Материал, инструмент, оборудование.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОКАЛИНООБРАЗОВАНИЯ ПРИ НАГРЕВЕ СТАЛЬНЫХ ЗАГОТОВОК

Цель работы: Определение потерь металла от его окисления при нагреве в электрической печи в атмосфере воздуха, а также влияние на окалинообразование продолжительности и температуры нагрева.

Теоретические сведения

При термической обработке стали важным показателем, требующим учёта, является окалинообразование при нагреве стальных заготовок.

Характерной особенностью современной теории и практики нагрева – комплексный подход к изучению теплофизических процессов при гарячей обработке металлов давлением с учетом окисления и газонасыщения металла, тепловой работы нагревательного устройства, режимов нагрева и охлаждения, термомеханических свойств поковок, тепловой работы инструмента и других факторов, определяющих производительность оборудования и качество выпускаемой продукции.

При нагреве металлов в пламенных печах кроме процессов, связанных с передачей тепла, происходят также процессы химического взаимодействия между печными газами и поверхность нагреваемого металла. В состав продуктов горения обычно входят углекислый газ СО₂, кислород О₂, водяной пар Н₂О, азот N₂, а также в небольших количествах оксиды серы () SО₂, оксид углерода (II) CO и водород Н₂. При высоких температурах кислород, пары воды, углекислый газ и оксид серы () могут окислять металл. Этот процесс – следствие диффузии кислорода из печных газов к поверхности нагреваемых заготовок, адсорбции его на поверхности, диффузии реагирующих веществ через слой окалины навстречу кислороду и кристаллографических превращений. При этом образуются оксиды железа (II) и железа (III) FeO и Fe₂O₃, а также смесь их Fe₃O₄.

При окислении металлов в пламенных печах на величину угара влияет состав газов, температура и продолжительность нагрева, форма и размеры заготовок, химический состав металла и другие факторы.

Потери металла от окисления можно количественно определить следующими величинами:

1. Массовое окалинообразование (угар) – количество металла, окисленное в процессе нагрева и выраженное в процентах от его первоначальной массы.

Массовый угар определяется по формуле:

где и – масса заготовки до нагрева и после нагрева и очистки соответственно, г.

2. Поверхностное окалинообразование – количество окисленного металла, отнесенное к единице поверхности нагреваемой заготовки, г/см²:

где S – полная площадь поверхности заготовки, см².

3. Скорость окисления – отношение величины поверхностного окалинообразования ко времени нагрева, г (см² * ч):

где – время нагрева заготовки, ч.

Материал, инструмент, оборудование.

Заготовки для исследования процесса окалинообразования – отрезки проволоки из углеродистой стали диаметром 4…6 мм и длиной 60…70 мм (поверхностные дефекты и следы коррозии на заготовках не допускаются); электрическая нагревательная печь (нагревательные элементы – нихромовые спирали или силитовые стержни); температура печи регулируется и задается при помощи электронного автоматического потенциометра типа ПСР. Датчиком регулятора температуры служит платинородий-платиновая термопара. Материал футеровки печи – шамотный кирпич класса А.

Порядок проведения работы

Четыре чистых стальных заготовки из проволоки взвесили на аналитических весах с точностью до 0,001 Н. После этого заготовки заложили в шамотные подставки и загрузили в печь. Подставки предварительно были пронумерованы.

Температуру печи довели до требуемой в соответствии с маркой стали, фиксируя через каждые 3 минуты.

Для выявления влияния продолжительности нагрева на окалинообразование извлекали заготовки через каждые 10 минут.

Извлеченную из печи заготовку охлаждали в сосуде с водой для того, чтобы к потерям металла от окисления в печи не добавились потери от окалинообразования на воздухе при охлаждении заготовки. Охлажденную заготовку очищали от окалины наждачной бумагой.

После очистки каждую заготовку взвешивали вторично и определяли величину окалинообразования и скорость окисления по формулам (5.1), (5.2) и (5.3).

При определении поверхностного окалинообразования пренебрегаем торцевыми площадями заготовок ввиду их малости.

В таблице 5.1 приведены условия и результаты проведения опытов по определению окалинообразования при нагреве стальных образцов. На рисунках 5.1 – 5.3 приведены соответствующие зависимости.

Рисунок 5.1 – Зависимость массового угара от продолжительности нагрева

Рисунок 5.2 – Зависимость поверхностного угара от продолжительности нагрева

Рисунок 5.3 – Зависимость скорости окисления от продолжительности нагрева

Таблица 5.1 - Условия и результаты проведения опытов по определению окалинообразования при нагреве стальных образцов.

Номер образца	Масса образца до нагрева, г	Размеры образца	Средняя температура в печи, 0С	Продолжительность нагрева, ч	Масса образца после нагрева, г	Массовый угар, %	Поверхностный угар, г/см2	Скорость окисления, г/(см2.ч)
длина, см	ø, см	площадь S, см2
	38,20	3,00	1,45	16,97		0,83	36,40	4,71	0,11	0,09
	38,25	3,01	1,45	17,01		1,08	35,90	6,14	0,14	0,15
	38,23	3,00	1,45	16,97		1,33	35,70	6,62	0,15	0,20
	38,37	3,20	1,45	17,88		1,58	35,70	6,96	0,15	0,24

Выводы:

1. С увеличением продолжительности нагрева массовый и поверхностный угар увеличиваются в связи с окислением железа кислородом воздуха.

2. Скорость окисления с увеличением продолжительности нагрева несколько снижается, что связано с образованием окалины (окислов железа), которая препятствует проникновению кислорода к металлу и тормозит процесс окисления.