Способ цементации стальных изделий в кипящем слое

 

СПОСОБ ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ, включающий разогрев слоя до 920-1050С и периодическое ПСевдоожижение путем продувки смесью эндогаза и природного газа, отличающийся тем, I .,.-, У. что, с целью повышения удельной производительности при сохранении высокой скорости массообмена и зкономичности процесса, кипящий слой, нагретый до 920-1050°С, перед псевдоожижением предварительно осаждают и продувают природным газом в течение 1-5 ч со скоростью, обеспечивающей степень разложения метана на выходе из слоя 0,9-1,0, псевдоожижение смесью эндогаза и природного газа осуществляют со скоростью , равной 3-8 критическим скоростям ожижения, продолжительностью периодов псевдоожижения 1-5 мин и паузами 5-90 мин при отношении рас (Л ходов природного газа и зндогаза 0,04-0,3.

СОЮЭ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ГЮ ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

„SU,„, 19 131 А

ply, С 23,С 8/22 (2 1) 3725891/22-02 (22) 03.02.84 (46) 15. 12. 85. Бюл. Ф 46 (71) Уральский политехнический институт им. С.М.Кирова (72) В.И.Светлаков, С.Т.Ильиных, А.С.Заваров, l0.П.Плотников н А.М.Дубинин (53) 62 1.785.5(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 724603, кл. С 23 С 9/02, 1976. (54) (57) СПОСОБ ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛЬНЫХ

ИЗДЕЛИЙ В КИПЯЩЕМ СЛОЕ, включающий разогрев слоя до 920-1050 С и периодическое псевдоожижение путем продувки смесью эндогаэа и природного газа, отличающийся тем, что, с целью повышения удельной производительности при сохранении высокой скорости массообмена и экономичности процесса, кипящий слой, нагретый до 920-1050 С, перед псевдоожижением предварительно осаждают н продувают природным газом в течение 1-5 ч со скоростью, обеспечивающей степень разложения метана на выходе из слоя 0,9-1,0, псевдоожижение смесью эндогаза и природного газа осуществляют со скоростью, равной 3-8 критическим скоростям ожижения, продол;кительностью периодов псевдоожижения 1-5 мин и паузами 5-90 мин при отношении расходов природного газа и эндогаза 0,04-0,3.

1 1198

Изобретение относится к машиностроению, преимущественно сельскохозяйственному, транспортному, корабле- и авиастроению, и может быть использовано при химико-термической

5 обработке деталей, требующих повышенной поверхностной твердости и способных противостоять механическому износу.

Целью изобретения является повышение удельной производительности при сохранении высокой скорости массообмена и экономичности про" цесса.

Пример, При цементации, на пример, втулок гусениц тракторов на печи с кипящим слоем материалом кипящего слоя взяли формовочный песок фракции 315 мкл. Высота насыпного слоя в печи составила 1300—

1400 мм. Рабочая высота 1100-1200 мм . (часть объема занимала крестовина на дне печи для установки корзины с деталями).

В корзину помещали втулки с максимапьной плотностью (втулки касались друг друга) в 3 ряда по высоте по 56 штук в каждом ряду. Общая поверхность втулок F = 12 м, что соответствует удельной загрузке

40 м /м . Технологическая глубина цементации d"= 2 мм (по требованиям технологии). Поверхностная концентрация Сп - 1,1ХС, t 95u .

Затем определяется расчет режима.

Предварительная продувка природ- З5 ным газом неподвижного слоя предназначена для обогащения твердой фазы кипящего слоя свободным углеродом (пироуглеродом). При температурах меньших 1 100 С метан может разлагать- №О о ся только на твердой поверхности, в газовой фазе он инертен. Интенсив- ность диссоциации метана на твердой поверхности зависит от температуры и свойств этой поверхности, например, №5 таких как ее каталитическая способность и удельная поверхность (S).

Удельная поверхность зависит от размера частиц и их формы. Диапазон материалов, применяемых в качестве твер- 50 дой фазы кипящего слоя, может быть широк, следовательно, скорость его диссоциации в неподвижном слое может колебаться в значительных пределах. 55

Из выражения

8п

r снц

-К.Я с гО

К сн, 131 2 видно, что при постоянных К и S вре. мя С контакта метана с твердой пок верхностью прямо пропорционально величине Ь, . Здесь rñè и гсм о

Г сн4 о

r > — объемные доли метана на вхос№ де и выходе иэ слоя соответственно.

Причем .гсн = 1, К вЂ” константа скорости диссоциации метана на твердой поверхности. гсм

Обозначим м = Y. Тогда степень сне диссоциации метана выразится 1 — Y.

Скорость продувки M = H/ i Найдем зависимость продолжительности предварительной продувки от величины Y.

Допустим, требуется ввести в слой

Ис кг углерода.

Mc = F WC (1 — ) — ««

12 273

8 22,4 t+273 (1)

1 где F — сечение печи, м .

Вместо И подставим Н/r и выразим из (1) .

Окончательно получим

Nc(t + 273)22 4 PLY о

V 12 273. К S 1-Y где Н вЂ” высота слоя, à V = F.Í, Результаты представлены в таб.— лице.

Изображена расчетная зависимость

ЬУ(1 " Y) из которой видно, что в диапазоне 0 (Y ь 0,1 продолжительность продувки резко снижается с ростом Y т. е. при незначительной потере метана можно примерно в 1,5-2 раза сократить время этой операции.

Дальнейшее .увеличение Y уже не дает ощутимого снижения С© . Поэтому скорость продувки следует ограничивать не только скоростью Ы начала псевК доожижения, но и величиной У, не допуская ее увеличения сверх Y=Î 1.

Величину Y можно проверить практи- ческим путем химического анализа проб газа, взятых на выходе из печи, по содержанию водорода или метана.

Увеличивая Y в указанных пределах, несколько теряем в полноте использования метана, но значительно выигрываем во времени. Итак, скорость продувки слоя должна обеспечивать степень. разложения метана в пределах

0,9 ((1 — Y) < 1 и не превышать Ы, .

Периоды псевдоожижения необходимы для интенсивного перемешивания твердой фазы для выравнивания полей концентрации пироуглерода и темпераi 198131

Y 0 01 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 0 4 0,5

ЗпУ -4,6 -3 -2,3 — 1,87 — 1,6 -1,38 -1,2 -1,05 -u 91 -0,69

1-Y 0,99 0,95 . 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,5 — 4,65 3,15 2,75 2,2

tnY

2,03 1 85 1,72 0,62 1,52 1,38

ВНИИПИ Заказ 7692/29 Тираж 899 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä, ул.Проектная, 4 туры, поэтому псевдоожижение произ-. водят с оптимальной в этих целях скоростью W Эта скорость зависит от размера частиц. Для частиц размером 100-125 мкм W лежит в предел лах (5 — 8)W„, а для частиц размером

500 мкм — в пределах (3-5)W . Если

k взять диапазон скоростей псевдоожижения в пределах Wä = (3 — 8) W то он будет соответствовать твердому материалу с размером частиц 100—

800 мкм. При меньших размерах частиц слой плохо псевдоожижается (образуются залежные зоны), а при больших — слишком велик расход газов и низка удельная поверхность S, что приводит к сильному росту r — вред мени предварительной продувки.

Смесь эндогаза и природного газа в периоды псевдоожижения должна соответствовать обобщенному (суммарному) коэффициенту расхода воздуха Ыр в пределах

О, 1-0,25. Эндогаз, строго отвечающий коэффициенту расхода воздуха с =

= 0,25, практически получить невозможно. Обычно коэффициент с больше величины 0,25 и составляет 0,26-0,3.

Если взять о(= 0,3, то чтобы попасть в диапазон с = 0,1 — 0,25 необходимо подмешать к эндогазу как минимум 0,037 доли метана. Если принять пределы изменения

V — (0,04 — 0,3), то такая смесь

Э всегда будет лежать в пределах значений о = 0,1 — 0 25, даже если состав эндогаза отвечает коэффициенту расхода воздуха Ы = 0,3.

Большие значения с(, при производстве эндогаза стараются не допускать, поскольку при последующем его охлаждении образуется слишком много

i воды, которая затрудняет работу оборудования.

Если в смеси природного газа с эндогазом состав эндогаза соответствуетс(7 0,25, то взаимодействие такой смеси с пироуглеродом будет, сопровождаться газификацией пироуглерода. В случае непрерывного псевдоожижения пироуглерод будет выво„циться из слоя в составе газовой фазы. Чтобы устранить такие потери углерода и повысить интенсивность обмена углеродом между частицами и стальной поверхностью необходимо дать возможность подмешанному метану диссоциировать, тогда коэффициент расхода воздуха, соответствующий составу эндогаза, по мере разложения метана будет уменьшаться, а произведение r r H увеличиваться

2 и при полном разложении избыточного метана состав эндогаза будет отвечать с = с Е 40,25. Но для диссоциации избыточного метана необходимо время. Кинетика диссоциации метана в осажденном слое не изучена, однако уже известно, что в смеси с эндогазом метан разлагается гораздо медленнее, чем без эндогаза, кроме того, при температуре 925 С после осаждения слоя над печью еще происходит сгорание выходящего из слоя газа в факеле в течение 5-10 мин (горит водород и метан).. Следовательно, за нижний предел продолжительности выдержки слоя в осажденном состоянии можно принять 5 мин.

Данный способ цементации повышает

4 удельную производительность печей в 20-30 раз при сохранении высокой скорости и экономичности процесса.