热处理工程师:解读工件加热的物理过程

金属工件在加热炉内加热时，热量由炉内热源传给工件表面，工件表面得到热量后向工件内部传播。由炉内热源把热量传给工件表面的过程，可以通过辐射、对流及传导等方式来进行；工件表面获得热量以后向内部的传递过程，则靠热传导方式进行^[2]。

1.工件表面与加热介质的传热过程

（1）对流传热 对流传热时，热量的传递通过发热体与工件之间流体的流动进行。流体质点在发热体表面靠热传导获得热量，然后流体流动到工件表面时把其热量又通过热传导传给工件表面（当然，相互对流的粒子相遇时也要发生热交换）。因此，对流传热和流体介质的流动密切相关。

试验证明，对流传热时单位时间内加热介质传递给工件表面的热量具有如下关系

Q_c＝α_cA（t_介－t_工） （9-1）

式中 Q_c——单位时间内通过热交换面对流传给工件的热量（J/h）；

t_介——介质温度（℃）；

t_工——工件表面温度（℃）；

α_c——对流传热系数；

A——热交换面积（工件与流体的接触面积，m²）。

在对流传热过程中传热系数起着重要的作用，影响传热系数α_c的因素有很多，主要包括以下因素：

1）传热流体运动的情况。作为传递热量的流体，其运动状态可分为静止和强迫流动两种状态。静止状态的液体或气体在加热过程中，由于近热源与远离热源（工件附近）处的温度不同，介质的密度也不同，因而发生自然对流，其热量的传递就靠自然对流进行，因此其传热系数α_c较小。例如，在气体炉中加热，传热系数α_c＝（6.12～10.8）×10⁴J/（m²·h·℃）；长度和直径相等的圆柱在盐浴中加热时，α_c＝296×10⁴J/（m²·h·℃）。

强迫流动是指用外加动力强制流体运动，如气体炉用风扇强制气体循环等。由于此时流体运动速度快，因此传热系数较大。强迫流动时，如果流体沿着工件表面一层层有规则地流动，这种流动称为层流，它使流体质点与工件表面热交换后不能马上离开，影响传热。当流体不规则地流过工件表面时，使流体质点能在热交换后较快地离开工件表面，因而有利于传热，流体的这种不规则运动称为紊流。可见，紊流的传热系数大于层流的传热系数。当以空气作为加热介质并沿着单个圆柱方向流动时，其对流传热系数为

式中 D——圆柱体直径（m）；

ΔT——空气和圆柱体表面的温差（℃）；

ω——空气的流动速度（m/s）。

2）传热流体的物理性质。传热流体的热导率λ、比热容c及密度ρ越大，传热系数α_c越大；传热流体的粘度系数越大，越不易流动，传热系数则越小。

3）工件表面形状及其在炉内的放置位置。工件表面形状及其在炉内的放置位置（或方式）不同，传热系数也不同。工件形状和放置位置对流体流动越有利，则传热系数越大。

（2）辐射传热 任何物体，只要其温度大于绝对零度，就能从表面放出辐射能。辐射能的载体是电磁波。在波长为（0.4～40）×10^－6m范围内的辐射能被物体吸收后变为热能，波长在此范围内的电磁波称为热射线；热射线的传播过程称为热辐射。物体在单位时间内由单位表面积辐射的能量为

式中 E——物体在单位时间内由单位表面积辐射的能量[J/（m²·h）]；

T——物体的绝对温度（K）；

c——辐射系数[J/（m²·h·K⁴）]。

c＝20.52kJ/（m²·h·K⁴）的物体称为绝对黑体，常用c₀表示。在相同温度下，一切物体的辐射能以黑体为最大，即c＜c₀。

ε称为黑度系数，简称黑度，它说明一个物体的辐射能力接近黑体的程度。黑度的数值取决于物体的物理性质及表面情况。黑度系数与温度的关系可以近似地认为是直线关系。

工件放在炉内加热时，一方面要接受从发热体、炉壁等辐射来的能量（热量），但一般金属材料均为非绝对黑体，因此对辐射来的能量不可能全部吸收，而有一部分热量要反射出去；另一方面，如前所述，工件本身也要辐射出去一部分热量。因而，用来加热工件的热量应由发热体、炉壁等辐射来的热量减去反射的热量及自身辐射的热量。在辐射传热时工件表面所吸收的热量Q_r可以下式表示

式中 A_n——相当吸收率，与工件的表面黑度、发热体的表面黑度、工件相对于发热体的位置及炉内介质等有关；

T₁——发热体（或炉壁）的绝对温度（K）；

T₂——工件表面的绝对温度（K）；(www.xing528.com)

A——工件吸收热量Q_r的表面积（m²）。

当发热体与工件之间存在有挡板等遮热物时，将使辐射换热量减少。例如，两平行板间发生辐射传热时，若中间放置另一块平板，计算表明，其辐射传热量将减少一半，这种作用称为遮热作用。

当发热体与工件之间存在气体介质时，则这些气体介质将吸收辐射能。有些气体介质吸收辐射能的数量极少，可以近似地认为气体介质不吸收辐射能。如单原子气体H₂、O₂、N₂等；但是，另外一些气体如CO₂、H₂O等都能吸收较多的能量。气体吸收射线的波长具有选择性，即对某些波长范围内的射线不吸收，而对另一些波长范围内的射线有吸收作用。当射线经过气体时，其能量在进程中逐渐被吸收，剩余的能量则透过气体。气体层的厚度越大，压力越大，吸收能力也越强。所有气体介质对射线的反射率都等于零。气体介质本身也辐射能量，其辐射能力也与绝对温度的四次方成比例。

（3）传导传热 在传导传热过程中，热量的传递不依靠传热物质的定向宏观移动，而仅靠传热物质质点之间的相互碰撞。传热物质质点在原位作热振动时，由于它们之间的互相碰撞，促使具有较高能量的质点把部分能量（热量）传递给能量较低的质点。温度是表征物体内能高低的一种状态参数，因此，热传导过程是温度较高（即热力学能较高）的物质向温度较低（热力学能较低）的物质传递热量的过程。热传导过程的强弱以单位时间内通过单位等温截面的热量即热流量密度q表示

式中 q——热流量密度[J/（m²·h）]；

λ——热导率[J/（m·h·℃）]；

——温度梯度。

负号表示热流量方向和温度梯度方向相反。

（4）综合传热 在实际工件的加热过程中，上述三种传热方式往往同时存在，所不同的仅仅是有的场合以这种传热方式为主，另一种场合以另一种传热方式为主。同时考虑上述三种传热方式称为综合传热，综合传热效果可以认为是这三种传热方式的单独传热结果之和，即

Q＝Q_c＋Q_r＋Q_cd （9-7）

式中 Q_c、Q_r和Q_cd分别表示对流传热、辐射传热和传导传热的热量。

由于这三种传热过程很难截然分开，所以在工件加热时往往综合考虑，并用下式表示

Q＝α（t_介－t_工） （9-8）

式中 α——综合传热系数。

且α＝α_c＋α_r＋α_rd （9-9）显然

2.工件内部的热传导过程

工件表面获得热量以后，表面温度升高，与内部存在着温度梯度，因此发生热传导过程。如前所述，其传热强度可以用热流量密度表示，即

此处的热导率λ应为被加热工件材料的热导率。热导率λ是材料的热物理参数，它说明材料具有单位温度梯度时所允许通过的热流量密度。热导率的数值与钢的化学成分、组织状态及加热温度有关。图9-2所示为钢中合金元素种类与含量对热导率的影响。

由图9-2可以看出，钢中合金元素（包括含碳量）不同程度地降低钢的热导率。热导率随着钢中各组织组成物，按奥氏体、淬火马氏体、回火马氏体、珠光体的顺序增大。热导率与温度的关系近似地呈线性关系，即

λ＝λ₀（1＋bt） （9-12）

式中 λ——温度为t时的热导率；

λ₀——温度为0℃时的热导率；

b——热传导温度系数，与钢的化学成分及组织状态有关。

图9-3所示为不同钢种的热导率与温度的关系。由图中可见，在低温时合金元素强烈地降低钢的热导率，随着温度的升高，其影响减弱。高于900℃时，合金元素的影响已看不出来，因为此时已处于奥氏体状态。奥氏体的热导率最小，纯铁和碳钢的热导率随着温度的升高而降低，且随着温度的升高而降低的趋势较大。

图9-2 合金元素对二元铁合金热导率的影响

图9-3 不同钢的热导率与温度的关系

1—纯铁 2—碳钢 3—合金钢 4—高合金钢