Файл: Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали).pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.10.2024

Просмотров: 83

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

ПРОИЗВОДСТВО И ПРИМЕНЕНИЕ

КОНТРОЛИРУЕМЫХ

АТМОСФЕР

(ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ)

2-е издание, дополненное и переработанное

„аучно - ••

УДК: 621.785.06 Щ - И А Л Ь К О

УДК : 621.785.06 Производство и применение контролируемых атмосфер

(при термической обработке

стали), 2-е

изд. Э с т -

р и и Б. М. М., «Металлургия»,

1973, 392 с.

 

В книге рассмотрены с позиции новых эксперимен­ тальных данных, полученных автором, физико-химиче­ ские и технологические основы процессов производства контролируемых атмосфер и их использования в печах. Обобщен большой экспериментальный материал и про­ изводственный опыт, учтены новейшие разработки в этой области в СССР и за рубежом. Приведены при­ меры, облегчающие усвоение изложенного в книге ма­ териала.

Кинга предназначена для инженерно-технических ра­ ботников, занимающихся вопросами полученияконтро­ лируемых атмосфер и их использования в термических печах. Книга может быть полезна аспирантам и студен­ там вузов соответствующих специальностей. Ил. 115. Табл. 36. Список лит.: 82 назв.

© Издательство «Металлургия» 1973.

3105—193 Э 040(01)—73 143—74

ПРЕДИСЛОВИЕ

Коренное улучшение качества металлопродукции яв­ ляется одной из основных задач черной металлургии в девятой пятилетке. В первую очередь^ это относится к тонкостенным бесшовным и электросварным трубам, к холоднокатаной листовой электротехнической и нержа­ веющей стали, холоднокатаной дннамной стали. Реше­ ние этой задачи потребует совершенствования оборудо­ вания, служащего для производств контролируемых ат­ мосфер и технологии их использования.

За' последние десять лет отмечается интенсивный рост масштабов применения защитных атмосфер в черной ме­ таллургии. За это время в рассматриваемую отрасль на­ родного хозяйства внедрены новые технологические про­ цессы, оборудование; появились новые теоретические и экспериментальные разработки.

В настоящее время в СССР научные основы, техноло­ гия и оборудование, используемые при производстве за­ щитных атмосфер из аммиака, находятся на уровне, ха­ рактерном для развитых капиталистических стран или выше его. Этому способствовали творческие связи Центроэнергочермета с работниками многих металлургиче­ ских заводов, а также постоянное внимание Министер­ ства черной металлургии СССР (в первую очередь Главтрубостали и Главного технического управления), ока< занное работам Центроэнергочермета по производству и использованию контролируемых атмосфер.

Сообразно с ограниченным объемом книги автор рас­ сматривает в ней лишь контролируемые атмосферы, при­ готавливаемые в отдельных установках, и термические печи с электрообогревом или с закрытым газовым обо­ гревом (печи с радиантными горелками или с открытым пламенем, но с муфелированным рабочим объемом). По этой причине в книге не нашли отражения процессы так называемого малоокислительного нагрева (в том числе 1*

в кипящем слое), в которых контролируемая среда явля­ ется одновременно и теплоносителем. Эти вопросы осве­ щены в книге «Окисление н обезуглероживание стали», написанной под редакцией А. И. Ващенко, выпущенной издательством «Металлургия» в 1972 г.

Автор не рассматривает производство и использова­ ние инертных газов, отсылая заинтересованного читателя

к обстоятельной монографии

В. Г. Фастовского

и др.

«Инертные

газы». М., Атомнздат, 1964 и к книге

«Аргон

в металлургии», М., «Металлургия», 1971.

 

Книга

написана на базе

научно-исследовательских,

конструкторских и наладочных работ, проведенных под руководством автора в области установок для генериро­ вания контролируемых атмосфер, а также печей, в кото­ рых используются контролируемые атмосферы. Указан­ ные работы выполнены в лабораториях и в отделах Центроэнергочермета, а также на заводах черной ме­ таллургии.

Работая над книгой, автор стремился дать разверну­ тое, систематическое и отличающееся единством подхо­ да изложение основных разделов современного учения о контролируемых атмосферах, полагая, что эта книга ока­ жется полезной лицам, работающим в области контро­ лируемых атмосфер (представителям науки, проектных институтов и производства), и что она будет способство­ вать дальнейшему прогрессу в этой области.

Автор выражает признательность своему учителю акад. В. Ф. Копытову за ценные советы при рассмотре­ нии плана книги и благодарность доц. канд. техн. наук Л. А. Шульцу за замечания и полезные советы, сделан­ ные им при просмотре рукописи.

ЧА С Т Ь

ПЕ Р В А Я

i

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ГАЗОВ

i

с МЕТАЛЛАМИ И СПЛАВАМИ

Г л а в а I

НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ ОКИСЛЕНИЯ ЖЕЛЕЗА И ЕГО СПЛАВОВ

Упругостью диссоциации окислов при равновесии оп­ ределяется степень вероятности окисления данного ме­ талла. Термодинамический анализ химических реакций позволяет установить вероятность образования тех или иных соединений на поверхности металла, но не дает от­ вета на вопрос о скорости образования этих соеди­ нений.

Скорости реакций быстро возрастают с повышением температуры. Некоторые реакции заканчиваются в тече­ ние нескольких минут, другие же требуют десятка лет. Отсюда понятно исключительное значение кинетики по­ верхностных реакций для процесса окисления.

Процесс окисления чистого металла или сплава скла­ дывается из многих последовательно протекающих ста­ дий. Итоговая скорость совокупности всех стадий опреде­ ляется скоростью наиболее медленно протекающей ста­ дии, выявление которой позволяет сложный процесс окисления свести к изучению закономерностей лишь од­ ной, медленней всего протекающей стадии.

Теоретические и экспериментальные работы, касаю­ щиеся окисления металлов, подробно изложены в ряде специальных монографий (см., например, труд [1]) .

Эта глава посвящена частным вопросам окисления, имеющим непосредственное отношение к применению контролируемых атмосфер.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Температура выдачи металла на воздух после его тер­ мообработки в защитной атмосфере определяется ско­ ростью возникновения тонких пленок на железе при низ­ ких температурах.

5

Окраска сплошных тонких пленок окислов в интер­ ференционные цвета наступает при толщине пленок, пре-

о

восходящей 50 А [ 1 ] .

Пленки, появляющиеся в интервале температур 80— 120° С, состоят из Y-Fe2 03 . Только после 1700 ч окисления

о

толщина пленки достигает 200 А. При температуре 150° С

пленка указанной толщины появляется уже через

13 ч,

 

 

 

 

 

 

при 180° С — через

1 ч.

 

 

 

 

 

 

На

поверхности

плен­

 

 

 

 

 

 

ки обнаруживается до­

 

 

 

 

 

 

полнительно и а-РегОз.

 

 

 

 

 

 

 

Зависимость

и ско­

 

 

 

 

 

 

рости окисления

желе­

 

 

 

 

 

 

за

от

 

температуры

 

 

 

 

 

 

и

продолжительности

 

 

 

 

 

 

окисления показаны на

 

 

 

 

 

 

рис. 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Поскольку скорость

 

т

т

fso

зоо ж

охлаждения

на

возду­

 

хе

в интервале

низких

 

 

Темперогпура, "С

 

 

 

 

температур мала,то во

Рис. I. Скорость окисления

ж е л е з а ,

выря­

избежание

 

появления

женная

через

массу кислорода Д т ,

связан­

цветов

 

побежалости

ного в

окисел

a - F e 2 0 3

в зависимости от

температура

 

выдачи

температуры

и продолжительности

окисле­

 

ния \\\:

 

 

 

 

 

металла

 

не

должна

 

 

 

 

 

 

 

/ — продолжительность

15 мин; 2—30 мни;

быть выше 150° С.

 

3 - 1 ч

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При

нагреве

в ат­

 

 

 

 

 

 

мосферах,

в

которых

контролируется

кислородный

потенциал,

 

представляет

интерес влияние

на

скорость

окисления

парциального

давления

свободного

и связанного кислорода.

 

 

 

Установлено, что при р 0 _ < 1

мм рт. ст. (0,132%)

ско­

рость окисления подчиняется линейному закону, а окис­ лы состоят только из закиси железа. Можно предполо­ жить, что в этом случае скорость лимитируется адсорб­ цией [2] и константа линейной скорости оказывается пропорциональной p^J .

Окисление железа в парах воды протекает медленнее и при коротких выдержках также подчиняется линейно­

му закону.

Только

при

значении привеса Am выше

10 мг/см2 вступает в силу

параболический закон.

Значение

константы

скорости

окисления

зависит от

соотношения

рко/Ри,

в

г а

з о в о й

смеси. При

700° С, на-

б

 

 

 

 

 

 

пример, kp для чистого пара

(рн .р/Рн:

= 0 0 ) в 2,65 раза

выше [4,3-Ю-9 и 1,82• 10- 9

г2 /(см4 -с)

соответственно],

чем для смеси при р н „ 0 / р н , =3.

В последнее время много внимания уделяется «цвет­ ному» отжигу, при котором поверхность металла приоб­ ретает сплошную пленку окислов, окрашенную в различ­ ные интерференционные цвета, придающие продукции красивый товарный вид и большую коррозионную стой­ кость при транспортировке и хранении. Это достигается нагревом в защитной атмосфере с контролируемым окис­ лительным потенциалом. Значение последнего зависит от температуры, содержания С 0 2 и Н2О, а также от кон­ центрации Ог в печной атмосфере.

Нами

изучалась кинетика

образования

сплошных

окисных

пленок

в газовой смеси следующего состава:

12% С0 2 ; 3,8%

Н 2 0 ; 1,54-2,0%

Н2 ; 0% 02 ,

полученной

каталитическим

сжиганием природного газа.

Исследова­

ния показали, что пленки- с красивым товарным видом получаются при 700° С. Необходимым условием для этого является отсутствие остаточных углеводородов, а также окиси углерода, так как они портят внешний вид пленки и способствуют ее разрыхлению.

Получена следующая зависимость приращения массы Дш. от времени выдержки при 700° С:

т, мин

 

10

20

30

Д/л-Ю8 , г/см2

9,7

18

43

Толщина

пленки, А

165

305

730

Эти данные удовлетворительно описываются уравне­

нием вида

 

 

 

 

Am = kp т3 +

С = 1,2 • 10-9 г3 +

8-10~в г/см2 ,

(1-1)

где kp—константа скорости;

С— постоянная.

Впатентной литературе США1 указывается на ис­

пользование башенной печи для цветного отжига ленты. В качестве защитной среды применяется защитный газ, содержащий около 5% Н2 , остальное N 2 . Необходимый кислородный потенциал газовой среды достигается в ре­ зультате поступления в печь контролируемого количест-

' Пат. (США), № 3307981, 1967.

7

ва воздуха, часть кислорода которого гидрогенизируется водородом, содержащимся в защитном газе, образуя влагу. Часть кислорода (до 1%) и водорода (до 1,5%) остается в свободном виде. Количество поступающего воздуха определяется разрежением, искусственно созда­ ваемым на поду печи.

В печи обрабатывается лента шириной 600 и толщи­

ной 0,35 мм. По указанным американским данным,

полу­

чаемая пленка

окислов по цвету отвечает вороненной по­

верхности.

Приращение

массы (Am) составляет

1,3—

43 г/и2.

 

 

 

 

 

Внутреннее

окисление.

Кислородный

потенциал, вы­

раженный

через парциальное давление

кислорода, по

своему значению в большинстве используемых контроли­ руемых атмосфер близок к упругости диссоциации FeO. Поэтому в тех случаях, когда обрабатываемый металл содержит легирующие, характеризуемые большим срод­ ством к кислороду, чем Fe, принципиально возможно окисление легирующих. Практически с этим явлением сталкиваются при длительных выдержках (например, при цементации, реставрационном отжиге) легированных сталей, а также при газовой коррозии жароупорных эле­ ментов печей.

Растворимость кислорода в Fe в интервале темпера­ тур 800—1000°С составляет 0,4—0,0007%, а коэффициент

диффузии при 1000° С равен Ю - 9 — Ю - 1 0 см2 /с.

 

 

Обмен кислородом между железом и легирующими,

с

одной стороны, и газовой фазой, с другой,

происходит

в

тех случаях, когда парциальное давление

кислорода

близко к упругости диссоциации соответствующего окис­ ла; при этом совсем не обязательно, чтобы кислород при­ сутствовал только в свободном виде. Обмен кислородом осуществляется с такими соединениями, как СО, СОг, Н 2 0 , NO.

Рассмотрим случай, когда окислительный потенциал

газовой среды

настолько

мал, что не может

вызвать ви­

димое снаружи

окисление, т. е. случай

так

называемого

внутреннего

окисления.

 

 

 

Усвоение

кислорода

протекает в три стадии: 1) ад­

сорбция из

атмосферы

[ 0 2 ^ 2 ( 0 ) ] ;

2) передвижение

(О) к месту реакции в результате диффузии через ре­ шетку; 3) реакция между продиффундировавшим кисло­ родом и растворенным в решетке легирующим компонен­ том [ ( 0 ) + (ЛГе)*ь(ЛГеО)].

8

Смотрите также файлы