ЖУРНАЛ СТА 1/2012

● адсорбирование аустенитом углерод- содержащих молекул; ● диссоциация молекул CO и CH 4 при температурах выше верхней критиче- ской точки с образованием атомарно- го углерода; ● диффузия атомарного углерода в глу- бинные слои стали. Среднюю скорость цементации при температуре 920…950°С обычно прини- мают в пределах 0,10–0,12 мм/ч. При газовой цементации исполь- зуют и жидкий карбюризатор, кото- рый подают в рабочее пространство печи. При высокой температуре про- исходит разложение жидкого карбю- ризатора, в результате чего образуется цементирующий газ. В качестве жид- кого карбюризатора применяют бен- зол, пиробензол, керосин, синтин и другие углеводороды. Качество карбю- ризатора характеризуется количеством газа, сажи и кокса, образующихся при цементации, и цементирующей спо- собностью карбюризатора. Сажа и кокс засоряют газопроводы, снижают срок службы нагревательных элемен- тов печей и препятствуют процессу на- сыщения. Наибольшее количество газа (0,8 л газа из куб. см жидкости) образу- ется при разложении синтина, затем ке- росина (0,7 л газа из куб. см жидкости), пиробензола (0,6 л газа из куб. см жид- кости) и бензола (0,4 л газа из куб. см жидкости). Газовая цементация жидкими карбю- ризаторами производится в шахтных и методических печах. В шахтных печах жидкий карбюризатор подаётся капель- ницей, а имеющийся вентилятор созда- ёт движение газового потока, и цемен- тация протекает равномерно. Для уменьшения сажеобразования карбю- ризатор подают топливным насосом через форсунки в распылённом состоя- нии. Оптимальный расход синтина со- ставляет 1,6–1,8 л/ч, керосина 1–2 л/ч, пиробензола 1,8–2 л/ч. М ЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ УРОВНЯ УГЛЕРОДА ПРИ ГАЗОВОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ Управление процессом газовой це- ментации предполагает измерение про- центного содержания углерода в печной атмосфере. Это может быть осуществ- лено непосредственным или косвен- ным способом. При непосредственном измерении уровня углерода в печной атмосфере используется метод фольги. Он основан на том, что содержание уг- лерода в тонкой стальной фольге, поме- щённой в печь, через некоторое время достигает уровня углерода в печной ат- мосфере. Метод непригоден для авто- матизации, но в силу простоты реализа- ции и достаточной для практических целей точности широко используется для контроля измерений, проводимых косвенным способом. Современные косвенные методы базируются на измерении в печной атмосфере концентрации какой-либо из пары газов: оксида и диоксида угле- рода или оксида углерода и кислорода. В первом случае основополагающей яв- ляется реакция: 2CO ↔ [C] + CO 2 . (3) Из условия термодинамического рав- новесия между содержанием СО 2 в печ- ной атмосфере, температурой и содер- жанием углерода можно получить зави- симость активности углерода a С от парциальных давлений оксида угле- рода Р СО , диоксида углерода Р СО 2 и температуры печной атмосферы Т : lg a C = lg[ Р СО / Р СО 2 ] + 8817/ T – – 9,071. (4) Для метода определения углеродного потенциала по содержанию кислорода в науглероживающей атмосфере основ- ной является реакция: 2СО ↔ 2[С] + О 2 . (5) Соответствующее выражение для ак- тивности углерода в этом случае имеет вид: lg a C = lg[ Р СО /( Р О 2 ) 0,5 ] – 5927/ T – – 4,545. (6) Активность углерода а C связана с парциальным давлением Р С соотноше- нием а С = , а парциальное давле- ние газа при нормальных условиях совпадает с его концентрацией. Из приведённых соотношений следует, что для определения содержания угле- рода необходимо измерять в первом случае концентрации оксида углерода и диоксида углерода в печной атмо- сфере и её температуру, а во втором случае – концентрации кислорода и оксида углерода и температуру печной атмосферы. Для определения концентраций окси- да и диоксида углерода в печной атмо- сфере средства газового анализа предо- ставляют широкий выбор сенсоров. В нашем случае был выбран инфракрас- ный газовый сенсор Gascard II про- изводства компании Edinburgh Inst- ruments Ltd, общий вид которого пред- ставлен на рис. 1. Сенсор выпускается в вариантах для измерения концентраций оксида, диоксида углерода и метана в широком диапазоне значений, обладает высокими метрологическими и экс- плуатационными характеристиками, снабжён интерфейсом RS-232. Возможность реализации метода определения углеродного потенциала по содержанию оксида углерода и кис- лорода появилась относительно недав- но. Это связано с тем, что концентра- ция кислорода в управляемой атмосфе- ре чрезвычайно мала и составляет 10 –19 …10 –20 %. Измерения таких не- значительных величин концентрации стали возможными с появлением дат- чиков кислорода на основе твёрдого электролита. Электролитом может яв- ляться, например, стабилизированный оксидом кальция диоксид циркония. При добавлении СаО двухвалентные ионы Са 2+ внедряются в узлы кристал- лической решётки, где обычно нахо- дятся четырёхвалентные ионы Zr 4+ . Из-за этого получается недостаток по- ложительных зарядов, который ком- пенсируется ионами кислорода (недо- стающими в кристаллической решётке ионами О 2– ). С помощью вакансий кислород перемещается в кристалличе- ской решетке, в результате чего возни- кает ионная проводимость. Измери- тельные преобразователи из твёрдого электролита могут быть выполнены в виде мембран, фольги, шайб или ци- линдров из оксидов циркония, церия и т.д. Внешняя поверхность датчика сообщается с печной атмосферой, а внутренняя – с контрольной газовой средой с известным содержанием кис- лорода (обычно для этого используется атмосферный воздух). Для измерения температуры к внутренней поверхно- сти датчика подведена термопара. По- лезный сигнал снимается с помощью платиновых электродов, нанесённых на внутреннюю и внешнюю поверхно- сти датчика. Зависимость величины электриче- ского потенциала датчика от величин парциальных давлений кислорода в 58 СТА 1/2012 СИС Т ЕМНА Я ИН Т Е Г Р АЦИЯ / МАШИНОС Т РОЕ НИЕ www.cta.ru Рис. 1. Инфракрасный газовый сенсор Gascard II © СТА-ПРЕСС