23. Другие типы генераторов

Кроме описанных выше, в промышленности находят применение и другие типы генераторов для производства контролируемых атмосфер. В частности, используются генераторы для приготов­ления азотно-водородной атмосферы из аммиака. Продукт полу­чается в результате диссоциации аммиака:

2NH3→N2+3H2.

Генератор включает блок диссоциатора-испарителя, в который входит испаритель аммиака, диссоциатор и трубчатый холодиль­ник. В испарителе жидкий аммиак, поступающий из баллонов, испаряется при температуре 20...30°С, а затем направляется в диссоциатор, представляющий собой реторту, заполненную ката­лизатором. Реторта обогревается снаружи. Диссоциация происхо­дит при температуре 800...900 °С. Азотно-водородная смесь вначале поступает в змеевик испарителя для подогрева жидкого аммиака, а затем в трубчатый холодильник. Далее атмосфера, состоящая из 25 % N-2 и 75 % Н2, направляется к потребителю (она применяется для отжига высокохромистых сталей, спекания металло­керамики и т. д.) или подвергается дальнейшей переработке, кото­рая заключается в частичном ее сжигании до необходимого объем­ного содержания водорода (4...20%). После сжигания произво­дится осушка газа до нужной влажности методами, описанными в предыдущих параграфах.

Применяются также генераторы для приготовления контроли­руемой атмосферы из технического азота. В этих генераторах атмосфера получается за счет смешивания технического азота с диссоциированным аммиаком, последующей очистки от кислорода и глубокой осушки. Азот подается в генератор из баллонов или кис­лородных воздухоразделительных установок. Атмосферы этого типа близки по составу к бедному очищенному экзогазу.

Встречаются установки для очистки и осушки инертных газов (например, аргона) от примесей — углеводородов, оксида угле­рода, водорода, азота, кислорода и водяных паров. Для удаления оксида углерода вначале производится его окисление до диоксида, а затем очистка от углекислоты. Очистка от кислорода осуще­ствляется оксидом марганца при температуре 180°С, а от азота — металлическим кальцием при температуре 650 °С. Процессы проте­кают в соответствии с реакциями:

6МпО + 02 = 2Мп3О4; ЗСа + N2 = Ca3N2.

Очистку газа от примесей водорода производят в реакторе, заполненном оксидом меди, при температуре 350°С. Осушку и очистку от остальных примесей производят методами, рассмот­ренными в предыдущих разделах.

24. Регулирование состава контролируемой атмосферы

Как отмечалось, самый распространенный метод упрочнения деталей посредством химико-термической обработки - цемента­ция и нитроцементация. При проведении этих процессов существен­ное значение имеет регулирование насыщения, основной задачей которого является обеспечение требуемых характеристик: струк­туры, распределения концентрации углерода, глубины слоя и т.д. Как чрезмерное, так и недостаточное насыщение поверхност­ного слоя углеродом вредно. По данным НИИТавтопрома, опти­мальная концентрация углерода на поверхности для сталей марки 20ХНМ, 18ХГТ, 25ХГТ, ЗОХГТ, 20ХГНР, 15ХГНТА составляет 0,8...1 % при цементации и 0,65...0,9 % при нитроцементации (l...l,25% (C+N2)). В соответствии с современными требова­ниями к качеству деталей необходимо получать не только нужную концентрацию, но и оптимальное распределение углерода по глу­бине слоя.

Известны методы прямого регулирования процесса насыщения по изменению электросопротивления датчиков из тонкой прово­локи, которые помещают в рабочее пространство печи. Электриче­ское сопротивление изменяется по мере науглероживания датчика. Однако эти методы пока еще недостаточно надежны, в частности, из-за необратимых изменений, происходящих в материале датчика, что искажает показания. В настоящее время самое широкое рас­пространение получили методы косвенного регулирования углерод­ного потенциала, основанные на соответствии содержания углерода на поверхности составу газов печи. Эти методы стали возможными благодаря появлению процессов насыщения в заранее приготов­ленных контролируемых газовых средах. Состав газовой атмо­сферы, а следовательно, и углеродный потенциал можно в процессе обработки изменять по заданной программе, обеспечивая опти­мальные параметры насыщения. Разрабатываются также методы регулирования, в основе которых лежит непрерывное косвенное регулирование по содержанию в атмосфере печи С02 или Н2О и периодическая тарировка приборов (контроль углеродного потен­циала) по соответствующему содержанию углерода в стальной фольге.

Основной насыщающей добавкой (карбюризатором) при цементации в контролируемой атмосфере служит обычно метан, содержание которого является преобладающим в природных газах. С печными газами метан реагирует следующим образом:

СО2 + СН4↔2СО + 2Н2; (3.32)

Н2О + СН4↔СО + ЗН2, (3.33)

скорость протекания которых, как показывает термодинамический анализ, при температурах 900...1000 "С значительно меньше, чем скорость протекания реакции водяного газа

СО2 + Н2↔СО + Н20. (3.34)

По содержанию метана нельзя регулировать углеродный потенциал среды, и его подача в печь должна быть ограничена минимально необходимой величиной (практически 1...З % от объема газов печи). В качестве количественной меры при регулиро­вании принимается обычно содержание водяных паров или угле­кислого газа.

В настоящее время оптимальным можно считать следующий порядок проведения процесса.

В период нагрева карбюризатор в рабочее пространство печи не подается, так как в интервале низких температур углеродный потенциал среды повышен и тонкий поверхностный слой может излишне науглеродиться с выделением сажи и образованием цементитного слоя (Fe3C). В этот период необходимо контролировать содержание в атмосфере печи С02 и СН4.

Следующий период — первая стадия цементации (нитроцементации), характеризуемая интенсивным насыщением углеродом. На данной стадии в печь подается СН4. Степень насыщения опреде­ляется линией SE на диаграмме состояния железо — углерод. Не допускается образования цементита на поверхности и выпаде­ния сажи из газовой фазы. Для предотвращения этих явлений требуется регулирование состава печной атмосферы по содер­жанию С02 или Н20 и периодический контроль концентрации СН4.

В следующем периоде (во второй стадии цементации) углерод­ный потенциал среды уменьшается до заданного значения. Про­исходит диффузионное выравнивание концентрации по сечению. В этом периоде формируется окончательная поверхностная концентрация, что обусловливает необходимость непрерывного контроля и регулирования состава печной атмосферы.

После окончания цементации наступает период подстуживания от температуры насыщения до температуры закалки или медленное охлаждение до необходимой технологической температуры.

Описанная схема процесса в садочных печах реализуется в од­ной камере. В проходных печах процесс протекает в соответ­ствующих зонах. При этом наилучшие условия создаются в том случае, если обеспечена автономность состава газовой атмосферы в различных зонах.

Регулирование по СО2 осуществляется газоанализатором, снаб­женным регулирующим устройством, которое управляет клапаном подачи метана в печь. В большинстве случаев используются оптико-акустические газоанализаторы (в комплекте с регулирующим элек­тронным мостом), принцип действия которых основан на зависи­мости поглощения инфракрасного излучения от концентрации измеряемого компонента. Эти газоанализаторы отличаются быстро­действием и высокой чувствительностью.