Спосіб відновлення окалини на сталевих виробах

Спосіб відновлення окалини на сталевих виробах, який включає контакт окалини з відновлюючою атмосферою при нагріванні, який відрізняє ться тим, що перед відновленням визначають максимальну товщину окалини, значення якої включають у заздалегідь складене рівняння регресії, що має наступний вигляд: t=dmax/Vok=dmax/(0,028·tвз – 0,5733), C2 2 (19) 1 3 81593 неможливо, тому що в ни х передбачається розплавлення виробу. Відомі способи відновлення оксидів металів, що включають, термообробку оксидів металів при температурі від приблизно 1000°С до приблизно 1300°С [Патент Росії №2001110115, МПК7, C01G33/00, 2003], 1000-1500°С [Патент Росії №2001110114, МПК7 С01G33/00, 1999] протягом від приблизно 10 до приблизно 90хв., в а тмосфері водню, протягом часу та при температурі, достатній для одержання оксиду металу зі зниженим вмістом кисню. Недоліком вище наведених способів відновлення оксидів металів є те, що в процесі їх реалізації відсутнє повне відновлення оксидів, що неприпустимо при відновленні окалини на поверхні сталевих виробів. Відомий спосіб одержання чавуна з металевих руд, згідно якого металеві руди пропускають зверху вниз через продув знизу нагору гарячим, відновлюючим газом, що містить оксид вуглецю і водень, при температурі 800-900°С [Патент Росії №95113866, МПК6, С21В11/00, 1997]. Однак при температурах 800-900°С відновлення оксидів металевих руд відбувається дуже повільно і час відновлення може знаходитися в межах кількох годин, що неприпустимо при відновленні окалини, наприклад, на сталевих листах у процесі їхнього виробництва. Відомі способи відновлення окисленої вторинної сировини одночасно у газовому середовищі, що містить вуглець і водень [Патент Росії №2068320, МПК , B22F9/16, 1996] і прямого одержання заліза в багатоподовiй печі під час якого, руду безперервно завантажують у багатоподову піч, подають у надлишку твердий або рідкий відновлював-газ, що містить кисень та вступає у взаємодію з частиною відновлювача з утворенням відновлюючого газу, при цьому відновлюючий газ реагує з рудою з утворенням відновленого прямим шляхом заліза. Через спеціальні форсунки додають газоподібний відновлювач, наприклад монооксид вуглецю або водень. [Патент Росії №2000118782, 321В13/06, 1998). Недоліком вище наведених способів є відсутність можливості локального відновлення окалини на поверхні сталевого виробу, оскільки у випадку часткового покриття виробу окалиною немає необхідності обробки всієї поверхні сталевих виробів. Відомий спосіб відновлення оксиду марганцю з руди, що включає контакт оксиду металу у твердій формі з газоподібним відновлюючим агентом, що представляє собою газову суміш водень-вуглеводень і, необов'язково, з інертним газом, при температурі в межах приблизно 10001250°С [Патент Росії №2247071, МПК7, С01В31/30, 2005 – прототип]. Однак недоліком відомого способу є те, що в наслідок низької температури нагрівання швидкість відновлення оксиду недостатньо висока і, як наслідок, спостерігається низька ефективність процесу відновлення. Крім того, у відомому способі не регламентований час контакту оксиду металу з газоподібним відновлюючим агентом, що приводить або до 4 перевитрати воднево-вуглеводневої газової суміші або до недостатньо повного відновлення оксиду. Винаходом ставитися завдання-підвищення швидкості відновлення окалини, а також можливість локального відновлення окалини на сталевому виробі. Поставлене винаходом завдання досягається тим, що у способі відновлення окалини на сталевих виробах, який включає контакт окалини з відновлюючою атмосферою при нагріванні, згідно винаходу перед відновленням визначають максимальну товщину окалини, значення якої включають у заздалегідь складене рівняння регресії, що має наступний вигляд: t=dmax/Vок =dmax/(0,0028×tвз-0,5733) де t - розрахунковий час потрібний для відновлення окалини, хв; dmax - максимальна товщина окалини, мкм; Vок - швидкість відновлення окалини, мкм/хв; Tвз - температура зони відновлення, °С, за яким визначають розрахунковий час потрібний для відновлення окалини, нагрів проводять у відновлюючій атмосфері полум'я ацетиленового пальника, для чого відстань від сопла пальника до поверхні сталевих виробів з окалиною, в залежності від діаметра сопла пальника визначають наступним співвідношенням: 11,872-3,6815×d+3,4984×d2-0,5315×d3£1£15,8723,6815×d+3,4984×d2-0,5315×d3, де l - відстань від сопла пальника до поверхні сталевих виробів з окалиною, мм; d - діаметра сопла пальника, мм, а витримка повинна, бути не меншою розрахункового часу, потрібного для відновлення окалини, причому охолодження місця відновлення проводять в нейтральному середовищі. Відомо, що окалина на сталевих виробах складається в основному з наступних оксидів заліза: FeO, Fe2 O3, Fe3O 4. Відновлення окалини відбувається, в основному, за наступними реакціями: FeO+С=Fe+CO, (1), Fe2O3+3C=2Fe+3CO, (2), Fe3O4+4C=3Fe+4CO, (3), FeO+H2=Fe+H2O, (4), Fe2O3+3H2=2Fe+3H2O, (5), Fe3O4+4H2=3Fe+4H2O, (6), FeO+CO=Fe+CO2, (7), Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2, (8), Fe3O4+4CO=3Fe+4CO2, (9). Відновлення окислів у газових відновлюючи х атмосферах більш ефективне, ніж у твердому або рідкому відновлювачі, однак для створення газових відновлюючих середовищ необхідно спеціальне обладнання, в якому виробляються відновлюючі середовища необхідного складу [А.А.Шмыков. Довідник терміста. М: Машгиз, 1956.c.141-143]. При згорянні вуглеводнів (ацетилен, етан, пропан, бутан тощо) також можливе утворення зон згоряння, що мають відновлюючі властивості [Патент Росії №2000118782, З21В13/06, 1998; Патент Росії №2005126707, С21В13/10, 2006]. У роботі [Сварка в машиностроении. Т.1. Під ред. Η.Α.Ольшанского. Μ.: Машинобудування, 1978. 5 81593 c.31] наведені значення максимальної температури полум'я газових пальників, що складає для ацетилен-кисневої суміші - 31003150°С, метан-кисневої суміші - 2100-2200°С, пропано-бутанової суміші - 2400-2500°С, коксового газу - 2000-2100°С, водню - 2000-2100°С. Порівняння температури полум'я вуглецьводневих пальників, показує, що максимальна температура полум'я спостерігається в пальників працюючих на ацетилені, тому застосування полум'я ацетиленових пальників для відновлення окалини на поверхні сталевих виробів є найбільш вживаним, оскільки із збільшенням температури полум'я пальника збільшується температура прогріву окалини, що знаходиться на поверхні сталевих виробів, і відповідно швидкість відновлення окалини. Однак така закономірність буде спостерігатися тільки в тому випадку, якщо поверхня виробу з окалиною буде знаходитися в тій зоні полум'я пальника, де відбуваються реакції відновлення оксидів. Відомо [Л.А.Колганов. Сварочное производство. Ростов-на-Дону, Фенікс, 2002.c.41), що полум'я ацетиленового пальника складається з трьох зон: 1 зона-ядро, що розташовується за зрізом сопла пальника та у якому відбувається реакція С2Н2+О2=2С+Н2+О2 (10) 2 зона-зона відновлення, що розташовується за ядром і в якій відбувається реакція 2С+Н2+О2=2СО+Н2 (11) 3 зона-факел, який розташовується за зоною відновлення й у якому відбувається реакція 2СО+Н2+0,5О2=2СО2+Н2О (12). Максимальна температура полум'я ацетиленового пальника знаходиться в зоні відновлення, тому для відновлення окислів найбільш перспективним є застосування ацетиленових пальників, що мають більш високу температуру полум'я у зоні відновлення, ніж пальники, що працюють на інших сумішах. Нашими дослідженнями встановлено, що розмір і розташування зони відновлення ацетиленового пальника, у якій проходить реакція 2С+Н2+О2=2СО+Н2, залежить, в основному, від діаметра сопла пальника (d, мм) і знаходиться на відстані (1, мм) від lmin=11,872-3,6815×d+3,4984×d20,5315-d3 до lmax=15,872-3,6815×d+3,4984×d23 0,5315×d , від сопла пальника, при цьому на початку зони відновлення (мінімальна відстань від сопла пальника) хімічний склад атмосфери наступний (про. %): СО=60%; Н2=31%; N2= 8%; інші - 1%, в кінці зони відновлення - CO=33%; Н2=15%; СО2=9%; Н2О=6%; N 2=33%; інші - 7%. Відновлення окалини на поверхні сталевого виробу в полум'ї ацетиленового пальника буде відбуватися тільки в тому випадку, якщо поверхня сталевого виробу з окалиною, буде знаходитися від сопла пальника на відстані більшій, ніж lmjn=11,872-3,6815×d+3,4984×d2-0,5315×d3 і меншій, ніж lmax=15,872-3,6815×d+3,4984×d-0,5315×d. У цій зоні газоподібний монооксид вуглецю (СО) і водень (Н2) взаємодіючи з окалиною на поверхні сталевого виробу, згідно реакцій 4...9, будуть 6 відновлювати окалину на поверхні сталевого виробу. Область оптимальних відстаней для відновлення окалини від сопла ацетиленового пальника до поверхні сталевого виробу показана на Фіг.1. У зв'язку з тим, що температура полум'я, на вище зазначеній відстані від сопла пальника, знаходиться в межах 3000...3100°С швидкість відновлення окалини в цій зоні повинна бути досить високою. Нашими дослідженнями встановлено, що швидкість відновлення окалини (Vок ), при перебуванні поверхні сталевого виробу з окалиною від сопла пальника, на відстані більшій, ніж lmin=11,872-3,6815×d+3,4984×d2-0,5315×d3 і меншій, ніж lmax=15,872-3,6815×d+3,4984×d20,5315×d3, визначається наступним рівнянням (13): Фіг.1. Область оптимальних відстаней для відновлення окалини від сопла ацетиленового пальника до поверхні сталевого виробу: Vок =0,0028×tвз-0,5733, мкм/хв, R=0,999 (13) де tвз - температура зони відновлення. Розрахунковий час відновлення окалини для tвз=3000°С на поверхні листа зі сталі 08 залежно від товщини окалини наведено на Фіг.2. При перебуванні поверхні сталевого виробу з окалиною біля сопла пальника на відстані меншій, ніж lmin=11,872-3,6815×d+3,4984×d-0,5315×d поверхня буде находиться в зоні ядра полум'я, у якому у вільному виді присутній кисень, що є активним окислювачем, і таким, що нивілює відновлення окалини вуглецем і воднем. Крім того, у цій зоні температура не перевищує 1000...1100°С, що недостатньо для інтенсивного розвитку відбудовних реакцій відновлення. При перебуванні поверхні сталевого виробу з окалиною біля сопла пальника на відстані більшій, ніж lmax=15,872-3,6815×d+3,4984×d2-0,5315×d3 поверхня буде знаходитися в зоні факела полум'я, атмосфера якого є окисною (CO=4%; Н2=3%; СО2=22%; Н2О=3%; N 2=58%; О2=8%; інші - 2%) і буде піддаватися додатковому окислюванню, тобто замість видалення окалини буде спостерігатися збільшення окалини на поверхні сталевого виробу. Фіг.2. Розрахунковий час відновлення окалини, для tвз=3000°С, на поверхні листа зі сталі 08. Час перебування поверхні сталевого виробу з окалиною від сопла пальника на відстані більшій, ніж lmin=11,872-3,6815×d+3,4984×d2-0,5315×d3 і меншій, чим lmax=15,872-3,6815×d+3,4984×d20,5315×d3, повинно бути зв'язаним зі швидкістю відновлення окалини і її товщиною і бути не менше розрахованого за формулою (13). При перебуванні поверхні сталевого виробу з окалиною у зоні відновлення полум'я ацетиленового пальника менше часу розрахованого за формулою 13, відновлення окалини не буде повним. При перебуванні поверхні сталевого виробу з окалиною у зоні відновлення полум'я ацетиленового пальника більше часу розрахованого за формулою 13, буде відбуватися необґрунтована перевитрата ацетилену і кисню та небажаний перегрів поверхні сталевого виробу. 7 81593 Після закінчення процесу відновлення окалини, при зміні позиції пальника або його відключенні, відновлену поверхню, у процесі охолодження, необхідно обдувати нейтральним середовищем для захисту відновленої поверхні від повторного окислювання в процесі охолодження до кімнатної температури. Приклад реалізації способу. На зразку зі сталі 08, що містить (мас. %): С=0,09; Μn=0,5; Si=0,35; S=0,032; Ρ=0,026), розміром 190´9´1,52мм, на металографічному мікроскопі МІМ-8, визначали максимальну товщин у окалини, що дорівнювала 14,8 мікрон. Відновлення окалини проводили у зоні відновлення ацетиленового пальника ГС-3. Номер наконечника - 5. Діаметр сопла пальника - 2,45мм. Витрата ацетилену - 1000л/год. Витрата кисню 1200л/год. Робочий тиск ацетилену - 0,002МПа. Робочий тиск кисню - 0,3МПа. З урахуванням даних наведених на Фіг.1 визначили, що оптимальна відстань МПК соплом пальника і поверхнею зразка може змінюватися від 16 до 21мм. Після запалювання пальника за допомогою термопари ППР вимірювали температуру полум'я пальника на відстані від 16 до 21мм від сопла, яка складала 3100...3150°С. За формулою 13 визначили швидкість відновлення окалини, що, в інтервалі температур від 3100 до 3150°С, змінювалася від 8,11 до 8,16мкм/хв. Розрахунковий час відновлення окалини при відстані між соплом пальника і поверхнею зразка від 16 до 21мм складав від 14,8/8,16=1,89 до 14,8/8,11хв. Після обраної витримки зразка, пальник виключали, оброблену поверхню обдували, згідно заявленого способу, азотом і проводили металографічні дослідження поверхні зразка. Результати дослідження зразків оброблених згідно прототипу (варіант 1), способу що заявляється (варіанти 2...4), і в умовах що виходять за межі що заявляються (варіанти 5, 6), наведені в таблиці 1. 8 сопла пальника до поверхні сталевих виробів з окалиною, залежно від діаметра сопла пальника; витримка в зони відновлення атмосфери полум'я ацетиленового пальника не менш розрахункового часу, потрібного для відновлення окалини; охолодження місця відновлення в нейтральній атмосфері. Застосування запропонованого способу відновлення окалини на сталевих виробах забезпечить зменшення часу відновлення в 4,5 рази порівняно з прототипом. Таблиця 1 № в аріанту Максимальна тов щина окалини, мікрон 1 14,8 2 3 4 5 6 14,8 14,8 14,8 14,8 14,8 Відстань t полум'я, у якому Шв идкість Час в итримки у полум'ї % пов ерхні знаходиться в іднов лення для в іднов лення Середов ище в іднов лення охолодження в иробу в ід пов ерхня в иробу окалини, окалини, хв. окалини сопла, мм з окалиною, °С мікрон/хв . Розрахунок Практика Відомий спосіб-прототип 12 1100 2,51 5,90 9,0 Азот 100 Пропонов аний спосіб 16 3100 8,11 1,83 2,0 Азот 100 19 3150 8,16 1,81 2,0 Азот 100 21 3120 8,15 1,82 2,0 Азот 100 12 1100 2,51 5,90 6 Пов ітря 70 25 2000 5,03 2,94 3 Пов ітря 20 Істотними відмінностями винаходу є: визначення максимальної товщини окалини перед відновленням; складене рівняння регресії швидкості відновлення окалини в зоні відновлення полум'я ацетиленового пальника; визначення розрахункового часу, потрібного для відновлення окалини; визначення зони відновлення атмосфери полум'я ацетиленового пальника, як відстань від