Оптимизация технологического процесса вакуумной цементации сталей для буровых долот

• Автор: Головской, Алексей Львович
• Шифр специальности: 05.02.01, 05.13.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2006
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 149 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1. ОСНОВНЫЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ЦЕМЕНТАЦИИ СТАЛЕЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА КАЧЕСТВО ЦЕМЕНТОВАННОГО СЛОЯ.

1.1. Формирование структуры и свойств упрочненного слоя,

существующими методами цементации.

1.2. Особенности вакуумной цементации как объекта

управления

1.3. Анализ математических моделей газовой цементации.

1.4. Обоснование целей и задач исследования.

2. МЕТОДИКИ РЕШЕНИЯ ПОСТАВЛЕННЫХ ЗАДАЧ.

2.1. Выбор марок сталей для исследований

2.2. Методики экспериментального сравнительного анализа структуры и механических свойств долотных сталей
2.3. Методика рентгеноспектрального анализа распределения элементов по сечению зерна и от поверхности вглубь образца
2.4. Методика экспериментального определения коэффициентов массопереноса, диффузии и углеродного потенциала атмосферы.
2.5. Методика планирования экспериментального анализа взаимовлияния основных параметров процесса
3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВАКУУМНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ В АТМОСФЕРЕ АЦЕТИЛЕНА.
3.1. Моделирование процессов массопереноса
3.2. Конструктивная математическая модель массопереноса.
3.3. Математическая модель диффузии при вакуумной
цементации
3.4. Идентификация математической модели
вакуумной цементации
3.5. Закономерности влияния расхода ацетилена и температуры
на коэффициенты диффузии и массопереноса
4. ОПТИМАЛЬНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ВАКУУМНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ
4.1. Современные методы оптимизации процессов тепломассопереноса
4.2. Параметризация задачи быстродействия.
4.3. Альтернансный метод оптимизации
4.4. Фазовые ограничения в задаче оптимизации процесса вакуумной цементации
4.5. Универсальный алгоритм оптимизации вакуумной цементации
5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ВАКУУМНОЙ ЦЕМЕНТАЦИИ В АТМОСФЕРЕ АЦЕТИЛЕНА НА ФОРМИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ДОЛОТНЫХ СТАЛЕЙ.
5.1. Основные свойства, определяющие стойкость деталей долот
5.2. Влияние вакуумной цементации на формирование
структуры долотных сталей
5.3. Влияние вакуумной цементации на свойства
долотных сталей
5.4. Влияние вакуумной цементации на распределение микротвердости и химических элементов в стали ХНЗМА
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


Это позволяет в результате цементации получать заданную концентрацию углерода на поверхности, а также требуемое распределение углерода по толщине слоя, что необходимо для получения заданных механических свойств. Эндотермическую атмосферу получают частичным сжиганием природного газа (СН») или другого углеводорода. Смесь природного газа и воздуха пропускают через реторту генератора, наполненную специальным катализатором, позволяющим получить эндогаз с минимальным содержанием СН4, СО2, Ог и Н2О при сравнительно низких температурах - иС. Количество II2O, СОг, и CII4 в эндотермической атмосфере зависит от коэффициента избытка воздуха (ао), подаваемого в генератор. Это позволяет, меняя коэффициент ао, регулировать науглероживающую способность атмосферы. Эндотермический газ применяют как га-зоноситель, а получение и поддержание требуемого углеродного потенциала атмосферы в печи достигается добавлением к эндогазу метана или природного газа в количестве до 5%. При небольшом содержании в эндотермической атмосфере СН4 он не участвует непосредственно в процессе насыщения углеродом, а увеличивает содержание в атмосфере СО. Газовая цементация проводится при температурах 0 — 0VC. Возникающее в процессе нагрева внутреннее окисление поверхностного слоя стали из-за присутствия в атмосфере печи кислородсодержащих компонентов способствует ухудшению свойств цементованного слоя. Отмечается [2], что диффузия кислорода в сталь происходит по границам зерен и субграницам, в местах скоплений примесей и дефектов структуры, обедняя твердый раствор в первую очередь хромом. Последний переводится в состав типа хромита железа (РеСг)з или хромовой шпинели FcCr4. Так же установлено, что дефектный слой с пониженной поверхностной твердостью является опасным с точки зрения хрупкого разрушения. Цементация в эндогазе не позволяет получить высокой концентрации углерода, например 3% на поверхности, которая необходима в некоторых случаях для обеспечения требуемой поверхностной твердости. Кроме того, известна цементация с использованием жидких углеводородов таких как бензол, пиробензол, керосин, синтин, всевозможные спирты и т. Применение бензола, состоящего в основном из ароматических углеводородов (СбИ), не рекомендуется. Цементующая способность бензола низка. Лучшие результаты достигаются при цементации пиробензолом, представляющим собой бесцветную жидкость, состоящую из % бензола, % ксилола и % тяжелых метилированных углеводородов. Пиробензол более активный карбюризатор вследствие меньшего выделения сажи и кокса и образования большего количества СЕ*. Многие заводы применяют сравнительно дешевый грозненский керосин, содержащий около % парафиновых углеводородов и около % ароматических углеводородов. Керосин других месторождений нефти содержит меньше парафиновых углеводородов ( - %) и в меньшей степени пригоден для цементации. На некоторых заводах используется син-тин [4]. Синтин - бесцветная жидкость, состоящая из смеси углеводородов парафинового рода (%), получаемая каталитической реакцией синтеза из окиси углерода и водорода, образующихся при переработке твердого топлива. При использовании синтина с фракционным составом 0 - ЗОО^С (фракционный состав характеризуется температурным интервалом начала и конца кипения) по сравнению с керосином образуется мало сажи (0,5 - 0,8 г/см"*), не образуется плотной коксовой пленки, выделяется больше газа (0,8 л/см"*) и скорость цементации возрастает на - %. Однако, при всех достоинствах синтина его применение без использования депассивирующих агентов не позволяет формировать диффузионные слои заданного качества, что требует разработки технологически приемлемых решений по применению депассивирующих средств, например, создание комплексных жидких карбюризаторов на основе органических углеводородов с легкорастворимыми добавками соединений с наличием группы «С1». Сокращение длительности процесса может быть обеспечено [5] с помощью цементации в тлеющем разряде (ионная цементация). Это стало возможным за счет повышения температуры до - иС и интенсификации реакции взаимодействия в газовой фазе и на поверхности насыщения.