Атмосфера внутри ленточной печи — это не просто горячий воздух, а точно контролируемая химическая среда, определяющая, получатся ли детали блестящими и чистыми или окисленными и обезуглероженными. Контроль атмосферы отличает качественную термообработку от посредственной.
Ленточные печи MONTE INTELLIGENCE работают с различными системами создания атмосферы в зависимости от технологических требований. В данной статье рассматриваются три наиболее распространенных типа контролируемой атмосферы, оборудование для ее генерации и параметры управления, определяющие качество атмосферы.
Эндотермический газ — в цехах термообработки — является основной рабочей атмосферой для нейтральной закалки, цементации и карбонитрирования стальных деталей. Он образуется в результате реакции природного газа (или пропана) с воздухом во внешнем генераторе при температуре около 1050 °C над никелевым катализатором. Реакция приблизительно выглядит так: CH₄ + 2,38 (0,21 O₂ + 0,79 N₂) → CO + 2 H₂ + 1,88 N₂, в результате чего образуется газ, содержащий примерно 20% CO, 40% H₂ и 40% N₂ по объему.
Углеродный потенциал эндогаза — его способность добавлять или удалять углерод с поверхности стали — зависит от соотношения CO/CO2 и температуры печи. При 850°C эндогаз с точкой росы +5°C имеет углеродный потенциал приблизительно 0,35% C. Снижение точки росы до -5°C повышает углеродный потенциал примерно до 0,60% C. Эта зависимость определяется реакцией конверсии водяного пара: CO + H2O ↔ CO2 + H2, что означает, что контроль содержания водяного пара (точки росы) контролирует углеродный потенциал.
Сам эндотермический генератор является критически важным элементом оборудования. Он состоит из нагреваемой реторты, заполненной никелевым катализатором, через которую проходит воздушно-газовая смесь. Реакция является эндотермической — она поглощает тепло, отсюда и название. Реторта работает при температуре 1000-1100°C и должна быть изготовлена из высокотемпературного сплава, обычно RA330 или Incoloy 800HT, с расчетным сроком службы 3-5 лет непрерывной эксплуатации. Выход из строя реторты является распространенной причиной незапланированных простоев печей, и на каждом предприятии термообработки, использующем эндотермический газ, следует иметь запасную реторту.
Катализатор в генераторе со временем деградирует из-за отложения углерода (коксования) и отравления серой из природного газа. Сера представляет собой более серьезную проблему: никелевый катализатор необратимо отравляется серой даже при концентрации всего в несколько частей на миллион. Технические условия на природный газ обычно допускают содержание серы до 30 ppm, что значительно превышает допустимый уровень для катализатора. Необходим слой для удаления серы — активированный уголь или оксид цинка — перед генератором, и этот слой необходимо заменять каждые 6-12 месяцев в зависимости от содержания серы в газе.
Азотно-метанольная атмосфера является альтернативой эндогазу для предприятий, которые не хотят использовать эндогенератор. Атмосфера создается путем впрыскивания жидкого метанола (CH3OH) и газообразного азота непосредственно в печь. При температуре печи метанол диссоциирует: CH3OH → CO + 2 H2, образуя то же соотношение CO:H2 1:2, что и в эндогазе. Азот разбавляет смесь для достижения желаемого углеродного потенциала.
Преимущество азотно-метанольной системы заключается в простоте — нет генератора, катализатора, реторта. Система состоит из резервуара для хранения жидкого метанола, источника азота (резервуар с жидким азотом или мембранный генератор азота), панелей управления потоком и инжекционных форсунок в печи. Запуск занимает минуты, в отличие от часов, необходимых для нагрева эндогенератора.
Недостатком является стоимость. Жидкий метанол дороже природного газа в пересчете на единицу произведенной атмосферы. При типичных ценах на метанол в 0,40-0,60 доллара за литр стоимость атмосферы для ленточной печи, потребляющей 40 литров метанола в час, составляет 16-24 доллара в час, или около 380-580 долларов в сутки непрерывной работы. Эндогенератор, использующий природный газ, производит тот же объем атмосферы примерно на 30-40% дешевле. Выбор между ними сводится к соотношению капитальных и эксплуатационных затрат, а также к наличию у предприятия возможности для надежной работы эндогенератора.
Диссоциированный аммиак используется для светлого отжига нержавеющей стали, меди и латуни — процессов, в которых атмосфера должна быть восстановительной, но не вызывать науглероживание. Безводный аммиак (NH3) диссоциирует во внешней среде: 2 NH3 → N2 + 3 H2, образуя газ, состоящий на 75% из водорода и на 25% из азота по объему. Эта атмосфера является сильно восстановительной — высокое содержание водорода восстанавливает любые оксиды металлов на поверхности детали — и не содержит углерода, поэтому отсутствует риск науглероживания или обезуглероживания.
Диссоциатор работает при температуре около 950 °C с использованием железо-никелевого катализатора в реторте, аналогичной эндогенератору, но меньшего размера, поскольку реакция диссоциации аммиака в ней проще и быстрее. Подача аммиака требует осторожного обращения: безводный аммиак — опасное химическое вещество, требующее специального хранения, обнаружения утечек и процедур реагирования на чрезвычайные ситуации. Диссоциированный газ легковоспламеняем из-за высокого содержания водорода, и с ним необходимо обращаться с соблюдением надлежащих правил газовой безопасности.
Приборы для контроля атмосферы эволюционировали от ручного измерения точки росы до автоматизированного контроля углеродного потенциала. Современный подход использует кислородный зонд (циркониевый датчик), вставляемый непосредственно в горячую зону печи. Зонд измеряет парциальное давление кислорода в атмосфере печи, на основе которого рассчитывается углеродный потенциал с учетом содержания CO и температуры печи. Сигнал зонда регулирует добавление обогащающего газа (природного газа или пропана) для поддержания заданного значения углеродного потенциала.
Кислородные датчики требуют периодического обслуживания. Наконечник датчика необходимо очищать от сажи и углеродных отложений, как правило, каждые 1-3 месяца в зависимости от поддерживаемого углеродного потенциала. Калибровку датчика следует проводить по эталонному образцу — либо по прокладочному углеродному анализатору, либо по портативному измерителю точки росы — не реже одного раза в квартал. Отклонение показаний углеродного потенциала на 0,05% может привести к тому, что твердость деталей будет отличаться от целевой на 1-2 HRC, что может стать решающим фактором между пройденной и непройденной партией.
Компания MONTE INTELLIGENCE поставляет ленточные печи с сетчатой структурой и интегрированными системами создания атмосферы, включая эндогенераторы, панели на основе азота и метанола, а также диссоциаторы аммиака. Мы также предоставляем контрольно-измерительное оборудование для управления атмосферой и оказываем поддержку в пусконаладочных работах.
Для получения информации о системе создания атмосферы для вашего процесса термообработки свяжитесь с helenxu@cnlymonte.com.
