5
NR 3/2014 INŻYNIERIA MATERIAŁOWA 283 Dr inż. Tadeusz żółciak, mgr inż. Konrad Lankiewicz (konrad.lankiewicz@imp. edu.pl), Artur Szczepański – Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa TADEUSZ żóŁCIAK, KONRAD LANKIEWICZ, ARTUR SZCZEPAŃSKI Próba zastosowania sondy Lambda z regulatorem Protherm 50 do kontroli potencjału węglowego podczas nawęglania w piecu wgłębnym WPROWADZENIE Sonda Lambda została opracowana w celu kontroli poprawności spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach samochodo- wych. Sonda umieszczana jest w strefie wylotu gazów z silnika, a jej żywotność zależy od temperatury strefy zainstalowania – im niższa temperatura nagrzanej sondy, tym dłuższa jej żywotność, niemniej jednak jej prawidłowe wskazania uzyskuje się, jeżeli stały elektrolit sondy jest nagrzany przynajmniej do temperatury 350°C w przypadku sondy LSM 11. Schemat sondy Lambda typu LSM 11 według pracy [1] przed- stawiono na rysunku 1, a zasadę jej działania zgodnie z pracą [2] na rysunku 2. Ceramiczna część sondy Lambda (elektrolit stały) ma kształt rury zamkniętej na jednym końcu. Zewnętrzne i wewnętrzne po- wierzchnie czujnika ceramicznego mają mikroporowatą warstwę platyny (elektrodę), która ma decydujący wpływ na charakterysty- kę czujnika. Powłoka platyny na tej części czujnika ceramicznego, która jest w kontakcie z gazem wylotowym, jest pokryta dobrze przylegającą, wysoce porowatą powłoką ceramiczną, która chroni go przed pozostałościami gazu wylotowego mogącymi erodować katalityczną powłokę platynową. Czujnik jest wprowadzony w stre- fę przepływu gazów odlotowych, przepływających wokół jednej jego elektrody, podczas gdy druga elektroda pozostaje w kontakcie z powietrzem atmosferycznym. Czujnik mierzy zawartość resztko- wego tlenu w gazach odlotowych. Odnośnie do zastosowania sondy Lambda w obróbce cieplnej dostępne są tylko nieliczne prace [3, 4]. Może to wynikać z ogra- niczeń zastosowania sondy Lambda do procesów obróbki cieplnej atmosferowej o stałym potencjale węglowym Cp nieprzekraczają- cym 1% C. W praktyce napotkano przykład zainstalowania sondy Lambda w strefie chłodnicy atmosfery generatora endotermicznego w celu regulacji potencjału węglowego atmosfery endotermicznej wytwarzanej w tym generatorze. Z własnego doświadczenia wy- nika, że po dwóch latach eksploatacji takiego generatora przy co- dziennym jego uruchamianiu sonda zanieczyściła się i jej wskaza- nia znacznie odbiegały od rzeczywistych wartości. Przy nastawie punktu rosy regulatora +3°C pomiar atmosfery miernikiem punktu rosy wskazywał –5°C, a zawartość wodoru w atmosferze osiągała wartości do 42,5%, przy czym potencjał węglowy takiej atmosfery w piecu w 920°C wynosił 0,85% C. Sonda wymaga w takich wa- runkach eksploatacji zastosowania okresowego czyszczenia, co nie jest prostym zabiegiem, lub wymiany na nową. Jeśli idzie o nawęglanie, to np. instrukcja obsługi sterownika Protherm 50 [3] przewiduje m.in. zastosowanie sondy Lambda do pomiaru potencjału węglowego atmosfery piecowej, przy czym do obliczeń potencjału węglowego i punktu rosy jest niezbędne wpro- wadzenie zawartości H 2 i CO, a także pomocniczych współczynni- ków K1 i K2. Za pomocą tych współczynników jest możliwe korygowanie wyniku pomiaru. Jednakże według instrukcji sterownika Protherm 50 jest zalecane, aby nie zmieniać parametrów K1 i K2. Lepszym rozwiązaniem jest dokonanie korekty za pomocą współczynnika Us offset oraz współczynnika korekcji potencjału węglowego Cp.Corr. Fact.(k). Porównanie pomiarów potencjału węglowego sondą tlenową i sondą Lambda według pracy [4] przedstawiono na rysunku 3. Krzywa zależności napięcia sondy tlenowej od potencjału węglo- wego jest stroma w całym zakresie pomiarowym, natomiast krzywa Rys. 1. Schemat budowy sondy Lambda; 1 – mocowanie sondy, 2 – ceramiczna tuleja wspierająca, 3 – podłączenie elektryczne, 4 – osłona z otworami, 5 – aktywny sensor ceramiczny, 6 – element kontaktowy, 7 – obudowa ochronna, 8 – element grzewczy, 9 – podłączenie dla ele- mentu grzewczego [1] Fig. 1. Schematic diagram of the Lambda probe; 1 – probe fixing, 2 – ceramic sleeve support, 3 – electric connection, 4 – cover with holes, 5 – active ceramic sensor, 6 – contact element, 7 – protective housing, 8 – heating element, 9 – heating element connection [1] Rys. 2. Sonda Lambda umieszczona w układzie wydechowym; 1 – czujnik ceramiczny, 2 – elektrody, 3 – styki, 4 – osłona styków, 5 – rura wylotowa, 6 – powłoka ceramiczna (porowata) [2] Fig. 2. Lambda sensor located in the exhaust system; 1 – ceramic sensor, 2 – electrodes, 3 – contact pins, 4 contact pins cover, 5 – exhaust pipe, 6 – ceramic coating (porous) [2]

Próba zastosowania sondy Lambda z regulatorem Protherm … text.pdfSonda Lambda była początkowo zainstalowana na środku wysoko-ści kominka gazów odlotowych, a po stwierdzeniu

  • Upload
    others

  • View
    15

  • Download
    1

Embed Size (px)

Citation preview

NR 3/2014 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 283

Dr inż. Tadeusz żółciak, mgr inż. Konrad Lankiewicz ([email protected]), Artur Szczepański – Instytut Mechaniki Precyzyjnej, Warszawa

TADEUSZ żóŁCIAK, KONRAD LANKIEWICZ, ARTUR SZCZEPAŃSKI

Próba zastosowania sondy Lambda z regulatorem Protherm 50 do kontroli potencjału węglowego

podczas nawęglania w piecu wgłębnymWPROWADZENIE

Sonda Lambda została opracowana w celu kontroli poprawności spalania mieszanki paliwowo-powietrznej w silnikach samochodo-wych. Sonda umieszczana jest w strefie wylotu gazów z silnika, a jej żywotność zależy od temperatury strefy zainstalowania – im niższa temperatura nagrzanej sondy, tym dłuższa jej żywotność, niemniej jednak jej prawidłowe wskazania uzyskuje się, jeżeli stały elektrolit sondy jest nagrzany przynajmniej do temperatury 350°C w przypadku sondy LSM 11.

Schemat sondy Lambda typu LSM 11 według pracy [1] przed-stawiono na rysunku 1, a zasadę jej działania zgodnie z pracą [2] na rysunku 2.

Ceramiczna część sondy Lambda (elektrolit stały) ma kształt rury zamkniętej na jednym końcu. Zewnętrzne i wewnętrzne po-wierzchnie czujnika ceramicznego mają mikroporowatą warstwę platyny (elektrodę), która ma decydujący wpływ na charakterysty-kę czujnika. Powłoka platyny na tej części czujnika ceramicznego, która jest w kontakcie z gazem wylotowym, jest pokryta dobrze przylegającą, wysoce porowatą powłoką ceramiczną, która chroni go przed pozostałościami gazu wylotowego mogącymi erodować katalityczną powłokę platynową. Czujnik jest wprowadzony w stre-fę przepływu gazów odlotowych, przepływających wokół jednej jego elektrody, podczas gdy druga elektroda pozostaje w kontakcie z powietrzem atmosferycznym. Czujnik mierzy zawartość resztko-wego tlenu w gazach odlotowych.

Odnośnie do zastosowania sondy Lambda w obróbce cieplnej dostępne są tylko nieliczne prace [3, 4]. Może to wynikać z ogra-niczeń zastosowania sondy Lambda do procesów obróbki cieplnej atmosferowej o stałym potencjale węglowym Cp nieprzekraczają-cym 1% C. W praktyce napotkano przykład zainstalowania sondy Lambda w strefie chłodnicy atmosfery generatora endotermicznego w celu regulacji potencjału węglowego atmosfery endotermicznej wytwarzanej w tym generatorze. Z własnego doświadczenia wy-nika, że po dwóch latach eksploatacji takiego generatora przy co-dziennym jego uruchamianiu sonda zanieczyściła się i jej wskaza-nia znacznie odbiegały od rzeczywistych wartości. Przy nastawie punktu rosy regulatora +3°C pomiar atmosfery miernikiem punktu rosy wskazywał –5°C, a zawartość wodoru w atmosferze osiągała wartości do 42,5%, przy czym potencjał węglowy takiej atmosfery w piecu w 920°C wynosił 0,85% C. Sonda wymaga w takich wa-runkach eksploatacji zastosowania okresowego czyszczenia, co nie jest prostym zabiegiem, lub wymiany na nową.

Jeśli idzie o nawęglanie, to np. instrukcja obsługi sterownika Protherm 50 [3] przewiduje m.in. zastosowanie sondy Lambda do pomiaru potencjału węglowego atmosfery piecowej, przy czym do obliczeń potencjału węglowego i punktu rosy jest niezbędne wpro-wadzenie zawartości H2 i CO, a także pomocniczych współczynni-ków K1 i K2.

Za pomocą tych współczynników jest możliwe korygowanie wyniku pomiaru. Jednakże według instrukcji sterownika Protherm 50 jest zalecane, aby nie zmieniać parametrów K1 i K2. Lepszym

rozwiązaniem jest dokonanie korekty za pomocą współczynnika Us offset oraz współczynnika korekcji potencjału węglowego Cp.Corr.Fact.(k).

Porównanie pomiarów potencjału węglowego sondą tlenową i sondą Lambda według pracy [4] przedstawiono na rysunku 3. Krzywa zależności napięcia sondy tlenowej od potencjału węglo-wego jest stroma w całym zakresie pomiarowym, natomiast krzywa

Rys. 1. Schemat budowy sondy Lambda; 1 – mocowanie sondy, 2 – ceramiczna tuleja wspierająca, 3 – podłączenie elektryczne, 4 – osłona z otworami, 5 – aktywny sensor ceramiczny, 6 – element kontaktowy, 7 – obudowa ochronna, 8 – element grzewczy, 9 – podłączenie dla ele-mentu grzewczego [1]Fig. 1. Schematic diagram of the Lambda probe; 1 – probe fixing, 2 – ceramic sleeve support, 3 – electric connection, 4 – cover with holes, 5 – active ceramic sensor, 6 – contact element, 7 – protective housing, 8 – heating element, 9 – heating element connection [1]

Rys. 2. Sonda Lambda umieszczona w układzie wydechowym; 1 – czujnik ceramiczny, 2 – elektrody, 3 – styki, 4 – osłona styków, 5 – rura wylotowa, 6 – powłoka ceramiczna (porowata) [2]Fig. 2. Lambda sensor located in the exhaust system; 1 – ceramic sensor, 2 – electrodes, 3 – contact pins, 4 contact pins cover, 5 – exhaust pipe, 6 – ceramic coating (porous) [2]

284 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXV

sondy Lambda ulega spłaszczeniu przy potencjale węglowym po-wyżej 1% C.

CEL I ZAKRES PRACY

Celem pracy była próba zastosowania sondy Lambda ze sterow-nikiem Protherm 50 do kontroli potencjału węglowego podczas nawęglania w piecu wgłębnym. Zakres pracy obejmował analizę zmodernizowanego układu sterowania pieca GOAT-950 [5] i za-stosowanie tego układu do pieców typu PEG-at. Celem pracy było ustalenie zależności wskazań sondy, potencjału węglowego i składu atmosfery piecowej od wydatku gazu ziemnego i powietrza, a tak-że od temperatury i szybkości przepływającego ośrodka gazowego wokół sondy Lambda. Próby przeprowadzano w stałej temperaturze nawęglania 920°C i przy stałym wydatku atmosfery nośnej w piecu. Ponadto badano zależność między wskazaniami potencjału, a jego rzeczywistą wartością w różnych fazach procesu nawęglania, czyli współczynnik korekcji potencjału węglowego [6].

METODY bADAŃ

Nawęglanie

Nawęglanie przeprowadzano w piecach wgłębnych typu PEG-at o pojemności retorty ok. 100 dm3 i ok. 23 dm3 przy natężeniu prze-pływu endogazu w zakresie 5÷10 wymian na godzinę w tempera-turze 920°C. Gaz ziemny doprowadzano do pieca w aktywnej fazie nawęglania, a nagrzewanie wsadu do temperatury nawęglania, wy-żarzanie dyfuzyjne i schładzanie wsadu do temperatury hartowa-nia przeprowadzano w endogazie. Atmosferę nośną, czyli endogaz pobierano z generatora lub wytwarzano syntetycznie z azotu tech-nicznego i metanolu bezpośrednio w piecu. Próbki kontrolne z folii niskowęglowej umieszczano w piecu za pośrednictwem kominka. Sonda Lambda była początkowo zainstalowana na środku wysoko-ści kominka gazów odlotowych, a po stwierdzeniu zanieczyszcza-nia jej sadzą zainstalowano ją w odrębnym urządzeniu umożliwia-jącym nagrzewanie gazów odlotowych do temperatury badania po uprzednim oczyszczeniu z sadzy za pomocą filtra.

Stanowisko badawcze składało się z następujących urządzeń:1. pieca wgłębnego,2. urządzenia grzewczego z zainstalowaną sondą Lambda i dopro-

wadzoną atmosferą piecową,3. pompki zasysającej atmosferę z kominka,4. filtru do usuwania sadzy,5. sterownika Protherm PT50,6. analizatora zawartości CO Sensorex SX303p/CO,7. miernika zawartości H2 Nova Analytical,8. systemu rejestratora Brainchild VR18,9. miernika punktu rosy EWK-1.

Widok stanowiska do prób z uwzględnieniem nowego rozwiąza-nia instalacji sondy Lambda pokazano na rysunku 4.

Analiza gazów

Podczas prób badano zawartość wodoru, tlenku węgla i pary wod-nej za pomocą mierników H2, CO i punktu rosy w endogazie w pie-cu i okresowo punkt rosy oraz zawartość wodoru na wyjściu z ge-neratora.

Pomiar potencjału węglowego sondą Lambda

Sondę Lambda umieszczoną w rurze kominka lub w specjalnym urządzeniu grzewczym podłączono do sterownika Protherm 50. Do sterownika podłączono również przewody od termoelementu zain-stalowanego w pokrywie pieca i sterującego jego temperaturą. Na sterowniku nastawiono zawartości CO i H2 typowe dla endogazu, tj. odpowiednio 20% i 40%, a także współczynniki obliczeniowe K1 i K2 zalecane w instrukcji sterownika. Wartości obliczeniowe potencjału węglowego Cpl, a także napięcia sondy US i inne para-metry atmosfery odczytywano na ekranie wyświetlacza sterownika, natomiast przebiegi rzeczywistej zawartości tlenku węgla i napięcia sondy odtwarzano na ekranie rejestratora.

Próba foliowa

Sterownik Protherm 50 umożliwia automatyczne obliczanie współ-czynnika korekcji potencjału węglowego Cpl. W tym celu wy-konywana jest próba foliowa. Pomiar rzeczywistego potencjału węglowego jest przeprowadzany przez umieszczenie w piecu na określony czas cienkiej folii z żelaza, następnie wyjęcie jej i zbada-

Rys. 3. Porównanie charakterystyk pracy sondy Lambda i sondy tle-nowej PE [4]Fig. 3. Comparison of operation characteristics of Lambda probe and oxygen sensor PE [4]

Rys. 4. Podstawowe elementy stanowiska badawczego: piec wgłębny z kominkiem (1), urządzenie grzewcze sondy i próbki gazu (2), pompa poboru próbki gazu z kominka pieca (3), sterownik Protherm 50 usy-tuowany obok urządzenia grzewczego z sondą (4)Fig. 4. Test stand basic elements: pit furnace with chimney (1), probe and sample gas heating device (2), sampling chimney gas pump (3), Pro-therm 50 controller located next to a heating device with probe (4)

NR 3/2014 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 285

nie zawartości węgla jedną z metod stosowanych w laboratoriach. Próbę należy przeprowadzać w atmosferze stabilnej.

Do przeprowadzenia próby sterownik Protherm 50 potrzebuje następujące informacje: – moment, w którym folia jest wyjmowana z pieca, – określenie wartości potencjału węglowego Cp z folii.

Folie badano metodą grawimetryczną.

bADANIE ChARAKTERYSTYK SONDY LAMbDA

Wpływ temperatury azotu technicznego na napięcie sondySondę umieszczoną w odrębnym urządzeniu grzewczym i przepły-wający azot wokół jej elementu pomiarowego nagrzewano do tem-peratury badania. Wyniki pomiarów przedstawiono na rysunku 5.

Największe napięcie uzyskano bez podgrzewania gazu, przy czym ze wzrostem temperatury powstały dwa plateau przy mniej-szym napięciu.

Wskazania przy wyłączonym własnym grzejniku sondyPomiary przeprowadzano jak poprzednio, lecz z wyłączonym wła-snym grzejnikiem sondy i uzyskano wyniki przedstawione na ry-sunku 6.

Najniższe napięcie uzyskano w temperaturze azotu 210°C, po czym napięcie rośnie i stabilizuje się powyżej 350°C, co jest w zgodności z charakterystyką fabryczną sondy. Zatem bez współ-pracy grzejnika sondy jej wskazania wykazują znaczące wahania.

Wpływ temperatury endogazu na napięcie sondy i obliczony potencjał węglowy Cpl przez sterownik Protherm 50Wyniki pomiarów przedstawiono w tabeli 1. Ze wzrostem tempe-ratury endogazu opływającego sondę maleje jej napięcie US oraz potencjał węglowy Cpl obliczany przez sterownik, a rośnie współ-czynnik korekcji potencjału k.

Porównanie Us i Cpl w temperaturze otoczenia i po nagrzaniu endogazu do 220°C; Us offset = +24 mVDo sterownika wprowadzono uchyb napięcia sondy równy 24 mV. Wyniki pomiarów w temperaturze pokojowej i po nagrzaniu gazu przedstawiono w tabeli 2.

Wprowadzenie dodatniego uchybu napięcia sondy zwiększa wartość obliczanego potencjału węglowego przez sterownik – Cpl i umożliwia uzyskanie korzystnego współczynnika korekcji poten-cjału bliskiego jedności. Natomiast nagrzanie endogazu zmniejsza wartość Cpl i tym samym zwiększa współczynnik korekcji poten-cjału węglowego k.

Wpływ szybkości przepływu endogazu wokół sondy Lambda i przez układ pomiarowy miernika zawartości tlenku węgla na napięcie sondy i obliczany potencjał węglowy Cpl oraz zawartość tlenku węgla w atmosferzeW próbach zastosowano syntetyczną atmosferę endotermiczną z azotu i metanolu wytwarzaną w piecu w 920°C o składzie podsta-wowym 20% CO/40% H2/40% N2. Wyniki pomiarów przedstawio-no w tabeli 3.

Zastosowane natężenia przepływu endogazu wokół sondy speł-niające warunek podany przez producenta sondy nie wpływa na na-pięcie sondy i zawartości tlenku węgla.

Rys. 5. Wpływ temperatury azotu technicznego na napięcie sondy Us z dodatkowym ogrzewaniem sondyFig. 5. Effect of technical nitrogen temperature on probe voltage Us with additional probe heating

Rys. 6. Wpływ temperatury azotu technicznego na napięcie sondy Us z wyłączonym własnym grzejnikiem sondyFig. 6. Effect of technical nitrogen temperature on probe voltage Us with turned off internal probe heater

Tabela 1. Wpływ temperatury endogazu na napięcie sondy i obliczony potencjał węglowy Cpl przez sterownik PROThERM 50Table 1. Effect of endothermic gas temperature on probe voltage and the calculated by Protherm 50 driver carbon potential Cpl

Temperaturaendogazu

°C

Napięcie sondy US

mV

Obliczony potencjał Cpl

%

Rzeczywisty potencjał węglowy

%

Współczynnikkorekcyjny potencjału k

223 1163 0,35

0,91

2,60

258 1154 0,32 2,84

300 1154 0,32 2,84

350 1151 0,28 3,25

286 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A ROK XXXV

Wpływ natężenia przepływu syntetycznego endogazu i wzbogacania gazem ziemnym na napięcie sondy, potencjały węglowe obliczany i rzeczywisty oraz na zawartość tlenku węgla w atmosferzeBadania przeprowadzono w piecu o pojemności około 23 dm3 bez wsadu, dlatego ilość gazu wzbogacającego była stosunkowo nie-wielka – maksimum około 1% w odniesieniu do ilości endogazu wynoszącej ok. 280 l/h. Wyniki prób przedstawiono w tabeli 4 oraz na rysunku 7.

Wyniki badań w przypadku mniejszego natężenia przepływu endogazu przez retortę pieca, tj. około 210 l/h obciążonym niewiel-kim wsadem przedstawiono w tabeli 5 oraz na rysunkach 7÷9.

Z przedstawionych przebiegów napięcia sondy US, obliczenio-wej wartości potencjału węglowego Cpl i współczynnika korekcji potencjału wynikają następujące spostrzeżenia: – współczynnik korekcyjny potencjału węglowego wykazał ten-

dencję wzrostową ze wzrostem rzeczywistego potencjału wę-glowego, zależną od natężenia przepływu endogazu przez piec; przy mniejszym natężeniu przepływu wzrost współczynnika jest większy,

– napięcie sondy Lambda osiąga większe wartości przy większym natężeniu przepływu endogazu przez piec, wiąże się to prawdo-podobnie z większym nadciśnieniem w piecu; ponadto stwier-dzono, że przy tym samym wydatku środków atmosferotwór-czych zwiększenie ciśnienia przez lepsze uszczelnienie pieca powoduje dość istotny wzrost napięcia sondy,

– można założyć, że w zakresie regulacyjnym potencjału węglo-wego od 0,6% C do 1,25% C występuje różnica napięcia sondy Lambda ok. 17÷20 mV, podczas gdy w przypadku cyrkonowej sondy tlenowej zakres ten jest rzędu 30 mV,

– obliczeniowa wartość potencjału węglowego Cpl wykazuje zna-czący wzrost w funkcji napięcia sondy Lambda; wartość bez-względna tego parametru zależy głównie od napięcia sondy, jeżeli temperatura procesu i zawartość tlenku węgla mają usta-lone wartości; im większe napięcie, tym większa wartość Cpl

Tabela 2. Porównanie napięcia sondy Us i obliczonego przez sterownik potencjału węglowego Cpl w temperaturze otoczenia i po nagrzaniu endogazu do 220°C. Us offset = +24 mVTable 2. Comparison of the probe voltage Us and calculated by the con-troller carbon potential Cpl at ambient temperature and after heating endothermic gas to temperature of 220°C. Us offset = +24 mV

Temperaturaendogazu

°C

Napięcie sondy US

mV

Obliczony potencjał Cpl

%

Rzeczywisty potencjał węglowy

%

Współczynnikkorekcyjny potencjału k

20 1191,6 0,80÷0,87 0,76 0,87÷0,95220 1183,0 0,56÷0,61 0,80 1,31÷1,42

Tabela 3. Wpływ szybkości przepływu endogazu wokół sondy Lamb-da i przez układ pomiarowy miernika zawartości tlenku węgla na na-pięcie sondy i obliczany potencjał węglowy Cpl oraz zawartość tlenku węgla w atmosferzeTable 3. Effect of endothermic gas flow rate around the Lambda sensor and through the measurement system of carbon monoxide meter on the probe voltage and the calculated carbon potential Cpl and carbon mon-oxide content in the atmosphere

Wydatek endogazu

l/h

Napięcie sondy US

mV

Zawartość CO%

Obliczony potencjał Cpl

%

25 1159,3 20,29 0,3238 1159,4 20,29 0,3251 1159,3 20,32 0,3263 1159,4 20,28 0,3276 1159,8 20,28 0,32

Tabela 4. Wpływ natężenia przepływu syntetycznego endogazu i wzbo-gacania gazem ziemnym na napięcie sondy, potencjały węglowe obli-czany i rzeczywisty oraz na zawartość tlenku węgla w atmosferze dla zawartości endogazu wynoszącej ok. 280 l/hTable 4. Effect of synthetic endothermic gas flow rate and enrichment with natural gas on probe voltage, carbon potential calculated and car-bon potential actual and carbon monoxide content in the atmosphere for the endogas content approximately 280 l/h

Wydatek gazu

ziemnego w działkach rotametru*

Napięcie sondy US

mV

Zawartość tlenku węgla

%

Obliczony potencjał węglowy

Cpl%

Rzeczywisty potencjał węglowy

%

Współ. korekcyjny potencjału

Bez wzbogacenia 1164,0 20,20 0,36 0,66 1,833

4÷5 1170,9 20,12 0,42 0,83 1,9767÷8 1178,3 20,00 0,51 1,05 2,0589÷10 1181,5 19,90 0,55 1,31 2,380

Tabela 5. Wpływ natężenia przepływu syntetycznego endogazu i wzbo-gacania gazem ziemnym na napięcie sondy, potencjały węglowe obli-czany i rzeczywisty oraz na zawartość tlenku węgla w atmosferze dla zawartości endogazu wynoszącej ok. 210 l/hTable 5. Effect of synthetic endothermic gas flow rate and enrichment with natural gas on probe voltage, carbon potential calculated and car-bon potential actual and carbon monoxide content in the atmosphere for the endogas content approximately 210 l/h

Wydatek gazu

ziemnego w działkach rotametru*

Napięcie sondy US

mV

Zawartość tlenku węgla

%

Obliczony potencjał węglowy

Cpl%

Rzeczywisty potencjał węglowy

%

Współ. korekcyjny potencjału

Bez wzbogacenia 1155,0 19,89 0,29 0,64 2,20

10÷11 1164,0 20,00 0,36 0,96 2,6612÷13 1166,0 19,31 0,37 1,00 2,70

13 1167,5 20,08 0,39 1,21 3,1015 1170,0 20,09 0,41 1,36 3,30

Dodatek powietrza

ok. 4 l/h do endogazu

1130,0 19,73 0,17 0,30 1,76

Rys. 7. Zależność napięcia sondy Us od rzeczywistego potencjału wę-glowego Cp i wydatku atmosferyFig. 7. Dependence of the probe voltage Us from the real carbon potential Cp and atmosphere expenditure

NR 3/2014 I N Ż Y N I E R I A M A T E R I A Ł O W A 287

Rys. 8. Zależność obliczonego potencjału węglowego Cpl od napięcia sondy UsFig. 8. Dependence of the calculated carbon potential Cpl from the probe voltage Us

Rys. 9. Zależność współczynnika korekcji od rzeczywistego potencjału węglowego Cp i wydatku atmosferyFig. 9. Dependence of the correction factor from the actual carbon po-tential Cp and atmosphere expenditure

dla określonej wartości rzeczywistego potencjału węglowego atmosfery Cp.

Wpływ dodatku gazu ziemnego na zawartość tlenku węgla i wodoru atmosfery piecowejWpływ dodatku gazu ziemnego na zawartość CO i H2 atmosfery badano w piecu wgłębnym o pojemności ok. 100 dm3 zasilanego endogazem z generatora. W piecu umieszczono wsad o masie ok. 40 kg. Przebieg zmian CO i H2 podczas nawęglania przedstawiono na rysunku 10.

Atmosfera nośna, czyli endogaz przy pomiarze na wyjściu z ge-neratora, wykazywała w składzie ok. 20% CO i ok. 40% H2. W sta-bilnej fazie aktywnego nawęglania przy dość dużym wzbogaceniu gazem ziemnym ze względu na relatywnie duży wsad w piecu zawartość wodoru wzrosła do ok. 48%, a tym samym w wyniku rozcieńczenia zmniejszyła się zawartość tlenku węgla do ok. 16%. W wyniku reakcji z metanem zmalała odpowiednio zawartość H2O (zmiana punktu rosy z –5 do –9°C), a tym samym również odpo-wiednio do reakcji gazu wodnego zawartość dwutlenku węgla. Pod-czas obniżania temperatury wyłączono dopływ gazu ziemnego od temperatury 900°C. Po schłodzeniu pieca do temperatury hartowa-

nia 870°C zawartość wodoru i tlenku węgla powróciła do wartości początkowych dla endogazu.

WNIOSKI

Z przeprowadzonych prób zastosowania sondy Lambda do kontroli nawęglania z wykorzystaniem sterownika Protherm 50 można wy-wnioskować, że: – sonda powinna być zainstalowana poza piecem, w specjalnej

komorze pomiarowej wyposażonej w przepływomierz gazu pie-cowego zasysanego spod pokrywy pieca pompką po uprzednim oczyszczeniu z sadzy na filtrze,

– wydaje się wskazane badanie napięcia sondy Lambda bez pod-grzewania próbki gazu pod warunkiem, że sonda ma własny grzejnik, co jest obecnie regułą,

– natężenie przepływu ośrodka gazowego wokół sondy Lambda powinno spełniać wymagania producenta sondy,

– sondę Lambda można zastosować do kontroli potencjału wę-glowego w okresach stabilnej pracy pieca, w procesie dwustop-niowym lub podczas nawęglania jednostopniowego przy stałym potencjale węglowym, przy czym należy unikać przekraczania granicy wydzielania sadzy i powstawania węglików; korzystny potencjał węglowy Cp ≤1% C,

– wartość potencjału węglowego Cpl, a także współczynnika ko-rekcji potencjału k jest zależna dla określonego typu atmosfery regulowanej i jej wydatku od ciśnienia w piecu, a także od typu sondy i zastosowanego uchybu napięcia sondy; korzystne jest, jeśli wartość współczynnika korekcji potencjału w zakresie re-gulacji jest bliska jedności.

LITERATURA[1] Katalog sond tlenowych. Oxygen Sensors Catalogue 2009÷2010 Bosch.[2] Instrukcja sondy Lambda. Lambda oxygen sensors, Type LSM 11 Bosch.[3] Instrukcja obsługi sterownika Protherm 50. Process-Electronik, grudzień

(2007) www.process-electronic.com[4] Weissohn K.-H.: Sauerstoffsonden-Anwendung in Warmebehandlungsan-

lagen. HTM, Munchen 53 (4) (1998) 238÷244.[5] SobusiakT. , Jończyk S..: Zmodernizowany układ sterowania procesami

nawęglania i węgloazotowania w piecu GOAT-950. Inżynieria Powier-zchni 3 (2007) 98÷100.

[6] Próba zastosowania sondy Lambda w połączeniu z regulatorem Pro-therm 50 do kontroli potencjału węglowego podczas nawęglania w piecu wgłębnym. Sprawozdanie z pracy IMP 2012 (badania są kontynuowane).

Rys. 10. Wpływ dodatku gazu ziemnego na zawartość tlenku węgla i wodoru atmosfery piecowej podczas nawęglania jednostopniowegoFig. 10. Effect of natural gas addition on carbon monoxide and hydro-gen content in furnace atmosphere during one-stage carburizing