Нагрев металла под ковку и горячую штамповку сопровождается рядом отрицательных явлений, таких как: угар, обезуглероживание, перегрев, пережог, образование окалины и т. д. Эти все явления не выгодны с точки зрения экономики и пагубно влияют на оборудование при последующей обработке металла. Например, обезуглероживание поверхностных слоев стальных изделий приводит к снижению твердости, уменьшению сопротивления циклическим нагрузкам и ухудшению режущих способностей инструмента. Удаление обезуглероженного слоя в уже готовых изделиях путем сплошной зачистки и шлифовки приводит к физическим потерям металла и увеличению себестоимости продукции. Образование окалины при нагреве приводит к большим потерям металла, ухудшению качества поверхности, снижению стойкости подин, затрудняет обслуживание печей, увеличивает степень износа валков и штампов, препятствует внедрению таких эффективных и экономичных процессов, как непрерывная прокатка и точная штамповка. В связи с этим необходимо снизить воздействие на металл все те процессы, которые были выше упомянуты.
В общем случае под окислением стали понимают процесс взаимодействия газов (воздуха, продуктов сгорания топлива или контролируемой атмосферы) с железом, сопровождающийся образованием слоя оксидов на поверхности металла. Окисление металлов и сплавов определяется многими факторами, к важнейшим из которых можно отнести состав и скорость газовой фазы, температуру и продолжительность взаимодействия, состав стали и структуру окалины. Применительно к нагреву стали в пламенных печах перед обработкой давлением основными окислительными газами являются: углекислый газ (СO2), кислород(O2), водяной пар (Н2O), диоксид серы (SO2).
При температурах более 570 °С окалина, образующаяся на стали, состоит из трех слоев: вюстита (FeO), магнетита (Fe3О4) и гематита (Fe2О3). При окислении в области температур менее 570 °С слой вюстита отсутствует. Высокотемпературное окисление – процесс встречной реакционной диффузии атомов кислорода и металла через кристаллические решетки твердых фаз, из которых состоит окалина. Его можно разделить на несколько этапов:
- диффузия кислорода к поверхности металла;
- адсорбция кислорода на поверхности;
- диффузия реагирующих веществ через слой оксидов навстречу кислороду;
- кристаллохимические превращения как следствие изменения состава и структуры решетки твердых фаз [1].
Решающую роль при этом играет диффузия атомов железа наружу, а не процесс диффузии атомов кислорода внутрь металла.
Обезуглероживание стали зависит от химического состава атмосферы и стали, температуры и продолжительности процесса, режима нагрева и охлаждения.
Обезуглероживание – процесс взаимодействия углерода, содержащегося в стали, с газовой атмосферой, сопровождающийся уменьшением концентрации углерода в поверхностных слоях слитков заготовок или металлоизделий. Основными обезуглероживающими газами являются: кислород, водяной пар, водород, углекислый газ. Обезуглероживание стали, содержащей карбид железа, происходит по следующим основным реакциям:
2Fe3C + О2 — 6Fe + 2CO,
Fe3C + H2О = 3Fe + CO + H2,
Fe3C + 2H2 = 3Fe + CH4,
Fe3C + CО2 = 3Fe + 2CO.
Науглероживание - процесс взаимодействия стали с газовой атмосферой, сопровождающийся увеличением концентрации углерода в поверхностных слоях слитков заготовок или металлоизделий. Науглероживающими газами являются монооксид углерода (СО), метан(СН4), а также другие углеводороды.
Обезлегирование – процесс взаимодействия газовой атмосферы с легирующими элементами стали (Cr, Ni, Сu, Mo, W и др.), сопровождающийся уменьшением их концентрации в поверхностных слоях слитков заготовок или металлоизделий. Образующиеся при этом соединения легирующих элементов (в основном оксиды) переходят в окалину. Поскольку скорости окисления железа и легирующих элементов стали могут существенно различаться, то в общем случае может происходить не только обеднение поверхностных слоев легирующими, но и обогащение т.е. увеличение их концентрации.
Угар – потери массы металла после нагрева, т.е. фактически включает потери массы от окисления железа, легирующих элементов и углерода.
Окалина – продукты реакции взаимодействия стали с атмосферой. Окалину могут подразделять на:
- печную (первичную), образовавшуюся в печном агрегате (нагревательном колодце, методической печи и др.);
воздушную и прокатную (вторичную), образовавшуюся при транспортировании металла от печи к стану, при прокатке стали в валках и охлаждении после нее [2].
Желание использовать пламенные печи прямого и косвенного нагрева вместо электрических обусловлено более низкой себестоимостью тепловой обработки в пламенных печах. Однако, производство деформируемых титановых полуфабрикатов с использованием известных пламенных печей прямого нагрева требует значительного увеличения припусков на механическую обработку и затрат на контроль содержания водорода вблизи поверхности и по сечению термически обрабатываемого изделия. Превышение концентрации водорода над максимально и безопасно допустимыми значениями приводит к снижению ударной вязкости, повышению склонности металла к замедленному разрушению. Для удаления излишков водорода из металла используется длительный вакуумный отжиг, что приводит к значительному удорожанию готовой продукции.
В пламенных печах помимо состава печной атмосферы на величину угара влияют также условия переноса тепла теплоносителем к нагреваемым заготовкам. Высокоинтенсивные процессы теплообмена позволяют существенно сократить продолжительность нагрева, а, следовательно, и величину окисления и обезуглероживания [3].
Для снижения угара металла и уменьшения обезуглероживания сталей предложен и используется способ тепловой обработки (нагрева) стали в пламенных печах прямого нагрева, основанный на сжигании смеси газообразного топлива и воздуха, при котором топливо сжигают с коэффициентом избытка воздуха, меньшим единицы (так называемый безокислительный или малоокислительный нагрев).
Недостатком малоокислительного нагрева является повышение в продуктах сгорания содержания угарного газа (СО) вследствие неполного сгорания топлива. Это вызывает необходимость герметизации всей конструкции пламенной печи, обеспечение газоплотности футеровки стен, свода печи и отводных каналов, а также создание устройств дожигания продуктов сгорания, что приводит к существенным капитальным затратам и перерасходу топлива[4].
Существует техническое решение, предназначенное для обеспечения кратковременной защиты стальных заготовок, включает в себя средства перемешивания порошка (на основе Al2O3–SiO2) с водой для получения суспензии и подачи её под давлением в систему разбрызгивающих форсунок, укрепленных внутри прямоугольных (круглых) рамок, которые установлены в линии загрузочного рольганга перед входом в нагревательную печь (рис. 1).
Рисунок 1 - Схема установки для нанесения защитного покрытия:
1 – ёмкость для получения суспензии; 2 – трубопровод для подачи суспензии к форсункам; 3 – разбрызгивающие форсунки; 4 – рамка с форсунками; 5 – транспортирующий рольганг; 6 – поддон для сбора излишков покрытия;
7 – стальная заготовка
Список использованной литературы
1. Темлянцев М.В., Михайленко Ю.Е. Окисление и обезуглероживание стали в процессах нагрева под обработку давлением. – М.: Теплотехник, 2006. – 200 с.
2. Патент РФ № 2324745. Способ тепловой обработки металла в пламенной печи прямого или косвенного нагрева (варианты), способ сжигания смеси жидкого или газообразного топлива и нагретого воздуха в пламенной печи прямого или косвенного нагрева, устройство 159 отопления (варианты) и регенеративная насадка (варианты) для осуществления способов. – Введ. 26.02.2006. Дистергефт И.Г., Дистергефт И.И. – Екатеринбург, 2008. – 76 с.
3. Куклев А.В., Разработка технологии снижения поверхностного окисления и обезуглероживания стальных заготовок при нагреве с применением кратковременных технологических защитных покрытий: диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук: 05.16.02 / А.В. Куклев; ФГУП «Центральный научно-исследовательский институт чёрной металлургии им. И.П. Бардина». – Москва, 2014. – 158 с.
4. Патент РФ № 2571032. Способ защиты стальных заготовок от окисления при нагреве перед обработкой давлением. – Введ. 20.12.2014 – Москва: ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет» «МИСиС», 2015. – 3 с.