如何计算钢材加热参数

钢材加热计算时，必须具有钢材的热导率λ、平均比热容c_P、密度ρ等数据。

1.热导率λ

热导率是表示金属传导热量的能力，其大小决定于金属内部电子自由行程的长度。电子自由行程越长，热导性能越好。此外，热导率随金属的化学成分而异。常温下碳素钢的热导率[W/（m·℃）]按式（3-5）计算。

λ=69.8-10.12w（C）-16.75w（Mn）-33.73w（Si） （3-5）

碳素钢的热导率随温度的升高而减小，温度大于900℃时，各种钢的热导率十分接近。

不同温度下钢及某些有色金属的热导率见表3-5。

表3-5 钢及有色金属的热导率 [单位：W/（m·℃）]

（续）

氧化皮的热导率如下：

温度（℃）900 1000 1100 1200

λ[W/（m·℃）] 1.45 1.63 1.86 2.09

2.平均比热容c_p

钢的比热容决定于自身的成分和温度，表3-6所示为不同含碳量的钢及铸铁随温度而变的平均比热容c_p值。

表3-6 钢与铸铁的平均比热容c_p值 [单位：kJ/（kg·℃）]

3.密度ρ、熔点t及线胀系数α_l

钢的密度与化学成分有关，纯铁的密度为7880kg/m³。常用钢的密度如下：

铸钢 ρ=7500～7800kg/m³

压延钢 ρ=7850kg/m³

合金钢 ρ=7880+Δρx （3-6）

式中 Δρ——碳及合金元素质量分数每1%钢密度的增加或减少量（表3-7）；

x——碳或合金元素质量分数（%）。

表3-7 改变化学成分时钢密度的变化

t（℃）时钢的密度

式中 α_V——钢材体胀系数（1/℃）；600℃时，α_V=0.5×10^-4；800℃时，α_V=0.7×10^-4。

图3-4 碳素钢的物理性质

碳素钢在一定条件下的各项物理性质见图3-4。

4.热扩散率a

钢材的热扩散率a（m²/h）表示钢材加热时在一定条件下温度的变化速度，是决定加热过程的重要数据。(www.xing528.com)

800～900℃以前，热扩散率随温度的增高而下降；高于900℃时，其值几乎保持不变。

钢及有色金属的热扩散率值见表3-8。

5.热惰性系数b

热惰性系数b[W/（m²·h^-0.5·℃）]为热导率λ、平均比热容c_p、密度ρ乘积的平方根值，即

表3-8 钢及有色金属的热扩散率a （单位：×10²m²/h）

在加热计算中直接引用b值，比分别引用λ、c_p、ρ值的优点是：计算简易和准确性高。普通钢的热惰性系数在不同温度下的变化是非常微小的，因此可以认为是一个常数值，即b≈200W/（m²·h^-0.5·℃）。

6.综合传热系数α_Σ

综合传热系数由辐射和对流两种传热系数组成

α_Σ=α_f+α_d （3-10）

辐射传热系数按式（3-11）计算：

式中 α_f——辐射传热系数[W/（m²·℃）]；

σ——导出辐射系数，加热温度900～1300℃时，σ=3.5～4W/（m²·K⁴）；加热温度≤900℃时，σ=3～3.5W/（m²·K⁴）；

T_l、T_jb ——炉温及钢材的平均表面温度（K）。

对流传热系数α_d近似按表3-9计算。

表3-9 对流传热系数α_d计算式

恒温炉内加热时的α_Σ值可按图3-5近似采用。

图3-5 恒温炉内加热时的α_Σ值

7.钢材平均表面温度t_jb

t_jb=T_jb-273

对于炉温大于1200℃的间歇式加热炉按式（3-12）计算T_jb值。

式中 T_s——加热开始时钢材表面绝对温度（K）；

T_z——加热终了时钢材表面绝对温度（K）。

对于连续式加热炉

对于热处理炉

t_jb=0.7t_l （3-14）