Приборы для определения и регулирования углеродного потенциала

Рис. 171. Переносный прибор для перио­дического контроля точки росы

Газы при определенной температуре могут содержать опре­деленное максимальное количество водяных паров. Если в газ ввести дополнительную порцию водяных паров, то они не смогут в нем удержаться и будут конденсироваться. Величина, опреде­ляющая содержание водяных паров в газе, называется влаж­ностью. Влажность может быть абсолютной и относительной. Абсолютная влажность представляет собой вес водяных паров, находящихся в 1 м³ газа опре­деленной температуры. Отно­сительной влажностью или степенью насыщения газа на­зывается отношение веса во­дяного пара, находящегося в 1 м³ газа, к максимально возможному весу водяного пара в 1 м³ при той же тем­пературе. Для определения абсолютной и относительной влажности газов существует несколько методов. Метод определения точки росы газа по конденсации водяного па­ра на охлаждаемую метал­лическую зеркальную по­верхность используется для определения углеродного по­тенциала контролируемой ат­мосферы. Определение влажности газов по температуре точки росы производится приборами, в которых металлическая зеркальная поверхность охлаждается двуокисью углерода или жидким азо­том. Шкала прибора градуируется на изменение точки росы до температуры —50° С. По точке росы можно с достаточной точ­ностью рассчитывать содержание углерода в поверхностном слое нагреваемой стали, т. е. определить так называемый угле­родный потенциал атмосферы.

В процессе нагрева точка росы атмосферы может изменяться. Это может происходить вследствие изменения состава исходного газа, неудовлетворительной работы регуляторов давления перед смесительным устройством газа и воздуха, изменения температуры печи и др. НИИТАвтопром разработал переносный прибор для периодического ручного контроля и стационарный для автомати­ческого непрерывного контроля точки росы. Схема прибора для периодического контроля представлена на рис. 171. Газ поступает в герметическую камеру 4 прибора через трубку 3 и выходит

через отверстие 5. Дном камеры является металлическое зер­кало 8, которое охлаждается снизу струей углекислоты 9 из бал­лона. Температура зеркала измеряется припаянной к нему хро-мель-копелевой термопарой 1 и гальванометром 2.

При охлаждении зеркала происходит охлаждение газа, сопри­касающегося с ним, и при достижении температуры насыщения из газа выделяется влага, которая осаждается на зеркале в виде росы. Температура зеркала в момент выделения влаги будет соот­ветствовать точке росы исследуемого газа. Наблюдение ведется через окуляр прибора 6. На зеркало камеры под некоторым углом направляется луч света от электрической лампочки 7. Угол паде­ния выбирается таким, чтобы отраженный луч не попадал в оку­ляр и наблюдатель не видел освещенную поверхность зеркала. Но когда начинается конденсация влаги, капельки воды вызы­вают рассеяние отраженного луча, часть отраженного света попа­дает в окуляр, и наблюдатель замечает светящееся пятно. В этот момент нажатием кнопки производится фиксация показания галь­ванометра и запись температуры точки росы. Этим прибором можно определить точку росы до температуры — 30—35° С.

Схема автоматического контроля точки росы и регулирования генератора представлена на рис. 172. Газ контролируемой атмо­сферы, пройдя через фильтр, поступает к двум датчикам. Послед­ние непрерывно измеряют точку росы атмосферы и посылают электрические импульсы к регулирующим и регистрирующим приборам. Электрический импульс от левого датчика поступает в электронный регулятор температуры, который установлен на заданное значение точки росы. Если фактическая температура точки росы не соответствует заданной, то электронный регулятор подает команду на сервомотор исполнительного механизма, свя­занного с регулятором соотношения газ—воздух. Сервомотор автоматически поворачивает регулятор соотношения в ту или иную сторону на необходимый угол, и, таким образом, происходит регу­лирование точки росы на заданное значение. Правый датчик точки росы подает электрический импульс на регистрирующий прибор, где записываются значения точки росы. Все приборы, за исклю­чением датчиков, в этой схеме являются стандартными. Работа датчика точки росы основана на поглощении влаги из газа гигро­скопической солью — хлористым литием. Эта соль, помещенная в газовую среду, содержащую водяной пар, увлажняется и обра­зует насыщенный соляный раствор. Если такой раствор нагревать, то вода будет испаряться до тех пор, пока не наступит равновесие между испаряющейся и поглощенной влагой. Температура равно­весия будет находиться в зависимости от парциального давления водяного пара в газе и, следовательно, от концентрации водя­ного пара в газе. Таким образом, температура равновесия является мерой влажности газа, мерой точки росы. Каждому значению тем­пературы равновесия соответствует определенное значение точки росы.

Конструктивная схема датчика показана на рис. 173. Стеклян­ная трубка 1 датчика обернута снаружи стеклянной тканью 2, пропитанной водным раствором хлористого лития. Может быть использована также и металлическая трубка, но в этом случае для предохранения от разъедающего действия раствора трубка снаружи покрывается эмалью. Поверх ткани имеются две золо-

Рис. 172. Схема автоматического контроля точки росы газа

тые проволочки 3 в виде спиралей, не соединенные между собой. К ним по линии 5 подводится источник переменного тока с напря­жением 24 в. В трубке установлен термометр сопротивления 4, связанный проводом 6 с регулятором температуры точки росы или же с регистрирующим прибором. Датчик помещен в камеру 8, через которую проходит исследуемый газ, предварительно охлаж­денный в змеевике 7. Змеевик омывается водой. Газ из змеевика входит в камеру снизу и уходит вверх.

При подключении источника тока к спиральным золотым электродам через них и раствор хлористого лития потечет ток и вследствие электросопротивления раствора последний начнет нагреваться, а поглощенная ранее влага испариться и уходить из камеры вместе с газом. Как только давление водяного пара, находящегося над хлористым литием, будет равно парциальному давлению водяного пара, в газе наступит состояние равновесия. Температура равновесия измеряется термометром сопротивле­ния 4.

Рис. 173. Схема датчика точки росы

Рис. 174. Зависимостью/точки ро­сы от температуры равновесия

Для градуировки прибора нужно знать зависимость точки росы от температуры равновесия. График этой зависимости по­казан на рис. 174. Для испытания необходимо, чтобы температура газа не была выше температуры равновесия, а находилась в ин­тервале между температурой равновесия и соответствующей ей точкой росы. Например, если температура равновесия 18° С, то температура точки росы — 10° С, а температура газа должна быть в интервале от —10 до +18° С.

Так как точка росы газа может быть ниже —10° С, в конструк­цию датчика вводится холодильное устройство для охлаждения газа ниже температуры равновесия.

Данные приборы используют в эндогазовых установках. Преимущество этих приборов перед другими приборами для опре­деления влажности заключается в том, что они не требуют калиб­ровки. Точность этих приборов зависит от точности работы вто­ричных приборов (термопары в ручном приборе и термометра сопротивления в автоматическом приборе).

Для определения углеродного потенциала цементующей атмо­сферы в шахтных печах с использованием жидких углеводородов

применяется также прибор, основанный на изменении электро­сопротивления аустенита независимости от содержания в нем углерода [6]. Электросопротивление аустенита изменяется про­порционально концентрации

углерода и углеродному по­тенциалу атмосферы. Прибор состоит из датчика, электрон-ного моста и автоматического регулирующего устройства.

Датчик (рис. 175) пред­ставляет собой тонкую про­волоку диаметром 0,1 мм из технически чистого железа (0,05—0,06% С, 0,011% S, 0,003% Р, следы Си и Ni). Проволока пропущена через корундовые изоляторы и по­мещена в стальной цилин­дрический кожух, который ограничивает поступление цементующей атмосферы к проволоке, предохраняет от механических повреждений и действия сажи. Снизу ко­жух открыт для прохода це­ментующего газа. Внутри печи находится нижняя часть датчика. На крышке печи над отверстием в ней крепится форкамера в виде стальной трубы с асбестовым сальни­ком и верхняя часть датчика. Чувствительный элемент дат­чика вводится в печь и вы­нимается из печи через фор-камеру. При подъеме нижней части датчика он охлаждается в форкамере в цементующей атмосфере, в результате чего проволока не окисляется. Цементующий газ из фор-камеры выходит через трубку.

Рис. 175. Датчик

Электросопротивление датчика измеряется электронным мо­стом ЭМД-212, у которого шкала градуирована в показателях углеродного потенциала.

Автоматическое регулирующее устройство (рис. 176) состоит из дозатора // для подачи жидкого карбюризатора, устройства для подачи воздуха /// и позиционного регулятора /.

Для определения и регулирования углеродного потенциала используются также оптико-акустические газоанализаторы. Этот метод газового анализа основан на принципе измерения степени поглощения лучистой энергии газом. Оптико-акустические при­боры позволяют производить анализ того или иного компонента

Рис. 176. Схема автоматического регулирования потенциала углерода атмосферы:

/ — дозатор; // — устройство для подачи воздуха; III — позиционный регулятор

в сложной газовой смеси. Действие этих приборов основано на принципе измерения поглощения газом инфракрасных лучей; при этом используется оптико-акустический эффект, заключающийся в звучании газа при воздействии на него прерывистого потока инфракрасной радиации. С помощью таких приборов определяют содержание окиси углерода, углекислого газа и метана в газовой смеси.

§ 65. ПРИМЕНЕНИЕ

ЭЛЕКТРОННО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ МАШИН И ПРОГРАММИРОВАНИЕ В ТЕРМИЧЕСКИХ ЦЕХАХ

В различных отраслях промышленности применяют электрон­но-вычислительные машины. Электронно-вычислительные машины применяются также и в процессах термической и химико-терми­ческой обработки. Особенно целесообразно применение электронно-вычислительных машин для процессов тазовой цементации, нитро-цементации, цианирования.

В программу электронно-вычислительной машины заклады­ваются математические модели (алгоритмы) — уравнения, харак-

теризующие все стадии процесса. Во вторую часть программы входит контроль расчета процесса и его стратегия.

Для газовой цементации с помощью электронно-вычислитель­ных машин определяется время, температура и состав газа, а также контролируются отдельные участки обрабатываемых деталей. Состав газа, температура, время цементации, науглеро­живающая способность атмосферы, углеродный потенциал и дру­гие параметры взаимно связаны.

В электронно-вычислительную машину для расчета времени на­углероживания заложен пара­метр, характеризующий поверх­ность обрабатываемых деталей. Использование электронно-вычи­слительных машин позволяет зна­чительно повысить производитель­ность оборудования, совместить обработку различных деталей, автоматизировать контроль и ре­шить задачу подбора минимальных припусков на механическую и термическую обработку.

В некоторых сложных про­цессах термической обработки подъем температуры, выдержка и снижение температуры должны со­вершаться через определенные интервалы времени. Для таких процессов необходимо применять программное регулирование, т. е. регулирование процесса по заранее установленному режиму. Это осуществляется специальными приборами, которые называются программными терморегуляторами. Терморегуляторы представ­ляют собой потенциометры обычного типа с дополнительным устройством в виде копира, по которому проходит кулачок или щуп, связанный с приспособлениями включения и выключения электрической энергии или подачи топлива.

Простым устройством (рис. 177) для обеспечения программного регулирования по одной зоне печи является приспособление к потенциометру ЭПД [28]. На оси потенциометра устанавливается профилированный диск из бронзы, латуни или меди, толщиной 0,5 мм. Контур диска повторяет программу температуры в мас­штабе дисковой диаграммы потенциометра. Диск крепится штиф­тами вместе с диаграммной бумагой. Полезный оборот диска рас­считан на 24 ч. На оси держателя пера устанавливают планку. В потенциометр дополнительно встроен реостатный датчик. При вращении профилированного диска угол поворота планки ме­няется. В цепи реостатного датчика, который находится на одной

оси с планкой, появляется напряжение разбаланса. Сигнал раз­баланса поступает через изодромный регулятор ИР-130 на испол­нительный механизм ИМ-2/120, связанный с регулируемыми орга­нами-рычагами. Таким образом, вследствие изменения угла пово­рота оси ИМ-2-2/120 происходит регулирование процесса горения в печи. В других случаях программное регулирование ведется с электрической передачей программы.

Автоматическое программное регулирование индукционного нагрева [36] основано на следующем: режим индукционного нагрева стабилизируется и регулируется по электрическим пара­метрам индуктора (его току или напряжению), а не по параметрам генератора; цикл нагрева разбивается на несколько (от 5 до 24) этапов, каждый из которых имеет свой электрический режим ин­дуктора (изменяется режим работы индуктора по заранее выбран­ной программе).

Для установления программы выбирают кривую, наиболее подходящую для получения оптимальных свойств нагреваемой детали. Устройства, которые задают программу изменений тока или напряжения индуктора в течение цикла нагрева, стабилизи­руются с высокой точностью (0,5—1%). Это позволяет обеспечить хорошую повторяемость выбранного режима. При поверхностной закалке с глубинным индукционным нагревом для сталей пони­женной прокаливаемости и регламентированной прокаливаемости глубина нагрева составляет 5—25 мм. Для избежания перегрева поверхностных слоев применяют индукционный нагрев с изотер­мической выдержкой. Длительность выдержки принимается из условий прогрева деталей на заданную глубину до надкрити­ческих температур.

Термическая кривая такой формы получается программным ступенчатым регулированием. Процесс нагрева разбивается на несколько этапов, а ток индуктора или напряжение на его зажи­мах последовательно от этапа к этапу снижается.

ПРИЛОЖЕНИЕ

Условные обозначения материалов для футеровки печей

ЛИТЕРАТУРА

1. АльтгаузенА. П. и Ганжа К-Г. Основные направления меха­низации электротермического оборудования. Отделение научно-технической информации, стандартизации и нормализации в электротехнике Государствен­ного комитета по электротехнике при Госплане СССР, М., 1965.

2. Архаров В. И. Окисление металлов при высоких температурах. М.—С, Металлургиздат, 1945.

3. Б а р к С. Е., К у в ш и н н и к о в Л. В. и др. Радиационная труба — нагревательный элемент для печей с контролируемыми газовыми средами. «Метал­ловедение и термическая обработка металлов», 1963, № 6.

4. Б и р ю к о в а В. Н. Охлаждающая способность расплавов солей и щелочей, содержащих воду. «Металловедение и термическая обработка металлов», 1967, № 11.

5. Блантер М. Е., Кулаков И. А. и др. Закалка в водо-воз-душных смесях «Металловедение и термическия обработка металлов», 1958, № 12.

6. Брунзель Ю. М., Р е г и р е р 3. Л. и др. Автоматическое регули­рование потенциала углерода при газовой цементации. «Металловедение и терми­ческая обработка металлов», 1962, № 11.

7. В а р ы г и н Н. Н. Кипящий слой — новая закалочная среда с регули­руемой охлаждающей способностью. «Металловедение и термическая обработка металлов», 1961, № 6.

8. Власов М. Д. Роторы для термической обработки. Сб. под ред. Л. Н. Кошкина, Машгиз, 1960.

9. В о р о б ь е в В. Г. Термическая обработка стали при температуре ниже нуля. М., Оборонгиз, 1954.

10. Г у т м а н М. Б., М а л ь т е р В. Л., и др. Электрические печи с нагре­вом в кипящем слое. «Электротермия», 1968, № 73—74.

11. Г у т М а н М. Б., М и х а й л о в Л. А. и др. Распределение температур в рабочем пространстве глубоких соляных ванн. «Металловедение и термическая обработка металлов», 1964, № 9.

12. Е р о х и н А. П. и С а м о х и н И. П. Механизация и автоматизация в термических цехах. М., Машгиз, 1953.

13. К а л и н и н А. Т. Типовая контролируемая атмосфера для безокисли­тельного нагрева и химико-термической обработки стали. «Технология автомоби­лестроения», 1955, № 5.

14. К а л и н у ш к и н М. П. Вентиляторные установки, М., изд-во «Высшая школа», 1967.

15. К а у ф м а н В. Г., П ы л а е в В. М. и др. Однофазные соляные ванны, «Электротермия», 1968, № 71.

16. К и ф е р Л. Г. и Абрамовичи. И. Грузоподъемные машины. М., Машгиз, 1957.

17. Кр ы л о в П. А. Электрические соляные печи и ванны, М.—Л., Гос-энергоиздат, 1962.

18. Лозинский М. Г. Промышленное применение индукционного нагрева М., изд-во АН СССР, 1958.

19. М и х е е в М. Н. Магнитный контроль качества термической и термо­химической обработки стальных изделий при помощи коэрцитиметра. Труды института физики металлов, вып. 12, АН СССР, 1949.

20. Общемашиностроительные типовые и руководящие материалы. Терми­ческое и нагревательное оборудование для машиностроения, ч. I, II, IV, НИИМАШ, М., 1966.

21. Общемашиностроительные типовые и руководящие материалы. Типовая технология термической обработки металлообрабатывающего инструмента, ч. 2, НИИМАШ, М., 1968.

22. Пелевин Г. И. иМедзинскаяД. В. Автоматизация процессов термической обработки режущих инструментов. «Металловедение и термическая обработка металлов», 1966, № 8.

23. Р а у з и н Я. Р- Термическая обработка хромистой стали. М., Маш­гиз, 1963.

24. Р у с т е м С. Л. Оборудование и проектирование термических цехов. М., Машгиз, 1962.

25. Р у с т е м С. Л. Новые виды печного оборудования. М., НТО Маш-пром, 1962.

26. РустемС. Л. и ГаращенкоА. П. Оборудование, механизация и автоматизация в термических цехах. М., Машгиз, 1967.

27. Р у с т е м С. Л. Современное оборудование для термической обработки. Сб. докладов Всесоюзной конференции «Прогрессивные методы термической обработки металлов», М., 1966.

28. Рыжков Г. М. и С о ш и н П. И. Программное регулирование при термической обработке. М., Металлургия, 1964.

29. Смольников Е. А. иЖданова Ф. И. Соляные ванны для тер­мической обработки изделий. Справочник под ред. Ю. А. Геллера, М., Машгиз, 1963.

30. Справочник по технике безопасности и производственной санитарии. Т. I, II и III, изд-во «Судостроение», 1965.

31. ФроловичЕ. Н. и Густава А. А. Автоматические роторные машины и линий для выполнения термических и химических операций. Киев, изд-во «Знание», 1964.

32. Цетлин Б. В. Безопасность труда в термических и гальванических цехах. Изд. 2-е, М., Профиздат, 1959.

33. Ч е р в я к о в Ф. Я- Термическое оборудование. М., ЦБТИ, 1962.

34. Ш а п и р о А. А. Прогрессивная технология химико-термической обра­ботки. НТО Машпром. М., 1964.

35. Шепеляковский К- 3. и РыскинС. Е. Техника применения высокочастотного нагрева. Машгиз, М., 1949.

36. Шепеляковский К-3. Поверхностная закалка сталей понижен­ной прокаливаемости при глубинном индукционном нагреве. М., изд-во «Машино­строение», 1968.

37. Ш м ы к о в А. А. и М а л ы ш е в Б. В. Контролируемые атмосферы. М., Машгиз, 1953.

38. Электротермическое оборудование. Справочник под ред. А. П. Альт-гаузена и др., М., изд-во «Энергия», 1967.

39. Э с т р и н Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер. М., Металлургиздат, 1963.

40. Furnace abmospheres and carbon Control American Society for Metals, 1964.

41. Metals Handbook, volume 2, Heat Freating, cleaning and finishing, Ame­rican Society for Metals, Ed. 8, 1964.

Дата добавления: 2015-06-27