Лекция № 10-11 Нагрев металла

План

1. Общие сведения.

2. Окисление стали.

3. Обезуглероживание стали.

4. Защита стали от окисления и обезуглероживания.

5. Процессы, протекающие внутри нагреваемого металла.

6. Основные положения рациональной технологии нагрева стали.

7. Характеристики методов расчета нагрева.

8. Нагрев тел при краевых условиях третьего рода.

9. Определение выдержки металла.

10. Принципы скоростного нагрева.

1. Общие сведения

Нагрев металла — это процесс либо предшествующий обработке ме­талла давлением (прокатке, ковке), либо являющийся частью основного процесса термической обработки металла. Нагрев металла имеет важ­ное значение, так как от его качества зависят качество конечной про­дукции и работа прокатного (кузнечного) оборудования. Нагрев метал­ла проводят по определенной технологии, характер которой зависит от цели нагрева.

Процесс нагрева металла сопровождается некоторыми нежелатель­ными явлениями, из которых наиболее характерными являются его окисление (угар) и обезуглероживание.

Необходимо отметить, что время нагрева, являющееся важным фак­тором технологии нагрева, определяет основные размеры рабочего про­странства нагревательных печей.

Нагрев стали в печах прокатных, кузнечных и некоторых термиче­ских цехов проводят в атмосфере продуктов сгорания топлива. При этом происходит взаимодействие окружающих нагреваемую сталь га­зов с железом, углеродом и легирующими элементами, которое приво­дит к окислению и обезуглероживанию ее поверхности.

Вследствие окисления возникают невозвратимые потери металла, составляющие при каждом нагреве от 1—2 (в термических печах) до 5 % (в кузнечных печах). При этом увеличивается также трудоем­кость последующей обработки изделий в связи с необходимостью уда­ления образовавшейся окалины. Повышенная твердость окалины вызы­вает более быстрый износ инструментов и увеличение брака при ковке и прокатке. Вследствие того, что окалина по сравнению со сталью имеет меньшую теплопроводность, время нагрева металла в печах увеличива­ется, что приводит к снижению их производительности при прочих рав­ных условиях; осыпающаяся окалина образует, шлаковые наросты на поду печей и вызывает необходимость более частых ремонтов и по­вышенный расход огнеупорных материалов.

Обезуглероживание поверхностного слоя металла ухудшает механи­ческие свойства стали, понижая ее пределы прочности, текучести и вы­носливости. Для получения заданных механических свойств изделия приходится удалять обезуглероженный слой (до 2 мм), что, естествен­но, увеличивает трудоемкость обработки изделия. Особенно нельзя до­пускать обезуглероживания изделий, которые в последующем подлежат поверхностной термической обработке.

При выборе режимов нагрева стали в печах необходимо принимать во внимание оба указанных выше процесса, так как они тесно связаны между собой.

2. Окисление стали

Окисление стали представляет собой процесс взаимодействия окис­ляющих газов с железом и легирующими элементами. Этот процесс определяется не только химическими реакциями окисления, но и зако­номерностями образования окисной пленки, которая по мере ее роста все более и более изолирует сталь от окислительных газов. Поэтому скорость роста окалины зависит не только от протекания химического процесса окисления стали, но и от условий передвижения ионов металла (от металла и внутренних слоев окалины к наружным) и атомов кис­лорода (с поверхности металла к его внутренним слоям), т. е. от усло­вий протекания физического процесса двусторонней диффузии. Скорость диффузии какого-либо вещества выражается первым законом Фика:

m = — D(dc/dx),

где т — количество вещества, диффундирующего через единицу сече­ния в единицу времени, кг/(м²-с);

D — коэффициент пропорционально­сти, называемый коэффициентом диффузии, м²/с.

Отношение dc/dx показывает, насколько изменяется концентрация диффундирующего вещества с при изменении толщины слоя, в котором происходит диффузия на величину dx. Таким образом, скорость диф­фузии увеличивается с возрастанием коэффициента диффузии и разно­сти концентраций диффундирующего компонента. Коэффициент диффу­зии зависит от физических свойств взаимодействующих веществ и тем­пературы.

Диффузионный механизм образования окалины обусловливает трех­слойную структуру слоя оксидов, образующегося при нагреве стали в печах. Во внутреннем слое (примыкающем к металлу) содержится больше всего монооксида железа, образующегося по реакции

Fe+0,5O₂=FeO.

Средний слой — магнетит Fe₃0₄ — образуется при последующем окислении монооксида железа по реакции

3FeO + 0,5O₂ = Fe₃O₄.

В этом слое железа содержится меньше и в сравнении с первым слоем он обогащен кислородом, хотя и не в такой мере, как наиболее богатый кислородом Fe₂0₃, образующийся в третьем слое по реакции

2Fe₃O₄ + 0,5O₂=3Fe₂O₃.

Состав каждого из трех слоев не постоянен по сечению, а постепен­но изменяется в результате взаимодействия с примесями компонентов окалины, более богатых кислородом вблизи поверхности.

Окисление стали при ее нагреве в печах происходит не только бла­годаря ее взаимодействию со свободным кислородом, но и со связанным кислородом, входящим в состав продуктов полного сгорания топлива в топливных печах: С0₂, Н₂0 и S0₂. Эти газы, так же как и 0₂, называют окислительными в отличие от восстановительных СО, Н₂ и СН₄. Азот, обычно присутствующий в продуктах сгорания или в воздухе, является нейтральным газом. Атмосфера в большей части топливных печей пред­ставляет собой смесь N₂, C0₂, H₂0, S0₂ с небольшим количеством сво­бодного кислорода, поскольку только при полном сгорании топлива в печи развивается требуемая температура. Наличие большого количества восстановительных газов в печи свидетельствует о неполном сгорании и в обычных печах недопустимо, так как топливо используется не рацио­нально. Этим объясняется то обстоятельство, что атмосфера обычных топливных печей имеет окислительный характер.

Окислительная и восстановительная способность всех перечислен­ных газов по отношению к стали зависит от их концентрации в атмо­сфере печи и температуры. Увеличение доли нейтрального газа в печ­ной атмосфере уменьшает скорость окисления. Скорость окисления очень сильно зависит от содержания S0₂ и H₂S в печной атмосфере. Присутствие в печных газах даже очень небольших количеств S0₂ резко увеличивает скорость окисления, так как при температуре, превышаю­щей 1373 К, на поверхности стали образуются легкоплавкие соединения из оксидов и сульфидов железа, ускоряющие процесс образования ока­лины.

Соединение H₂S может присутствовать и в восстановительной атмо­сфере; его воздействие на металл (наряду с S0₂) приводит к увеличе­нию содержания серы в поверхностном слое. Качество стали при этом сильно ухудшается, причем особенно вредное влияние сера оказывает на легированные стали, так как они поглощают ее в большей мере, чем простые углеродистые стали, а никель образует с серой легкоплавкую эвтектику. Вредное влияние серы уменьшается при наличии восстано­вительных газов в атмосфере печи. При этом следует отметить, что вредное воздействие H₂S на сталь значительно слабее, чем влияние S0₂.

Толщина образующегося слоя оксидов на поверхности стали и его структура зависят не только от атмосферы, в которой нагревается ме­талл, но и от ряда других факторов, к которым в первую очередь от­носятся температура и время. Чем выше температура металла, тем большее количество окалины образуется за одно и то же время его пребывания в печи. Экспериментально установлено, что скорость роста пленки оксидов dx/dt. как и во всяком диффузионном процессе, связа­на с температурой следующим уравнением:

dx/dt = Ae^-Q/(RT),

где R — газовая постоянная;

Т — абсолютная температура;

Q и А — постоянные величины, зависящие от природы пленки оксидов и условий процесса.

Образование окалины при температуре до 873 К происходит с очень малой скоростью, а при температуре свыше 898—923 К скорость окис­ления стали резко возрастает и увеличивается согласно приведенному выше уравнению по экспоненциальному закону. Время пребывания ме­талла в печи оказывает очень сильное влияние на количество образую­щейся окалины. Увеличение времени нагрева до заданной температуры приводит к росту слоя окалины, хотя скорость окисления несколько "па­дает со временем вследствие увеличения толщины слоя и, следовательно, уменьшения скорости диффузии через него ионов железа и атомов кис­лорода. Время нагрева до заданной температуры может быть сокращено увеличением температуры в печи (если получающаяся при этом ско­рость нагрева позволяет вести процесс без возникновения опасных на­пряжений в металле), что способствует уменьшению количества обра­зующейся окалины.

Факторы, влияющие на скорость диффузии кислорода к поверхно­сти нагреваемой стали из атмосферы печи, не оказывают существенного влияния на рост слоя оксидов. Это обусловлено тем, что диффузион­ные процессы в слое окалины протекают медленно и являются опреде­ляющими. Поэтому, например, увеличение скорости движения газов над поверхностью металла выше 0,1 м/с (скорость движения газов в печах обычно больше) не приводит к ускорению окисления стали. Однако дви­жение продуктов сгорания, в общем, может оказывать заметное влияние на окисление, так как местные перегревы металла, обусловленные нерав­номерным полем температур газов в печи (это может быть вызвано большим углом наклона горелок, их неправильным размещением по вы­соте и длине печи и т. д.), неизбежно приводят к местному интенсивно­му окалинообразованню.

Условия перемещения стальных заготовок и деталей внутри печей, состав стали, и качество ее поверхности также оказывают заметное вли­яние на скорость образования окалины. Так, при перемещении металла в печи может происходить отслаивание и отделение окалины, что спо­собствует более быстрому последующему окислению незащищенных поверхностных участков. Состояние поверхности металла играет важ­ную роль, так как образующийся на гладкой поверхности слой оксидов оказывается более плотным и прочным и защищает сталь от дальней­шего окисления. Наличие в стали некоторых легирующих элементов (Сr, Ni, Si и др.) может обеспечить образование тонкой и плотной, хорошо прилегающей к поверхности металла пленки оксидов, надежно предупреждающей последующее окисление. Такие стали, называемые жаростойкими, хорошо сопротивляются окислению при нагреве.

Следует отметить, что сталь с большим содержанием углерода в меньшей мере подвержена поверхностному окислению, чем малоуглеро­дистая. Углерод, содержащийся в стали, окисляясь, превращается в СО₂, диффундирующую к поверхности и препятствующую окислению железа. Окисление стали сильно увеличивается при плавлении окалины.

Количество образовавшейся окалины можно определить по измене­нию массы окислившегося образца двумя способами: 1) по увеличению массы образца, покрытого окалиной (увеличение массы характеризует количество кислорода, входящего в состав окалины), и 2) по уменьше­нию массы образца после полного снятия слоя окалины (уменьшение массы показывает, какое количество железа входило в состав снятой окалины). Кроме этого, иногда проводят изучение микро- и макрострук­туры слоя образовавшейся окалины и определяют ее химический со­став.