Окисление металла

НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА ЦЕХОВ ОМД

Конспект лекций

Челябинск

Издательский центр ЮУрГУ

621.783(075.8)

Б901

Одобрено

Учебно-методической комиссией физико-металлургического факультета

Рецензенты:

Бубнов, П.С., Горячев Е.А.

Нагревательные устройства цехов ОМД: конспект лекций. – Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2009. – 88 с.

Конспект лекций подготовлен на базе работ В.Л. Гусовского, В.А. Кривандина, В.М. Тымчака и предназначен для студентов специальности 150106 «Обработка металлов давлением».

Конспект лекций содержит общие сведения о применяемых при обработке металлов давлением нагревательных устройствах и их конструктивных элементах. В работе изложены основные положения технологии нагрева металла, теории горения топлива, теплообмена в рабочем пространстве печей и рекуператорах. Приведена краткая информация об используемых видах топлива.

УДК 621.783(075.8)

© Издательский центр ЮУрГУ, 2009

НАГРЕВ МЕТАЛЛА

Металл нагревают, чтобы придать ему пластические свойства, необходимые для обработки давлением, или чтобы провести необходимые изменения в его кристаллической структуре, т. е. для проведения термообработки.

Под температурой нагрева металла подразумевают конечную температуру его поверхности, так как ее легко можно определить с по­мощью оптических пирометров.

При нагреве под термообработку конечная температура нагрева зависит от технологических требований, которые в свою очередь зависят от марки стали, вида и цели термообработки.

При нагреве перед обработкой металла давлением температура нагрева должна обеспечить хорошие условия пластической деформации металла. Чем выше температура стали в процессе обжатия, тем меньше сопротивление деформации. При этом расход энергии на обработку уменьшается, повышается стойкость рабочего инструмента и производи­тельность оборудования. Следует учитывать, что при передачи к прокатному стану и в процессе самой обработки металл остывает. Поэтому темпера­туру нагрева принимают выше температуры его обработки. Обычно она изменяется в пределах 1150–1300 °С.

При нагреве металла необходимо принимать во внимание следующие явления, которые могут возникать в процессе нагрева: окисление, обезуглероживание, перегрев, пережог, температурные напряжения.

Окисление металла

При высоких температурах поверхность стали окисляется, и часть металла переходит в окалину. Окалина, которая образуется при нагреве стали, представляет собой смесь трех окислов: FeO – вюстит; – гематит; – магнетит. Из всех перечисленных окислов способностью прилипания к металлу обладает только FeO. Наиболее прочное прилипание наблюдается при температурах ниже 1000 °С в мягкой стали. Этот факт необходимо учитывать т. к. прочность сцепления окалины с поверхностью нагреваемого изделия оказывает влияние на качество продукции.

Угар – это уменьшение массы металла при его окислении, выражен­ное в килограммах или процентах.

На окисление влияет ряд факторов, основные из которых температура, время нагрева, состав печной атмосферы и химический состав стали.

Чем выше температура стали, тем интенсивнее окис­ление. Наиболее интенсивно процесс протекает при температуре выше 1000 °С.

Чем быстрее идет процесс нагрева, тем меньше окисление. Так угар одинаковых изделий углеродистой стали в зависимости от времени нагрева приближенно можно выразить формулой:

,

где , – угар первой и второй заготовок; , – время нагрева первой и второй заготовок соответственно.

Окислители, присутствующие в атмосфере печи, по активности располагаются следующим образом: кислород, воздух, водяной пар, углекислый газ. Очень сильно способствует окислению сера.

На количество образующейся окалины влияет содержание углерода в стали. Среднеуглеродистая сталь, особенно при тем­пературах термической обработки, дает меньший угар, чем сталь малоуглеродистая. Однако если в атмосфере печи присутствует сера, то содержание угле­рода не имеет значения. Окалина, образующаяся на высокоугле­родистой стали, содержит больше железа, чем окалина, получаю­щаяся при нагреве малоуглеродистой стали. Это объясняется эффектом обезуглерожива­ния стали.

Легирующие элементы влияют на окисление стали следующим образом. Хром противодействует сернистой кор­розии по границам зерен. На кремнистых сталях образуется плотная окалина, под которой находится окись кремния. Алюми­ний в сталях препятствует их окислению; спокойные стали, раскисленные алюминием, окисляются меньше, чем кипящие стали, хотя мелкозернистые стали окисляются сильнее.

Наиболее распространенные способы уменьшения окисления: сокращение времени нагрева и применение контролируемой защитной атмосферы. Скоростной нагрев значительно снижает угар металла, но не позволяет изба­виться от него совсем. Контролируемая защитная атмосфера пол­ностью предохраняет металл от окисления. Ее применяют в электрических и пламенных печах, в которых металл не соприкасается с продуктами сгорания топлива. Такими являются муфельные печи и печи с радиационными трубами. Однако в них металл на­гревается только до 1000–1100 °С.