán ứng với vật nung dạng tấm và
dạng trụ. Hình 3.4 Nhiệt độ tơn
g
đối của bề mặt vật khi vật nun
g
dạn
g
tấm
-49-
Hình 3.5 Nhiệt độ tơn
g
đối của tâm vật khi vật nun
g
dạn
g
tấm Hình 3.6 Nhiệt độ tơn
g
đối của mặt vật khi vật nun

Hình 3.7 Nhiệt độ tơn
g
đối của tâm vật khi vật nun
g
dạn
g
trụ Để tính thời gian nung cơ bản, ta tiến hành tính toán cho từng giai đoạn. Trong
mỗi giai đoạn, dựa vào nhiệt độ trung bình của kim loại, lấy gần đúng theo nhiệt độ
trung bình của mặt vật
2
tt
t
c
m
d
m
i
+
=
, xác định các thông số vật lý của vật liệu, tính tiêu
chuẩn Bi
i
, nhiệt độ tơng đối bề mặt
m,i
và tra biểu đồ
(
)

d
i,t
i,ki,k
c
i,t
)tt(tt = (3.17)
Để tính thời gian giữ nhiệt, trớc hết cần xác định độ chênh nhiệt độ cho phép giữa mặt
và tâm cuối giai đoạn giữ nhiệt:

[]
(3.18)
0
c
t
c
mc
x.tttt ==
-51-
Trong đó
t
là độ chênh nhiệt độ cho phép trên một đơn vị chiều dày [
o
C/cm], x
0
chiều
dày truyền nhiệt [cm]. Nếu đầu giai đoạn giữ nhiệt (cuối giai đoạn nung cuối cùng) độ
chênh nhiệt độ mặt và tâm
[
cd
tt

(
)
mm
,BiFo

=
để xác định giá trị
của Fo và tính
gn
.

1
2
6
1
2
3
4
5
2
0
x
a
0,20,4
0,6
0
0,4
0,8
0,12


a
47,2
d
c
e.03,1
t
t


=


(3.20)
- Đối với dạng trụ:

2
0
gn
r
a
76,5
d
c
e.142,1
t
t


=


0
, h là bán kính và chiều dài thỏi hình trụ [m].

-52-

Hoặc sử dụng biểu đồ hình 3.8, khi đó:

a
x.Fo
2
0
= (3.22)
Đối với vật nung dạng thỏi, F
o
phụ thuộc vào tỉ lệ giữa bề rộng thỏi (B) và chiều dày
truyền nhiệt (S).
3.3. Ví dụ tính thời gian nung
Ta xét trờng hợp vật nung bằng thép C20 dạng tấm, chiều dày 2x
0
=200 mm, t
đ
=
20
o
C, nhiệt độ nung yêu cầu t
t,c
= 1200
o
C, nung đối xứng 2 mặt.
Giản đồ nung biểu thị trên hình 3.9 gồm 2 giai đoạn nung và một giai đoạn giữ

K
4
.

t
m0
=
t
to
=20
30t
3
=
t
k1
=1350
t
m
t
t
t

- Nhiệt độ trung bình của khí lò:

1175
2
13501000
2
tt
t
1k0k
1k
=
+
=
+
= [
o
C]
- Nhiệt độ trung bình của kim loại:

510
2
100020
2
tt
t
1m0m
1
=
+
=

7831448
100
783
100
1448
.92,2
TT
100
T
100
T
C
44
11k
4
1
4
1k
1
bx,1
=






















=
[Kcal/m
2
.h.
o
K
4
]
Lấy
, ta tính đợc hệ số truyền nhiệt tổng cộng:
bx,1dl,1
.1,0 =

194176.10,1.10,1
bx,1dl,1bx,11
=
=



15,0
2931448
10001448
TT
TT
0m
1k
1m
1k
1m
=


=


=
- Tính thời gian nung giai đoạn 1:
Biết Bi
1
= 0,57,
m1
= 0,15 tra biểu đồ
(
)
1m1m
,BiFo

=

x
x
,F,Bi
xác định đợc 2,0
1t
=

và tính nhiệt độ tâm
cuối giai đoạn:

9442,0).201175(1175).tt(tt
1t0t
1k1k
1t
=== [
o
C]
b) Giai đoạn nung 2:
- Nhiệt độ trung bình của khí lò:

1350t
2k
= [
o
C]
- Nhiệt độ trung bình của kim loại:
-54-

1100
2

và tính đợc a
2
= 0,02 [m
2
/h].
- Hệ số truyền nhiệt bức xạ:
348
13731623
100
1373
100
1623
.57,2
TT
100
T
100
T
C
44
22k
4
2
4
2k
2
bx,2
=






















= [Kcal/m
2
.h.
o
K
4
]
Lấy
, ta tính đợc hệ số truyền nhiệt tổng cộng:
bx,1dl,2
.05,0 =

- Tính nhiệt độ tơng đối của mặt tấm:

43,0
12731623
14731623
TT
TT
1m
2k
2m
2k
2m
=


=


=
- Tính thời gian nung giai đoạn:
Biết Bi
2
= 1,49,
m2
= 0,43 tra biểu đồ
(
)
2m2m
,BiFo


=

và tính nhiệt độ tâm
cuối giai đoạn:

11066,0).9441350(1350).tt(tt
2t1t
2k2k
2t
=== [
o
C]
c) Tính thời gian giữ nhiệt
- Nhiệt độ trung bình của khí lò:

1250t
3k
= [
o
C]
Độ chênh nhiệt độ giữa mặt và tâm cho phép 3
o
C/cm:
-55-

[30x.tt
03
=δ=∆
o
C]

+
=τ+τ+
τ
=τ [h] -56-