Нагревательные устройства

Α. Α. Скворцов, А. Д. Анименко, Μ. Я. Кузелев

Высшая школа, 1965 г.

ОКИСЛЕНИЕИ ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЕ МЕТАЛЛА ПРИ НАГРЕВЕ И БОРЬБА С ЭТИМИ ПРОЦЕССАМИ

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Нагрев металла в пламенных печах с обычной газовой окислительной атмосферой и в электрических печах с воздушной средой всегда сопровождается окислением железа с поверхности, которое приводит к потерям металла (угару) и превращению его в окалину. При изготовлении стальных штамповок из проката потери металла (угар) достигают 2—3,5%, а при выпуске крупных поковок из стальных слитков — 4—6%.

При изготовлении деталей из стали, включающем несколько нагревов в процессе обработки, потеря металла на окисление составляет в среднем 4—5% всего нагреваемого металла. Убытки от потерь металла в процессе окисления весьма значительны и исчисляются миллионами рублей в год. Вредное действие угара, однако, не ограничивается одними убытками от потерь металла при окислении. Изделия, имеющие на поверхности окалину, подвергают в производственных условиях чистке механическим или гидравлическим способом, или травлением, а это требует дополнительных затрат и повышает трудоемкость производственного процесса и себестоимость продукции.

Окалина на поверхности заготовок и поковок может также снижать стойкость инструмента как во время штамповки и вытяжки, так и при механической обработке.

Окисление металла при нагреве может явиться причиной ухудшения качества изделий и появления во многих случаях таких пороков, как вскрытие подкорковых пузырей, закат или заштамповка окалины, неровность поверхности и др.

Угар металла при нагреве приводит к большому ущербу промышленного производства, поэтому необходимо различными способами и мероприятиями сокращать или полностью устранять вредное действие процессов окисления металла.

1. Влияние температуры и продолжительности нагрева

При температурах ниже 600—650° С окисление железа происходит медленно и практического значения не имеет, хотя поверхность изделий несколько темнеет. Скорость окисления железа начинает резко повышаться с температуры 850—900° С и наибольшего значения достигает при температуре 1300° С. Данные исследований и практики показывают, что скорость окисления при температуре 1300° С в 6—7 раз превышает скорость окисления при температуре 900° С. На рис. 103 приведена зависимость угара углеродистой стали от температуры при нагреве в продуктах горения природного и коксовального газов.

Угар металла также находится в прямой зависимости от продолжительности нагрева. Чем продолжительнее нагрев, тем больше угар.

2. Влияние печной атмосферы

Печная атмосфера, определяемая в пламенных печах химическим составом топлива, коэффициентом расхода воздуха (а) и совершенством конструкции топливосжигающих устройств, является важным фактором, влияющим на угар металла.

В зависимости от действия на металл различные газы делят на окислительные, нейтральные и восстановительные. Печные газы обычного процесса горения (при а> 1,0) содержат СО2, Н2О, О2, N2 и незначительное количество СО  Н2 и SO2 К окислительным газам относятся кислород (О₂), углекислый газ (СО2), водяной пар (Н2О) и сернистый ангидрид SO2. Окислительная и восстановительная способность указанных газов по отношению к металлу зависит от температуры и их соотношения в смеси, характеризующего газовую печную среду. Окислительные газы интенсивно взаимодействуют с железом при температурах выше 700—1000° С, причем наибольшей окислительной способностью обладает SO2, а затем по степени окисления следуют O₂, Н₂O и СO₂ (табл. 44).

Таблица 44

Угар стали в атмосфере различных газов за 1440 сек

Свободный кислород, входящий в состав продуктов горения, приводит к увеличению угара металла, поэтому большой избыток воздуха при сжигании топлива является недопустимым.

К восстановительным газам относятся водород (Н₂) и окись углерода (СО), а к нейтральным — азот (Ν₂). Печная газовая среда может обладать нейтральными или восстановительными свойствами только при относительно большом содержании СО и Нг и определенных соотношениях окислительных и восстановительных газов.

Теоретически и практически доказано, что восстановительная газовая печная среда, полностью исключающая угар стали при нагреве, должна являться продуктом неполного горения газообразного топлива, содержащим 11—12% СО и 15—17% Н₂.

Продукты неполного горения с таким содержанием СО и Н₂ могут быть практически получены при сжигании природного или коксовального газа с коэффициентом расхода воздуха 0,45—0,5 (см. рис. 12).

3. Влияние химического состава металла и других факторов

Угар зависит также от химического состава металла, формы и размеров заготовок и изделий, свойств окалины, способа нагрева и других факторов. С повышением содержания углерода в стали (начиная с 0,3%) угар уменьшается. Такое явление объясняется тем, что на поверхности происходит окисление углерода с образованием СО, которая в какой-то степени предохраняет металл от вредного действия на него окисляющих газов.

Легированные стали (хромистые, хромоникелевые, хромо-кремнистые, хромокремнеалюминиевые) вследствие способности легирующих элементов образовывать на поверхности окислы, не пропускающие атомы железа, хорошо сопротивляются окислению при высоких температурах. Однако при установлении степени влияния химического состава металла на окисление в каждом случае необходимо учитывать характер образующихся окислов, их прилипаемость к металлу, температуру и скорость нагрева. Плотная, хорошо прилипающая к металлу окалина .снижает угар, но затрудняет очистку изделий.

Прочность сцепления окалины с металлом зависит от скорости диффузии железа и кислорода, концентрации кислорода на поверхности, от состава окалины, вида топлива и других причин. При большой концентрации кислорода на поверхности соприкосновения металла с окалиной происходит равномерное образование окалины, которая в меньшей степени сцепляется с металлом. Малая концентрация кислорода на поверхности замедляет процессы окисления, они начинают протекать по границам зерен и образующаяся окалина плотнее прилипает к металлу. Окалина, образующаяся при нагреве стали в мазутных нагревательных печах, менее плотно прилипает к поверхности заготовок или деталей, чем окалина, образующаяся в газовых печах.

В печах с восстановительной атмосферой образуется окалина значительно прочнее, чем в окислительных средах При нагреве основной стали окалина получается более пузырчатая чем при нагреве кислой, так как основная сталь содержит больше газов Влияние наружной поверхности металла на окисление подтверждается на практике следующим фактом: если нагревать заготовки с плотным слоем окалины, образовавшейся на их поверхности в результате предшествующих операций (например, заготовки из прокатных профилей), то угар получается меньше, чем при нагреве заготовок с чистой поверхностью. Плотный тонкий окисленный слой на поверхности способствует уменьшению угара.

На величину угара металла при его нагреве может влиять форма, размеры заготовок и отношение поверхности металла к его объему или весу.

Чем больше отношение поверхности заготовки к объему, тем больше казалось бы должен быть угар. Однако такие заготовки за счет увеличенной скорости нагрева, несмотря на большую поверхность, соприкасающуюся с окислительными печными газами, возможно нагревать с меньшим угаром, чем заготовки толстые. Короткие заготовки вследствие большой величины поверхности их торцов по отношению к длинам могут при одних и тех же условиях нагрева давать больший угар, чем заготовки длинные. По этой причине короткие заготовки иногда целесообразно нагревать в вертикальном положении.

При нагреве металла в методических, полуметодических и других печах, в которых заготовки перемещаются от места загрузки к месту выгрузки, большое влияние на величину угара может оказывать метод перемещения (транспортировки) заготовок внутри печи.

Нарушение поверхностных слоев окалины во время транспортировки заготовок при их нагреве всегда способствует повышению угара. Немаловажное значение в окислении металла может иметь также состояние подины печи и вид огнеупорного материала. Наличие жидкого шлака на подине печи во время нагрева приводит к повышению угара, так как окалина обладает свойством при высоких температурах образовывать с материалом пода легкоплавкие соединения, открывая поверхность для дальнейшего окисления. Учитывая это, необходимо для футеровки подин нагревательных печей применять высокоогнеупорные основные или нейтральные материалы (хромомагнезитовые, магнезитовые и тальковые).