11 (Лекции), страница 2

Постоянство соотношения газа и воздуханезависимо от расхода и регулировки любой горелки.Необходимо автоматическое регулирование температуры в печи, а также автоматическоеобеспечение точного нахождения заготовки в печи (возможен перегрев).Нагрев в муфельных печах.Для предупреждения окисления нагреваемых стальных заготовок муфель печи заполняютзащитным газом, который приготовляется в специальных установках.Защитные свойства газа тем действеннее, чем больше в нем СО и Н2 и меньше главныхокислителей железа – кислорода и водяных паров (удаляются из газа при его получении).В качестве защитного газа применяют генераторный газ, получаемый из древесного иископаемых углей, а также из высококалорийных газов при неполном сжигании их сжиганиив специальных установках.Существует два способа получения защитной атмосферы из природного газа:1.

В эндогенераторе при крекинге газовоздушной смеси, при которой получается эндогазоваяатмосфера.Эндогазовая атмосфера получается путем избирательного неполного окислительногокрекинга газовоздушной смеси в эндогенераторе с никель-глиноземистым катализатором.При кренинге углерод в углеводородах газа окисляется в окись углерода, а водородвыделяетсяв свободном состоянии.Содержание СО в защитном газе достигает до 20 %, Н2 – 40 %, N2 – 40 %.2. Неполное сжигание природного газаВ муфельной печи целесообразно применять в кузнечном производстве при нагреве мелкихзаготовок для точной штамповки.В муфельных печах основной частью является муфель, обогреваемый снаружи пламенемгорелок.

Внутри муфеля происходит нагрев металла в защитной атмосфере. Муфелиизготавливаются цельными (небольшие) из высокоогнеупорных материалов: графита,карборунда, корунда и др. с толщиной стенки 25…30 мм, или сборными – из огнеупорныхплит для свода и пода муфеля, а боковые стенки выкладывают из обычного огнеупора.Газогенератор 1 подогревается за счет тепла печи. Это необходимо потому, что в небольшихгазогенераторах тепла, выделяющего при газофикации топлива, недостаточно дляподдержания устойчивой работы газогенератора.

Стрелками показано поступление изгазогенератора 1 защитного газа в муфель печи 2. Печь работает на газе, горелкиустановлены с противоположных сторон печи. На одной стороне горелки 3 установленывнизу, а на другой стороне вверху. Защитный газ заполняет муфель и частично выходитчерез рабочее окно муфеля в пространство печи, где воспламеняется от контакта скислородом. Количество защитного газа, выходящего из муфеля регулируется, чтобы небыло перерасхода.

Посадка и выдача заготовок в муфель производится через рабочее окно.Стоимость муфельных камерных печей с встроенным эндогенератором из карборундовыхплит в 5…7 раз дороже обычных камерных.Рис. 8. Муфельная печь ссовмещенным газогенератором:1 — газогенератор;2 муфель цельный3. Соляные ванны.Нагрев заготовок производится в ванне с расплавленной смесью солей, состоящей из 75 %хлористого бария и 25 % хлористого натрия.Соляные ванны состоят из тигля с раствором солей, нагреваемых электрическимисопротивления, расположенными с наружной стороны тигля.

Для вытяжки паровпредусматривают вытяжные устройства.Соляная пленка плотно прилипает к поверхности, плохо очищается, забивает полостиштампа и приводит к ускоренному их износу.Способ имеет ограниченное применение для нагрева мелких заготовок до температуры1050 °С.Замена солей расплавленным стеклом несколько лучше. Но расплавление стекла требуетвысокой жаростойкости от материала нагреваемых элементов и большего расхода наэлектроэнергию.4.

Защитные покрытия.Защитные покрытия создаются на поверхности нагреваемых заготовок из окисла лития илистекла. Если перегретые пары хлористого лития Li2Cl и карбоната лития Li2CO3 направить врабочее пространство печи, то они конденсируясь на холодной поверхности нагреваемыхзаготовок, образуют покрытие (пленку), которая защищает металл от окисления.При работе печи 1 в генератор 2 подается природный или другой газ, богатый СН4, которыйсжигается здесь с недостатком воздуха с последующим обезвоживанием продуктовнеполного горения в конденсаторе 3. В результате образуется защитный газ с содержанием2,5 % CO2, 18 % CO, 14 % H2 и 5…15 % CH4, который направляется в испаритель лития 4,где закладываются литиевые патроны 5.

Отсюда газовый поток, содержащий пары лития,направляется в рабочую камеру печи 1. Литий соединяется с кислородом водяных паров идругих составляющих атмосферы печи. При этом образуется окисел лития и водород(реакция протекает с большим выделением тепла), и происходит восстановление окисижелеза на поверхности нагреваемого металла. При этом нагреваемый металл покрываетсятончайшем слоем окисла лития, который препятствует окислению и в процессе штамповки, ипри последующем охлаждении.

Расход лития небольшой – около 38 г на 1 т стали.Рис. 9. Схема установки безокислительного нагрева с применением лития:1 — печь; 2 — генератор; 3 – конденсатор; 4 — испаритель лития; 5 — литиевые патроныПри другом способе для защитного покрытия используют дисперсное стекло, котороенаносится на поверхность очень тонким слоем на поверхность изделий (заготовки) переднагревом. При штамповке это покрытие является хорошей смазкой, увеличивающейдолговечность штампов.

Дисперсное стекло получают метод его растворения в этиловомспирте.Нагрев в расплавленной стекломассе.Нагрев осуществляют в стекломассе в рекуперативной вращающейся барабанной газовойпечи.Рис. 10. Печь безокислительного нагрева в стекломассе:1 — горелка; 2 — стенки барабана; рекуператор; подогревательная камера; 5 — загрузочноеотверстие барабана; 6 — толкательИмеющаяся на поверхности окалина растворяется в расплавленном стекле.На заготовках остается тонкий слой стекла, который приходится механически удалять споверхности заготовок.Нагрев протекает без риска пережога.Продолжительность нагрева примерно, как и в камерной печи.Рекомендуется для нагрева углеродистых, низко и среднелегированных сталей, а такжетугоплавких металлов под ковку, штамповку, прессование до температур 1100…1300°С.Характеристика работы печи:- диаметр заготовок 100…189 мм;- производительность печи 1 т/ч.Применение защитных покрытийЗаготовки покрывают окунанием, напылением или окраской кистью предварительно переднагревом специальными огнестойкими покрытиями (обмазками), например суспензиейстекла.Суспензия стекла в процессе нагрева плавиться и образует на металле защитную пленку.Требования к составу стекла:- химическая нейтральность к металлу;- хорошее смачивание металла;- сохранение сплошности стеклянной пленки на протяжении всего цикла нагрева.Суспензионный метод.Хорошие результаты при нагреве высоколегированных сталей (нержавеющих ижаропрочных, сплавов на никелевой основе и титана) в интервале температур 800…1250°С.Эти стали полностью защищаются от окалинообразования и значительно уменьшаетсяобеднение поверхностного слоя легирующими элементами.Для быстрорежущей стали только до 950°С.

При более высокой температуре нагрева этихметаллов суспензионные покрытия плохо защищают их от окисления и обезуглероживания.Удаляют стекло с поверхности механическим путем – обдувкой песком или дробью, а такжехимическим травлением в кислотных или щелочных ваннах.ОКИСЛЕНИЕ И ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЕ СТАЛИПроцесс нагрева металла сопровождается нежелательными явлениями – окисление (угар) иобезуглероживание.Время нагрева - важный фактор технологии нагрева, определяет основные размеры рабочегопространства нагревательных печей.Взаимодействие окружающих нагреваемую сталь газов с железом, углеродом илегирующими элементами, приводит к окислению и обезуглероживанию ее поверхности.Вследствие окисления возникают невозвратные потери металла, составляющие при каждомнагреве до 3 % (в кузнечных печах).Увеличивается трудоемкость последующей обработки изделий в связи с необходимостьюпоследующей обработки изделий для образовавшейся окалины.Повышенная твердость окалины вызывает более быстрый износ инструмента и увеличениебрака при ковке.Меньшая теплопроводность окалины по сравнению со сталью приводит к увеличениювремени нагрева металла в печах, что снижает производительность при прочих равныхусловиях.Осыпающая окалина образует, шлаковые наросты на поду печей и вызывает необходимостьболее частых ремонтов и повышенный расход огнеупорных материалов.Обезуглероживание поверхностного слоя металла ухудшает механические свойства стали,понижая ее пределы прочности, текучести и выносливости.

Для получения заданных свойствудаляют обезуглероженный слой (до 2 мм), что увеличивает трудоемкость обработкиизделий. Особенно нельзя допускать обезуглероживание изделий, которые в последующемподлежат поверхностной термической обработке.При выборе режимов нагрева стали в печах необходимо принимать во внимание обапроцесса – окисление и обезуглероживание, т.к. они тесно связаны между собой.Окисление стали.Окисление стали – процесс взаимодействия окисляющих газов с железом и легирующимиэлементами.Процесс определяется не только химическими реакциями окисления, но и закономерностямиобразования окисной пленки, которая по мере роста изолирует сталь от окислительных газов.Окисление металла представляет процесс диффузии атомов кислорода через слой окисла кметаллу и диффузии атомов металла через слой окисла на его наружную поверхность. Приокислении стали основную роль играет процесс диффузии атомов железа через пленкуокалины на ее наружную поверхность.Диффузионный механизм образования окалины обусловливает трехслойную структуру слояокислов, образующихся при нагреве стали в печах.Во внутреннем слое (примыкающем к металлу) содержится больше всего закиси железа,образующейся при реакции:Fe + 0,5 O2 = FeO – вьюстит 78 % FeСредний слой образуется при последующем окислении закиси железа по реакции:3FeO + 0,5 O2 = Fe3O4 – магнетит 72 % FeТретий слой образуется по реакции:3Fe3O4 + 0,5 O2 = 3Fe2O3 – гематит 70 % FeСостав каждого из трех слоев не постоянен по сечению, а изменяется в результатевзаимодействия с примесями компонентов окалины, более богатых кислородом вблизиповерхностиОкисление стали при нагреве в печах происходит не только благодаря ее взаимодействию сосвободным кислородом, но и со связанным кислородом, входящих в состав продуктовполного сгорания топлива:Окислительные по степени окисленияO2CO2H2ON2SO2ВосстановительныеCOH2CH4SO2 – малое содержание в печных газах, окисляет и насыщает серой сталь;N2 - нейтральный газ;CO – не окисляет и не обезуглероживает;H2 - не окисляет, но обезуглероживает в присутствии влаги.1 % серы в топливе дает 0,1 % SO2 в продуктах сгорания, что увеличиваетокалинообразование в 2…3 раза.

Скорость окисления сильно зависит от SO2 и H2S в печнойатмосфере.Соединение H2S может присутствовать и в восстановительной атмосфере, его воздействие наметалл (наряду с SO2) приводит к увеличению содержания серы в поверхностном слое.Качество стали сильно ухудшается, особенно легированной стали, т.к. они поглощают ее вбольшей мере, чем углеродистые стали, а никель образует с серой легкоплавкую эвтектику.Вредное влияние серы уменьшается при наличии восстановительных газов в атмосфере печи.Вредное воздействие H2S на сталь значительно слабее, чем влияние SO2.Окисление может также протекать по следующим реакциям:Fe + H2O = FeO + H23FeO + H2O = Fe3O4 + H23Fe3O4 + H2O = 3Fe2O3 + H2Fe + CO2 = FeO + CO3FeO + CO2 = Fe3O4 + CO2Fe3O4 + CO2 = 3Fe2O3 + COАтмосфера в большей части печи топливных печей – смесь N2, CO2, H2O, SO2 с небольшимколичеством свободного кислорода, поскольку только при полном сгорании топлива в печиразвивается требуемая температура.Наличие большого количества восстановительных газов в печи свидетельствует о неполномсгорании и в обычных печах недопустимо (нерациональное использование топлива).Поэтому атмосфера имеет окислительный характер.Толщина образующегося слоя окислов на поверхности стали и его структура зависит нетолько от атмосферы, в которой нагревается металл, но и от ряда других факторов(температура и время).Чем выше температура, тем больше окалины образуется за одно и тоже время пребывания впечи.Рост пленки в результате окисления металл зависит от температуры и происходит попараболическому закону.При комнатной температуре проявляется в виде ржавления.Распространение окисления железа с поверхности в глубь способствует непрерывноеотделение окалины и обнажение поверхности нагреваемого металла, которое вызваноразличием коэффициентов расширения окалины и железа.Реакция окисления железа являются обратимыми.

В зависимости от состава газов итемпературы они могут протекать слева направо или справа налево..