Типы процессов нагрева металла газовым пламенем исключи­тельно разнообразны. При систематизации этих процессов необхо­димо учитывать назначение нагрева, форму и размеры нагреваемого тела, тип и очертание пламени, длительность его воздействия и характер его перемещения по нагреваемой поверхности.

Целевое назначение нагрева. Газовое пламя применяют для нагрева металла при сварке (плавлением и давлением), поверхностной закалке, пайке, правке и поверхностной очистке металла Кроме того, газовое пламя применяют как вспомогательный источник тепла для предва­рительного и сопутствующего местного подогрева при кислородной резке, а также при дуговой сварке.

Задачи нагрева при этих технологических процессах весьма различны. При сварке плавлением необходимо оплавлять сваривае­мые кромки и поддерживать определенные размеры ванны расплав­ленного металла. При сварке давлением нужно нагревать сваривае­мую поверхность до температуры, близкой к температуре плавления, обеспечивая прогрев на определенную глубину до температуры пла­стического состояния для высадки При поверхностной закалке про­гревают поверхностный слой определенной глубины до закалочной температуры, обеспечивая при этом высокий градиент температуры в глубь металла, с тем чтобы поверхностный слой охлаждался доста­точно быстро. Для пайки и при поверхностной очистке нагревают поверхность металла до заданной температуры, распределение же температуры в глубину металла менее существенно. Для правки прогревают данный участок металла изделия до температуры пласти­ческого состояния. При кислородной резке сначала нагревают задан­ный участок поверхности металла до температуры воспламенения, а затем поддерживают соответствующим нагревом температуру раз­резаемого участка на определенном уровне. Наконец, при дуговой сварке сталей, склонных к образованию трещин, иногда подогревают металл в околошовной зоне пламенем с тем, чтобы замедлить его ох­лаждение и снизить градиенты температуры.

Схемы нагреваемого тела. В зависимости от формы и размеров изделия и от длительности процесса распространения тепла обычно выбирают, как и при расчете процессов нагрева дугой, одну из сле­дующих основных схем (§ 10, фиг. 31): полубесконечное тело с пло­ской нагреваемой поверхностью, плоский слой, пластину или стер­жень. Особенности этих расчетных схем освещены в § 10.

Схемы источника тепла. Газовое пламя является местным по­верхностным источником тепла, распределенным неравномерно по пятну нагрева (§21 и 22). При расчете процессов нагрева металла га­зовым пламенем и последующего охлаждения принимают одну из следующих схем распределения удельного теплового потока.

а) Нормально-круговой источник тепла, распределенный нор­мально [уравнение (21.1)] по радиусу пятна нагрева. Этой схеме соответствует нагрев пламенем простой горелки с осью, перпенди­кулярной нагреваемой поверхности (фиг. 83, § 21).

б) Нормально-полосовой источник тепла, распределенный нор­мально по ширине полосы нагрева и распределенный равномерно по ее длине / [уравнение (22 2)]. Этой схеме соответствует нагрев пламе­нем линейной горелки (многопламенной или щелевой) (фиг. 90, § 22).

в) Источник, распределенный равномерно по заданной площади. Этой схеме соответствует нагрев пламенем плоской многорядной горелки, причем нагреваемую площадь принимают равной рабочей площади горелки (фиг. 91, § 22).

При расчете температуры металла, нагреваемого газовым пламе­нем, ошибка от замены истинного распределения теплового потока пламени схемой нормального распределения тем меньше, чем больше продолжительность процесса распространения тепла. Процесс рас­пространения тепла от местного источника, распределенного про­извольным образом по пятну нагрева, с течением времени асимптотически приближается к процессу распространения тепла от эквивалентного нормально-распределенного источника.

Ошибка от замены истинного несколько неравномерного распре­деления теплового потока пламени многосопловых горелок (линей­ных и многорядных) равномерным его распределением тем меньше, чем больше расчетная продолжительность процесса, чем дальше от источника лежат рассматриваемые точки тела и чем больше коэфи — циент температуропроводности металла.

Длительность действия источника тепла. При расчете процессов распространения тепла при нагреве металла газовым пламенем целе­сообразно принимать в зависимости от длительности действия источ­ника одну из следующих схем.

а) Мгновенный источник тепла. Эта схема опи­сывает процесс распространения тепла, введенного в металл при крат­ковременном нагреве пламенем. Ошибка от принятия источника

М

мгновенным тем меньше, чем меньше отношение Y длительности

At действия пламени к продолжительности t процесса распростра­нения тепла. Расчеты процессов выравнивания температуры при действии мгновенного источника тепла весьма просты в сравнении с расчетами процессов распространения тепла длительно действую­щих источников.

б) Непрерывный источник тепла. Эта схема описывает процессы нагрева и последующего охлаждения при дли­тельном действии пламени на металл.

Выбор схемы непрерывно-действующего источника тепла зависит от характера перемещения источника (см. ниже). Мощность q непре­рывно действующего источника при расчетах принимают постоянной, неизменяющейся за время действия источника. Это предположение достаточно точно соответствует характеру наблюдаемых явлений при предельном состоянии процесса распространения тепла подвиж­ным источником. При нагреве тел неподвижным пламенем расчет ведут по специальной схеме теплообменного источника (см. ниже).

Перемещение источника тепла. При нагреве металла пламенем горелки могут оставаться неподвижными или перемещаться парал­лельно нагреваемой поверхности. На практике применяют как по­ступательное, так и возвратно-поступательное перемещение горелок (фиг. 92щ). У линейных горелок (многосопловых и щелевых), а также у несимметричных многорядных горелок (у которых число сопел в ряду превышает число рядов) следует отличать нагрев при продольном перемещении от нагрева при перемещении поперечном (фиг. 92,а и б).

При расчете процессов нагрева металла газовым пламенем при­меняют следующие основные схемы перемещения непрерывно-дей­ствующего источника тепла.

а) Неподвижный источник тепла. Этой схеме соответствует неподвижное относительно нагреваемой поверхности пламя, а также пламя, движущееся возвратно-поступательно и при­том настолько быстро, что чередованиями в приложении потока тепла можно пренебрегать. При расчетах нагрева неподвижным поверхно­стным теплообменным источником тепла необходимо учи­тывать уменьшение начальной эффективной мощности источни­ка, обусловленное повышением температуры нагреваемой поверхно­сти (§ 20).

б) Подвижный источник тепла, перемещающийся по нагреваемой плоскости прямолинейно и равномерно. Этой схеме соответствует нагрев поступательно-перемещающимися пламенами простых и сложных горелок. При расчетах нагрева подвижным источ­ником тепла эффективную мощность можно принимать постоянной,

соответствующей предельному состоянию процесса распространения тепла (§ 20). Ошибка от такого предположения сказывается лишь на температуре ближайших к источнику точек тела в начальном периоде нагрева.

в) Быстродвижущийся источник тепла, пе­ремещающийся по нагреваемой плоскости прямолинейно с большой скоростью. Принятие этой схемы значительно упрощает расчет. Ошибка от принятия источника быстродвижущимся тем больше, чем меньше скорость перемещения источника и чем дальше расположены рассматриваемые точки от пути его перемещения. Так как газовое

Фиг. 92, Основные типы перемещения многопламенных горелок; а — продольное поступательное перемещение линейной многопламенной горелки при сварке продольных швов тонких листов и труб; б — поперечное поступательное перемещение линейной многопламенной горелки при поверхностной накалке или огнепой очистке металла; в — воз­вратно-поступательное перемещение кольцевой многоплеменной горелки при газопрессовол

сварке стыков труб.

пламя перемещается по нагреваемой поверхности обычно с небольшой скоростью, схемой быстродвижущегося источника следует пользо­ваться осторожно.

Расчетная схема теплообменного источника. При расчетах на­грева металла неподвижным пламенем необходимо учитывать изме­нение эффективной мощности источника, связанное с повышением тем­пературы нагреваемой поверхности, т. е. обусловленное теплообмен­ным характером источника тёпла. Для расчета процессов нагрева тел неподвижным поверхностным теплообменным источником целесооб­разна следующая схема. Предположим, что с поверхностью тела со­прикасается пламя с температурой Тп (г) или Тп (у), распределен­ной нормально с коэфициентом сосредоточенности к по площади круга (пламя простой горелки) или по площади полосы (пламя линейной горелки). Коэфициент теплообмена а между внешней средой (пламе­нем) и нагреваемой поверхностью примем постоянным, не зависящим ни от расстояния г от оси (или у от плоскости симметрии) пламени, ни от изменяющейся со временем температуры T(t) нагреваемой поверхности. Тогда мгновенное значение удельного теплового потока (нормально-кругового источника, для определенности обоз —

качений; для нормально-полосового источника соотношения оста­ются теми же)

дЛг^)~-=~апл[Тп (r)—T(r, t)] (23Л)

оказывается зависящим от температуры Т (rft) нагреваемой поверх­ности. Начальное значение удельного теплового потока, соответст­вующее холодной поверхности, температура которой Т(г>0)=0 при­нята за нуль отсчета,

qz(rfi)—aniTn (г) (23.2)

пропорционально температуре Тп пламени в данной точке. Та­ким образом, при постоянном значении коэфициента теплообмена апг удельный тепловой поток q2 в начальный момент распределен так же, как и расчетная температура пламени Тп, т. е. нормально.

Такая схема — нормально распределенный поверхностный теп­лообменный источник — хорошо описывает физические особенности процесса нагрева металла газовым пламенем. Нетрудно показать, что этой схеме эквивалентна следующая. Пусть поверхность тела на­гревается источником постоянной мощности q, удельный тепловой поток которого распределен по закону q2(r,0) распределения на­чального теплового потока теплообменного источника [уравнение

(23.1) ]. Пусть далее нагретая поверхность тела отдает тепло с коэ­ффициентом теплообмена апл, равным коэфициенту сспл теплообменного источника. Тогда каждая точка г поверхности тела будет воспри­нимать неизменяющийся во времени поток тепла q2 (г, 0) и по мере нагрева отдавать в окружающую среду поток &пл Т (г, t), пропор­циональный изменяющейся со временем температуре данной точки Т (г, t). Результирующий тепловой поток q2(r, t)i воспринимаемый данной точкой поверхности

% (Г$ = Я2 {г,0) — апгТ (г,0, (23.3)

очевидно, одинаков с потоком (23.1) теплообменного источника.

Таким образом, процесс нагрева поверхности тела теплообменным источником эквивалентен процессу нагрева поверхности тела с теп­лоотдачей в окружающую среду источником постоянной мощности. Коэфициент теплоотдачи ос следует при этом выбирать равным коэ­фициенту оспл теплообменного источника, а распределение удельного теплового потока —■ в соответствии с начальным распределением потока теплообменного источника, когда нагреваемая поверхность холодна.

Коэфициент теплообмена пламени. Опытные данные пока недо­статочны для суждения о зависимости <х. пл от различных параметров процесса. Мы располагаем лишь значениями ос/2Л, полученными из обработки данных по измерению температуры тонких листов, нагре­ваемых линейными многопламенными горелками (табл. 4). С умень­шением линейного расхода ацетилена от 188 до 125 л/см час вследствие увеличения шага сопел (№ 0 и № 1) коэфициент теплообмена увели­чивается от 0,011 до 0,015 кал/см2 сек0С. Следует отметить, что одно­временно возрастает и эффективный к. п. д, пламени.

Тип горелки

Переме­

щение

Назначение

Толщина и форма изделия

Схема источника и нагреваемого тела

Рассчитываемая стадия процесса

Примечание

Простые од­нопламенные го­релки

Сварка, пайка и правка

Тонкие ЛИСТЫ

1. Нормально-круговой подвижный источник в пластине

Нагрев и охлаж­дение

§ 26 А и § 27 пример 1.

Л

2. Нормально-полосовой быстродвижущийся источ ник в пластине

Охлаждение

§ 26 Б

W

*

к

о

с

Сварка и правка

Толстые листы

1. Нормально-круговой подвижный источник на поверхности полубеско — нечного тела (или плос­кого слоя)

Нагрев

§ 31 А

2. Нормально-линейный быстродвижущийся ис­точник на поверхности полубесконечного тела (или плоского слоя)

Охлаждение

§ 31 Б

Ко льцевые горелки

Неподвиж­

ные

Предварительный подогрев при резке

Тонкие листы

1. Нормально-круговой теплообменный неподвиж­ный источник в пластине

Нагрев

§ 26 А и § 27 пример 2.

Расчетные схемы процессов распространения тепла при некоторых видах обработки металла газовым пламенем

Нагрев металла газовым пламенем

Кольцевые

горелки

Непод­

вижные

П редварительный подогрев при резке

Толстые листы

2. То же на поверхно­сти полубесконечного те­ла (или плоского слоя)

Нагрев

§ 31 А

<D

Сопутствующий подогрев при резке

Тонкие листы

1. Нормально-круговой подвижный источник ъ пластине

Нагрев и охлаж­дение

§ 26 А

и

*

к

ЕЯ

к

с

СИ

Толстые листы

1. Нормально-круговой подвижный источник на поверхности полубеско­нечного тела (или плос­кого слоя)

Нагрев

§ 31 А

Линейные од­норядные го­релки

Продоль­

ные

Скоростная авто­матическая газовая сварка

Тонкие листы и трубы

1. Нормально-полосовой продольно-быстродвижу — щийся источник в пла­стине

Нагрев и охлаж­дение

§§ 28 и 29

Поперечные

Поверхностная

закалка

Толстые полосы и листы

1. Нормально-полосовой поперечно-движущийся источник на поверхности полубесконечного тела или плоского слоя

То же

Многорядные

горелки

Неподвижные

Торцевая поверх­ностная закалка и газопрессовая свар­ка

Стержни, трубы и пр.

1. Равномерно-распре­деленный теплообменный неподвижный источник на поверхности полубес­конечного тела или плос­кого слоя

Нагрев

Схемы нагрева металла газовым Пламенем

Во всяком случае полученные значения коэфициента теплообмена <х. пл пламени с нагреваемой поверхностью металла в 15—20 раз превы — шают расчетные значения коэфициента теплоотдачи нагретой повер­хности листов спокойному воздуху а^0,0005-ч-0,0010кал/сж2 сек°С, полученные из обработки опытов по измерению температуры металла при сварке. Это соответствует физической сущ­ности явлений, так как теплообмен между пламенем и нагревае­мой поверхностью металла протекает при большем перепаде темпе­ратур и при значительно большей скорости перемещения омываю­щих металл газов.

Расчетные схемы. Перечисленные основные схемы описывают формы и размеры нагреваемого тела, тип и очертание пламени и характер его перемещения по нагреваемой плоскости при расчетах процессов распространения тепла в телах, нагреваемых газовым пламенем. Комбинации этих схем дают возможность рассчитывать представляющие практический интерес процессы распространения тепла при различных видах обработки металла газовым пламенем (табл. 7).

Некоторые из расчетных схем в табл. 7 применимы только для расчета стадии нагрева, когда действует пламя, другие — только для стадии охлаждения, когда пламя прекратило действовать, а некоторые схемы описывают весь процесс распространения тепла, т. е. и нагрев, и охлаждение. Это объясняется учетом продолжитель­ности рассчитываемого процесса, с которой связан выбор расчетной схемы.

Не все перечисленные схемы процессов распространения тепла рассчитываются элементарными приемами, освещенными в этой книге. В дальнейшем мы рассмотрим ряд наиболее простых в расчет­ном смысле процессов распространения тепла при нагреве металла газовым пламенем. На этих простых примерах будут тем не менее выявлены характерные особенности нагрева газовым пламенем, как местным распределенным поверхностным источником тепла. Расчет более сложных схем нагрева газовым пламенем выходит за рамки этой книги и рассматривается в специальной литературе.