Окисление и обезуглероживание поверхности при нагреве.

Окисление и обезуглероживание поверхности при нагреве.

Окисление слитков и заготовок при нагреве в печах - явле­ние крайне нежелательное, поскольку его следствием являются невозвратимые потери металла. Это приводит к значительному экономическому ущербу. Так как на пути от слитка до готового изделия металл обычно подвергается нагреву несколько раз в разных печах, то общие потери вследствие окисления составляют весьма существенную величину. Помимо этого, более высокая твёрдость оксидов по сравнению с металлом приводит к повышенному износу инструментов и увеличивает процент брака при ковке и прокатке.

Меньшая по отношению к металлу теплопроводность образовавшегося на поверхности слоя оксидов увеличивает продолжительность времени нагрева в печах, что влечёт за собой снижение их производительности при прочих равных условиях, а осыпающиеся оксиды образуют шлаковые наросты по поду печей, затрудняя эксплуатацию и вызываю повышенный расход огнеупорных материалов.

Наличие окалины также снижает точность измерения температуры поверхности металла, что усложняет управление тепловым режимом печи.

Упоминавшееся выше взаимодействие с газовой средой в печи какого-либо элемента сплава имеет практическое значение для стали. Снижение содержания углерода в ней вызывает понижение твёрдости и предела прочности. Для получения заданных механических свойств изделия приходится снимать обезуглероженный слой (достигающий 2мм), что увеличивает трудоёмкость обработки в целом.

Процессы окисления сплава в целом и его отдельных примесей при нагреве в печах следует рассматривать совместно, поскольку они тесно связанны между собой. Например, по опытным данным, при нагреве стали до температуры 1100⁰С и выше в обычной печной атмосфере окисление протекает быстрее, чем обезуглероживание поверхности, и образующаяся окалина играет роль защитного слоя, предупреждающего обезуглероживание. При более низких температурах окисление многих сталей (даже в ярко выраженной окислительной среде) идёт медленнее, чем обезуглероживание. Поэтому сталь, нагреваемая до температуры 700-1000⁰С, может иметь обезуглероженную поверхность.

Окисление металла.

Окисление сплавов представляет собой процесс взаимодействия окисляющих газов с их основой и легирующими элементами. Этот процесс определяется не только скоростью протекания химических реакций, но и закономерностями образования оксидной плёнки, которая по мере роста изолирует поверхность металла от воздействия окислительных газов.

Поэтому скорость роста слоя оксидов зависит не столько от протекания химических реакций окисления стали, сколько от условий передвижения ионов металла (от металла и внутренних слоёв оксидов к наружным) и атомов кислорода (с поверхности к внутренним слоям), т.е. от условий протекания физического процесса двухсторонней диффузии.

Диффузионный механизм образования оксидов железа, подробно изученный В.И. Архаровым, обуславливает трёхслойную структуру окалины, образующейся при нагреве стали в окислительной среде. Внутренний слой (примыкающий к металлу) имеет самое высокое содержание железа и состоит главным образом из FeO (вьюстита): Fe+1/2O₂=FeO. Средний слой – магнетит Fe₃O₄, образуется при последующем окислении вьюстита: 3FeO+1/2O₂=Fe₃O₄. Этот слой содержит меньше железа и по сравнению с внутренним слоем обогащён кислородом, хотя и не в такой степени, как наиболее богатый кислородом гематит Fe₂O₃: 2Fe₂O₃+1/2O₂=3Fe₂O₃.

Состав каждого из слоёв не является постоянным по сечению, а постепенно изменяется за счёт примесей более (ближе к поверхности) или менее (ближе к металлу) богатых кислородом оксидов.

Рисунок 1 – структура окалины.

Окисляющим газом при нагреве металла в печах является не только свободный кислород, но и кислород, входящий в состав продуктов сгорания топлива. Атмосфера в большей час­ти топливных печей представляет собой смесь N₂, С0₂,Н₂О, S0₂ с небольшим количеством свободного кислорода и имеет окислительный характер.

Окислительная способность перечисленных газов по отноше­нию к металлу зависит от их концентрации в атмосфере печи и от температуры, поверхности металла. Наиболее сильным окисли­телем является 0₂, за ним следует H₂O и наиболее слабым окис­ляющим воздействием отличается С0₂.

Увеличение доли нейтраль­ного газа в печной атмосфере уменьшает скорость окисления.

Толщина образующегося слоя оксидов на поверхности металла зависит не только от атмосферы, в которой нагревается металл, но и от ряда других факторов, к которым в первую очередь от­носятся температура и продолжительность нагрева. Чем выше температура поверхности металла, тем больше скорость его окис­ления. Установлено, что скорость роста слоя оксидов возрастает быстрее после достижения некоторой температуры. Так, окисле­ние стали при температурах до 600°С происходит со сравнительно малой скоростью, и при температурах свыше 800~900° скорость роста оксидов резко возрастает. Если принять скорости окислении при 900°С за единицу, то при 950 °С она составу 1.25, при 1000⁰С – 2, а при 1300 – 7.

Продолжительность пребываний металла в печи оказывает очень сильное влияние на количество образующихся оксидов. Увеличение продолжительности нагрева до заданной температуры приводит к росту сдоя оксидов, хотя скорость окисления падает со временем из-за утолщения образующейся пленки и, следова­тельно, уменьшения плотности диффузионного потока через нее.

Продолжительность нагрева металла до заданной температуры может быть сокращена, в частности, в результате увеличения тем­пературы в рабочей камере печи, что приводит к интенсифика­ции внешнего теплообмена и, таким образом, способствует уменьшению толщины окисленного слоя.

Известно, что скорость диффузии в газовой фазе на несколь­ко порядков превышает скорость диффузии в твердом теле.

Поэтому скорость движения печных газов вдоль поверхности нагре­ваемого металла практически не влияет на динамику роста ок­сидного слоя. Однако картина движения продуктов сгорания в целом может оказывать заметное влияние, гак как местные пере­гревы металла, обусловленные неравномерным полем температу­ры газов в печи (которое может быть вызвано неправильным размещением горелок), неизбежно приводят к местному интен­сивному окислению металла.

Условия перемещения нагреваемых заготовок внутри печей и состав нагреваемого сплава также оказывают заметное влияние на скорость его окисления.

Так, при перемещении металла в печи может происходить механическое отслаивание и отделение обра­зовавшегося слоя оксидов, что способствует более быстрому по­следующему окислению незащищенных участков.

Наличие в сплаве некоторых легирующих элементов (например, для стали Сг, Ni, Al, Si и др.) может обеспечить образование тон­кой и плотной, хорошо прилегающей пленки оксидов, надежно предупреждающей последующее окисление. Такие стали называ­ются жаростойкими и хорошо сопротивляются окислению при на­греве. Сталь с более высоким содержанием углерода также в мень­шей степени подвержена окислению, чем малоуглеродистая.

Дата добавления: 2015-08-29