加热钢件的加热速度

钢的加热速度一般是指钢件在加热时，单位时间内其表面温度升高的度数，单位为℃/h。有时也用加热单位厚度钢坯所需的时间（min/cm）；或单位时间内加热钢坯的厚度（cm/min）来表示。钢的加热速度和加热温度是同样重要的。在操作中常常由于加热速度的控制不当，造成钢件的内外温差过大，钢的内部产生较大的热应力，从而使钢出现裂纹或断裂。加热速度愈大，炉子的单位生产率愈高，钢坯的氧化、脱碳愈少，单位燃料消耗量也愈低。所以快速加热是提高炉子各项指标的重要措施。但是，提高加热速度受到一些因素的限制，对厚料来说，不仅受炉子给热能力的限制，而且还受到工艺上钢坯本身所允许的加热速度的限制，这种限制可归纳为在加热初期断面上温差的限制，在加热末期断面上烧透程度的限制和因炉温过高造成加热缺陷的限制。下面分述它们对加热速度的影响：

A 在加热初期，钢坯表面与中心产生温度差。表面的温度高，热膨胀较大，中心的温度低，热膨胀较小。而表面与中心是一块不可分割的金属整体，所以膨胀较小的中心部分将限制表面的膨胀，使钢坯表面部分受到压应力；同时，膨胀较大的表面部分将强迫中心部分和它一起膨胀，使中心受到拉应力。这种应力叫做“温度应力”或“热应力”。显然，从断面上的应力分布来看，表面与中心处的温度应力都是最大的，而在表面与中心之间的某层金属则既不受到压应力也不受到拉应力。可以证明，钢坯加热时的温度应力曲线与温度曲线一样，也是呈抛物线分布。

加热速度愈大，内外温差愈大，产生的温度应力也愈大。当温度应力在钢的弹性极限以内时，对钢的质量没有影响，因为随着温度差的减小和消除，应力会自然消失。当温度应力超过钢的弹性极限时，则钢坯将发生塑性变形，在温度差消除后所产生的应力将不能完全消失，即生成所谓残存应力。如果温度应力再大，超过了钢的强度极限时，则在加热过程中就会破裂。这时温度应力对于钢坯中心的危害性更大，因为中心受的是拉应力，一般钢的抗拉强度远低于其抗压强度，所以中心的温度应力易造成内裂。

如果钢的塑性很好，即使在加热过程中形成很大的内外温差，也只能引起塑性变形，以任意速度加热，都不会因温度应力而引起钢坯断裂。如果钢的导热性好（或导热系数高），则在加热过程中形成的内外温差就小（因Δt=qS/2λ），因而加热时温度应力所引起的塑性变形或断裂的可能性较小。低碳钢的导热系数大，高碳钢和合金钢的导热系数小，因而高碳钢和合金钢在加热时容易形成较大的内外温差，而且这些钢在低温时塑性差、硬而脆，所以它们在刚入炉加热时，容易发生因温度应力而引起的断裂。

如果被加热坯料的断面尺寸较小，则加热时形成的内外温差也较小；断面尺寸大的钢坯，因加热时形成较大的内外温差，容易因温度应力而导致钢坯变形或断裂。

根据上述分析，可概括下列结论：

（1）在加热初期，限制加热速度的实质是减少温度应力。加热速度愈快，表面与中心的温度差愈大，温度应力愈大，这种应力可能超过钢的强度极限，而造成钢坯的破裂。

（2）对于塑性好的金属，温度应力只能引起塑性变形，危害不大。因此，对于软钢温度在500~600℃以上时可以不考虑温度应力的影响。

（3）允许的加热速度还与金属的物理性质（特别是导热性）、几何形状和尺寸有关，因此，对大的高碳钢和合金钢加热要特别小心，而对薄材则可以任意速度加热而不致发生断裂的危险。

B 在加热末期，钢坯断面同样具有温度差。加热速度愈大，则形成的内外温度差愈大。这种温度差愈大，可能超过所要求的烧透程度，而造成压力加工上的困难。因此，所要求的烧透程度往往限制了钢坯加热末期的加热速度。

但是，实际和理论都说明，为了保证所要求的最终温度差而降低整个加热过程的加热速度是不合算的。因此，往往是在比较快的速度加热以后，为了减少这一温差而降低它的加热速度或执行均热，以求得内外温度均匀。这个过程叫做“均热过程”。

C 钢坯表面的温度是和炉温相联系的。炉温过高给准确地控制钢坯表面温度带来困难。特别是当发生待轧时，将因炉温过高而造成严重氧化、脱碳、粘钢、过烧等。这在连续加热炉上常是限制快速加热的主要因素。

上述的两个温度差（加热初期为避免裂纹和断裂所允许的内外温差和加热末期因烧透程度的要求内外温差）都对加热速度有所限制，以及准确地控制钢坯达到所要求的加热温度所需要的加热时间，这三个要素构成了制定加热制度的主要基础。

一般低碳钢大都可以进行快速加热而不会给产品质量带来什么影响。但是，加热高碳钢和合金钢时，其加热速度就要受到一些限制，高碳钢和合金钢坯在500~600℃以下时易产生裂纹，所以加热速度的限制是很重要的。