Українська English
ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме "Исследование способов защиты нагревательных элементов термических печей от газовой коррозии"

Содержание

Введение

Жаропрочные сплавы – сплавы на основе никеля, кобальта, никеля с железом, обладающие высокой термической прочностью в напряженных условиях функционирования и окружающей среды. Помимо жаропрочности такие сплавы, обладают и другими высокими показателями свойств. Наибольшее применение в качестве особо жаропрочных имеют жаропрочные сплавы на никелевой основе, обусловлено это тем, что они сочетают в себе такие преимущества: высокую жаропрочность, окалиностойкость, технологичность и сопротивление газовой коррозии. Жаропрочные сплавы на основе никеля могут одновременно содержать большое количество легирующих элементов, каждый из которых влияет на определенные свойства. Промышленность требует постоянно новых изобретений и усовершенствований, авиация и космическая техника не отстают и также требуют усовершенствований: материалов, конструкций. При повышении температуры эксплуатации материала всё больше возрастает важность легирования. К таким материалам относятся и жаропрочные сплавы.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР СПОСОБОВ ПРОИЗВОДСТВА И КАЧЕСТВА ЖАРОПРОЧНЫХ СПЛАВОВ

1.1 Общая характеристика жаропрочных сплавов

В настоящее время сплавы на основе никеля являются наиболее распространенными жаропрочными материалами и широко используются для изготовления деталей, работающих при высоких температурах. Эти температуры достигают 0,8Тпл. Широкое практическое применение сплавов на основе никеля привело к интенсивным исследованиям их структуры и свойств.

Для никелевых жаропрочных сплавов характерны такие структуры: матрица сплава (γ-фаза) – представляющая собой твердый раствор на никелевой основе с ГЦК решеткой, обычно с повышенным содержанием элементов, растворяющихся в никеле: кобальта, хрома, молибдена и вольфрама; упрочняющей – является интерметаллидная γ-фаза Ni3(Al, Ti) с упорядоченной ГЦК решеткой. Она образуется при кристаллизации сплава (первичная γ-фаза), а также при выделении в дисперсном виде из пересыщенного твердого раствора матрицы. Сопряженность решеток γ' и γ-фаз и близость их периодов (несоответствие периодов решетки составляет менее 0,1%) создают возможность образования межфазных границ с низкой поверхностной энергией. Это обусловливает высокую стабильность размеров γ-фазы [5].

Современные жаропрочные сплавы на никелевой основе имеют очень сложный состав: в них входят до 12 основных легирующих элементов и большое количество примесей, содержание которых следует контролировать в сплаве. Никель образует твердые растворы со многими элементами, что обусловливает значительные возможности достижения высокой жаропрочности сплавов на его основе. Многие из легирующих элементов, растворимые в никеле или нихроме, являются эффективными упрочнителями и повышают сопротивление ползучести сплавов: хром, кобальт, молибден, вольфрам, ванадий, рений. Суммарная масса основных легирующих компонентов может достигать 40% [3].

Основным упрочнителем является γ`-фаза, представляющая собой интерметаллид типа А3В с ГЦК решеткой на базе Ni3Al, в котором кроме Al могут входить такие элементы, как Ti, Hf, Nb, Ta, а также в незначительных количествах W, V, Co, Ru, Mo, Cr и Re. Решетки фаз γ' и γ по типу совпадают и по размеру близки. Место «А» занимают относительно электроотрицательные элементы: Ni, Co, а «В» более электроположительные: Al, Ti, Ta, Nb и т.п. Объемная доля фазы упрочнителя составляет порядка 60-70%[4], достигает и 90%,например в сплаве ВКНА [3].

Таким образом, можно сделать вывод, что жаропрочные сплавы на основе Ni находят широкое применение в отраслях, упрочнение в таких сплавах, осуществляется посредством образования интерметаллидов (γ’-фазы), типа Ni3(Al, Ti). Такие сплавы работают при достаточно высоких Т равных 0,8×Тпл.

1.2 Способы защиты нагревательных элементов термической печи

Чистые металлы, как правило, являются коррозионностойкими, но требуют дополнительных мер защиты при эксплуатации в средах высокой агрессивности.

Существует масса способов повышения защиты нагревателей от газовой коррозии, одним из которых является жаростойкое легирование. Легирующий элемент должен образовывать оксид с высоким электрическим сопротивлением. Большое омическое сопротивление (низкая электропроводимость) является одним из основных условий для формирования защитных свойств пленки, так как при этом движение ионов в слое оксида затрудняется.

Энергия образования оксида легирующего элемента должна быть больше энергии образования оксида основного металла, т.е. Это условие обеспечивает стойкость оксида легирующего компонента в присутствии основного металла. Оксид компонента добавки оказывается более устойчивым, чем оксид основного металла. Если это условие не соблюдается, то оксид легирующего элемента будет восстанавливаться основным металлом.

Легирующий компонент и основной металл должны образовывать твердый раствор, тогда при этом условии удается обеспечить сплошную пленку оксида легирующего компонента по всей поверхности сплава.

Воздействовать на жаростойкость можно путем влияния на поверхность или поверхностные слои сплава, такими методами как:

Напылением проволоки или порошка расплавленных и направленных потоком сжатого воздуха. В качестве напыляемых могу применяться и не металлические покрытия: жаростойкие эмали, метало-керамика и тугоплавкие соединения. Недостатками являются не прочное сцепление покрытия с поверхностью и пористость нанесенного покрытия, для их решения необходимо проводить отжиг [12].

Термодиффузионное насыщение. Насыщается поверхностный слой алюминием, хромом, кремнием в виде: порошкообразных смесей (для индивидуального производства), расплавов (для массового). Глубина слоя зависит от температуры и времени насыщения. При многокомпонентном насыщении важную роль играет порядок насыщения: а) совместное, б) последовательное.

Таким образом из подраздела следует, что существует множество способов повышения стойкости изделий из нихрома, наиболее актуальными и перспективными являются те, которые способствую образованию шпинелей или те способы, которые так же минимизируют возможность образования окалины и разрушения металла.

1.3 Выводы

1) Жаропрочные сплавы на основе Ni находят широкое применение в отраслях, упрочнение в таких сплавах, осуществляется посредством образования интерметаллидов (γ’-фазы), типа Ni3(Al, Ti). Такие сплавы работают при достаточно высоких температурах равных 0,8×Тпл.

2) Существует множество способов повышения стойкости изделий из нихрома, наиболее актуальными и перспективными являются те, которые способствую образованию шпинелей или те способы, которые так же минимизируют возможность образования окалины и разрушения металла.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Материал, методика, оборудование для исследований.

Электрические нагреватели термических печей, в частности нихромовые, при эксплуатации способны разрушаться. Может происходить местное перегорание или перегорание всего нагревателя. При окислении нагревателя пленка окислов на нем постепенно утолщается, а сечение живого металла уменьшается. В последствии сопротивление нагревателя постепенно увеличивается, а выделяющаяся в нем мощность падает. Когда это уменьшение мощности становится существенным (около 10—15%), нагреватель приходится заменять на новый, его срок службы заканчивается.

Причины выхода из строя могут быть таковыми: при формировании из ленточных нагревателей формы «гармошки», в местах перегибов образуются микротрещины; в последствии химического взаимодействия во время работы с материалами футеровки электрической печи, или с ее атмосферой; включения пленок оксидов и другие ослабленные участки, в которых наблюдается увеличение сопротивления.

Поэтому, целью дипломной работы является исследование способов защиты электрических нагревателей термических печей от газовой коррозии, путем нанесения жаростойких обмазок.

Применение таких обмазок позволяет снизить вероятность аварийности нихромовых нагревателей, а также повысить производительность печей и снизить вероятность удара током.

2.2 Методика обработки экспериментальных данных

Для изучения структуры, зерна, микротвердости; оценки толщины и строения окисного слоя вышедших из строя нихромовых нагревателей с завода необходимо изготовить поперечные или продольные шлифы.

Для изготовления шлифов из имеющихся были отобраны: нагреватель № 1 – пружинный нагреватель; нагреватель № 4 – ленточный нагреватель.

Образцы 1, 2 закладывались в струбцину, а образцы 3, 4, 5, 6 в холодную сварку. Образцы в застывшей холодной сварке и образцы в струбцине стачивались ни шлифовальном кругу, для получения более ровной поверхности шлифа. Затем шлифы обрабатывались при помощи наждачных шкурок, дисперсностью: 40, 80, 160, 240 и 0. Перед каждым переходом на наждачную бумагу меньшей зернистости шлиф поворачивался на 90’. После образцы подвергались обработке на полировальном кругу при помощи оксида хрома, промывались водой, тщательно просушивались и обезжиривались перед травлением. Шлифы травились в царской водке, время подбиралось в ходе эксперимента и составило около 5 минут на каждый.

Микроструктура изучалась на микроскопе МИМ-7. Увеличение х600 раз. После изучения микроструктуры на изготовленных шлифах измерялась микротвердость на микротвердомере ПМТ-3. Нагрузка 50 г (0,5 Н).

2.3 Изучение структуры и свойств производственных нагревателей.

На основе результатов осмотра внешнего вида и информации которую удалось получить на предприятии о нагревателях был составлен реестр образцов

В структуре нагревателей наблюдается пористость, у краев скопления пор. Толщина окисной пленки на всех нагревателях колеблется в пределах 40÷140 мкм + 50÷100 мкм вкраплений окислов вглубь металла.

В таблице 2.1 приведены микротвердости исследуемых нагревателей с завода «ДОНЕЦКГОРМАШ».

Таблица 2.1 Микротвердости нагревателей, нагрузка 50г (0,5 Н)

№ Образца Микротвердость нагревателя Микротвердость окалины
1 2861±100 –
2 2365±80 3170±110
3 1426±25 1933±50
4 1272±30 1495±35
5 1330±30 1737±40
6 1300±30 1831±50

В структуре окисной пленки имеются трещины, в связи с чем показания микротвердости окислов низкие. На первом образце не удалось измерить микротвердость окисного слоя, так как он либо отсутствовал, либо отслаивается.

Таким образом было оценено состояние окисного слоя и выяснено, что окислы отслаиваются от поверхности образца и имеют множество трещин, это привело к снижению показателя микротвердости.

2.4 Анализ макроструктуры и свойств после типичных режимов термической обработки

Для проведении эксперимента при температурах равных 800 и 900°С, были взяты по 4 образца на каждую температуру: 1 – чистый без обмазки; 2 – натертый Al; 3 – в смеси: бура прокаленная + кальцинированный каолин + Н2О (в пропорциях 9:2:2); 4 – в смеси кальцинированного каолина с водой.

Расчет показателя коррозии по коэффициенту изменения массы (K_m+ или K_m-) образцов подвергаемых газовой коррозии при 800°С:

1) K_m+=(1,45925-1,38565)/(0,3625×1)=0,203 ( г / (м2× ч))

2) K_m+=(1,7057-1,63875)/(0,315×1)=0,2125 ( г / (м2× ч))

3) K_m-=(1,7932-1,6628)/(0,3632×1)=0,359 ( г / (м2× ч))

4) K_m+=(1,5115-1,46525)/(0,3106×1)=0,149 ( г / (м2× ч))

ВЫВОДЫ

Из работы следует, что существует множество способов повышения стойкости изделий из нихрома, наиболее актуальными и перспективными являются те, которые способствую образованию шпинелей или те способы, которые так же минимизируют возможность образования окалины и разрушения металла.

Макроструктурным анализом поверхности образцов после проведения испытаний на газовую коррозию установлено: на значительной площади поверхности имеется локальное налипание защитной обмазки, данное обстоятельство внесло свой весомый вклад в затрудненность корректной оценки изменения массовых показателей газовой коррозии на образцах после удаления обмазок, поэтому для них расчет проводился с учетом массы образца с обмазкой до испытания и после.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Смирнов Л.А. Качество толстых листов категории Х60 из стали, микролегированной ванадием / Л.А. Смирнов, Б.З. Беленький, С.К. Носов и др. // Сталь. – 2004. - №2. - С. 44-47.
  2. Белосточный В.В. Изменение свойств металла при переделештрипс – электросварная труба/ В.В.Белосточный, И.А. Левтерова, А.В. Мурашник,Т.В.Белосточная // Металл и литье Украины. – 2007. - №1-2. – С. 57-59.
  3. Матросов Ю.И., Сталь для магистральных газопроводов./Ю.И.Матросов, Д.А. Литвиненко, С.А. Голованенко- Москва:Металлургия, 1989. - 288 с.
  4. Баранов А.А. Проблемы совмещения горячей деформации и термической обработки стали / А.А. Баранов, А.А. Минаев, А.Л. Геллер, В.П. Горбатенко – Москва:Металлургия, 1985. – 130 с.
  5. Отана Х. Разработка высокопрочных сталей для труб классов Х70-Х100/ Х.Отана // Стали для газопроводных труб и фитингов. Труды конференции.под ред. Рудченко. – Москва: Металлургия, 1985. – 480 с.
  6. Александров С.В.Влияние марганца и ниобия на свойства низколегированных сталей. / С.В.Александров//Металловедение и термическая обработка металлов. – 2005. - №11. – С. 17-21.
  7. Исследование карбидов ниобия и ванадия в микролегированной конструкционной стали / В.И. Большаков, Г.Д. Сухомлин, Т.И. Эписьери др. // Сб. научных трудов. Вып 45, ч. 2. – Днепропетровск, ПГАСА, 2008. -204 с.
  8. Большаков В.И. Карбидообразование и упрочнение строительных сталей с ванадием./ В.И. Большаков,Х.А. Аскеров // Перспективные задачи инженерной науки. – GAYDEMUS 2001: Днепропетровск.- С.115
  9. Аскеров Х.А.Особенности выделения карбидной фазы при термомеханической обработке строительных сталей/ Х.А. Аскеров // Сб. научных научных трудов. Вып 45, ч. 2. – Днепропетровск, ПГАСА, 2008. -204 с.
  10. Pickering B. // Microalloying 75. – Union CabideCour. NewYork (NY). 1977. P. 9.
  11. Бернштейн М.Л. Структура деформированного металла / М.Л. Бернштейн – Москва: Металлургия, 1977. – 441 с.
  12. Погоржельский В.И. Контролируемая прокатка / В.И. Погоржельский, Д.А.Литвиненко, Ю.И. Матросов, А.В. Иваницкий – Москва: Металлургия, 1979. – 184 с.
  13. Лахтин Ю. М. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева — 3-е изд., перераб. и доп. — Москва: Машиностроение, 1990. — 528 с.
  14. Браун М.П. Микролегирование стали / М.П. Браун. – Киев: Наук.думка, 1982. – 303 с.
  15. Технические условия ТУ 14-3-1573-96: ТРУБЫ СТАЛЬНЫЕ ЭЛЕКТРОСВАРНЫЕ ПРЯМОШОВНЫЕ ДИАМЕТРОМ 530 - 1020 ММ С ТОЛЩИНОЙ СТЕНКИ ДО 32 ММ ДЛЯ МАГИСТРАЛЬНЫХ ГАЗОПРОВОДОВ, НЕФТЕПРОВОДОВ И НЕФТЕПРОДУКТОПРОВОДОВ
  16. Тылкин М.А. Справочник термиста ремонтной службы/ М. А. Тылкин – М.:Металлургия,1981. 648с.