» » Науглероживание стали при циклическом и импульсном применении природного газа
13.01.2015

Природный газ, как уже было отмечено, находит широкое применение в смешанных контролируемых атмосферах, в которых его используют в виде небольших добавок. Однако с повышением температуры при таком способе применения природного газа возрастают трудности, связанные с управлением процессом. Из-за невозможности установки в высокотемпературных условиях циркуляционных вентиляторов одновременно резко увеличивается неравномерность распределения углеродного потенциала в объеме печи.
Используя природный газ, более стабильные результаты можно получить, не смешивая его с атмосферой с низким углеродным потенциалом в том или ином соотношении, а чередуя нагрев металла то в одной, то в другой атмосфере, т. е. применяя чередование атмосфер с известными вполне определенными свойствами подобно тому, как это, например, делают при вакуумной цементации.
В технологическом отношении наиболее целесообразны два варианта такого применения природного газа: 1) при его чередовании с продуктами неполного сгорания с n=0,5 и 2) при чередовании природного газа (или его смеси с азотом) с продуктами его пиролиза. Первый вариант, связанный с относительно длительным периодом подачи в зону нагрева металла природного газа, назовем циклическим, второй, характерным для которого является относительно кратковременный ввод природного газа, — импульсным методом применения природного газа.
Кроме выравнивания содержания углерода по толщине приповерхностного слоя металла, разрабатывая эти методы использования природного газа, добивались также выравнивания концентрации углерода по поверхности, в том числе в зонах контакта заготовок друг с другом или с кладкой печи.
Как было отмечено, при науглероживании в продуктах неполного сгорания природного газа при n=0,35 с достаточно большим содержанием C2H2 равномерное по поверхности науглероживание металла или его равномерный необезуглероживающий нагрев возможны лишь для одиночно расположенных заготовок, поверхность которых в равной степени доступна турбулентному потоку газа. Такой вариант нагрева металла вероятен лишь при скоростном нагреве заготовок в специальных печах, например секционного типа.
При необходимости длительного гомогенизирующего нагрева нагрев одиночных заготовок трудно совместить с требованиями, предъявляемыми к производительности агрегатов, которая в данном случае повышается пропорционально плотности укладки металла в печи.
Опыты с применением в качестве науглероживающей среды природного газа провели в специально построенной (завод «Серп и молот») камерной печи с послойным сжиганием топлива. В печь подавали холодную газо-воздушную смесь, которая сгорала в горелочных каналах, расположенных в стенах печи. В связи с отсутствием подогрева смеси минимальные значения п, при которых удавалось полностью сжигать смесь в каналах, составляли 0,4—0,45. При таких значениях п углеродный потенциал атмосферы в зоне нагрева металла не превышал 0,2—0,35 и стали типа ШХ15 и У10 обезуглероживались примерно с той же скоростью, что и при обычном нагреве. При снижении п менее 0,4 — 0,45 и расположении амбразур горелочных каналов выше нагреваемого металла существенных изменений в скорости обезуглероживания высокотемпературного Cl 100—1150° С) металла не наблюдалось.
Все попытки ввода природного газа в чистом виде или в смеси с продуктами неполного горения непосредственно в печь для уменьшения обезуглероживания сталей IIIX15 и У10 окончились неудачей. Кроме того, подача природного газа в зону нагрева металла вызывала значительное снижение температуры металла, связанное с затратами тепла на пиролиз газа и экранированием излучения из зоны дожигания образующейся при пиролизе сажей.
Опыты были продолжены с муфелированием металла. Только в этом случае были получены положительные результаты.
При циклическом применении природного газа использовали негерметичные муфели (с полуоткрытым верхом), при импульсном — герметичный муфель (колокол).
В связи с небольшой плотностью продуктов пиролиза природного газа при отключении подачи природного газа под негерметичный муфель он в течение нескольких секунд вытеснялся более плотными продуктами неполного сгорания (n=0,5). В случае герметичного муфеля продукты пиролиза природного газа относительно долгое время сохранялись под муфелем, разбавляясь окружающими газами лишь за счет их молекулярной диффузии.
Науглероживание стали при циклическом и импульсном применении природного газа

Внешний вид образцов из стали IIIX15, нагретых в различных атмосферах, показан на рис. 93. Образцы 1—4 нагревали в печи без муфеля. Они обезуглеродились на глубину 1—1,5 мм, причем на образце 1 толщина окалины составляла 2 мм, на образцах 2—4 никаких видимых следов окисления, кроме потемнения поверхности, не обнаруживалось. Образец 4 нагревали, чередуя атмосферу продуктов неполного сгорания с n=0,5 (2 мин) и природного газа (4 мин). Спектрограммы состава атмосферы в печи показали, что в ней концентрация ацетилена не превышала 0,5%. Из-за малой плотности продуктов пиролиза природного газа и низкой его объемной скорости в зоне нагрева металла (<0,1 с-1) контролируемая атмосфера разбавлялась продуктами дожигания [Σ (CO2 + H2O) ≥ 1% ], что и приводило к обезуглероживанию металла даже в случае применения природного газа (при температуре около 1100C).
Образцы 5, 6 были нагреты в негерметичном муфеле с чередованием атмосферы природного газа (3 мин) и продуктов неполного сгорания n=0,5 (1 мин). Они науглеродились на глубину 1,5—1,8 мм; на глубине 0,1 мм содержание углерода в стали составляло 1,7—1,8%. С поверхности тонкий слой оплавлялся (на рисунке оплавленные участки выглядят более светлыми). Объемная скорость природного газа в муфеле составляла примерно 1 с-1, что, как видно по оплавленной части образцов, обеспечило их относительно равномерное науглероживание. Несмотря на то что нижняя часть образцов находилась в гнездах, высверленных в шамотном легковесе, образцы науглеродились и в контакте с кладкой, причем содержание углерода в верхней и нижней частях образцов различалось мало.
Более подробные сведения о выборе временных соотношений при циклическом нагреве в природном газе представлены в следующем разделе.
В исследованиях импульсного применения природного газа время продувки муфеля природным газом с объемной скоростью 0,1—1 с-1 изменяли в пределах 2—120 с, время паузы — в пределах 150—600 с. Нагревали квадратные темплеты (80x80) из стали ШХ15. Максимальная температура нагрева 1200—1220° С, время выдержки при конечной температуре 5 ч (гомогенизирующий нагрев).
Визуальное наблюдение показало, что при температуре 1200° С и паузе 600 с сталь начинает оплазляться при подаче природного газа под муфель в течение ≥12 с, паузе 300 с — в течение ≥5 с. Co всех открытых сторон темпл зты оплавлялись относительно равномерно. Длительный необезуглерсживающий нагрев темпле-тов из ШХ15 до 1200° С в муфеле с песочным затвором (V/L=150 см, l/B=2/3), например, достигался при паузе 300 с и длительности подачи природного газа 3 с, т. е. при соотношении активного и диффузионного периодов 1:100. В активный период объемная скорость природного газа в муфеле составляла 0,3—0,5 с-1. Содержание углерода в приповерхностном слое с открытой стороны темплетов больше зависело от времени периодов, чем с закрытой. Между темплетами и со стороны кладки при импульсной подаче природного газа содержание углерода практически не отличалось от содержания углерода в сердцевине металла. Неоднократное повторение опытов при установке муфеля в атмосфере продуктов неполного горения с n=0,5 приводило к однотипным результатам.
Расход природного газа при импульсной подаче его под герметичный муфель по сравнению с режимом с циклическим использованием природного газа уменьшился примерно в 150—200 раз и составлял не более 0,2% от расхода газа на отопление печи. Достигнутый эффект равномерного необезуглероживающего нагрева с применением природного газа при импульсной его подаче связан с очень небольшой продолжительностью активного периода, при высоких температурах составляющей всего несколько секунд, и применением продуктов пиролиза природного газа, обладающих относительно слабой науглероживающей и обезуглероживающей способностями.
Промышленное опробование способа импульсного применения природного газа, проведенное в методической печи стана 780 Челябинского металлургического завода, показало удовлетворительные результаты. Нагревали по два блюма размерами 250 (200)X250 (200) X3500, которые предварительно загружали в сваренный из низкоуглеродистой стали муфель размерами 320 (270)X560X3650 мм. Отношение объема свободного пространства под муфелем к длине затвора V/L составляло 240—260 см2, отношение глубины затвора к его ширине l/B=10. Затвор заполняли магнезитовым и шамотным порошками. Природный газ подавали поочередно через торцы муфеля водоохлаждаемыми трубками (отношение времени включения к паузе — 4 : 300 с) с объемной скоростью 0,03 с-1 ( на холодный газ). Муфель с блюмами выдерживали в томильной зоне печи при температуре 1200° С в течение 12 ч. После нагрева блюмы охлаждали на воздухе.
Металлографическим анализом различных участков поверхности блюмов, нагретых в нетренированном муфеле с импульсной подачей под него природного газа, было установлено, что обезуглероживание поверхности блюмов, охлажденных на воздухе, не превышало 0,2—0,25 мм. В некоторых случаях концы блюмов имели науглероженный слой, что было связано с температурным перекосом в работе печи, относительно низкой объемной скоростью природного газа и его локальной подачей через торцы муфеля. Важно отметить, что в местах контакта блюмов и муфеля металл сваривался. Наблюдаемое явление диффузионной сварки блюмов и муфеля в атмосфере продуктов пиролиза природного газа, видимо, полностью исключает возможность высокотемпературного гомогенизирующего нагрева при толкании заготовки в заготовку и заготовок, положенных друг на друга.
Таким образом, проведенный промышленный нагрев блюмов с импульсной подачей природного газа подтверждает целесообразность такого метода нагрева. Можно полагать, что использование предварительно науглероженных (тренированных) муфелей, рассредоточение ввода и увеличение объемной скорости природного газа более 0,1 с-1 позволят гарантировать равномерный необезуглероживающий нагрев сталей.