Нагрев металла

Нагрев металла осуществляют главным образом либо подводом тепла извне в нагревательных печах или термических печах, либо путём генерации тепла непосредственно в металле при пропускании через него электрического тока или возбуждения в нём тока индукцией (см. Индукционный нагрев). При нагреве в печах тепло поступает на поверхность металла, а затем распространяется внутрь. При пропускании электрического тока через металл тепло выделяется во всём его объёме, в результате чего нагрев можно вести с высокой скоростью. Этот метод контактного нагрева пригоден для изделий небольшого поперечного сечения и значительной длины. При индукционном нагреве металла тепло генерируется в тонком поверхностном слое, откуда, как и при нагреве в печах, распространяется внутрь. 
 
  Температуру нагрева перед обработкой давлением выбирают в зависимости от свойств и назначения металла (для алюминия, например, она составляет 250—500°C, для стали 1150—1300°C), а также от характеристики оборудования для обработки. При термической или химико-термической обработке температура нагрева зависит от цели обработки и температур структурных превращений металла или сплава (200—1150°C). Показатель качества нагрева металла — равномерность температур по поверхности и объёму металла. 
 
  Нагрев металла в атмосфере продуктов сгорания топлива в пламенных печах или в атмосфере воздуха в электрических печах происходит с окислением и обезуглероживанием поверхности металла. Такой нагрев называется «тёмным» и практикуют главным образом перед обработкой металла давлением. Для термической обработки предпочтителен так называемый светлый нагрев в атмосфере нейтрального газа, который не взаимодействует с поверхностью металла. В ряде случаев нагрев металла проводят в вакууме. При химико-термической обработке нагрев металла ведут в атмосфере, которая реагирует с металлом, например, удаляя из него углерод или насыщая металл углеродом. Нагрев в активной или нейтральной атмосфере проводят в печах, обогреваемых радиационными трубами или электрическими нагревательными элементами, а также в печах с муфелем.

В чёрной металлургии для нагрева  слитков перед прокаткой на блюмингах  и слябингах применяют нагревательные колодцы. Заготовки для прокатки листа и сортового металла  нагревают в методических печах (в частности, в печах с шагающим подом). В трубо- и колёсопрокатном производстве заготовки круглой формы нагревают в кольцевых печах. Современные прокатные цехи заводов цветной металлургии оснащают толкательными печами типа методических, кольцевыми и конвейерными печами, а также печами с шагающим подом. В машиностроительной промышленности при индивидуальном и мелкосерийном производстве прессовые, кузнечные и ремонтные цехи оборудуют камерными печами с выдвижным или стационарным подом, которые характеризуются большой универсальностью. При массовом производстве применяют толкательные печи типа методических, а в цехах горячей обработки давлением автомобильных и тракторных заводов всё большее распространение получают кольцевые и карусельные печи. Нагревательную печь чёрной металлургии отапливают, как правило, доменным, коксодоменным или природно-доменным газом, а в др. отраслях промышленности — мазутом или природным газом, который является перспективным видом топлива. 

Для термической обработки прокатной продукции в металлургической промышленности наиболее широко применяют проходные и протяжные печи. Закалку, нормализацию и отпуск горячекатаных листов проводят в печах с роликовым подом. Холоднокатаную стальную полосу в рулонах отжигают как в протяжных, так и в колпаковых печах. В протяжных печах проводят термическую обработку полосы из углеродистой и нержавеющей стали и цветных металлов, а также химико-термическую обработку полосы из электротехнических сталей и подготовку полосы к нанесению на неё различных покрытий (цинкование, алюминирование и т. д.). Сортовой прокат обрабатывают в печах с роликовым подом и в конвейерных печах. Для обработки труб применяют печи с роликовым подом, секционные печи скоростного нагрева, печи с шагающим подом и конвейерные печи. Проволоку в мотках и прутки обрабатывают в печах с роликовым подом, а при небольшом объёме производства - в колпаковых печах. Закалку проволоки в свинце или оцинкование её ведут в патентировочных печах. Термическую обработку колёс и колёсных бандажей для ж.-д. транспорта проводят в вертикальных печах, а иногда в кольцевых печах. 
 
  В машиностроительной промышленности при индивидуальном или мелкосерийном производстве применяют главным образом периодические термические печи, а при крупносерийном и массовом производстве - непрерывные термические печи. В литейных, термических и др. цехах машиностроительных заводов широко распространены печи с выкатным подом. На заводах тяжёлого машиностроения для обработки крупных изделий применяют вертикальные и ямные печи. С увеличением числа операций термической обработки в атмосфере контролируемого состава на машиностроительных заводах всё чаще устанавливают колпаковые и элеваторные печи. Для непрерывной обработки при крупносерийном производстве целесообразно применять толкательные печи, конвейерные печи, печи с роликовым подом, печи с подвижными балками, а иногда кольцевые и карусельные печи. В автомобильной, тракторной, подшипниковой и др. отраслях массового машиностроения получают распространение поточные закалочно-отпускные, нормализационно-отпускные, нитроцементационные, цементационные и др. агрегаты. В случае необходимости особо равномерного и быстрого нагрева, а также при тонкой поверхностной цементации или нагреве без окисления и обезуглероживания поверхности небольших деталей применяют ванные печи. Особо точные, скоростные и специальные режимы термической обработки массовых деталей проводят в индукционных нагревательных печах. Для обработки большемерных и сложных по форме изделий из лёгких металлов в случае повышенных требований к точности режима обработки (главным образом в авиационной промышленности) целесообразны печи аэродинамического подогрева. 
 
  Для обеспечения высокой точности нагрева металла большое число термическую печь проектируют с электрическим обогревом. В результате развития методов нагрева при сжигании газового топлива (нагрев с помощью радиационных труб, струйный нагрев, применение принудительной циркуляции и т. д.) почти все типы термических печей могут успешно работать и при газовом отоплении; это особенно важно в связи с тем, что большинство заводов получило высококачественное топливо - природный газ. 
 
  Современные режимы термической и особенно химико-термической обработки характеризуются значительной сложностью. Для таких режимов перспективны поточные агрегаты или непрерывные линии, в которые включено несколько камер или печей непрерывного действия. Химико-термическую и всё в большем объёме термическую обработку проводят в атмосферах контролируемого состава, для работы с которой также наиболее пригодны непрерывные термические печи. Периодические термические печи машиностроительной промышленности усовершенствуют путём применения атмосфер контролируемого состава, принудительной циркуляции, а также механизации работы и обслуживания.

Индукционный нагрев, нагрев токопроводящих тел за счёт возбуждения в них электрических токов переменным электромагнитным полем. Мощность, выделяющаяся в проводнике при индукционном нагреве, зависит от размеров и физических свойств проводника (удельного электрического сопротивления, относительной магнитной проницаемости), а также от частоты и напряжённости электромагнитного поля. Источниками электромагнитного поля при индукционном нагреве служат индукторы. Индукционный нагрев характеризуется неравномерным выделением мощности в нагреваемом объекте. В поверхностном слое, называемом глубиной проникновения, выделяется 86% всей мощности. Глубина проникновения тока D (м) равна:  где r — удельное электрическое сопротивление (ом×м), m — относительная магнитная проницаемость, f — частота (гц). 
 
  Для создания переменного электромагнитного поля при Индукционный нагрев используются токи низкой (50 гц), средней (до 10 кгц) и высокой (свыше 10 кгц) частоты. Для питания индукторов токами средней и высокой частоты применяют машинные и статические преобразователи, а также ламповые генераторы. 
 
  К наиболее распространённым процессам, использующим Индукционный нагрев, относятся: плавка металлов, зонная плавка, нагрев под обработку давлением  и др. Индукционный нагрев — наиболее совершенный бесконтактный способ передачи электроэнергии в нагреваемое тело с непосредственным преобразованием её в тепловую. Принципиальная схема установки с использованием Индукционный нагрев приведена на рис. 

Схема установки индукционного  нагрева: 1 — источник питания; 2 —  блок реактивной ёмкостной мощности (конденсатор); 3 — индуктор; 4 — футерованное технологическое пространство (тигель); 5 — нагреваемый объект.