» » Науглероживание стали в природном газе и его смесях с азотом
13.01.2015

Природный газ и его смеси с азотом условно можно отнести к бескислородным атмосферам. Количество содержащихся в них O2, H2O, CO2, которые попадают в атмосферу с исходным сырьем, настолько мало, что для применения этих газов при высокой температуре в качестве контролируемой атмосферы не требуется никакой их предварительной тепловой обработки. Тем не менее, при кратковременном нагреве металла, например электроконтакт-ном или индукционном, в холодном природном газе или его смесях с азотом даже эти небольшие примеси кислородсодержащих газов оказывают заметное влияние на результаты взаимодействия атмосферы с металлом. Влияние кислородсодержащих газов проявляется прежде всего через окисление металла, которое обычно происходит при низких температурах. С повышением температуры кислородсодержащие газы вступают в реакции с метаном и их влияние на качество атмосферы становится незаметным.
О существенном влиянии температуры металла на его науглероживание в холодных смесях природного газа (CO2 0,6—0,9%; O2≤0,1%; H2O 0,01—0,05%) с азотом (O2~0,1%, H2O~0,05%) свидетельствуют следующие результаты.
На рис. 87 показана зависимость концентрации углерода в проволочных образцах диаметром 0,8 мм, нагретых электроконтактным способом при 1000 и 1200° С. Видно, что при 1000° С содержание углерода в стали 45 не изменялось при концентрации метана в смеси около 6%, а при 1200° C — при концентрации 3%.
Науглероживание стали в природном газе и его смесях с азотом

Результаты взаимодействия атмосферы природный газ — азот зависели не только от конечной температуры нагрева металла, но и от характера изменения ее в период нагрева или охлаждения. На рис. 88 представлены кривые распределения углерода в поверхностном слое цилиндрических образцов диаметром 30 мм из стали У10, нагретых в индукторе и охлажденных в воде. На этом же рисунке приведено изменение температуры поверхности образцов в процессе нагрева. В отличие от проволочных образцов, нагретых электроконтактным методом за 5—10 с, цилиндрические образцы нагревались в индукторе в течение 2,5—3 мин. Из рис. 88 следует, что с увеличением добавки природного газа к азоту до 12% обезуглероживание металла уменьшилось, однако и при такой концентрации метана в смеси науглероживание образцов не наблюдалось.
Науглероживание стали в природном газе и его смесях с азотом

Таким образом, при применении смесей природного газа с азотом содержание CH4, при котором обеспечивается необезуглероживающий или науглероживающий нагрев, может изменяться в широких пределах.
В некоторых случаях металл не науглероживается и в природном газе. Например, при электроконтактном нагреве до 900° С в течение 5—7 мин проволочные образцы обезуглероживались в природном газе. В случае индукционного нагрева в природном газе обезуглероживание наблюдалось при нагреве стали до 1100° С. При пламенно-индукционном нагреве в атмосфере природного газа в индукторе сталь обезуглероживалась, если в пламенной части установки металл окислялся. О значительном влиянии окисления металла перед подачей в индуктор природного газа .свидетельствуют данные, приведенные на рис. 89. Видно, что при начальном окислительном нагреве (n=1,1) атмосфера в индукторе мало влияет на распределение углерода в поверхностном слое стали, по мере снижения начального окисления (n=0,5 и 0,45) науглероживание в атмосфере природного газа увеличивалось.
С увеличением времени выдержки металла при высоких температурах в природном газе начальный период нагрева металла влияет меньше На рис. 90 приведены два случая науглероживания окисленных образцов. В первом случае (рис. 90, а) металл предварительно выдерживали при 1150° С в атмосфере продуктов неполного сгорания с n=0,6, во втором — с n=0,8. В результате такой выдержки на стали образовалась оксидная пленка толщиной соответственно 0,05 и 0,15 мм. Видно, что при выдержке в природном газе в течение 13—16 мин содержание углерода в поверхностном слое стали значительно превысило номинальное. Содержание хрома в поверхностном слое металла не изменилось. Окалина на поверхности образца восстановилась.
Науглероживание стали в природном газе и его смесях с азотом

Результаты исследования науглероживания цилиндрических образцов в природном газе, предварительно обезуглероженных в продуктах неполного сгорания при n=0,5, представлены на рис, 91 и 92. Образцы из сталей У8 и Р18 нагревали до 1050° С, ШХ15 — до 1080—1120° С. Скорость газового потока составляла 0,65 м/с.
Науглероживание стали в природном газе и его смесях с азотом

Из сравнения кривых, приведенных на рис. 91, следует, что характер науглероживания зависит от состава стали. В стали Р18 наблюдается более высокое содержание углерода в поверхностных слоях и более резкое падение концентрации углерода при движении в глубь металла, чем в стали У8. Такая разница вполне закономерна, если учесть более низкий коэффициент диффузии углерода в комплексно-легированной стали P18. Для всех науглероженных образцов наблюдается падение содержания углерода в наружных слоях, что можно объяснить некоторым обезуглероживанием металла при охлаждении. Из рис. 92 видно, что углерод в поверхностном слое стали в природном газе восстанавливался за время, заметно меньшее, чем то, в которое она выдерживалась в продуктах неполного сгорания при n=0,5.
Обращает на себя внимание тот факт, что стали У8 и Pl8 через 30 мин перестают науглероживаться с поверхности и в дальнейшем содержание углерода в образце изменяется мало. На поверхности образцов к этому моменту образуется слой пироуглерода толщиной 0,21—0,23 мм. Анализ пленки, взятой с поверхности образца из стали У8 после 1 ч выдержки, показал, что она почти целиком состоит из углерода.
Науглероживание стали в природном газе и его смесях с азотом