减少加热时间的计算系数及应用实例探究

一般在计算淬火加热时间的公式t=αD中，D为工件直径或有效厚度，α为加热系数，所计算出的时间既包括加热时间，又包括保温时间，因此一般工具书所提供的数据比较保守，如在800～900℃加热时，一般α取1.0～1.2，即每1mm直径（或有效厚度）取1min。考虑到钢奥氏体化加热不需要均匀化，而且可实施“零”保温，则在700℃加热时，α值可降到0.6～0.8；840℃加热时，α=0.5～0.65；920℃加热时，α=0.4～0.55，即可以满足要求。由于加热时间缩短，故可节约能源。

高碳钢在盐浴炉中加热时，加热时间由48s/mm减少到14s/mm，可缩短加热时间2/3以上。

1.从节能角度考虑的加热时间计算法

在进行加热时间计算时，常将工件按断面大小分为厚（壁）件和薄（壁）件。划分厚薄件的依据是毕氏准数β_i，即

式中 α——炉料表面的供热系数[W/（m²·℃）]；

λ——热导率[W/（m²·℃）]；

s——炉料的厚度（mm）。

一般认为β_i＜0.25为薄件，也有认为β_i＜0.5为薄件。对钢而言，如β_i＜0.5，薄件的厚度极限可达280mm。因此，绝大部分钢材和工件都可以认为是薄件。对于薄件，可以认为表面到温后，表面和心部的温度基本一致，也就是说无须考虑均温时间。总加热时间的计算就变为

t_加=t_升+t_保

薄件可以根据斯太尔理论公式计算炉料升温时间t_升。其简化式为

t_升=（ρc/α_∑）ln[（T_终-T_始）/（T_炉-T_终）]×V/S

式中 ρ——工件的密度（×10³kg/m³）；

c——工件的平均比热容[J/（kg·K）]；

α_∑——平均总供热系数；

T_终——工件出炉时的温度（K）；

T_始——工件进炉的温度（K）；

T_炉——炉温（K）；

V——工件体积（m³）；

S——工件受热表面积（m²）。

如果设几何指数，综合物理因素（或称加热系数）K=（ρc/α_∑）ln[（T_终-T_始）/（T_炉-T_终）]，则

t_升=KW

对于考虑保温时间在内的总加热时间应为

t_加=KW+t_保(www.xing528.com)

综合物理因素K与被加热工件的形状（K_s）、表面状态（K_h）、尺寸（K_d）、加热介质（K_g）、加热炉次（K_c）等因素有关。故上式可写成

t_加=K_sK_hK_dK_gK_cW+t_保

这些系数的数值范围可参照表2-5。对于形状和尺寸不同的工件，W值的计算也是一个较为烦琐的问题。表2-6所列为经过简化处理后的各种典型形状工件的W值。

表2-5 影响加热时间的各物理因素系数

注：δ——管壁厚度，D——外径，l——长度，下同。

表2-6 各种典型形状工件的W的简化处理值

注：B——板厚，下同。

将上列系数综合整理，并通过试验与修正，可得出在空气炉和盐浴炉中加热钢件时的K值范围（见表2-7），以达到既保证工件热处理质量，又可以节省能源的目的。

表2-7 在空气炉和盐浴炉加热钢件时的K值

与t_升比较，t保是一个较短的时间，其取决于钢的成分、组织状态和物理性质。对于碳素钢和部分合金结构钢，t_保可以为零；对合金工具钢、高速钢、高铬模具钢和其他高合金钢，可根据碳化物溶解和固溶体的均匀化要求来具体考虑。为了简化计算，也可采取适当增大K值的方式。

表2-8所列为综合上述K和W值范围而得出的加热时间计算表。

表2-8 钢件加热时间计算表

2.加热时间的节能计算法应用实例

表2-9为加热时间的节能计算法应用实例。

表2-9 加热时间的节能计算法应用实例

（续）