О компании Видео о компании Видео о компании Видео о компании

Взаимодействие газовой атмосферы со сталью при нагреве

 
При нагреве стальных деталей в процессе термической и химико-термической обработки в контролируемых атмосферах строение и свойства поверхностных слоев деталей зависят от взаимодействия газовой среды в печи со сталью.


Диффузионный процесс взаимодействия между кислородом воздуха и содержащими кислород компонентами газовой атмо­сферы, с одной стороны, и железом, а также легирующими элементами, с другой стороны, называют окислением стали. Газами, которые не только окисляют, но и обезуглероживают поверхность стали, являются углекислый газ (СО2) и водяной пар (H2O).

Железо с кислородом образуют ряд химических соединений: FeO - закись железа, Fe3O4 - окись-закись железа, Fe2O3 - окись железа. При температурах ниже 570°C образование за­киси железа исключено. При окислении железа выше 570°C образуются окислы Fe2O3, Fe3O4, FeO. Слой окалины растет вследствие диффузии железа и легирующих элементов к по­верхности металла и встречной диффузии кислорода во вну­тренние слои металла.

Основными реакциями взаимодействия газов со сталью являются:

2Fe + О2 = 2FeO          (1)
3Fe + 2О2 = Fe3O4          (2)
4Fe + ЗО2 = 2Fe2O3          (3)

возможны также реакции:

4FeO + О2 = 2Fe2O3          (4)
4Fe3O4 + О2 = 6Fe2O3          (5)

Взаимодействие водяного пара с железом при температурах ниже 570°С протекает по реакциям:

Н2О + 2Fe3O4 = 3Fe2O3 + Н2          (6)
4H2О + 3Fe <=> Fe3O4 + 4H2          (7)

при температурах выше 570°С - по реакции (6) и дополнительно по реакциям:

Н2О + 3FeO <=> Fe3O4 + H2          (8)
Н2О + Fe <=> FeO + Н2          (9)

Взаимодействие двуокиси углерода с железом при темпе­ратурах ниже 570°С протекает по реакциям:

СО2 + 2Fe3O4 <=> 3Fe2O3 + СО          (10)
4СО2 + 3FeO <=> Fe3O4 + 4CO          (11)

при температурах выше 570°С - по реакции (10) и дополни­тельно по реакциям:

СО2 + 3FeO <=> Fe3O4 + СО          (12)
СО2 + Fe <=> FeO + СО          (13)

Реакция взаимодействия железа с водяным паром (H2О) сопровождается выделением тепла, т.е. является экзотермиче­ской. Реакция взаимодействия двуокиси углерода с железом сопровождается поглощением тепла, т.е. является эндотерми­ческой.

На рисунке 1 приведены теоретические кривые равновесия реак­ций окисления - восстановления железа с двуокисью и окисью углерода и водяным паром и водородом.

Кривые 1 и 2 (рисунок 1) представлены так, что в левой части от кривых расположены области восстановления железа, а в правой части - области окисления железа.

Кривые равновесия реакцийОкислительная способность двуокиси углерода с понижением температуры уменьшается, а с повышением температуры увеличивается (рисунок 1, кривая 1)При температуре ниже 500°C двуокись углерода не может окислять железо. Константа равновесия, представляющая отношение парциальных давлений двуокиси углерода к окиси углерода, изменяется от 0.27 до единицы при снижении температуры газовой атмосферы с 1300 до 500°С. Окислительная способность водяных паров с пони­жением температуры увеличивается, а с повышением темпера­туры уменьшается (рисунок 1, кривая 2). Константа равновесия, представляющая отношение парциальных давлений водяного пара к водороду, при снижении температуры с 1300 до 370°C изменяется от 0.85 до 0.07.

В сложной газовой атмосфере имеющей в своем составе окись углерода, двуокись углерода, водород и водяной пар, протекают реакции:

CO + Н2 <=> C + Н2О          (14)
СО + Н2О <=> СО2 + Н2          (15)

Для безокислительного нагрева необходимо иметь отношение газов-окислителей в защитной атмосфере (в объемных процентах) во всём интервале рабочих температур в соответствии с кривыми равновесия, представлен­ными на рисунке 1.

Большое влияние на степень окисления железа оказывает присутствие в контролируемой атмосфере сернистых соединений SO2 и H2S. Если содержание SO2 в контролируемой атмосфере увеличивается от 0.1 до 0.5%, то окислительная способность этой атмосферы увеличивается примерно в 3 раза. SO2 и H2S понижают точку плавления окалины железа, вследствие чего оплавляющаяся окалина обнажает все новые слои металла, что сильно увеличивает потери металла. Необходимо тщательно очищать контролируемые атмосферы от SO2 и H2S и не допускать их остаточного содержания в газе свыше 0.005%.

Помимо окисления, стальные детали могут науглероживаться или обезуглероживаться. Обезуглероживание стали - это диф­фузионный процесс взаимодействия кислорода воздуха или кислородсодержащих компонентов газовой среды с углеродом стали, приводящий к частичному или полному удалению угле­рода из поверхностных слоев стали.

Диффузионный процесс, при котором поверхностные слои стали насыщаются углеродом, является науглероживанием или цементацией. Этот процесс протекает в три этапа:

  • диффузия молекул цементующего газа к поверхности стальных деталей;
  • химический процесс адсорбции аустенитом углеродсодержа­щих молекул с образованием атомов углерода в результате диссоциации молекул CO и CH4 при температурах выше верх­ней критической точки;
  • дальнейшая диффузия атомов углеро­да в глубинные слои стали.

При цементации имеют место следующие реакции:

2СО <=> С(Fey)+СО2          (16)
СН4 <=> С(Fey) + 2Н2          (17)

При насыщении углеродом у-твердого раствора железа - аустенита сверх предела растворимости протекают реакции с образованием карбида железа - цементита:

3Fe + 2CO <=> Fe3C + CO2          (18)
3Fe+ СН4 <=> Fe3C + 2Н2          (19)
3Fe + СО + Н2 <=> Fe3C + Н2О          (20)

Кривые равновесия реакцийОдновременно в газовой атмосфере могут протекать реакции с образованием углерода (сажи).

На рисунке 2 показаны типичные теоретические равновесные кривые реакции (18) для углеродистых сталей с различным содержанием углерода.

Если известны температура нагрева стали и заданная концентрация углерода, то по кривым равновесия можно найти соответствующую точку на оси ординат, по которой определяется константа равновесия и вычислить процентное содержание окиси и двуокиси углерода в равновесной га­зовой атмосфере.

При анализе взаимодейст­вия по реакции (19) необходимо учитывать, что диффузия углерода в железо, при взаи­модействии метана с железом, протекает активнее, чем окиси углерода  с  железом  по  реакции (18). Активность метана по сравнению с активностью окиси углерода при взаимодействии их с железом в темпе­ратурном интервале от 800 до 1100°С возрастает в 8 - 400 раз (таблица 1).

Кроме этого, условия равновесия между газовой фазой и сталью сильно изменяются при различной степени насыщения углеродом аустенита стали. При постоянном значении констан­ты равновесия обезуглероживающая способность атмосферы СО - СО2 увеличивается с повышением температуры, науглероживание железа при этих условиях уменьшается (см. рисунок 2).

 Сравнительная степень активности углерода, выделяющегося из окиси углерода и метана при диффузии в  железо

таблица 1
Температура
 це­ментации, °С
Максимальное коли­чество активного углерода, г/м3
Соотношение активности газов СН4 / СО
из  окиси углерода (СО)
из метана (СН4)
800
900
1000
1100
64,2
13,9
4,3
1,34
513
525,6
530,6
532,7
8
38
123
400

 


  
Оборудование на складе
Объявления

Шкафы сушильные ШС-14
Шкафы сушильные ШС-14 сняты с производства

Изменение цен
С 1 февраля 2024 г. повышаются цены на производимое ООО "МИУС" оборудование. 

Благодарность от Президента РФ
Первый заместитель губернатора, председатель правительства Тульской области Вячеслав Федорищев передал директору компании Благодарность Президента РФ.

Юбилей ООО "МИУС"
В мае 2023 года нашей компании исполнилось 30 лет!

Премия правительства РФ в области науки и техники
ООО "МИУС" в числе лауреатов премии.

Реорганизация компании
Завершена реорганизация в форме преобразования ЗАО "МИУС" в ООО "МИУС"