Окисление и обезвъглеродяване на стомана
Когато стоманата се нагрява до високи температури под действието на кислород и други окислителни газове (CO2, H2O, SO2) в атмосферата на пещта, настъпва окисление и обезвъглеродяване на повърхностните слоеве на детайлите. Окисляването и обезвъглеродяването на стоманени продукти се случва, когато се нагряват в пламък и електрически пещи от различни видове и в солни бани. Степента на окисление и обезвъглеродяване зависи от вида на горивото, конструкцията на пещта, състава и налягането на атмосферата на пещта, температурата, времето за нагряване, химичния състав на стоманата и други фактори.
В резултат на всички видове гореща обработка на стомана в валцувани, ковашки и термични цехове до 5% от произведената стомана преминава в мащаб. Големите материални загуби в този случай са не само в отпадъците от стомана, но и в допълнителни разходи за механична обработка, почистване на продукти от котлен камък хидравлично, дробеструйни машини, четки и ецване.
В термичните магазини при нагряване възникват редица повърхностни дефекти на стоманата: окисляване, обезвъглеродяване на повърхността, разлика в твърдостта по време на закаляване и др. При високи температури желязото се окислява не само от чист кислород и въздух, но и от водна пара и въглероден диоксид. Според активността на тяхното действие окислителите се подреждат в следния ред: кислород, въздух, водна пара, въглероден диоксид. Работното пространство в горивните пещи е изпълнено с продукти на горенето, съдържащи CO2, CO, H2O, H2, CnH2n+2, CnH2n, SO2, азот и кислород. В електрическите пещи работното пространство е изпълнено с въздух, чийто кислород окислява стоманата. Окисляването на продуктите по време на нагряване в солени бани се дължи на кислорода от въздуха, който влиза в солта заедно с продуктите по време на тяхното потапяне, както и през огледалото за баня.
Ефектът на горните газове върхуповърхността на продуктите по време на нагряването им в пещи зависи от съотношението на CO и CO2, H2 и H2O в газовата смес. Газовата атмосфера на пещта по отношение на стоманата може да бъде редуцираща, окислителна или неутрална, в зависимост от съотношението на концентрацията на H2 към H2O или CO към CO2. Равновесните концентрации на тези газове се определят от равновесната константа на реакцията на водния газ:
От диаграмата на равновесието (фиг. 1) на тази реакция следва, че газ, в който съотношението CO2 / CO е 0,5, ще има окислителен ефект върху желязото при температури над 850 ° C и редуциращ ефект при температури под 850 ° C. При температура 850 °C равновесното състояние между H2, H2O, CO, CO2 и желязото съответства на отношението H2O/H2 = 0,55. При такова съотношение и при температура под 850 °C газът ще има окислителен ефект върху желязото, а при температура над 850 °C ще има редуциращ ефект.
Фиг. 1. Криви на равновесие на реакцията:
Fe + CO2 ↔ FeO + CO (1); Fe + H20 ↔ FeO + H2 (2)
Състоянието на равновесие при висока температура (1200 °C) съответства на съотношението CO2/CO = 0,33 и H2O/H2 = 0,80. Последните две съотношения характеризират условията на неокислително нагряване с открит пламък и позволяват да се определят условията за изгаряне на горивото.
Едновременно с окисляването на желязото въглеродът се окислява в повърхностния слой; обезвъглеродяване. Степента на обезвъглеродяване зависи от същите фактори като окисляването, т.е. вид и начин на изгаряне на горивото, химичен състав на стоманата, температура и време на нагряване. В допълнение към обезвъглеродяване, дължащо се на кислород, обезвъглеродяване може да настъпи и поради водород поради образуването на въглеводороди. Когато горивото се изгаря с липса на въздух, в продуктите на горенето се появява водород, който в присъствието наводната пара е най-мощният обезвъглеродяващ газ. В слабо окислителна атмосфера се открива обезвъглеродяване при нагряване до по-ниски температури, отколкото в силно окислителна. По този начин обезвъглеродяването е толкова по-голямо, колкото по-малко са окислителните компоненти в атмосферата на пещта. Ефектът на температурата върху обезвъглеродяването може да бъде различен в зависимост от марката стомана, тъй като с промяна на температурата интензивността на окисление и скоростта на дифузия на въглерода се променят едновременно.