Регулирование атмосферы в ленточной печи: смеси азота, эндотермических газов и водорода.
Контроль атмосферы — это то, что отличает печь для термообработки от печи для окислительной обработки. В одной и той же печи с плохой атмосферой получаются детали с большим количеством окалины, не прошедшие контроль качества. При правильной атмосфере детали получаются яркими, чистыми и готовыми к следующей операции. Это немаловажное различие. Стоимость атмосферы обычно составляет от 15 до 25 процентов от эксплуатационных расходов печи с сетчатой лентой, а система контроля атмосферы — от 20 до 30 процентов от капитальных затрат на печь. Правильная организация атмосферы оправдывает инвестиции.
Почему атмосфера имеет значение
При температурах выше 500 градусов Цельсия сталь реагирует с кислородом, водяным паром и углекислым газом в воздухе. В результате реакций образуется окалина оксида железа, происходит обезуглероживание поверхности, что делает деталь непригодной для многих применений. Цель создания контролируемой атмосферы — вытеснить воздух и обеспечить химический состав, не вступающий в реакцию со сталью.
Атмосфера также играет активную роль в некоторых процессах. Эндотермический газ добавляет углерод к поверхности стали (цементация). Атмосфера, содержащая аммиак, добавляет азот (азотирование). Атмосфера, содержащая водород, восстанавливает существующие оксиды поверхности (светлый отжиг). Правильная атмосфера — это та, которая обеспечивает необходимую химию поверхности и предотвращает нежелательные реакции.
Азотсодержащие атмосферы
Азот является наиболее широко используемой защитной атмосферой в ленточных печах. Он дешев, легкодоступен и эффективен для многих процессов. Чистый азот подходит для: светлого отжига меди, снятия напряжений в низколегированных сталях и низкотемпературных процессов при температурах ниже 700 градусов Цельсия.
Чистый азот не подходит для закалки углеродистой стали при температуре от 850 до 880 градусов Цельсия. Причина: азот не предотвращает обезуглероживание в этом температурном диапазоне, и содержание углерода на поверхности стали снижается. Обезуглероживающий слой получается мягким и может привести к выходу детали из строя в процессе эксплуатации.
Для закалки углеродистой стали стандартной атмосферой является эндотермический газ, иногда с небольшим добавлением природного газа для обогащения углеродистого потенциала. Эндотермический газ получают путем реакции природного газа с воздухом в нагретой реторте при температуре от 950 до 1000 градусов Цельсия с использованием никелевого катализатора. В результате реакции образуется газ, содержащий около 40% водорода, 20% оксида углерода, 40% азота и следовые количества метана и водяного пара.
Эндотермический газ (Эндогаз)
Эндотермический газ является основной атмосферой для закалки углеродистой стали в ленточной печи. Углеродный потенциал газа контролируется на целевом уровне для марки стали (обычно от 0,4 до 0,8% C), и газ добавляет или удаляет углерод с поверхности стали для поддержания целевого значения.
Углеродный потенциал контролируется анализатором точки росы или инфракрасным анализатором CO2. Контроллер регулирует соотношение воздуха и газа в эндотермическом генераторе для поддержания заданного значения. Эндотермический генератор работает при температуре от 950 до 1000 градусов Цельсия и потребляет от 0,10 до 0,15 кубических метров природного газа на кубический метр произведенного эндотермического газа.
Недостатком эндогаза является сложность генератора. Реторта, катализатор, система смешивания воздуха и газа, а также контур регулирования углеродного потенциала требуют технического обслуживания. Современные генераторы эндогаза надежны, но оператору все равно необходимо постоянно контролировать углеродный потенциал и заменять катализатор каждые 2-3 года.
Смеси водорода и азота для светлого отжига
Детали из нержавеющей стали и инструментальной стали, требующие блестящей поверхности без оксидов, подвергаются отжигу в смесях водорода и азота, содержание водорода в которых обычно составляет от 25 до 75 процентов. Водород действует как восстановитель, превращая любые поверхностные оксиды обратно в металл, а азот выступает в качестве газа-носителя и разбавителя для обеспечения безопасности.
Для достижения наилучшего блеска также используется чистая водородная атмосфера, но она требует взрывозащищенной конструкции печи и обширных систем безопасности. Смеси водорода с концентрацией от 25 до 75 процентов более безопасны и обеспечивают большую часть преимущества в блеске при меньших капитальных затратах.
Водородно-азотная смесь подается либо в виде предварительно смешанного газа от поставщика, либо в виде отдельных газов, смешанных на входе в печь. Соотношение смешивания регулируется расходомерами, а точка росы смеси контролируется непрерывно. Высокая точка росы (более -40 градусов Цельсия) указывает на утечку или загрязнение подаваемого газа, и печь следует остановить до устранения проблемы.
Водородсодержащие атмосферы взрывоопасны при концентрации выше 4 процентов в воздухе. Конструкция ленточной печи должна предусматривать правильную последовательность продувки, проверку на герметичность и аварийную вентиляцию. Компания MONTE INTELLIGENCE проектирует ленточные печи для работы с водородом с резервными системами безопасности и циклом предварительной продувки, который удаляет воздух из печи перед каждым нагревом.
Аммиачные атмосферы для азотирования
Для азотирования специальных деталей используются аммиак или смеси аммиака и азота. Аммиак разлагается при температуре азотирования (от 500 до 600 градусов Цельсия), высвобождая атомарный азот, который диффундирует в поверхность стали. В результате образуется твердый, износостойкий поверхностный слой, не требующий закалки.
Аммиачная атмосфера используется в ленточных печах для высокообъемного азотирования мелких деталей. Расход аммиака в небольшой печи обычно составляет от 0,5 до 1,5 кубических метров в час. Отходящие газы из печи необходимо очищать для уничтожения непрореагировавшего аммиака перед сбросом.
Мониторинг и контроль атмосферы
Атмосфера в ленточной печи должна непрерывно контролироваться. Ключевые параметры: кислородный датчик (для определения содержания кислорода), анализатор точки росы (для определения водяного пара), инфракрасный анализатор (для определения CO и CO2) и расходомеры (для измерения скорости подачи газа). Данные непрерывно регистрируются и используются для управления технологическим процессом и документирования качества.
Современные системы управления ленточным печом интегрируют мониторинг атмосферы с регулированием температуры. Если химический состав атмосферы выходит за пределы допустимых значений, контроллер может скорректировать поток газа, изменить заданное значение потенциала углерода или активировать сигнал тревоги. Такая интеграция снижает нагрузку на оператора и повышает стабильность процесса.
Критерии отбора
Для покупателей, выбирающих систему атмосферного воздействия, ключевыми вопросами являются: требуемая чистота поверхности, марка стали, температура процесса и доступный объем газа. Затем система атмосферного воздействия подбирается в соответствии с этими параметрами, при этом указываются тип газа, расход, система управления и системы безопасности.
Обратитесь в компанию MONTE INTELLIGENCE по вопросам атмосферных систем.
Для покупателей, оценивающих системы создания атмосферы для ленточной печи, инженеры MONTE INTELLIGENCE могут порекомендовать конфигурацию, соответствующую технологическому процессу и требованиям к качеству поверхности. Посетите сайт.www.cnlymonte.com/products-mesh-belt-furnace.html Для ознакомления с примерами проектов. Для обсуждения проекта отправьте электронное письмо на адрес helenxu@cnlymonte.com с темой «атмосфера сетчатой ленты» и подробной информацией о вашем технологическом процессе и качестве обработки поверхности.
