Технические науки / Металлургия

УДК 669.046:621.783.06

К РАСЧЕТУ ДОБАВОК ПРИРОДНОГО ГАЗА В ЗАЩИТНУЮ АТМОСФЕРУ ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Е.Н.Крючков, В.И.Иванов, В.А.Скачков, Т.Н.Нестеренко,

С.В.Болюк, Ю.В.Моисейко

Запорожская государственная инженерная академія

Состав защитной атмосферы ПСО-09, как правило, характеризуется наличием паров влаги и диоксида углерода, которые способствуют обезуглероживанию металла.

Наиболее распространенным методом повышения уровня углеродного потенциала такой атмосферы является введение в ее состав добавок природного газа (метана). При взаимодействии метана с парами влаги и диоксидом углерода образуется оксид углерода, который повышает углеродный потенциал атмосферы согласно реакции Будуара.

(1)

Избыточное количество метана расходуется:

- на науглероживание стали

, (2)

в случае, когда < ,

где - парциальное давление водорода и метана в защитной атмосфере печи соответственно; К_р - константа равновесия реакции (2);

- на интенсивное выделение сажи

, (3)

в случае, когда ,

где К_р - константа равновесия реакции (3).

Свободный углерод, который образуется по реакции (3), не растворяется в феррите, а препятствует доступу оксида углерода к поверхности металла.

Путем регулирования содержания метана в защитной атмосфере термической печи можно создавать как нейтральный, так и науглероживающий ее характер с заданным уровнем углеродного потенциала

Рассмотрение известных уравнений:

= N_C / (1 – N_C) (4)

= , (5)

где - активность углерода при его неограниченной растворимости; N_C - атомная доля углерода в стали, - позволяет установить, что содержание углерода в защитной атмосфере, способное находиться в равновесии с углеродом аустенита, определяется выражением:

(6)

где

, если СН₄ = 0;

, если СН₄ > 0 ;

При равновесии системы СО₂-СО-Н₂-СН₄-Н₂О:

= , (7)

где , - парциальные давления СО₂ и СО соответственно при равновесии реакции водяного газа:

; (8)

Обозначим содержание компонентов защитной атмосферы в исходном состоянии [CO]⁰, [CO₂]⁰, [H₂]⁰, [H₂O]⁰ и допустим, что реакция (8) является изохорной. В этом случае уравнение для определения ее константы равновесия можно записать в виде:

, (9)

где m - изменение объемной доли исходных компонентов контролируемой атмосферы для достижения равновесия при данной температуре.

Полагая, что при добавках метана в защитную атмосферу направление реакции (8) остается неизменным, можно записать

, (10)

где [CH₄]_д - добавочное содержание метана в защитной атмосфере печи.

Результатами экспериментальных отжигов стали в атмосфере газа, применяемого при термической обработке в колпаковых печах (96,39% N₂, 2,00% Н₂; 1,50% СО; 0,10% Н₂О, 0,01% СО₂) и расчетов углеродного потенциала данной атмосферы при температуре 780° С зафиксировали рост содержания углерода в образцах (листовая сталь 08кп толщиной 0,24 мм) при увеличении длительности изотермической выдержки и их полное насыщение через 5-6 ч.

Содержание углерода в образцах, полученное в эксперименте, превышает его предельную растворимость в аустените при температуре 780° С и добавках метана 2…3%. Следовательно, при содержании углерода в металле в пределах от 0,25 до 0,95% поступающий углерод растворяется в аустените. Дальнейшее насыщение образцов углеродом, по-видимому, сопровождается образованием вторичного цементита. Следует отметить, что расхождение расчетных значений уровня углеродного потенциала и величин, определенных экспериментальным путем, не превышает 2-3%.