IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

При высокотемпературном нагреве у многих металлов и их сплавов окисляется поверхностный слой. Окалинообразование осуществляется за счёт диффузии атомов окислителя (кислорода) на поверхность металла, где образовывают оксидную плёнку. Сначала образуется тонкий, первичный слой плёнки, a после происходит постепенный её рост. Данный процесс роста оксидной плёнки начинается с адсорбции окислителя на активных центрах и образования зародышей оксида на поверхности металла. Далее возникает слой, состоящий из молекул оксида на поверхности металла. После этого молекулы кислорода адсорбируются на поверхности оксида и диссоциируют на атомы. Далее атомы кислорода ионизируются, превращаясь в анионы, и диффундируют через слой оксидной плёнки, по направлению к металлу. Одновременно с этим, с поверхности металла к оксидной плёнке переходят катионы металла. На поверхности оксида происходит взаимодействие ионов кислорода и металла и возникает кристаллическая решётка оксида. При этом решающую роль играет диффузия атомов железа наружу, a не переход атомов кислорода внутрь металла. 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, так как при низких температурах FeO нестабилен[1].

При различных процессах обработки металлов давлением, необходим нагрев заготовок до высоких температур. B результате на поверхности металла образуется оксидная плёнка. Чем более длительный нагрев и выше температура, тем больше угар металла. При прокатке заготовок окалина закатывается в их поверхность, что приводит к образованию дефектов и браку металла. Так же, окалина, которую не удалили с поверхности, обладает высокой твёрдостью, что приводит к значительному увеличиванию износа валков[1].

K вредным последствиям окисления относится не только образование окалины, но и процесс обеднения сплавов легирующими элементами и углеродом. Данные явления проходят параллельно с окалинообразованием. Обеднение сплава углеродом так же называется обезуглероживанием. B результате изменяется химический состав поверхности сплава, что приводит к изменению его механических и коррозионных свойств[2].

Окалина - продукт реакции взаимодействия стали с атмосферой. Различают первичную окалину, образовавшуюся в печном агрегате (нагревательном колодце, методической печи и др.) и вторичную, образующуюся при транспортировании металла от печи к стану, при прокатке стали в валках и охлаждении после нее. На окалинообразование влияет множество факторов таких как: температура и время нагрева, состав атмосферы в печи, скорость газового потока, химический состав металла и форма заготовок.

Температура является одним из главных факторов, которые оказывают влияние на окисление и обезуглероживание стали. Между скоростью окисления, обезуглероживания и температурой существует экспоненциальная зависимость. Для технологии нагрева стали практическое значение имеет окисление и обезуглероживание, протекающие при высоких температурах (более 850 - 900 °С). В области этих температур, в зависимости от химического состава нагреваемой стали, наблюдается значительная интенсификация окисления, которая связана с образованием значительного количества вюстита. B нем ионы железа и атомы кислорода диффундируют со значительно большей скоростью, чем в гематите и магнетите. На рисунке 1 представлен общий вид зависимости угара металла от температуры, где tи - температура начала интенсивного окисления[1].

Рисунок 1 – Зависимость угара металла от температуры

Время также оказывает сильное влияние на величину угара стали. В самой начальной стадии, когда на поверхности металла ещё нет оксидной плёнки, окалинообразование происходит интенсивно, почти линейно. Далее c увеличением времени нагрева толщина окалины увеличивается, и она все в большей степени препятствует протеканию диффузионных процессов, и, следовательно, интенсивность окалинообразования уменьшается (рис. 2, кривая 3). В реальных условиях может происходить разрушение слоя окалины, вызванное механическими воздействиями на заготовки при транспортировании в печи или напряжениями в самой окалине, вызванными различием удельных объемов окалины и металла. На рисунке 2 (кривая 2) показана зависимость угара от времени при периодическом удалении или разрушении окалины в моменты времени τ₁ и τ₂. Характерно, что после разрушения слоя окалины происходит интенсификация окалинообразования. Наиболее опасным,c точки зрения потерь металла, является катастрофическое окисление (рис. 2, прямая 1). Оно происходит в тех случаях, когда в процессе нагрева окалина удаляется с поверхности металла, например вследствие оплавления, при этом поверхность всегда обнажена. В данном случае зависимость окисления от времени подчиняется почти линейному закону и эффект замедления окалинообразования отсутствует[1].

Рисунок 2 – Зависимость угара металла от времени

Способность атмосферы взаимодействовать c железом определяется соотношениями диоксида углерода к монооксиду углерода и водяного пара к водороду, которые зависят от коэффициента расхода воздуха и температуры. Данные коэффициенты могут быть определены из соответствующих для различных видов топлив диаграмм. Высокотемпературный нагрев стали без окисления может быть достигнут в атмосфере продуктов сгорания природного газа c коэффициентом расхода воздуха 0,49, коксового газа - 0,43, бутан-пропановой смеси - 0,54, мазута - 0,6. Увеличение коэффициента избытка воздуха более чем 1,1, как правило, не влияет на интенсивность образования оксидной плёнки, поскольку в этом случае процесс окисления лимитирует не скорость подвода молекул кислорода к поверхности окалины, a их диффузия через нее к поверхности металла. В некоторых случаях увеличение коэффициента расхода воздуха приводит даже к снижению угара металла. Это явление связано c тем, что водяной пар в топочных газах иногда интенсифицирует процесс окисления больше, чем кислород воздуха, поэтому разбавление продуктов сгорания, содержащих значительное количество Н2О, приводит к снижению угара[1].

Применительно к печам, предназначенных для нагрева стали под обработку металлов давлением, скорость газового потока обычно относят к второстепенному фактору. Уменьшение скорости газового потока приводит к снижению окалинообразования. Это связано со снижением интенсивности подвода окислителя к поверхности оксидной плёнки и металла. Существует критическая скорость газов (на уровне 0,05 - 0,10 м/с), дальнейшее повышение которой не приводит к росту оксидной плёнки. Высокоскоростное воздействие потока продуктов сгорания на поверхность металла может оказывать механическое воздействие на окалину, способствуя нарушению ее сплошности и интенсификации окисления. Характерно, что для граней заготовок, непосредственно омываемых продуктами сгорания, интенсивность протекания процесса окисления не зависит от скорости газового потока. Однако окисление соприкасающихся граней или граней, обращенных к подине, где фильтрация продуктов сгорания не такая интенсивная, может происходить гораздо медленнее, чем окисление открытых поверхностей[1].

На скорость окалинообразования при нагреве под термическую обработку и обработку давлением наиболее сильно влияет химический состав нагреваемой стали, относящийся к внутренним факторам. Решающую роль при этом играет способность стали образовывать, при взаимодействии с окислителями, плотные прочные оксидные пленки, которые препятствуют дальнейшему протеканию диффузионных процессов. Поскольку окисление - явление поверхностное, соответственно, чем больше степень развития поверхности нагреваемого металла, т.е. чем больше отношение площади поверхности к массе или к объему, тем больше будут потери металла от окисления при прочих равных условиях. Однако в реальных условиях, чем больше тепловоспринимающая поверхность заготовки, тем меньше время её нагрева[1].

В производстве с окалиной теряется большое количество годного металла. Из-за окалины на заводах теряется около 3-4% металла и, в рамках больших объёмов производств, количество потерянного металла оказывается огромным. Поэтомуважным вопросом является уменьшение окалинообразования металла в печах нагрева перед обработкой давлением. Существует множество способов борьбы с образованием окалины. Далее представлены некоторые из них:

• Подбор температурно-временного режима нагрева;

• Нагрев в защитной атмосфере;

• Использование специальных защитных покрытий.

В СТИ НИТУ «МИСиС» на кафедре металлургии и металловедения проводились эксперименты по исследованию угара металла при различных температурах в печи нагрева.

Для экспериментов брали цилиндрические образцы, выполненные из углеродистой стали. Цилиндры взвешивались перед началом эксперимента на весах,c помощью электронного штангенциркуляопределялись точные размеры, a затем образцы стали помещались в муфельную печь (рис.3).

Для более точного результата эксперимента в печь производили посадку одинаковых образцов и по размеру и по марке стали. Через 1,5 часа, затем через 2,25 часа и через 3 часа по 3 образца забирали из печи.

Рисунок 3. Эксперименты для исследования угара металла при нагреве

Каждый образец после печи взвешивался на весах.Результаты для каждого варианта расчета окалины усреднялись. После взвешивания образцы охлаждались естественным путем в лаборатории (рис. 4)

Рисунок 4. Охлаждение образцовв лаборатории

После полного охлаждения с образцов снималась окалина и образец вновь взвешивался на весах. Окалина определялась по разности массы образца после нагрева и после очистки от окалины. Результаты экспериментов представлены на рис.5 и 6.

Рисунок 5. Результаты исследования влияния времени на рост окалины

Рисунок 6. Результаты исследования влияния температуры на рост окалины

Вывод: анализируя полученные данные экспериментов видно, что с увеличением времени, масса окалины возрастает, то же самое наблюдается и при увеличении температуры (рис. 5 и 6). Таким образом, в печи нагрева без изменений можно производить нагрев при температуре 950 °C в течение 3 часов, практически окалины образуется меньше половины процента. A при более высокой температуре необходимо применять специальные методы защиты от окисления.

Список используемой литературы:

1. Темлянцев М. В., Михайленко Ю. Е. Окисление и обезуглероживание стали в процессах нагрева под обработку давлением. - М.: Теплотехник, 2006. - 200 с.

2. Солнцев С. С. Защитные покрытия металлов при нагреве: Справочное пособие. Изд. 2-е, доп. – М.: Книжный дом «ЛИБРОКОМ», 2009. – 248 с.

Код для цитирования: Скопировать