CC BY
46
Information about authors
Davlyatshin Ruzil Haysarovich - post-graduate student of the Safety of technological processes and production department, FSBET HE «St.-Petersburg State Agrarian University» (Pushkin, Russia). Phone: 8(812)451-76-18. Email: [email protected].
УДК 538.362
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ АВАРИЙ И ТРАВМАТИЗМА ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПАРОВЫХ И ВОДОГРЕЙНЫХ КОТЛОВ
© 2016 г. П. С. Орлов, Л.Л. Голдобипа, B.C. Шкрабак, Р. В. Шкрабак, А.С. Степанов, Д.С. Шувалов
В статье приведены сведения о широком применении в экономике страны паровых и водогрейных котлов различной мощности. Стресс-коррозионное разрушение материалов котлов приводит к авариям и взрывам с гибелью людей. С целью снижения вероятности стресс-коррозии авторами на основе обстоятельных исследований предложена физическая модель проникновения водорода в сталь из внешней среды при различных климатических температурах и атмосферном давлении с учетом строения реальных металлов. Кроме того, уточнена математическая модель процесса путем введения в неё двух важнейших слагаемых, учитывающих динамику процесса. Дано обстоятельное объяснение этим процессам и показаны пути отсрочки начала стресс-коррозии металла. Для этого авторами разработаны на уровне трех патентов и применены: способ определения стойкости металла подземных трубопроводов к стресс-коррозии, способ ускоренной цементации стальных деталей и способ легирования стали алюминием. Экспериментально подтверждена возможность получения стальных конструкций, поверхность которых насыщена алюминием на необходимую глубину, что обеспечивает стойкость стали к высокотемпературной коррозии и повышает жаростойкость стали, в том числе стойкость к межкристаллитиой и стресс-коррозии, причиной которых является наводороживание металла, от которого алитир о ванну ю сталь защищает тонкая и прочная пленка окиси алюминия и «заполненные» алюминием межблочные, межфрагментарные и межкристаллитные пространства на поверхности стали, проникновению атомарного водорода в которые препятствует 'заполняющий их алюминий.
Ключевые слова: паровые и водогрейные котлы, стресс-коррозия, аварии, взрывы, меры противодействия.
This article presents data about the wide application in the national economy of steam and hot water boilers of different capacities. Stress corrosion destruction of boilers materials leads to accidents and explosions with death of people. In order to reduce the possibility of stress corrosion on the basis of extensive research, the authors propose a physical model of the hydrogen penetration into the steel from the environment under different climatic temperatures and atmospheric pressure taking into account the structure of real metals. Besides, there was refined mathematical model of the process by introducing into it the two most important components, which take into account the dynamics of the process. There is given the detailed explanation of these processes and the ways of postponing start date of metal stress corrosion. For this purpose the authors designed at the level of the three patents and applied: method of determining the resistance of the underground pipelines metal to stress corrosion, the process of accelerated carburizing of steel details and method of alloying of steel with aluminum. There was experimentally con finned the possibility of obtaining steel constructions, the surface of which is saturated with aluminum to the required depth that provides hot corrosion resistance of steel and improves the heat resistance of steel, including resistance to inlcrgranular and stress-corrosion, which arc caused by hydrogénation of the metal from which alumi-nized steel is protected by the thin solid film of aluminum oxide and "filled" with aluminum interblock, interfragmentary' and inlcrgranular spaces on the steel surface, the penetration of atomic hydrogen into which is prevented by the filling up aluminum.
Keywords: steam and hot water boilers, stress-corrosion, accident, explosions countermeasiires.
В Российской Федерации в последние годы практически во всех отраслях экономики наблюдалась тенденция ухудшения
условий труда; увеличилось число аварий, несчастных случаев на производстве и профессиональных заболеваний. Уровень
смертельного травматизма в России значительно превышает аналогичные показатели развитых стран. В РФ он составил 0,139 на 1 тысячу работающих, в США - 0,054, в Финляндии - 0,038, в Японии - 0,02, в Великобритании - 0,016. Уровень травматизма на частных предприятиях, в кооперативах, товариществах с ограниченной ответственностью в РФ выше, чем на предприятиях государственного сектора в 2 раза и более [1].
В докладе «Основные результаты работы по осуществлению государственного энергетического надзора ... за 8 месяцев 2015 г.» отмечено, что удалось улучшить один из главных показателей эффективности надзорной деятельности - снижение аварийности и травматизма: за 8 месяцев 2015 года на объектах электроэнергетики и энергоустановках потребителей электрической и тепловой энергии произошло 38 аварий (за аналогичный период 2014 года -65 аварий и 34 несчастных случая со смертельным исходом (в 2014 году - 49). Тем не менее эксплуатирующие энергоснабжа-ющие объекты организации не проводят в полном объеме плановые капитальные и текущие ремонты основного и вспомогательного энергетического оборудования, а также наладочные работы паровых котлов, работы по модернизации и замене физически и морально устаревшего энергетического оборудования и энергетических объектов [2].
Опыт эксплуатации паровых и водогрейных котлов показывает, что нарушение правил эксплуатации котлов приводит к авариям и взрывам котлов. Основные причины взрыва - превышение рабочего давления и упуск воды из котла [3].
В последние годы коррозия стала особенно интенсивной. Ее подстегивают возрастающие давление и температура в котлах, а также накипь на стенках, увеличивающая термическое сопротивление металла и температуру стенок. Омываемая пламенем горелок наружная поверхность стенок экранных труб корродирует и утончается, металл наводороживается, «охруп-чивается» и трубы рвутся [4].
Взрыв парового котла - это мгновенное высвобождение энергии перегретой
воды при резком снижении давления в котле. При давлении Р = 1,2 МПа температура кипения воды в котле т = 189 °С. Один кубометр перегретой воды при атмосферном давлении, превращаясь в пар, увеличивается в объеме в 1700 раз, разрушая стенки труб и котла.
В 2003 году на Енисейском мясокомбинате взорвался паровой котел. Погибло 4 человека. В 2005 году в Москве в результате взрыва парового котла на заводе «Динамо» пострадал один человек. В 2015 году в Якутии в результате взрыва парового котла пострадало 3 человека.
Нередко взрывы происходят и на предприятиях АПК и на промышленных предприятиях, где, как правило, котлы несколько «моложе» и культура их эксплуатации несколько выше [3-17].
Предложенная физическая модель проникновения водорода в сталь при климатических температурах [5] из внешней среды при атмосферном давлении учитывает строение реальных металлов, состоящих из отдельных кристаллов, значительно отличающихся друг от друга как своими размерами, так и по-разному ориентированных в пространстве. Каждый кристалл состоит из разноориентированных фрагментов, состоящих, в свою очередь, из блоков с линейными размерами менее 10 мкм. В результате в металле появляются межкристаллитные, межфрагментарные и межблочные пустоты, объемы которых на 4-8 порядков меньше объемов окружающих их кристаллов. Пустоты представляют собой в общем случае тонкий клин, утопленный острием в металл. Протяженность пустот значительно превышает наибольший из размеров кристаллов, а входное поперечное сечение элементарного пространства (основание клина) в первом приближении имеет очертания прямоугольника
(Ъ х (Р) нм2, расположенного на поверхности металла, ширина которого « Ь нм соизмерима с диаметром атома водорода, равного (0,05-0,09) нм [6]. Границы между отдельными зернами (кристаллами) в металле — большеугловые, достигающие десятков градусов, а между субзернами (фрагментами и блоками) — малоугловые,
составляющие менее одного углового градуса. Так как входные сечения в микрообъемы соизмеримы с параметрами кристаллической решетки, в межкристаллитных, межблочных и межфрагментарных полостях сохраняется глубокий вакуум.
Атомарный водород буквально «заколачивается» атмосферным давлением в межкристаллитные, межблочные и межфрагментарные полости. Предложенная модель транспорта водорода в металл позволяет объяснить явление понижения электродного потенциала наводороженной стали: так как водород воздействует на стенки микрополостей, создавая высокое давление на них из условий нагружения, то и стенки микрообъемов оказывают точно такое же давление на атомы водорода, находящегося в микрополостях под давлением, превышающим атмосферное на несколько порядков, что создает условия (при контакте с водным электролитом) для функционирования концентрационного гальванического элемента дифференциальной наводо-роженности, расходным материалом которого служит водород, находящийся в микрополостях. На наводороженной (анодной) поверхности идет реакция окисления атомарного водорода Нддс с образованием электрона е и протона Н . Термодинамическая возможность функционирования подобного электрохимического процесса и
величина электродвижущей силы (рк В, создаваемая этим концентрационным гальваническим элементом дифференциальной наводороженности, определяется уравнением Нернста и пропорциональна логарифму отношения давлений водорода на слабо наводороженной наружной поверхности металла Р\ и в сильно наводорожен-ных межкристаллитных, межфрагментарных или межблочных объемах Рс (в стали):
фк= 0,0592 [/#- (Р;\ / Рс)].
Предложенная физическая модель диффузии атомарного водорода в металл [7] и уточненная математическая модель транспорта атома внедрения в металл и далее в кристаллическую решетку учитывает
От дс 0Р дТ = -!)-{— +А —+ В— +
в механизме проникновения водорода из внешней среды в сталь введенный в уравнение Е. Фромма и Е. Гебхарта градиент
давления дР/дх, обеспечивающий, совместно с градиентами концентрации дс/дх (в соответствии с первым законом Фика),
температуры dTldx (теплоперенос или энергоперенос в соответствии с Е. Фроммом и Е. Гебхартом) и потенциала <3(р!дх (электр о пере нос в соответствии с Нерн-стом-Фиком), направленный и упорядоченный перенос металлоида внедрения из внешней среды в металл по межкристал-литным, межфрагментарным и межблочным пространствам и далее в кристаллическую решетку железа [8], исходя из условий нагружения стенок микрополостей [9].
Проведенные эксперименты [10, 11] показали, что предложенные физическая и математическая модели проникновения атомарного водорода в сталь, адекватно описывают транспорт в металл и в металле не только водорода, но и других атомов внедрения.
В предложенную математическую модель введено еще два слагаемых: член, учитывающий процесс эвакуации водорода из стали при воздействии на нее внешнего
переменного магнитного поля (д2Ф)!(дхдг) - скорость изменения градиента магнитного потока электромагнитного облучения (описывающий перенос атомов металлоидов внедрения под действием внешнего электромагнитного поля при высокочастотном нагреве металла — электромагнитный перенос, учитывающий возможность эвакуации водорода из стали), а также
(friyidxdi) - скорость изменения градиента температуры (член уравнения, описывающий фазовый перенос); это слагаемые, описывающие ускоренные электромагнитный и фазовый переносы атомов легирующей примеси при полиморфных фазовых a-Fe - y-Fe и y-Fe - a-Fe превращениях в оптимальном температурном диапазоне при термоциклировании, т.е. имеем:
di
дх дх
дх
X
(УТ dVM 0<р , 02Ф
ох ■ ól ох дх dx-óí
где дт!д1 — количество вещества дт, прошедшее через площадку $ за время дI (массоперенос);
(д Ум / ¿Ух) - градиент изменения объема, описывающий вакансионный перенос по Мечеву;
М — вес грамм-молекулы диффундирующего вещества;
А, В, X, С - интегральные коэффициенты.
Все члены уравнения содержат коэффициент диффузии Д выражающий пропорциональность потоков частиц концентрации с атомов диффундирующей примеси внедрения в металле.
В соответствии с теорией фазовых переходов в процессе осуществления последнего происходит замена одних связей другими. В этот момент, в соответствии с предлагаемой авторами гипотезой, в ограниченных объемах твердое тело находится в псевдожидком состоянии.
Этот эффект легко наблюдаем: при неправильном возбуждении электрической сварочной дуги электродом диаметром 2-2,5 мм последний иногда приваривается к основному металлу и быстро разогревается током короткого замыкания до ярко-жел-того цвета - выше температуры 1200 °С. Интенсивным раскачиванием с растяжкой раскаленный электрод отрывают от основного металла и, если его повернуть горизонтально, сохраняет (пока электрод остается очень горячим) горизонтальное положение. Но по мере охлаждения при температурах порядка 700-600 °С (и потемнения цвета обмазки электрода) последний, под действием собственного веса, начинает изгибаться и его свободный конец занимает вертикальное положение - при фазовом переходе прочностные характеристики металла резко снижаются. Псевждожидкий объем перемещается в твердом теле вслед за градиентом температуры по мере нагрева или охлаждения стали и, как при зонной плавке, «тащит» с собой все примеси, так как кристаллизуются в первую очередь чистые от примесей кристаллы.
Так как и при нагревании и охлаждении фазовый переход распространяется с
поверхности вглубь металла, а при оптимальных температурах эти процессы протекают за десятки секунд на всю глубину детали, то скорость переноса легирующих элементов может достигать значительных величин, что можно использовать для интенсификации процессов химико-термической обработки - ХТО. Использование фазового переноса в процессе термоцикл ирования позволяет повысить производительность ХТО в 5-10 раз.
Уточненная физическая модель кристаллической решетки твердого тела и математическая модель проникновения атома внедрения в сталь и дальнейший ускоренный транспорт его в стали под действием фазового переноса в процессе термоцикли-рования [8, 12] обеспечили разработку энергоэффективных технологий химико-термической обработки стали [10, 11] в целях повышения стойкости стальных трубопроводов к коррозионным процессам.
При медленном изменении температуры (стационарный процесс) полиморфные преобразования протекают медленно, так как скорость подвода (или рассеяния) энергии мала. При незначительном переохлаждении стали с температуры 1183 до 980 К полиморфные превращения начинаются только через 500-800 с (после достижения образцом температуры 980 К), а заканчиваются через 30 000-50 000 с (после достижения образцом температуры 980 К). Вместе с тем, при переохлаждении стали до температуры порядка 820-830 К полиморфные превращения начинаются уже через 3-5 с, а заканчиваются через 13-15 с после достижения температуры 820 К.
Аустенит при охлаждении начинает распадаться с образованием более стабильных (при данной температуре) перлитов только по истечении некоторого инкубационного периода. При температуре фазового превращения 7 = 1000 К инкубационный период составляет несколько десятков часов, при более низкой температуре Т = 870 К время инкубационного периода уменьшается до нескольких секунд. Время, необходимое для полного распада аустенита, зависит от температуры протекания процесса. При температуре фазового превращения
Т= 1000 К время окончания полного распада аустенита составляет порядка 10" с, а при температуре У' = 870 К распад аустенита заканчивается за 20-30 с. Аналогичные процессы происходят и при повышении температуры образца.
Первоначально полиморфное преобразование кристаллической решетки (X—Ре
в кристаллическую решетку у-Ре при нагревании осуществляется сдвиговым путем. Самые длинные (и самые сильные) диагональные связи по граням двух смежных объемно центрированных кубиков
ОС—Ре вследствие их удлинения в результате нагрева становятся сильнее. С повышением температуры увеличивается амплитуда колебательного процесса. Так как все остальные связи (по ребрам и по диагонали куба) значительно короче и слабее, то максимум амплитуды колебательного процесса любого узлового атома направлен вдоль диагоналей граней (вдоль самых длинных связей). Так как связи осуществляются последовательным опросом атомов решетки, связь «подтягивает» атомы друг к другу, а в промежутках между опросами атомы «разбегаются» вследствие тепловых колебаний.
При «низких» температурах (порядка 770 К) при цементации в твердом карбюризаторе в кристаллической решетке при ее охлаждении протекают интенсивные процессы перестройки кристаллической решетки, когда разрушаются одни связи и возникают другие. В это время в ограниченных объемах металл оказывается в псевдожидком состоянии. В результате псевдожидкий объем постепенно перемещается в глубь металла, перенося с собой все примеси, в том числе и легирующие атомы к сердцевине детали. При «кристаллизации» псевдорасплава в феррит в первую очередь кристаллизуется железо, а углерод, как примесь, переносится псевдожидким железом в глубь детали. В это время происходят те же самые процессы, что и при зонной плавке. При нагревании металла до температуры, выше температуры фазового перехода, процесс полиморфного превращения повторяется. И при охлаждении и при нагревании волна псев-
дожидкого металла несет с собой легирующие элементы, проникновение которых в металл значительно облегчается, что и обеспечивает значительную интенсификацию процесса [13].
Очевидно, что данная технология может быть использована для насыщения поверхностных слоев стали другими элементами. В соответствии с вышеизложенным была разработана методика насыщения стали алюминием импульсным методом. Алюминий в качестве легирующего элемента был выбран потому, что при температурах фазовых ОС^у переходов он остается в жидком состоянии, что значительно облегчает транспорт его в сталь. Суть эксперимента заключалась в том, что стальные образцы из низкоуглеродистой стали сечением 10 х 10 мм в герметичных контейнерах с расплавленным алюминием подвергались импульсному воздействию электромагнитного поля. Верхний предел температурного интервала - 1220 К, нижний - 820 К. Выдержка при экстремальных температурах составляла не менее 5 минут. Варьировались количество циклов и их длительность. Время при любом из опытов не превышало полутора часов. Проникновение алюминия в сталь осуществлено на полное сечение образца в течение 7 циклов. Проведенный эксперимент показал возможность получения жаростойких али-тированных стальных конструкций, что позволит предотвратить проникновение атомарного водорода в металл в процессе эксплуатации труб поверхностей нагрева котлов и обеспечит возможность полного исключения одного из опаснейших факторов травматизма работников сельского хозяйства [11].
Результаты опытов подтверждают предложенную модель фазового переноса атома внедрения из внешней среды в сталь и дальнейший его транспорт в стали при термоциклировании в оптимальном температурном интервале. Уточнен механизм перестройки кристаллической решетки железа при фазовых превращениях. Показано, что при циклическом полиморфном превращении в оптимальном температурном диапазоне скорость перемещения легиру-
ющего элемента (металла или металлоида) не зависит от коэффициента диффузии атома внедрения в металле, а определяется только скоростью перемещения волны фазового перехода.
Исходя из этого, был разработан способ повышения стойкости стальных трубопроводов к коррозии алитированием. Изобретение относится к способам повышения стойкости стали к коррозии (в том числе высокотемпературной) и может быть использовано в подземном трубопроводном транспорте и для защиты труб поверхностей нагрева.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению относится: способ легирования стали алюминием, включающий не менее трех циклов нагрева стальных деталей пачками импульсов электромагнитного излучения в насыщающей среде выше точки Асз с последующим охлаждением ниже точки Аг1 при скорости нагрева и охлаждения не менее 1 К/с, отличающийся тем, что нагрев производят до температуры не выше 1220 ± 10 К и охлаждение до температуры не ниже 820 ± 10 К, продолжительность выдержки при нагреве и охлаждении при экстремальных температурах определяется необходимой глубиной проникновения алюминия и равномерностью распределения его в стали, а для увеличения скорости насыщения обработку ведут в расплаве алюминия, для предотвращения окисления которого поверхность расплава засыпают тонким слоем кокса или древесного угля (патент РФ № 2431696, С23С 10/22).
Способ также не лишен недостатков:
1) при эксплуатации трубопровода, работающего под давлением, возможно растрескивание высокостойкой к коррозии тонкой пленки окиси алюминия на поверхности нанесенного защитного алюминиевого покрытия на поверхности трубы, что не позволит полностью исключить коррозионные процессы;
2) слой кокса или древесного угля плохо защищает расплав алюминия от окисления, что снижает качество процесса алитирования.
Задачей изобретения является предотвращение коррозионных процессов
на наружных поверхностях подземных ка-тоднозащищенных трубопроводов и труб высокотемпературных поверхностей
нагрева путем нанесения на их поверхность устойчивого к коррозии покрытия.
Поставленная задача достигается способом повышения стойкости стальных трубопроводов к коррозии алитированием, включающим циклический нагрев стали пачками импульсов электромагнитного излучения в насыщающей среде выше точки Асз с последующим охлаждением ниже точки Аг1 при скорости нагрева и охлаждения не менее 1 К/с, когда нагрев производят до температуры не выше 1220 ± 10 К и охлаждение до температуры не ниже 820 ± 10 К, продолжительность выдержки при нагреве и охлаждении при экстремальных температурах определяется необходимой глубиной проникновения алюминия и равномерностью распределения его в стали, а для увеличения скорости насыщения обработку ведут в расплаве алюминия, причем разогрев поверхности стальной трубы осуществляется в защитной атмосфере на глубину проникновения алюминия в сталь, число циклов термоциклирования не превышает трех, для предотвращения окисления расплав алюминия находится под слоем расплава криолита, а в процессе алитирования в трубе поддерживается давление 0,5-0,75 от рабочего давления, создаваемого в процессе ее эксплуатации.
Новые существенные признаки:
1) алитирование поверхности стали ведут, поддерживая давление в трубе 0,5-0,75 от рабочего, создаваемого в процессе ее эксплуатации в целях исключения растрескивания тонкой высокостойкой к коррозии пленки окиси алюминия на поверхности насыщенной алюминием трубы в процессе ее эксплуатации;
2) разогрев поверхности стали в защитной атмосфере на глубину диффузии алюминия препятствует образованию окислов железа на поверхности стали и обеспечивает заданную толщину диффузионного слоя;
3) разогрев поверхности стали до температуры не выше 1220 ± 10 К и последующее интенсивное ее охлаждение после обработки расплавом алюминия до темпе-
ратуры не ниже 820 ± 10 К со скоростью не менее 1 К/с обеспечивает осуществление фазовых a-Fe - y-Fe и y-Fe - a-Fe переходов в кратчайшие сроки и высокую производительность технологического процесса за счет ускоренного транспорта атомов алюминия в сталь и интенсификации диффузионных процессов;
4) проведение до трех циклов нагрева стали, обработки ее расплавом алюминия и охлаждения обеспечивает высокую производительность технологического процесса при заданной концентрации атомов алюминия в стали на заданной глубине;
5) наличие расплава криолита на поверхности расплавленного алюминия препятствует образованию окиси алюминия на поверхности расплава и обеспечивает высокое качество процесса алитирования стали;
6) плотная и прочная пленка окиси алюминия предохраняет от коррозии, в том числе от межкристаллитной, стресс-коррозии и высокотемпературной коррозии алитированую сталь, повышая жаростойкость труб поверхностей нагрева;
7) образующиеся в процессе алитирования на поверхности стали интерметаллические соединения обеспечивают плотное сцепление алюминиевого слоя со сталью, что исключает отслоение покрытия;
8) контакт разогретой стали с расплавом алюминия удаляет следы окислов железа с алитируемой поверхности и обеспечивает высокое качество процесса;
9) получение стальных конструкций, поверхность которых насыщена алюминием на необходимую глубину термоцикли-рованием, обеспечивает высокую производительность процесса.
Перечисленные новые существенные признаки в совокупности с известными обеспечивают получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Получение технического результата изобретения достигается использованием уникальных свойств алитированных сталей.
В большинстве случаев в армированных алюминиевых конструкциях связь
между несущим стальным вкладышем и алюминием чисто механическая. Осуществляется она за счет сжимающего усилия затвердевающего алюминия (когда стальной вкладыш заливается алюминиевым расплавом), либо за счет усилия запрессовки (при запрессовке стального вкладыша в изготовленную деталь). Для повышения прочности сцепления на стальном прутке выполняют различного рода выступы, впадины, пазы или увеличивают шероховатость поверхности стальной детали струйной обработкой, накаткой или насечкой. Однако во всех случаях на границе контакта двух сплавов (алюминиевого и железоуглеродистого) имеются пленки оксидов и воздушный зазор, которые резко снижают качество покрытия.
Трудность получения плотного биметаллического контакта заключается в большом сродстве алюминия с кислородом и в значительной прочности оксида алюминия AI2O3. Алюминиевый расплав находится под слоем оксида алюминия, препятствующего смачиванию стали, а быстрое затвердевание пограничного слоя не даёт возможности удалить его оксидорастворя-ющими флюсами и другими методами.
Более эффективен способ получения биметаллических конструкций алитирова-нием сталей, в результате чего образуется переходный слой - диффузионная зона, создающая хороший контакт стали с алюминиевым расплавом.
Известно несколько методов алитирования. Наиболее целесообразным следует считать алитирование погружением стали в расплав алюминия при температуре 820-1220 К с последующей выдержкой в течение 1-15 минут, при которой достигается оптимальная толщина диффузионной зоны, равной 0,02-0,03 мм. Основными преимуществами этого способа являются простота, быстрота процесса и невысокая стоимость. Но на получение диффузионного слоя толщиной 0,35 мм требуется экспозиция т= 60 минут.
Вместе с тем, при термоциклирова-нии стали в интервале температур (820-1220) К в процессе фазовых a-Fe - y-Fe и y-Fe - a-Fe переходов в ограниченных объемах металл в результате перестройки
кристаллической решетки оказывается в псевдожидком состоянии и при нагревании и охлаждении перемещающийся, в результате фазового переноса, в глубь металла, перенося с собой все примеси, в том числе и легирующие атомы к сердцевине детали.
При «кристаллизации» псевдорасплава в первую очередь кристаллизуется железо, а примесь переносится псевдожидким объемом железа в глубь детали как при зонной плавке.
Процесс полиморфного превращения облегчает проникновение легирующих атомов в псевдожидкий объем металла и обеспечивает интенсификацию процесса.
Ускоренный транспорт легирующей примеси в металл облегчается тем, что при фазовом переходе ограниченные объемы поверхности стали находятся в псевдожидком состоянии и при смене типа решетки переносят адсорбированную примесь в объем стали.
При нагреве до температур выше 1100 К - выше линии GOSE (рисунок 1) заканчивается фазовый переход a-Fe -y-Fe и входные сечения в межкрислаллит-ные, межблочные и межфрагментарные полости увеличиваются, облегчая проникновение в них расплава лигатуры и транспорт ее в металл и в металле.
Фазовые превращения происходят не мгновенно по всему объему, а постепенно (в зависимости от степени перегрева или
Нагретая поверхность стали со следами оксида железа восстанавливается жидким алюминием (первая стадия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза):
ИегОз + А1 -> А1203 + 2¥е + 0 (3)
переохлаждения стали). Псевдожидкая волна полиморфного фазового превращения и при нагревании (выше линии СЮ8Е) и при охлаждении (ниже линии РБ) перемещается с конечной скоростью с поверхности детали от источника нагрева (или от холодильника при охлаждении) к его сердцевине (рисунок 1).
Используя А-образную диаграмму (рисунок 2) образования аустенита при нагреве и С-образную диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита (рисунок 3), можно определить время выдержки алитируемых деталей при экстремальных температурах для получения заданной толщины диффузионного слоя.
При алитировании погружением особое значение приобретают физико-химические явления, протекающие с большой скоростью, которые могут полностью нарушить процесс. К таким явлениям относится образование оксидных плёнок на поверхностях твердого и жидкого металлов, мешающих возникновению связи между атомами железа и алюминия.
Для предупреждения образования оксидных плёнок при нагреве стали применяют защитную атмосферу; использование покровных флюсов введением криолита в ванну с расплавом алюминия приводит к растворению пленки оксида алюминия, находящейся на поверхности ванны:
(2)
Полученное восстановленное железо вступает в реакцию с алюминием с образованием интерметалл ид ного соединения Ре_\А1у с выделением тепла (вторая стадия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза).
2А1203 + 2Na3AlF6 -> 6Na + 3AI2O2F4"2
Конечный продукт химических реакций интерметалл ид Fex AI у - переходный слой (диффузионная зона) между алюминием и железом толщиной слоя 0,02-0,03 мм при одном цикле нагрев - охлаждение.
Получение биметаллических конструкций алюминий - железо с диффузионной связью способствует образованию переходного слоя в виде интерметаллического химического соединения Fex AI у в условиях непрерывности процесса.
Интенсивное протекание алюмотер-мической реакции, очищающей поверхность стали перед последующим алитиро-ванием, обеспечивает высокую чистоту поверхности конструкции.
Сочетание СВС-процесса и алюмо-термии в процессе обработки стали расплавом алюминия автоматически приводит к образованию переходной зоны. Поэтому основные принципы этой технологии могут использоваться в различных отраслях техники для изготовления биметаллических сталеалюминиевых конструкций.
Использование данной технологии получения биметаллических конструкций алюминий - сталь с диффузионной связью, образованной за счет металлотермии и СВС-процесса, обладающей низким переходным электрическим сопротивлением и высокой прочностью сцепления стали с алюминием, обеспечивает монолитность конструкции. Диффузионный слой стабилизирует электрический контакт между алюминием и стальной поверхностью, снижая электрическое сопротивление последнего и повышая эксплуатационные характеристики биметаллических соединений.
Используя диаграмму образования аустенита при нагреве (рисунок 2) и диаграмму изотермического превращения переохлажденного аустенита (рисунок 3), можно определить время выдержки алити-руемых деталей при экстремальных температурах для того, чтобы получить заданную толщину слоя.
I — начало превращения перлита в аустенит; 2 — конец превращения перлита в аустенит Рисунок 2 - Диаграмма итзотермического образования аустенита из перлита для стали с содержанием углерода 0,8%
Если транспорт А1 необходимо осуществить только в тонкий поверхностный слой сечения образца, то временная выдержка при температуре 820 и 1220 К не осуществляется. Если необходимо осуществить транспорт А1 в металл на 2-3 мм, то оптимальным будет вариант нагрева до температуры 1050 К (верхняя граница температурного коридора) с выдержкой при этой температуре 4-5 минут, так как в этом случае полное превращение феррита в аустенит может произойти только за время порядка 16 минут. Тогда за время экспозиции волна псевдожидкого полиморфного превращения, осуществляющая фазовый перенос и несущая А1, пройдет только четверть своего пути до сердцевины детали
диаметром 20 мм, а за 4 минуты изотермическое образование аустенита закончится только в поверхностном 2-миллиметровом слое.
По С-образной кривой диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита определяем, что при температуре 950 К время полного полиморфного превращения у-Ре в СС—Ее составляет порядка 16 минут. Тогда для получения 2-миллиметрового диффузионного слоя А1 необходима выдержка при этой температуре (нижняя граница температурного коридора термоциклирования) в течение 4-5 минут.
Рисунок 3 - Диаграмма изотермического превращения аустенита стали с содержанием углерода 0,8%
Проведенный эксперимент подтверждает возможность получения стальных конструкций, поверхность которых насыщена алюминием на необходимую глубину, что обеспечивает стойкость стали к высокотемпературной коррозии и повышает жаростойкость стали, в том числе стойкость к межкристаллитной и стресс-корро-зии, причиной которых является наводо-роживание металла, от которого алитиро-ванную сталь защищают тонкая и прочная пленка окиси алюминия и «заполненные» алюминием межблочные, межфрагментарные и межкристаллитные пространства на поверхности стали, проникновению атомарного водорода в которые препятствует заполняющий их алюминий.
Литература
1. Прасолов, В. Минтруд России и НСБ: шаг навстречу / В. Прасолов // Охрана труда и социальное страхование. - 2014. -№3.-С. 46-51.
2. Пиляев, Н.Д. Подведены итоги работы Государственного энергетического надзора / Н.Д. Пиляев // Безопасность труда в промышленности. - 2015. - № 9. -С. 3-8.
3. Совершенствование автоматизированной системы управления и контроля парового котла, работающего под давлением / ИВ. Ильин, А Н. Машкин, В.В. Си-мин, Е.А. Уваров, В.Е. Рубахин // Изобретатель и рационализатор. - 2015. - № 10. -С. 86-88.
4. Сердюков, О. Раскрыт тайный подрывник / О. Сердюков // Изобретатель и рационализатор. - 1980. - № 2. - С 14-16.
5. Орлов, ПС. Механизм проникновения водорода в стенку стальной трубы / П.С. Орлов. - Москва: ВНИИГАЗ, 1996. -С. 164-173.
6. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. К.П. Мищенко, A.A. Равделя. - Ленинград: Химия, 1967.- 184 с.
7. Орлов, П.С. Физическая модель диффузии атомарного водорода в металл / П.С. Орлов // Ремонт, восстановление, модернизация. - 2008. - № 5. - С. 30-34.
8. Орлов, П.С. Резервы снижения энергоемкости процесса цементации стали / П.С. Орлов // Вестник Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина. - 2007. - № 2. -С.114-116.
9. Способ определения стойкости металла подземных трубопроводов к стресс-коррозии / П.С. Орлов, Л.А. Голдобина, В.П. Гусев. Г.Ф. Мокшанцев, В.В. Шкра-бак, B.C. Шкрабак, Р.В. Шкрабак // Патент РФ № 2222000 от 20.01.2004. G01N27/26. -Бюл. № 7, опубл. 10.03.2008.
10. Способ ускоренной цементации стальных деталей / Л. А. Голдобина, П.С. Орлов, В.П. Гусев, B.C. Шкрабак, Г.Ф. Мокшанцев // Патент РФ № 2356816 от 09.01.2007. С23С 8/66. - Бюл. № 14, опубл. 20.05.2009.
11. Способ легирования стали алюминием / Л.А. Голдобина, П.С. Орлов,
B.П. Гусев, B.C. Шкрабак // Патент РФ №2431696. С23С 10/22. - Бюл. № 29.
12. Орлов П.С. Уточненная модель кристаллической решетки твердого тела / П.С. Орлов // Механика и процессы управления Т.1: труды XXXIX Уральского семинара. - Екатеринбург, УРО РАН, 2004. -
C. 137-144.
13. Орлов, П.С. Математическая модель транспорта атома металлоида внедрения в сталь / П.С. Орлов // Энергообеспечение и энергоснабжение в сельском хозяйстве. - Москва: ГНУ ВИЭСХ, 2003. -С. 304-309.
14. Celler, J.M., Ludke R L and Strat-ton Т. 1999. Nonfatal farm injuries in North
Dakota: a socialogical analysiin // Journal of Rural Health 6(2). - P. 185-196.
15. Heibert T. Linn, Alfred A. Amendo-la. Occupational Safety Research: An Overview: in «Encyclopaedia of Health and Safety», 4 th, 2005.
16. Miller R.L., Webster J.K. and Mariqer S.G. 2004. Nonfatal injury Rates of Utah Agricultural Producers // Journal of Agricultural Safety and Health, 10(4). - P. 285-293.
17. Ovchinnikova E., Shkrabak R, Shkrabak V. Current status and prospective aspects of labor safety in agriculture // Vere Deutscheer Tngenierue Universität Hohenheim. Institut fur Agrartechnik. - Heft 41, 01/02. - Mäzz, 2016. - P. 171-176.
References
1. Prasolov V. Mintrud Rossii i NSB: shag navstrechu [Russian Ministry of Labor and NRC: a step forward], Okhrana truda i sotsiaVnoe strakhovanie, 2014, No. 3, pp. 46-51.
2. Pilyaev N.D. Podvedeny itogi raboty Gosudarstvennogo energeticheskogo nadzora [The results of the work of the State Energy Supervision], Bezopasnost' truda v promysh-knnosti, 2015, No. 9, pp. 3-8.
3. Il'in I.V., Mashkin A.N., Simin V.V., Uvarov E.A., Rubakhin V.E. Sovershenstvo-vanie avtomatizirovannoi sistemy upravleniya i kontrolya parovogo kotla, rabotayushchego pod davleniem [Improvement of the automated operation and control system of the steam boiler working under pressure], IzobretateV i ratsionalizator, 2015, No. 10, pp. 86-88.
4. Serdyukov O. Raskryt tainyi podryv-nik [There is uncovered the secret demoliter], IzobretateV i ratsionalizator, 1980, No. 2, pp. 14-16.
5. Orlov P.S. Mekhanizm proniknoveni-ya vodoroda v stenku stal'noi truby [The mechanism of hydrogen penetration into the wall of a steel pipe] Moscow, VNTIGAZ, 1996, pp. 164-173.
6. Kratkii spravochnik fiziko-khimiches-kikh velichin [Short reference book of physic and chemical quantities], pod red. K.P. Mish-chenko, A.A. Ravdelya, Leningrad, Khimiya, 1967, 184 p.
7. Orlov PS. Fizicheskaya model' dif-fuzii atomarnogo vodoroda v metall [The physical model of the atomic hydrogen diffusion into the metal], Remaní, vosstanovlenie, modernizatsiya, 2008, No. 5, pp. 30-34.
8. Orlov P.S. Rezervy snizheniya ener-goemkosti protsessa tsementatsii stali [Reserves of reducing energy intensity of steel cementation process], Vesinik Moskovskogo gosudarsivennogo agroinzhenernogo universi-teta im. V.P. Goryachkina, 2007, No. 2, pp. 114-116.
9. Orlov P.S., Goldobina LA, Gu-sev V P. Mokshantsev G.F., Shkrabak V.V., Shkrabak V.S., Shkrabak R.V Sposob opre-deleniya stoikosti metalla podzemnykh trubo-provodov k stress-korrozii, [The method for determining the resistance of the metal of underground pipelines to stress-corrosion], Patent RF No. 2222000 ot 20.01.2004. GO 1 N27/26. Byul. No. 7, opubl. 10.03.2008.
10. Goldobina L.A., Orlov P.S., Gu-sev VP., Shkrabak V.S., Mokshantsev G.F. Sposob uskorennoi tsementatsii stal'nykh de-talei, Patent RF No. 2356816 ot 09.01.2007. S23S 8/66. Byul. No. 14, opubl. 20.05.2009.
11. Goldobina L.A., Orlov P.S., Gu-sev VP., Shkrabak V.S.Sposob legirovaniya stali alyuminiem, [Method of alloying steel with aluminum], Patent RF No. 2431696. S23S 10/22. Byul. No. 29, opubl. 10.10.2011.
12. Orlov P.S. Utochnennaya model' kristallicheskoi reshetki tverdogo tela [Improved model of the rigid body crystal lattice], Mekhanika i protsessy upravleniya Vol. /, irucfy XXXIX Ural'skogo seminara, Ekaterinburg: URO RAN, 2004, pp. 137-144.
13. Orlov P.S. Matematicheskaya model' transporta atom a metalloida vnedreniya v stal' [The mathematical model of the metalloid atom transportation into steel], Energoo-bespechenie i energosnabzhenie v sel'skom khozyaistve, Moscow, GNU VIESKh, 2003, pp. 304-309.
14. Cell er J.M., Ludke R.L. and Strat-ton T. 1999. Nonfatal farm injuries in North Dakota: A social ogical anal y si in, Journal of Rural Health, 6(2), pp. 185-196.
15. Helbert 1. Linn, Alfred A. Amendo-la. Occupational Safety Research: An Overview: in "Encyclopaedia of Health and Safety", 4th, 2005,
16. Miller R.L., Webster J.K. and Mariqer S.G. 2004. Nonfatal injury Rates of Utah Agricultural Producers, Journal of Agricultural Safety and Health, 10(4), pp. 285-293.
17. Ovchinnikova E., Shkrabak R., Shkrabak V. Current status and prospective aspects of labor safety in agriculture, Vere Deutsche er Ingenierue Universität Hohenheim. Institut fiir Agrartechnik, Heft 41, 01/02, Mäzz, 2016, pp. 171-176.
Сведения об авторах
Орлов Павел Сергеевич — доктор технических наук, заведующий кафедрой электрификации, ФГБОУ ВО «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия» (Россия). Тел.: 8-915-977-46-97.
Голдобина Любовь Александровна - доктор технических наук, профессор кафедры строительных конструкций, ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский горный университет» (Россия). Тел.: 8-911-033-25-58.
Шкрабак Владимир Степанович - доктор технических наук, профессор кафедры «Безопасность технологических процессов и производств», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (г. Пушкин, Россия). Тел.: 8(812)451-76-18. E-mail:[email protected].
Шкрабак Роман Владимирович - кандидат технических наук, доцент кафедры «Профессиональная аттестация и внедрение инноваций», ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (г. Пушкин, Россия). Тел.: 8(812) 451-76-18. E-mail: [email protected].
Степанов Антон Сергеевич - аспирант кафедры электрификации, ФГБОУ ВО «Ярославская государственная сельскохозяйственная академия» (Россия). Тел.: 8-915-977-46-97.
Шувалов Дмитрий Сергеевич - инженер, ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский государственный аграрный университет» (г. Пушкин, Россия). Тел.: 8(812) 451-76-18.
Information about authors
Orlov Pavel Sergeevich - Doctor of Technical Sciences, head of the Electrification department, FSBET HE «Yaroslavl State Agricultural Academy» (Russia). Phone: 8-915-977-46-97.
Goldobina Lyubov Alexandrovna - Doctor of Technical Sciences, professor of the Building structures department, FSBEI HE «St.-Petersburg Mining University» (Russia). Phone: 8-911-033-25-58.
Shkrabak Vladimir Stepanovich - Doctor of Technical Sciences, professor of the Safety of technological processes and production department, FSBET HE «St.-Petersburg State Agrarian University» (Pushkin, Russia). Phone: 8(812)451-76-18. E-mail: [email protected].
Shkrabak Roman Vladimirovich - Candidate of Technical Sciences, associate professor of the Professional certification and innovation implementation department, FSBEI HE «St -Petersburg State Agrarian University» (Pushkin, Russia). Phone: 8(812)451-76-18. E-mail: [email protected].
Stepanov Anton Sergeevich - post-graduate student of the chair Electrification department, FSBEI HE «Yaroslavl State Agricultural Academy» (Russia). Phone: 8-915-977-46-97.
Shuvalov Dmitry Sergeevich - engineer, FSBEI HE «St.-Petersburg State Agrarian University» (Russia). Phone: 8 (812)451-76-18.
