Способ регулирования углеродного потенциала печной атмосферы

 

Изобретение относится к неорганической химии , а конкретно к способам химико-термической обработки металлов и сплавов и может быть использовано для регулирования углеродного потенциала печной атмосферы Сущность изобретения нагревают твердоэлектролитный датчик, измеряют его температуру и ЭДС. по величине которых определяют величину углеродного потенциала печи и изменяют его уровень в соответствии с определенной программой определяют величину коэффициента легирования для различных обрабатываемых деталей, по величине которого вычисляют температуру Т нагрева твердоэлектролитного датчика ОД которую поддерживают в течение всего процесса регулирования, причем температуру Т вычисляют од в соответствии с математическим выражением, приведенным в формуле и описании 1 ыбл

" ®ММ т -ТЬадч, " ;11-: ., ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации ио патентам и топарньтм знакам (21) 5045805/02 (22) 07.04.92 (46) 15.10.93 Бюл. Мя 37-38 (75) Полойко Ф.C„. Быкова АГ:, Короткова Л.Ф. (73) Полойко Феликс Соломонович (54) СПОСОб РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛЕРОДНОГО ПОТЕНЦИАЛА ПЕЧНОЙ АТМОСФЕРЫ (57) Изобретение относится к неорганической химии, а конкретно к способам химико-термической обработки металлов и сплавов и может быть использовано для регулирования углеродного потенциала печной атмосферы. Сущность изобретения: нагревают твердоэлектролитный датчик, измеряют (в) RU (ii) 2001127 Cl (ч) я сг)тра его температуру и ЭДС, по величине которых определяют величину углеродного потенциала печи и изменяют его уровень в соответствии с определенной программой, определяют величину козффици— ента легирования для различных обрабатываемых деталей, по величине которого вычисляют температуру Т нагрева твердоэлектролитного датчика, од которую поддерживают в течение всего процесса регулирования, причем температуру Т вычисляют од в соответствии с математическим выражением, приведенным в формуле и описании. 1 табл.

2001127

Изобретение относится к неорганической химии, конкретно к способам химикотермической обработки металлов и сплавов и может быть использовано для регулирования углеродного потенциала печной атмосферы.

Известно устройство. реализующее способ регулирования углеродного потенциала печной атмосферы.

Недостатком известного способа регулирования является малый срок службы твердоэлектролитного датчика, Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является выбранный в качестве прототипа способ регулирования углеродного потенциала печной атмосферы, при котором нагревают твердоэлектролитный датчик, измеряют его температуру и ЭДС, по величине которых определяют величину углеродного потенциала печи и изменяют его уровень в соответствии с определенной программой.

Недостатком известного способа является низкий срок службы твердоэлектролитмого датчика.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что известные устройства в которых реализуется способ регулирования углеродного потенциала не обеспечивают точного и качественного регулирования процессов обработки изделий. В результате иэделия, подвергаемые обработке имеют низкую долговечность и надежность, за счет образования карбидной сетки. Также в известных решениях срок службы чувствительного элемента выносного твердоэлектролитного датчика очень низкий и низкая производительность печей химико-термической обработки. .Предлагаемое решение позволяет повысить срок службы твердоэлектролитного датчика, а также увеличить долговечность и надежность изделий, подвергаемых химико-термической обработке.

В предлагаемом способе регулирования углеродного потенциала печной атмосферы, при котором нагревают твердоэлектролитный датчик. измеряют его температуру и ЭДС, по величине которых определяют величину углеродного потенциала печи и изменяют его уровень в соответствии с определенной программой, дополнительно определяют величину коэффициента легирования, для различных обрабатываемых деталей. по величине .которого вычисляют температуру нагрева твердоэлектролитного датчика. которую поддерживают в течение всего процесса регулирования. причем температуру T;,ä вычисляю в соответствии со следующей формулой:

С,г + а (f — 1,0) — а а7 где a> = 1,213%,вес ар =: 3,264 10, вес/К; аз = 0,926 вес;

f - коэффициент легировэния, б/р;

C» - углеродный потенциал атмосферы, вес;

То =- 1173 К

По сравнению с известными техническими решениями предлагаемое решение позволяет существенно увеличить срок службы чувствительного элемента выносного твердоэлектролитного датчика за счет понижения его температуры до минимально возможной. Также заявляемое решение позволяет увеличить надежность и долговечность обрабатываемых деталей эа счет исключения воэможности образования карбидной сетки и позволяет увеличить производительностьь печей химико-термической обработки эа счет увеличения углеродного потенциала до предела растворимости углерода в легированном аустените и интенсификации процесса массообменэ.

Предлагаемый способ регулирования углеродного потенциала печной атмосферы реализован следующим образом.

Процесс химико-термической обработки осуществляют нагревом изделия в среде газов, содержащих углерод. Изделия нагревают как в шахтных печах, так и в безмуфельных печах непрерывного действия при температуре 800-1250 С. В качестве атмосферы используется, например эндотермиче40 ский газ с добавками природного газа.

Основным преимуществом печной атмосферы является возможность автоматического регулирования углеродного потенциала. На показатели прочности це45 ментованной стали большое влияние оказывает концентрация углерода на поверхности изделия, например, максимальные значения контактной выносливости получают при содержании углерода в пределах 0.8-1,3 При этом нельзя допускать образование карбидной сетки, снижающей долговечность и надежность изделий.

Для контроля углеродного потенциала используется твердоэлектролитный датчик, 55 надежность и долговечность которого является важной эксплуатационной характеристикой оборудования. Тэк кэк рабочая температура датчика в значительной мере определяет срок его cny»: ì, то наиболее

2001127

20.0 — 1,213

Тол

= —-3,264 10

+(1 1 73-2 73) — 1,0 — 1.213

Т

3,264 10

+ (1173-273) 55 надежными являк)1ся датчики выносного типа, работающие при минимально возможной температуре. Однако, предельное значение углеродного потенциала атмосферы в печи существенно определяется рабочей температурой и в случае, когда температура датчика Тл<Тг,;„, углеродный потенциал атмосферы может принимать значение большг;а предельного, соответствующего границе )< -области для данной легированной стали, что недопустимо.

С целью максимально возможного уменьшения рабочей температуры датчика и работы в )<-области температурудатчика целегообразно выбирать в соответствии с зависимостью: т. ". д-1ж=й,т (1) ол ар о где а1 =- 1.213 мас., а2 = 3,264 10 мас.%/K; аз = G,926 мас.%;

f — коэффициент легирования, б/р;

С„- углеродный потенциал атмосферы, мас,%;

То — 1173 К

Пример 1. Коэффициент легирования и коэффициент, учитывающий зависимость коэффициента легирования от состава стали определяли по известному техническому решению f =- 0,134%SI + 0,0907% Al +

0,0276% 1 11 + 0,032% W — 0,041% Мп

0,0405% Мо - 0,283% V - 0,447% Ti - 0,088%

Cr.

В качестве цементуемой стали обрабатывали сталь 14ХНЗМА с f = - 0,041 0,65-0,0405 0,33 — 0,088 0,9 + 3,0 0,0276 =

=- 0,036415 f = 0,96 при температуре 950 С в атмосфере эндогаза с добавкой природного газа. Заданное значение углеродного потенциала - 1,2 мас.%.

Химический состав стали 14ХНЗМА, %;

С 0,11 — 0,17; Мп 0,5-0,8; Cr 0,7-1,1; Ni 2,753,25: Мо 0,25-0,40.

Ig f -% Лп 0,018 - % Мо 0,0176+

t% Ni 0,012 - % Cr . 0,038 = -0,65 0,018— 0.33 0,0176 + 3,0 0,012 - 0,9 0,038 =

=- 0,0117 — 0,005808 0,036 — 0,0342

=0,015708 =- Т 984292 = Т 9843 f c = 0,96

fс,"= опроделяк> по известному техническому решению.

Дат <ик нагревают до температуры Тол, которая согласно, ормуле (1) составляет;

1.2 + G,g? 6(0,96 — 1,0 — 1,213

Тол — — „+

:1. 2 64 10

+ (1173-273) Тол = 885 С

Таким образом, температура датчика значительно ниже температуры печи, что существенно увеличит срок его службы.

5 Пример 2. В качестве цементируемой стали обрабатывали сталь 15НЗМА.

0,0276 3,0 - 0,0405 0,33

=0.069435

f = 1,07

10 Температура - 950 С. Заданное значение углеродного потенциала — 1,1 мас, .

Датчик нагревают до температуры Т л, которая согласно формуле (1) составляет:

Химический состав стали 15НЗМА,%:

15 С 0,10-0,18; Ni 2,75-3,25; Мо 0,25-0,40; Cr отс; 1Лп отс.

Ig f +% Nl . 0,012-%Мо 0,0176=

= +3,0 . 0,012 -0,33 0,0176 =- 0,036—

-0,005808 = 0,030192

fс 1,07

Тол=885 С

Таким образом, температура датчика значительно ниже температуры печи, что позволяет существенно увеличить срок его службы.

Пример 3. В качестве цементуемой стали обрабатывали сталь 19ХГНМЛ.

0,0276 1,25 — 0,0405 0,48

-0,088 1,05 - 0,041 1,05 = — 0,12039

f= 088

Температура -950 С. Заданное значение углеродного потенциала -1,30% вес.

Химический состав стали 19ХГНМА,%:

40 С 0,15-0,23; N11,0-1.5; Мо 0,40-0,55: Cr 0,901,20; Мп 0,90-1,2.

Ig f с = % Ni 0,012 — %Мо 0,0176-% Ci 0,038 - %Мп 0,018 = 1,25 . 0,012-0,48 0,0176 - 1,05 0,038 - 1,05 0,018 =

45 =0,01 5 - 0,008448 — 0.0399 - 0,0 189

Т+1

=-0,052248 = Т19478

f "= 0.88.

Температура датчика Тол выбирается

50 согласно формуле (1) и составляет:

Тол = 893 С

Таким, образом, температура датчика значительно ниже температуры печи что существенно позволяет увеличить сто его службы.

200112

Предлагаеллыи способ

Прототип

) 1 2

600 1 500

4,00

;??.00

33

210 200

210

210

Г1 р и м е р 1, В качестве ц< ментул лой стали об1>абатывали сталь 12НЗМА, 0 0276 3 0 - 0 0405 Г1.33

-=0,069435

1= 1.07 5

Температура -950 С. Заданное значение углеродного потенциала — 0,9 маг..%

Химический состав стали 12НЗМА,%: С

0,10-0,16; N12,75-3,25; Мо 0,25-0,40; Cr отс.

Мп отс. 10

Ig fc=-% % 0,012-% Мо 0,0176=

=3,0 0,012 - 0,33 0,0176 = 0,036-0,005808 =- 0,030192

f „== 1,07, Датчик нагревают до температуры Т д, которая согласно формуле (1) составляет:

0,9 + 0,926(1,07 — 1,0) — 1,213

Тол,< — — +

3,264 10

+- (1173-273) Срок служГы чувсвительного эл мента ТЭД (тыс. ч)

Среднее число шарашек на прохо ку, (шт) Производительность печи (кг/ч) Формула изобретения

< ПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ УГЛЕРОДНОГО ПОТЕНЦиАлА печнОЙ АтмОсФеРы, включающий нагрев твердоэлектролитного датчика. измерение его температуры и ЭДС, определение по этим значениям величины углеродного потенциала печи и изменение его уровня в соответствии с определенной программой, отличающийся тем, что до- >5 полнительно определяют величину коэффициента легирования для различных обрабатываемых деталей, по величине которого вычисляют температуру Т д нагрева твердоэлектролитного датчика, которую 0

1(-лд 82 1 С

1ал им образом, те<лператуГ<а датчика з«а «<ò<;«ü«<> «иже теллпс.рагуры печи, что г<г:«<о«яег r.ó<ö< .< твенно увели <и<ь срок его

<-ëóæ6ü<.

Предложенный способ р гулирования углеродного потенциала был проверен на печи типа СН3, уста«овленной в ОВНИИЭТО г.Истра.

Результаты экспериментальных исследований приведены в таблице.

Из таблицы видно, что срок службы чувствительного элемента выносного твердоэлекгролитного датчика увеличивается

ВЛт<ОЕ. ПРОИЗВОДИтЕЛЬНОСтЬ ПЕЧИ УВЕЛИЧИВаетсч на 5-10%. а надежность и долговечность обрабатываемых изделий увеличивается на 3%. (56) Авторское свидетельст во CCCР

N. 1458399, кл. С 21 D 1/76. 1989, поддерживают в течение всего процесса регулирования, причем температуру Тод вычисляют в соответствии со след/ющим математическим выражением:

Сат+ аз(f — 1,О) — а<

")-—

+T а л где a1 = 1,213 мас.%; а2 = 3,264 ° 10 мас.%; аз = 0,926 мас.%;

f - коэффициент легирования:

C» - углеродный потенциал атмосферы, мас,%, Тл = 1173 К.