КАРБЮРИЗАТОР ДЛЯ ЦЕМЕНТАЦИИ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ Российский патент 2015 года по МПК C23C8/76 

Изобретение относится к области цементации стальных изделий и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов путем их термообработки в среде твердого карбюризатора.

Известны составы смесей и паст для цементации на основе древесного угля, кокса, сажи с добавкой активаторов - карбамида (мочевины), карбонатов и ацетатов натрия, калия и бария [1]. Составы достаточно универсальны, но не технологичны из-за невозможности обеспечения стабильного насыщения низкоуглеродистых сталей углеродом.

Известен состав в виде пасты, содержащий сажу и до 55% карбамида, применяемый в интервалах температур 550-600°C [2]. Состав недостаточно эффективен при высокотемпературной цементации и применим к ограниченному количеству сталей.

Известен состав твердого карбюризатора, состоящий из древесного угля (10-15%), полукокса (75-80%) и активатора - ацетата бария (5-10%), для цементации стальных изделий [3]. Недостатком является необходимость использования в рецептуре твердого карбюризатора в качестве основного компонента - полукокса, который, являясь эффективным энергетическим топливом, под воздействием температуры легко воспламеняется, выделяя при этом в зону реакции нестабильные летучие углеводородные соединения. Это может отрицательно повлиять на пожаровзрывобезопасность процесса.

Прототипом является состав следующей рецептуры [4]:

1) углеродсодержащее вещество - осадок очистных сооружений промышленных стоков от производства бумаги (90-92%);

2) один из карбонатов металлов I или II группы Периодической системы химических элементов (8-10%).

Недостатком прототипа является то, что образование насыщающего углеродсодержащего вещества происходит из осадков промышленных стоков непосредственно во время процесса цементации. При этом в составе осадков имеется большое количество разнообразных по своей химической природе веществ (канифольный клей, каолин, крахмал, мочевино- и меламино-формальдегидные смолы и др.), которые, обеспечивая повышенную влагоустойчивость и капиллярность карбюризатора, не влияют на образование углеродсодержащего вещества и по сути своей являются балластными в процессе насыщения углеродом стальных изделий. Это влечет за собой повышение энергоемкости процесса, влияет на глубину, качество, продолжительность и эффективность цементации.

Техническим результатом предлагаемого изобретения являются: обеспечение требуемого диффузионного насыщения углеродом, достижение равномерности глубины слоя по площади изделия и снижение энергетических затрат.

Технический результат достигается тем, что в известном составе карбюризатора для цементации стальных изделий, содержащем один из карбонатов металлов I или II группы Периодической системы химических элементов, вместо углеродсодержащего вещества, полученного из осадка очистных сооружений промышленных стоков от производства бумаги, используют высокодисперсную сажу - побочный продукт неполного сгорания природного газа при эксплуатации газоиспользующего теплогенерирующего оборудования на газораспределительных и компрессорных станциях магистральных газопроводов. Состав природного газа приведен в таблице 1.

Несмотря на свою относительно низкую эффективность по КПД и наличие целого ряда других технологических недостатков, подогреватели прямого нагрева газа и с промежуточным нагревом теплоносителя (типа ПГА-200 и ПТПГ-30) широко используются в газовой промышленности для предотвращения гидратообразования перед дросселированием на газораспределительных станциях и в узлах подготовки топливного, пускового

и импульсного газа компрессорных станций. Исходя из опыта эксплуатации данного оборудования, образование высокодисперсной сажи обусловлено конструктивными особенностями подощелевых газовых горелок, которые не обеспечивают необходимого регулирования подачи воздуха в зону горения и смешения газовоздушной смеси в горелке, что и приводит к химическому недожогу. При этом из-за неполного тепловыделения возрастают: дополнительные затраты топливного газа, плата за сверхнормативные выбросы угарного газа в атмосферу, нагрузка на экологию из-за необходимости захоронения высокодисперсной сажи как побочного канцерогенного продукта или поиска альтернативных путей его утилизации.

Относительно безвредным для экологии является предлагаемый способ использования высокодисперсной сажи в рецептуре карбюризатора для цементации изделий из низкоуглеродистой стали. Эти изделия эксплуатируются в том же действующем производстве, где и получена сама высокодисперсная сажа, и требуют повышения твердости и износоустойчивости в силу различных условий или требований обеспечения надежности работы технологического оборудования.

Пример 1. Высокодисперсную сажу получают при плановом останове подогревателя газа ПГА-200, установленного в блок-боксе собственных нужд на промплощадке газокомпрессорной станции, путем вскрытия кожуха, последующего механического шарошения дымохода, сбора и очистки от продуктов коррозии. Высокодисперсная сажа состоит в масс. % из: железа - 0,4; водорода - 1,2 и углерода - 98,4. Физико-химические свойства высокодисперсной сажи приведены в таблице 2.

Пример 2. Высокодисперсную сажу получают при плановом останове подогревателя газа ПТПГ-30, установленного на газораспределительной станции, путем вскрытия кожуха, последующего механического шарошения дымохода, сбора и очистки от продуктов коррозии. Высокодисперсная сажа состоит в масс. % из: железа - 0,5; водорода - 1,0 и углерода - 98,5. Физико-химические свойства высокодисперсной сажи приведены в таблице 2.

Карбюризатор для цементации готовят путем добавления в высокодисперсную сажу (80% масс.) чугунной стружки со средним размером гранул 0,5 мм (10% масс.), карбоната бария ВаСО₃ (10% масс.) и равномерного перемешивания.

Подшипниковые опорные плиты воздуховодов газоперекачивающих агрегатов (далее детали), изготовленные из стали марки Ст20, помещают в металлический контейнер, на дно которого засыпан слой карбюризатора толщиной 30 мм. После укладки детали засыпают сверху слоем карбюризатора толщиной 30 мм. Карбюризатор плотно утрамбовывают. Сверху укладывают лист асбеста, засыпают его кварцевым песком. Контейнер закрывают крышкой и обеспечивают его герметизацию путем обмазывания огнеупорной глиной. Далее контейнер с уложенными деталями устанавливают в нагретую до температуры цементации 900°C электрическую камерную печь сопротивления СНО-4.8.4/10И1 и выдерживают в ней в зависимости от требуемой толщины слоя цементации.

После окончания стадий цементации, охлаждения до 100°C и разгрузки, детали подвергают двойной закалке и отпуску. Первая закалка, необходимая для исправления структуры сердцевины детали, испытывающей в процессе цементации перегрев, производится при температуре 820°C. Вторая закалка при температуре 770°C придает высокую твердость поверхностному слою детали. Низкий отпуск для снятия температурных напряжений - при температуре 150°C.

Контроль качества осуществляют по эффективной толщине слоя цементации, которая определяется по его твердости и структуре. Замер твердости производится методом экспресс-анализа с помощью ультразвукового твердомера MIC10. Границей зоны цементации является структура, состоящая из перлита и феррита в равных пропорциях, и соответствующая концентрации углерода - 0,4% общей массы. Оценка толщины слоя цементации принимается по твердости термически обработанных образцов в присутствии твердого карбюризатора, за конец зоны слоя цементации принимается зона с твердостью 40-45 НRС_Э. Результаты испытаний представлены в таблице 3.

Достигнутые значения глубины слоя цементации и показателя твердости по шкале Бринелля (НВ) показывают, что предлагаемый способ обеспечивает равномерную глубину цементации по площади образца, позволяют повысить экономичность и экологичность процесса за счет использования побочного продукта производства - высокодисперсной сажи.

Изобретение может найти широкое применение в различных областях газовой промышленности, машиностроения и металлургии.

Источники информации:

1. Справочник. Химико-термическая обработка металлов и сплавов, под ред. Л.С. Ляховича. - М.: Металлургия, 1981. - 288 с.

2. Пат. №2254396, Российская Федерация, МПК С23С 8/76. Способ нитроцементации металлов в пастах / заявитель и патентообладатель Курская государственная сельскохозяйственная академия им. проф. И.И. Иванова - 2003128356/02; заявл. 19.09.2003; опубл. 20.06.2005.

3. Авторское свидетельство №111009, СССР, МПК С23С 8/66. Твердый карбюризатор / Л.А. Лукша - 581698; заявл. 06.08.1956; опубл. 01.01.1957.

4 Пат. №1836486, Российская Федерация, МПК С23С 8/66. Карбюризатор для цементации стальных изделий / заявители и патентообладатели И.М. Спиридонова, С.Б. Пиляева, В.Ф. Сюткин, Ю.А. Малык - 5039776; заявл. 24.04.1992; опубл. 23.08.1993.

Изобретение относится к области цементации стальных изделий и может быть использовано для поверхностного упрочнения деталей машин и механизмов путем их термообработки в среде твердого карбюризатора. Карбюризатор для цементации изделий из низкоуглеродистой стали содержит высокодисперсную сажу в виде побочного продукта неполного сгорания природного газа в газоиспользующем теплогенерирующем оборудовании газораспределительных и компрессорных станций магистральных газопроводов, чугунную стружку со средним размером гранул 0,5 мм и карбонат бария, при следующем соотношении компонентов, мас.%: высокодисперсная сажа - 80, чугунная стружка - 10 и карбонат бария - 10. Обеспечивается требуемое диффузионное насыщение стальных изделий углеродом, достигается равномерность глубины слоя по площади изделия и снижаются энергетические затраты. 3 табл., 2 пр.

Карбюризатор для цементации изделий из низкоуглеродистой стали, содержащий углеродсодержащее вещество и один из карбонатов металлов I или II группы Периодической системы химических элементов, отличающийся тем, что он дополнительно содержит чугунную стружку со средним размером гранул 0,5 мм, при этом углеродсодержащее вещество представляет собой высокодисперсную сажу в виде побочного продукта неполного сгорания природного газа в газоиспользующем теплогенерирующем оборудовании газораспределительных и компрессорных станций магистральных газопроводов, а один из упомянутых карбонатов представляет собой карбонат бария, при следующем соотношении компонентов, мас.%: высокодисперсная сажа - 80, чугунная стружка - 10 и карбонат бария - 10.