книги из ГПНТБ / Несенчук А.П. Пламенные печи для нагрева и термообработки металла учеб. пособие

Безмуфельные агрегаты снабжены системой автоматического управления работой всех механизмов, блокировки и сигнализации. Температура в зонах рабочего пространства регулируется автома­ тически. Кроме этого, современные конструкции имеют аппаратуру автоматического регулирования состава (углеродного потенциала) печной атмосферы.

При использовании взрывоопасных защитных атмосфер (эндогаз, водород, очищенный богатый экзогаз и т. д.) в целях безопасности следует продувать печь перед пуском и остановкой взрывобезопас­ ным нейтральным газом (азот, бедный экзогаз).

В агрегатах химико-термической обработки для закалки сле­ дует применять сорта масел, обеспечивающих минимальное воздей­ ствие на поверхность изделий (индустриальное 50 при закалке в го­ рячей и вазелиновое Т — в холодной среде).

8.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА НАСЫЩЕНИЯ УГЛЕРОДОМ

Как уже отмечалось, самый распространенный метод упрочне­ ния деталей посредством химико-термической обработки — цемента­ ция и нитроцементация. При проведении этих процессов существен­ ное значение имеет регулирование насыщения, основной задачей которого является обеспечение требуемых характеристик: структу­ ры, распределения концентрации углерода, глубины слоя и т. д.

Как чрезмерное, так и недостаточное насыщение поверхностного слоя углеродом вредно. По данным НИИТАВТОПРОМа оптималь­ ная концентрация углерода на поверхности для сталей марки 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГНР, 15ХГНТА составляет 0,8— 1% при цементации и 0,65—0,9% — при нитроцементации [1— 1,25% (C+No)]. В соответствии с современными требованиями к качеству деталей необходимо получать не только нужную концен­ трацию, но и оптимальное распределение углерода по глубине слоя.

Известны методы прямого регулирования процесса насыщения по изменению электросопротивления датчиков из тонкой проволоки, которые помещаются в рабочее пространство печи. Электрическое сопротивление изменяется по мере науглероживания датчика. Одна­ ко эти методы пока еще недостаточно надежны, в частности, из-за необратимых изменений, происходящих в материале датчика, что искажает показания. В настоящее время самое широкое распрост­ ранение получили методы косвенного регулирования углеродного потенциала, основанные на соответствии содержания углерода на поверхности составу газов печи. Эти методы стали возможными бла­ годаря появлению процессов насыщения в заранее приготовленных контролируемых газовых средах. Состав газовой атмосферы, а сле­ довательно, и углеродный потенциал можно в процессе обработки изменять по заданной программе, обеспечивая оптимальные пара­ метры насыщения. Разрабатываются также методы регулирования, в основе которых лежит непрерывное косвенное регулирование по содержанию в атмосфере печи СОг или Н2О и периодическая тари­

192

ровка приборов (контроль углеродного потенциала) по соответству­ ющему содержанию С в стальной фольге.

Основной насыщающей добавкой (карбюризатором) пр і цемен­ тации в контролируемой атмосфере служит обычно метан, содержа­ ние которого является преобладающим в природных газах. С печ­ ными газами метан реагирует по следующим реакциям:

скорость протекания которых, как показывает термодинамический анализ, при температурах 900— 1000° С значительно меньше, чем скорость протекания реакции водяного газа:

Поэтому если равновесие по реакции (8.3) достигается почти мгновенно, то по реакциям (8.1) и (8.2) истинное равновесие при отсутствии катализатора в указанном интервале температур не уста­ навливается. В связи с этим по содержанию метана нельзя судить о парциальном давлении других газовых компонентов в печи. Избы­ точное против состояния истинного равновесия количество метана нарушает соотношение между С02 и Н20, с одной стороны, и угле­ родом в стали — с другой. Следовательно, по содержанию метана нельзя регулировать углеродный потенциал среды и его подача в печь должна быть ограничена минимально необходимой величиной (практически, 1—3% от объема газов печи [61]). В качестве количе­ ственной меры при регулировании принимается обычно содержание Н20 или СОг.

Внастоящее время оптимальным можно считать следующий порядок проведения процесса.

Впериод нагрева карбюризатор в рабочее пространство печи не подается, так как в интервале низких температур углеродный потен­ циал среды повышен и тонкий поверхностный слой может излишне науглеродиться с выделением сажи и образованием цементитного слоя (ЁезС). В этом периоде необходимо контролировать содержа­ ние в атмосфере печи С02 и СН4.

Следующий период — первая стадия цементации (нитроцемен­

тации), характеризуемая интенсивным насыщением углеродом. На данной стадии в печь подается метан. Степень насыщения опре­ деляется линией SE на диаграмме состояния железо — углерод. Не допускается образование цементита на поверхности и выпадение сажи из газовой фазы. Для предотвращения этих явлений требуется регулирование состава печной атмосферы по содержанию С02 или Н20 и периодический контроль концентрации метана.

В следующем периоде — вторая стадия цементации — углерод­ ный потенциал среды уменьшается до заданного значения. Проис­ ходит диффузионное выравнивание концентрации по сечению.

В этом периоде формируется окончательная поверхностная концен­ трация, что обусловливает необходимость непрерывного контроля и регулирования состава печной атмосферы.

После окончания цементации наступает период подстуживания от температуры насыщения до температуры закалки или медленное охлаждение до необходимой технологической температуры.

Описанная схема процесса в садочных печах реализуется в од­ ной камере. В проходных печах процесс протекает в соответствую-

Рнс. 8.17. Датчик для определения влажности газа по точке росы:

/ — фильтр; 2 — охладитель газа; 3 — стек­ лоткань; 4 — термометр сопротивления; 5 — спиральные платиновые электроды

щих зонах. При этом наилучшие условия создаются в том случае, если обеспечена автономность состава газовой атмосферы в различ­ ных зонах. Чтобы обеспечить автономность, футеровку целесообраз­ но выполнять, как показано на рис. 8.16. Видно, что приведенная конструкция предусматривает отдельный выход газов из каждой зоны. На рис. 8.17 также приведена схема контроля и регулирова­ ния углеродного потенциала (состава газовой атмосферы).

Поступающая от блока генераторов защитная атмосфера ста­ бильного состава, например эндоили экзогаз, распределяется по зонам печи. На первой стадии цементации в атмосферу печи подает­ ся метан. При нитроцементации в печь вводится также аммиак. Содержание С02 или Н20 (смотря по какому компоненту произво­ дится регулирование) на первой стадии цементации непрерывно контролируется и регулируется. Регулирование осуществляется сле­ дующим образом. Датчик анализатора непрерывно контактирует с атмосферой печи. При отклонении концентрации С02 или НгО от заданной на регулятор поступает импульс, в зависимости от вели­ чины и знака которого подается соответствующий импульс к испол­ нительному механизму — пневматическому мембранному клапану. Исполнительный механизм регулирует подачу метана (природного газа) в печь. При повышенном содержании Н20 (С02) подача ме­ тана увеличивается и точка росы атмосферы (содержание С02) сни­ жается.

Целесообразно на второй стадии цементации так же, как и при

194

подстуживании деталей перед закалкой, метан в печь не подавать, а заданный углеродный потенциал обеспечивать составом поступаю­ щей контролируемой атмосферы, практически не содержащей СН4.

Постоянство состава атмосферы поддерживается регулятором гене­ ратора, в котором приготавливается атмосфера. Однако иногда на практике атмосфера, подаваемая в печь, по различным причинам имеет пониженный углеродный потенциал. В этом случае регулиро­ вание осуществляется изменением подачи СН4 непосредственно

у печи (как и на первой стадии цементации). В любом случае содер­ жание СО2 или Н20,_а также СН4 должно контролироваться. При­

веденная на рис. 8.16 схема предусматривает установку приборов

рывно контролируется индикаторами расхода поплавкового типа (ротаметрами).

Если в печь подается атмосфера с более низкой точкой росы, чем необходимо (с завышенным углеродным потенциалом), то через регулирующий клапан вместо метана подается подогретый воздух или неочищенный экзогаз.

Схема, приведенная на рис. 8.16, является примерной. На прак­ тике могут применяться различные ее варианты.

При регулировании по Н20 в практике химико-термической обработки получил применение датчик, основанный на изменении электропроводности сорбента и связанный с регулирующим прибо­ ром (обычно электронным мостом типа ЭМД 4809 с изодромным регулятором). Датчик с прибором позволяет непрерывно контроли­ ровать и регулировать состав газа в печи или на выходе из гене­ ратора. Схема датчика приведена на рис. 8.17. Датчик состоит из тонкостенной, закрытой с одного конца кварцевой трубки, обернутой стеклотканью, которая пропитана хлористым литием. В трубке рас­ полагается термометр сопротивления, соединенный с регулирующим и регистрирующим прибором, проградуированным в градусах точки росы. Поверх стеклоткани намотаны две платиновые (или золотые) проволочки, изолированные между собой. Эти спиралевидные про­ волочки служат электродами, к которым подводится напряжение. При прохождении пробы газа через камеру с датчиком влага из газа поглощается сорбентом и образуется электролит. В результате меж­ ду электродами начинает протекать электрический ток, нагревая датчик и способствуя тем самым испарению влаги из стеклоткани. Уменьшение количества влаги в стеклоткани приводит к уменьше­ нию тока и охлаждению датчика. Постепенно концентрация влаги в стеклоткани становится меньше, чем в анализируемом газе. Тогда вновь начинается поглощение влаги из газа и нагрев датчика. В ито­ ге устанавливается равновесие между содержанием влаги в газе и концентрацией электролита, образовавшегося на стеклоткани. Каждой равновесной концентрации соответствует определенная тем­ пература датчика (температура равновесия), зависящая от влажно­ сти газа и измеряемая термометром сопротивления. Эта темпера­ тура и есть мера влажности. В приборах такого типа необходимо

обеспечить определенную температуру поступающего на анализ га­ за, близкую к температуре равновесия (точки росы измеряемого ■газа), что достигается применением специальной холодильной си­ стемы с автоматическим регулированием температуры. Сигнал от датчика поступает на регулятор, управляющий исполнительным механизмом.

Имеются и другие конструкции приборов для измерения и ре­ гулирования влажности [76].

Регулирование по СО2 осуществляется газоанализатором, снаб­

женным регулирующим устройством, которое управляет клапаном подачи метана в печь. В большинстве случаев используются оптико­ акустические газоанализаторы (в комплекте с регулирующим элек­ тронным мостом типа МСР-07), принцип действия которых основан на зависимости поглощения инфракрасного излучения от концен­ трации измеряемого компонента. Эти газоанализаторы отличаются быстродействием и высокой чувствительностью.

8.3.РАСЧЕТ ПЕЧЕЙ ДЛЯ ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

ВГАЗОВОЙ АТМОСФЕРЕ

Если целью химико-термической обработки является не насы­ щение, восстановление, обезуглероживание и т. д. поверхностных слоев деталей, а только сохранение определенного состояния по­ верхности в процессе обработки, то в этом случае методика расчета мало отличается от методики расчета обычной камерной или мето­ дической (проходной) печи. Основные особенности методики заклю­ чаются в выборе равновесной атмосферы и учете ее свойств, расчете теплообмена в печи и времени нагрева в условиях лучепрозрачной атмосферы и невысокой степени черноты изделий, расчете радиаци­ онных труб и т. д. В этом случае общее время химико-термической обработки определяется временем прогрева изделий до заданной температуры и временем регулируемого охлаждения по заданному графику в баках с жидкостью или в специальных охлаждаемых или утепленных камерах.

В печах, в которых осуществляется направленный перенос массы на границе атмосферы печи и садки, лимитирующей стадией процесса является не нагрев или охлаждение, а насыщение поверх­ ностных слоев изделия определенными элементами (или удаление элементов из этих слоев).

Определение времени насыщения — важная часть расчета, так как от длительности процесса зависят его технико-экономические показатели. В настоящее время в связи с недостаточностью сведе­ ний об интенсивности переноса массы между газовой фазой и по­ верхностью расчетным методам уделяется мало внимания и при проектировании чаще всего время процесса устанавливается в со­ ответствии с практическими данными. Следует отметить, что исполь­ зование надежных расчетных методов, учитывающих влияние на ам и D основных определяющих факторов, позволяет выполнить

196

анализ процесса, определить лимитирующие стадии и наметить целесообразные пути интенсификации процесса на этих стадиях. Между тем даже в случае цементации часто трудно оценить, чем лимитируется процесс насыщения — внутренней или внешней зада­ чей, так как коэффициент массообмена ам рассчитать невозможно, а уравнение для определения коэффициента диффузии требует даль­ нейшего уточнения. Поскольку исследования процессов насыщения при химико-термической обработке ведутся интенсивно, можно ожи­ дать, что в ближайшее время появятся новые важные сведения о влиянии различных факторов на ам и будут установлены соотноше­ ния для расчета этой величины.

Отдельные значения осм, экспериментально определенные рядом авторов, приведены в табл. 7.5.

Расчет газовой печи для химико-термической обработки начи­ нают с определения теплотворной способности топлива, температуры горения, состава и свойств дымовых газов и т. д. При сжигании газа в радиационных трубах коэффициент расхода воздуха обычно при­ нимают равным 1,05— 1,15. Затем для данного процесса выбирают тип атмосферы и по кривым равновесия определяют ее состав, со­ ответствующий при данной температуре равновесию или протека­ нию взаимодействия в ту или иную сторону. Рассчитывают коэффи­ циент диффузии и подбирают коэффициент ам (табл. 7.5). После этого можно приступить к расчету цементации. Следует отметить, что в большинстве случаев процесс цементации более всего соответ­ ствует граничным условиям третьего рода. В тех случаях, когда кривизна поверхности соизмерима с толщиной насыщаемого слоя, необходимо учитывать кривизну, вводя при этом соответствующую поправку (см .гл. 7).

При расчете первой стадии процесса насыщения задают угле­ родный потенциал и, используя решение дифференциального урав­ нения Фурье при граничных условиях третьего рода, рассчитывают время насыщения до определенной концентрации на заданной глу­ бине (глубина и концентрация обычно задаются). Расчет времени протекания процесса на второй стадии, в течение которой снижает­ ся поверхностная концентрация и перераспределяется концентрация по глубине слоя, весьма громоздок. В работе [70] показано, что дли­ тельность второй стадии не превышает 10—20% времени всего цикла и при этом обеспечивается оптимальное распределение концентра­ ции по глубине слоя. С увеличением относительной продолжитель­ ности второй стадии глубина науглероженного слоя начинает расти, а форма кривой распределения содержания углерода по глубине изменяется таким образом, что в ближайших к поверхности участ­ ках слоя концентрация углерода снижается. На рис. 8.18 показано, как изменяется концентрация по глубине слоя при разном относи­ тельном времени второй стадии цементации. Видно, что оптималь­ ная форма кривой распределения, характеризуемая горизонтальной площадкой, формируется через 0,4 часа после начала второй стадии. Учитывая изложенное, время цементации второй стадии можно при­ нимать равным 10—20% общего времени насыщения.

197

Целесообразно [70] диффузионное выравнивание (вторая ста­ дия) совмещать с подстуживанием перед закалкой или с первым периодом медленного охлаждения.

В высокотемпературных печах для цементации и нитроцемен­ тации (температура 850—950° С) основным является теплообмен излучением. Чтобы интенсифицировать процесс насыщения, в совре­ менных конструкциях стараются увеличить скорости омывания де­ талей атмосферой, для чего устанавливают мощные вентиляторы.

Рис. 8.18. Кривые распределения со­ держания углерода (%) в поверхно­ стном слое [70] при температуре 900° С:

/ — в конце первой стадии цементации при

2—6 — на второй стадии цементации при углеродном потенциале СІІпред=0,8% и

времени выдержки, составляющем 5% общ е­ го времени процесса (кривая 2), 10% (кри­ вая <?), 20, 30, 50 и 100% (соответственно кривые 4, 5, 6 и 7); А — точка с заданным содержанием 0,35% С на глубине 0,8 мм

для горизонтальных радиационных труб (по схеме теплообмена,

С0= 5,77 вт/м2-К4 (4,96 ккал/м2-ч-К^\

ei и 62— соответственно степень черноты поверхности радиаци­

онных труб и нагреваемого металла; фгі — угловой коэффициент с металла на трубы;

фОбщ. фОбщ— соответственно угловые коэффициенты с металла на

трубу и с трубы на металл с учетом отраженного излу­ чения кладки;

s — шаг трубы;

D — наружный диаметр трубы.

198

При расчете печи с горизонтальными радиационными трубами угловые коэффициенты можно определить по графику (рис. 8.19, б). Формулы для определения угловых коэффициентов при различном расположении взаимно облучаемых поверхностей приведены в ра­

боте [1].

При нагреве в защитной атмосфере поверхность стали остается светлой. По данным работы [78] степень черноты стали с неокислен­ ной поверхностью в два раза меньше, чем с окисленной, и составляет

Рис. 8.19. Графики для определения угловых коэффициентов:

а — расположение радиационных труб: 1 — радиационная труба; 2 — поверхность садки; 3 — кладка печи; б — графики зависимости между угловыми коэффициентами и относи­ тельным шагом труб

величину 0,4—0,5. Следовательно, лучистый поток тепла к деталям при использовании контролируемых атмосфер уменьшается. Это существенно влияет на время нагрева тонких тел, для которых внут­ реннее термическое сопротивление соизмеримо с внешним. Как вид­ но из графика (рис. 8.20), разница во времени нагрева в защитной атмосфере и на воздухе возрастает с увеличением температуры (т. е. с повышением радиационной доли переноса тепла). Для массив­ ных тел эта разница существенно уменьшается. Так, для образца 0 50 мм при нагреве до 700° С в воздухе и защитной атмосфере она составляет около 10 против 42% для образца 0 25 мм [78].

Крупные детали при химико-термической обработке располага­

поддонах, в ящиках и т. д.). При расчете времени нагрева массы деталей, уложенных вплотную, их можно рассматривать как сплош­ ное тело, характеризуемое коэффициентом эффективной теплопро­ водности ЛЭф. В работе [48] рекомендуются соотношения для расчета

199

эффективного коэффициента теплопроводности засыпки стальных изделий:

1— е ( 1—V) ( 1- е ) '

Рис. 8.20. Опытные кривые нагрева стального цилиндра диаметром 25 и длиной 100 мм [78]:

/ — в воздухе; 2 — в защитной атмосфере

где X' — относительный коэффициент теплопроводности газовой про­ слойки:

,Яг+а'я

к= — і----- ’ лМ

Ям — коэффициент теплопроводности металла; Яг — коэффициент теплопроводности газа, находящегося между

деталями; а' — эффективный коэффициент теплоотдачи за счет внутренне­

го излучения:

5 — средняя толщина газовых прослоек между деталями; Тг — температура газа, находящегося в промежутках между де­

талями;

200

8 — порозность (объемная доля пустот) засыпки деталей:

Р

Рнас и Р — соответственно насыпная и истинная плотности насыпной

массы.

Для расчета теплопроводности газовых смесей, заполняющих пространство печи, правилом аддитивности можно пользоваться лишь в том случае, если близки не только молярные массы компо­ нентов, но и полярности их молекул [79]. В этом случае

где 7, — теплопроводность компонентов смеси; X, — молярные доли компонентов.

Дипольные моменты некоторых неорганических соединений сле­ дующие:

Дипольный момент для Ог, N2, СО2, СН/„ С2Н4 равен нулю [79].

Для расчета коэффициента 7 смеси газов с полярными и не­ полярными молекулами пригодна эмпирическая формула Лемана

где Хпол — сумма мольных долей полярных компонентов смеси. Существенную долю многих контролируемых атмосфер состав­

ляет водород, заметно отличающийся по молекулярной массе от остальных компонентов смеси. Для определения теплопроводности таких смесей может быть рекомендована формула [79]

Значения а для определенного содержания Нг (или Не) берутся по графику (рис. 8.21) или принимаются такими:

В некоторых случаях для расчета теплообмена (или гидравли­ ческого сопротивления) необходимо знать вязкость газовых смесей. Расчет по теоретическим формулам недостаточно точен, так как не­ известны многие входящие в них характеристики [79]. На основе теоретических формул выведены различные полуэмпирические со­

201