2 Лабораторная работа №2 изучение процессов окисления стали в электрической печи сопротивления

Цель работы: Изучить влияние температуры нагрева, продолжительности выдержки и химического состава стали на величину угара в электрической печи сопротивления.

Краткие теоретические сведения

Нагрев стали в пламенных печах с газовой окислительной атмосферой и в электрических печах с воздушной средой, всегда сопровождается окислением поверхности, которое приводит к потерям металла (угару) и превращению его в окалину. Если процесс изготовления деталей включает несколько нагревов, потеря металла на окисление достигает в среднем 4-5% всей массы нагреваемого металла.

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

Окисление металла происходит в результате химического взаимодействия О₂, СО₂, SО₂, H₂O с железом и его примесями. Окалина состоит из трех различных слоев: внешний слой представляет собой окись железа Fe₂O₃ и занимает 2% всей толщины слоя, средний слой состоит из закиси-окиси Fe₃O₄ (около 18% всей толщины) и внутренний слой (остальное) – закись железа FeO.

Образование слоев протекает по реакциям:

2Fe + O₂ = 2FeO + 540000 кДж/кмоль;

6Fe + O₂ = 2Fe₃O₄ + 610000 кДж/кмоль;

4Fe₃O₄ + O₂ = 6Fe₂O₃ + 440000 кДж/кмоль.

Первые, образующиеся в ходе нагрева слои окалины, оказывают решающее влияние на дальнейшее окисление стали. Плотная сплошная окалина затрудняет дальнейший процесс угара металла, и скорость окисления падает по параболическому закону:

x² = k,

где х – масса или толщина окалины;

k – коэффициент пропорциональности;

 - время нагрева.

На практике различают следующие показатели, характеризующие склонность к окислению:

• угар по массе,

• поверхностный угар,

• скорость окисления,

• толщину слоя окалины.

Под угаром по массе понимают выраженное в процентах отношение количества металла, отнесенное к единице поверхности нагреваемого изделия и выраженное в килограммах на квадратный метр.

Скорость окисления рассматривают как отношение поверхностного угара ко времени нагрева, состава металла, состояния поверхности и т.п.

Приборы, оснастка и материалы

1. Электрические печи сопротивления.

2. Бак с водой.

3. Наждачная бумага.

4. Микрометр, штангенциркуль.

5. Аналитические весы.

6. Исследуемые образцы углеродистой (№1-9) и окалиностойкой (№10-12) стали.

Ход работы

1 С помощью штангенциркуля измерить диаметр и высоту образцов с точностью до 0,1 мм.

2. Взвесить на аналитических весах каждый образец с точностью до 0,001г, результаты замеров занести в табл. 2.1.

3. Образцы загрузить в печи и нагреть. Режим нагрева указан в табл.2.2.

4 По истечении времени выдержки образцы охладить в баке с водой.

5 Остывшие образцы зачистить наждачной бумагой для удаления оставшейся окалины и взвесить на аналитических весах с точностью до 0,001г.

Таблица 2.1 – Исходные данные для определения величины угара стали

Определяемая величина	Обозначение	Ед.изм.	Номер образца
			1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
Диаметр образца	D	см
Высота образца	H	см
Площадь поверхности образца		см2
Масса образца до нагрева	p/	г

Таблица 2.2 – Режим нагрева исследуемых образцов

Температура печи, С	Номер образца с учетом времени выдержки, мин
	20	40	60
650	1	2	3
750	4	5	6
850	7	8	9
850	10	11	12

6 Определить потерю массы каждого образца:

p = p' - p",

где p^/ – масса образца до нагрева, г;

p^// – масса образца после нагрева, г.

7 Определить массовый угар металла:

8 Определить поверхностный угар металла:

9 Определить скорость окисления при 650, 750 и 850С:

где y₂ – поверхность угара, кг/м²;

 - время нагрева, ч.

10 Результаты вычислений занести в табл. 2.3.

11 По результатам измерений и расчетов построить графики:

• y₁=ƒ( при t=const; y₁=ƒ(t при t= const;

• V_ок =f(t) при t= const; V_ок =ƒ( при t=const.

Таблица 2.3 – Результаты определения угара стали

Номер образца	Температура нагрева, С	Время выдержки, мин	Масса, г		Потеря массы p, г	Угар
			p'	p"		y1, %	y2, г/см2
1	650	20
4	750	20
7	850	20
2	650	40
5	750	40
8	850	40
3	650	60
6	750	60
9	850	60
10	850	20
11	850	40
12	850	60