Hartowanie z wymrażaniem stali chromowych przeznaczonych na walce hutnicze

Jak widać na rys. 4, obróbka podzerowa dla wszystkich badanych stali prowadziła do pożądanych zmian w składzie fazowym stali, tj. do zmniejszenia zawartości austenitu. Szybsze chłodzenie podczas hartowania w wodzie do temperatury pokojowej było więc na ogół korzystniejsze.

Wymiana ciepła podczas hartowania z wymrażaniem

Na całość obróbki cieplnej w warunkach przemysłowych składają się:

• austenityzowanie z nagrzewaniem indukcyjnym,
• chłodzenie natryskiem wodnym o stałej temperaturze (15°C),
• przerwa technologiczna związana z transportem walca do komory kriogenicznej,
• wymrażanie w komorze kriogenicznej.

W momencie zakończenia austenityzowania przy nagrzewaniu metodą indukcyjną rozkład temperatury na przekroju walca nie jest jednorodny, co uwzględniono w obliczeniach. Rozkład ten otrzymano z eksperymentalnych pomiarów temperatury [2]. Po chłodzeniu wodnym walec jest niezwłocznie transportowany do komory kriogenicznej. W tym czasie (tj. około 300 s) ma miejsce także chłodzenie w powietrzu. W założeniach do obliczeń modelowych przyjęto, że temperatura na powierzchni walca przez cały czas utrzymywana będzie na poziomie -100°C (173 K). Uniknięto w ten sposób konieczności przyjęcia a priori współczynnika wymiany ciepła przez konwekcję. Szybkość wymiany ciepła jest limitowana tylko przewodnictwem cieplnym walca. Otrzymana w wyniku takiego modelowania szybkość chłodzenia w czasie wymrażania jest graniczną szybkością maksymalną. Ponadto przyjęto, że wymrażanie będzie trwało aż do osiągnięcia temperatury niższej od -80°C (203 K) na głębokości 50 mm pod powierzchnią beczki walca.

Wymiana ciepła w walcu była już analizowana jako zagadnienie osiowo-symetryczne w warunkach niestacjonarnych. Opisuje je równanie Fouriera, przy wykorzystaniu metody elementów skończonych. Dokładność uzyskanego rozwiązania zależy przy tym głównie od prawidłowego określenia warunków brzegowych, niezbędnych do rozwiązania zagadnienia przepływu ciepła. Szczególnie istotne jest więc właściwe określenie wartości współczynników wymiany ciepła między stalą a czynnikiem chłodzącym. Dla procesu hartowania w wodzie empiryczne zależności temperaturowe współczynnika przewodnictwa cieplnego, k, ciepła właściwego, c_p, a także gęstość, ρ, występujących w równaniu Fouriera, zaczerpnięto z prac [6, 7]. Na rys. 5 przedstawiono wyniki obliczeń rozkładu temperatury w beczce walca Φ 540 mm podczas hartowania w wodzie, a także wymrażania.

W początkowym okresie chłodzenia ma więc miejsce szybkie odprowadzenie ciepła z warstwy powierzchniowej. Po około 440 sekundach osiągana już jest więc temperatura początku przemiany martenzytycznej (około 200°C). Po około 850 s chłodzenia w wodzie na głębokości 50 mm temperatura spada do poniżej 200°C, czyli w tej warstwie zaczyna się przemiana martenzytyczna. Następnie charakterystycznym czasem jest
2230 sekund (około 37 min), kiedy to temperatura na całym przekroju walca spada do poniżej 160°C, tj. temperatury odpuszczania.

Galeria

Zobacz więcej