Окисление и обезуглероживание металла в
кузнечных печах
При нагревании металла в печи его поверхность покрывается слоем окислов,
отчего на поверхности металла образуется окалина. По мере нагрева
металла в печи слой окалины постепенно становится толще, а затем
начинает частично отделяться от поверхности металла и соединяться с
материалом пода (если под выложен из шамота); образуется так называемый
сварочный шлак. Часть окалины остается на поверхности металла. В
процессе ковки окисление металла продолжается, так как раскаленный
металл подвергается действию атмосферного воздуха.
Таким образом, нагрев вызывает потери металла — окисление, образование
окалины. Эти потери называются угаром. Следует различать угар при
нагреве (печной угар) и угар при ковке (ковочный угар). Широко
распространен взгляд, что угар имеет место главным образом при нагреве в
печах; угар, получающийся при ковке, считается незначительным. Между
тем, исследованиями установлено, что потери в окалине, образующейся вне
печи, бывают значительными и в некоторых случаях превышают угар в печах.
Угар наносит громадный ущерб производству, ведет к большим потерям
металла с окалиной. При производстве поковок за один нагрев в виде
окалины теряется до 3% металла и более. Ущерб, наносимый угаром, не
исчерпывается только потерями металла с окалиной. Оставшаяся на
поверхности заготовки окалина при ковке вдавливается в изделие. Это
ухудшает поверхность изделия и снижает его прочность. При штамповке
окалина, попадая в штамп, изменяет размеры штампуемой детали, уменьшает
стойкость штампа.
Избежать угара металла при нагреве в пламенных кузнечных печах нельзя,
но необходимо стремиться создать такие условия нагрева, чтобы окалины
получалось минимальное количество и такой, которая бы отставала от
поверхности заготовки, не заковывалась в металл. Поэтому кузнец должен
знать сущность процесса образования окалины, и ему должны быть известны
способы борьбы с угаром металла.
Окисление железа начинается с поверхности и постепенно проникает внутрь.
Распространение окисления внутрь железа (заготовки) может происходить
следующим образом.
1. Окисляющий газ (О2, Н2О, СО2 и др.) проникает (диффундирует) с
поверхности внутрь через поверхностный слой окалины, в то же время
происходит такая же диффузия железа (Fe) в обратном направлении. При
этом происходят известные из химии реакции: Fe + О2 = FeO
Fe + H2O = FeO + Н2 и т. д.
2. Вследствие различных коэффициентов расширения окалины и железа часть
окалины отпадает от поверхности заготовки, обнаженная поверхность железа
подвергается дальнейшему окислению.
3. При высокой температуре нагрева окалина плавится, чистый металл
заготовки обнажается, происходит его дальнейшее окисление. При этом
окисление железа вследствие высокой температуры происходит с достаточно
большой скоростью.
Скорость образования окалины и количество ее зависят от следующих
факторов: а) температуры нагрева; б) его продолжительности; в) газовой
среды, в которой происходит нагрев; г) свойств и состава стали; д) формы
и размера нагреваемого изделия.
С повышением температуры угар увеличивается. Исследованиями установлено,
что если скорость окисления при температуре 900° С принять за единицу,
то при 950° С скорость окисления будет 1,25, при 1000° С—2, при 1100°
С—3,5, а при 1300° С — 7. Особенно резко повышается скорость окисления
при температуре 1350—1375°, так как в этом случае начинается плавление
окалины.
Количество времени пребывания металла в печи влияет на увеличение угара.
Чем больше времени металл будет находиться в печи (при высокой
температуре и при прочих равных условиях), тем больше будет угар. Отсюда
можно сделать вывод: для уменьшения угара необходимо, чтобы металл
возможно меньше находился в условиях высокой температуры.
Важным фактором, влияющим на угар, является печная атмосфера. С точки
зрения воздействия на металл различают газы: окислительные,
восстановительные и нейтральные. К окислительным газам относятся:
кислород (О2), углекислота (СО2), водяной пар (Н2О) и серный ангидрид
(SO2); к восстановительным: окись углерода (СО), водород (Н2); к
нейтральным: азот (N2).
Влияние печной атмосферы на металл при той или иной температуре зависит
от соотношения окислительных и восстановительных газов. Как известно, в
состав продуктов горения входят: CO2, H2О, N2 и О2, а иногда и СО. При
этом количество О2 зависит от коэффициента избытка воздуха, при котором
сжигается топливо, а содержание СО от степени неполноты горения. Печные
газы по своему содержанию обычно всегда окислительные. Продукты горения
топлива в рабочем пространстве печи не могут быть нейтральной средой и
тем более восстановительной. Для того чтобы среда была нейтральной или
восстановительной, необходимо иметь в продуктах горения много
восстановительных газов водорода и окиси углерода, чего при сжигании
топлива в нагревательных печах допускать нельзя.
Образование окалины в большой степени зависит от состава стали.
Содержание в сталях алюминия, хрома, кремния, вольфрама и меди ослабляет
окисление поверхности металла, так как в этих случаях при нагревании
окалина образует плотный слой, сильно прилипающий к металлу. Этот слой
окалины предохраняет металл от дальнейшего окисления. Легированные стали
всех марок (при прочих равных условиях) окисляются меньше, чем стали
углеродистые.
Следовательно, с целью уменьшения угара металла при нагреве в кузнечных
печах процесс нагрева необходимо вести с соблюдением следующих условий:
1. Тепловой режим нагрева должен быть таким, чтобы металл при высоких
температурах (более 900—1000° С, когда происходит наибольшее окисление)
находился возможно меньше. В этом случае работа печи будет
сопровождаться большими скоростями нагрева и уменьшатся потери металла
на угар. Таким образом, все условия, необходимые для высокой
производительности печи, одновременно ведут к понижению угара.
2. Посадка в печь заготовок или слитков и выдача их из печи должны
производиться равномерно и бесперебойно, чтобы они не задерживались в
зоне высоких температур. Наилучший способ — поштучная посадка и выдача,
т. е. одна заготовка выдается из печи, а другая помещается в печь для
нагрева и т. д.
Процесс горения нужно вести так, чтобы в продуктах горения получалось
возможно меньше свободного кислорода. Горение должно происходить с
наименьшим избытком воздуха. В то же время необходимо заботиться о
полноте горения.
Для уменьшения угара печь должна быть уплотненной, и в же время (во
избежание засоса воздуха) на поду печи следует поддерживать небольшое
положительное давление. Подину печи нужно выкладывать из основных
материала — магнезита, хромомагнезита и талькового кирпича.
В этом случае исключается возможность легкоплавкого соединения окалины с
материалами пода, появление сварочного шлака; печь будет работать с
«сухой» подиной.
При высоких температурах вместе с окислением металла происходит его
обезуглероживание. Процесс обезуглероживания состоит в том, что
количество углерода на поверхности нагреваемого металла уменьшается —
углерод выгорает. Обезуглероживание понижает механические свойства
металла. Инструментальная сталь при обезуглероживании становится мягкой,
а инструмент, изготовленный из такой стали, нестойким. Опытом
установлено, что при нагреве стали сначала происходит обезуглероживание,
а затем окисление, т. е. обезуглероженный слой металла всегда находится
ниже слоя окалины. С повышением температуры степень обезуглероживания
увеличивается.
Химический состав стали влияет на обезуглероживание. С повышением
содержания в стали углерода обезуглероживание усиливается. Весьма
способствует обезуглероживанию алюминий. Хром тоже помогает
обезуглероживанию. Марганец задерживает обезуглероживание. Кремний,
никель, вольфрам на обезуглероживание не влияют.