Способ определения активности углерода в печной атмосфере Советский патент 1984 года по МПК G01N25/02 

X

s|

01

о

00

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ УГЛЕРОДА В ПЕЧНОЙ АТМОСФЕРЕ, включающий измерение температуры начала конденсации свободного углерода, отличающийся тем, что, с целью повьшения точности оп ределения и упрощения способа,в печь помещают стержень-датчик с заданным распределением температуры по его длине, вьдерживают в печной атмосфере, извлекают, измеряют расстояние от конца стержня до места конденсации свободного углерода и определяют его активность по формуле .. где дН - тепловой эффект реализации вьделения углеродаj - газовая постояннаяi Тц - температура печной атмос« феры; Т - температура стержня-датчика в месте конденсации свободного углерода.

Фиг. Изобретение относится к контролю печных атмосфер, используемых при химико-термической обработке изделий, пмроко применяемой для повьшения их эксплуатационных свойств. Известен способ определения и ре гулирования углеродного потенциала контролируемой атмосферы, образующе ся в печном пространстве, согласно которому регулирование углеродного потенциала осуществляется путем отбора газовой пробы и измерения сп циальным газоанализатором концентрации метана, связанной в свою очередь с величиной добавки пропана 1. Недостатками способа являются необходимость отбора пробы газовой атмосферы, необходимость достижения определенного порогового значения концентрации пропана в исходной смеси, необходимость получения в печном пространстве стабильно концентрации СО в количестве 5-6 об сложность аппаратурного оформления, низкая точность, связанная с возможностью изменения состава газовой атмосферы в момент отбора пробы. Указанньш способ дает возможност определить лишь потенциал углерода, которьй не всегда совпадает с его активностью. Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения активности углерода - способ Харгривса, заключающийся в помещении сплава с летучим компонентом в один из концов кварцевой трубки, ее герметизации, нагреве ко ца со сплавом до постоянной темпера туры Т, , испарении летучего элемента из сплава и образовании парогазо вой фазы. I , Температура Т является температ рой, при которой .необходимо определить активность летучего компонента Затем температуру другого конца запаянной трубки со смотровым окошком постепенно снижают до тех пор,пока в некоторьй момент времени t начина ется конд.енсадия летучего компонента, В этот момент времени измеряют температуру Т конца трубки со смотровым окошком. Считывая постоянство давления во всем объеме запаянной трубки по температурной зависимости давления паров над чистым летучим кo moнeнтoм расчитывают активность компонента в твердом растворе по формуле ,-.:1.. (О Р-ПТЛ Р, ПтО где - активность летучего компонента в сплаве; спл Рд - парциальное давление паров летучего компонента коьл сплавом; Р - парциальное давление паров над чистым летучим компонентом в конденсированном состоянии} Т - температура конца трубки со сплавом; Т - температура начала конденсации летучего компонента в конце трубки со смотровьпхг окошком. При определении активности углерода в контролируемой печной атмосфере этот способ дополнительно включает в себя отбор газа их печного пространства в кварцевую трубку и позволяет проводить охлаждение всей трубки 2j , Недостатками известного способа являются сложность герметизации трубки с отобранной газовой пробой при температурах цементации, сложность создания контролируемой скорости охлалздения и определения момента начала конденсации элемента из газовой фазы, низкая точность, необходимость определения функции Рд над конденсированным веществом от температуры. Целью изобретения является повышение точности определения и упрощение способа. Поставленная цель достигается тем что согласно способу определения активности углерода в печной атмосфере, включающему измерение температуры начала конденсации свободного углерода, в печь помещают стержень-датчик с заданным распределенигм температуры по его длине, вьиерживают в печной атмосфере,извлекают, измеряют расстояние от конца стержня до места конденсации свободного углерода и определяют активность по формуле ас1Ти)- р т1т;:

где uH тепловой эффект реализации выделения углерода; R - газовая постоянная, Тц - температура печной атмосферы Т - температура стержня-датчика в месте конденсации свободного углерода. На фиг. 1 и 2 схематически изображено устройство для реализации способа, на фиг. 3 - график распределения температуры по длине стержня-датчика.

В печь 1 с контролируемой атмосферой 2 для цементации помещают стержень-датчик 3, изготовленный из инертного по отношению к углероду материала (например, керам11ка, никель и т.п.). Затем обеспечивают по длине стержня-датчика 3 заданньй перепад температуры (фиг.З), некоторое время вьдерживают и извлекают.

Перепад температур по длине стержня датчика достигается путем пропускания охладителя (например, вода) 4 через внутреннюю полость цилиндра 5, помещенного в нагретую до температуры цементации Тц печь, циркуляция охладителя осуществляется через трубки 6 и 7.

Некоторая вьдержка охлаждаемого стержня-датчика 3 в печи 1 необходима для того, чтобы по его длине установилось стационарное распределение температуры Т(х).

В период вьдержки объемы газовой атмосферы 2, нагретой в печи до температур цементации (850-1ООО С), соприкасаются с более холодной поверхностью стержня-датчика 3. При соприкосновении газовой атмосферы 2 с участками стержня-датчика 3, температзфа. которых ниже некоторой предельной температуры Т, на их поверхности начинается конденсация сво бодного углерода в виде графита

(или сажи). I

После извлечения стержня-датчика

3 из печи 1 измеряют расстояние В от его внутреннего конца до места начала вьщеления свободного углерода

Используя известный график распределения температур по длине стержня-датчика (см.фиг.Зэ определяют значение температуры Т как (х В) и проводят расчет активности углерода в контролируемой газовой атмосфере по формуле (2)

Для примера рассмотрим реакцию, широко используемую на практике для цементации

2СО:

COj + С

Для этой реакции

01с1Тц ехр 2й260ЛО() (3)

в герметичную печь 1 с объемом рабочего пространства 0,004 м помещают древесный карбюризатор в количестве 3, кГ, вакуумируют до давления мм рт.ст. и нагревают до температуры 1173 К. Затем вводят водоохлаждаемьш стержень-датчик 3 длиной 0,5 м, вьдерживают в течение 20 мин и извлекают из печного пространства. Затем измеряют расстояние 2 от конца стержня-датчика до места начала вьделения свободного углерода, которое при данных условия составляет 0,1 м. Из графика распределения температуры по длине стержня-датчика определяют его температуру в месте начала вьщеления свободного углерода, равную 923 К, и проводят расчет по формуле (3). Определенное таким образом значение а 0,94.

По предлагаемому способу ошибка 33 измерении не превышает 10-20 м что .соответствует ошибке в определении температуры д Т при заданном контролируемом распределении температуры по длине стержня-датчика 1,0-2,0.

Если дТ - погрешность в определении температуры, то ошибка в определении активности углерода записывается в виде

/ 2йН /1йН (f.) -rexp - lexp -) ()

ал

сП

После подстановки численных значений в формулу (4)

40 g 0,03-0,06 Относительная погрешность

составляет 3-6%. ае

По сравнению с известным способом, точность определения активности углерода увеличивается в 8-13 раз.

Кроме того, предлагаемый способ не требует дорогостоящего оборудования и прост в аппаратурном оформлении.

СЬ

к2.

Расстояние от ffamvtt/(a, X

,/

Puz.Z Риг J