RU2809151C1 - Method of dehydration of steel products - Google Patents
Method of dehydration of steel products Download PDFInfo
- Publication number
- RU2809151C1 RU2809151C1 RU2022131174A RU2022131174A RU2809151C1 RU 2809151 C1 RU2809151 C1 RU 2809151C1 RU 2022131174 A RU2022131174 A RU 2022131174A RU 2022131174 A RU2022131174 A RU 2022131174A RU 2809151 C1 RU2809151 C1 RU 2809151C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steel products
- steel
- magnetic field
- additional energy
- produced
- Prior art date
Links
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 29
- 239000010959 steel Substances 0.000 title claims abstract description 29
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 23
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 title abstract description 3
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 title abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 claims abstract description 12
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 7
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 17
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 17
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 16
- 238000005984 hydrogenation reaction Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 3
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000006356 dehydrogenation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 2
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 230000005483 Hooke's law Effects 0.000 description 1
- 238000003723 Smelting Methods 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000002301 combined effect Effects 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 1
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 1
- 230000005415 magnetization Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 230000002265 prevention Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000000284 resting effect Effects 0.000 description 1
- 238000005096 rolling process Methods 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к способам защиты стальных изделий и может применяться в газотранспортной отрасли для повышения ресурса эксплуатации газопроводных труб.The invention relates to methods for protecting steel products and can be used in the gas transportation industry to increase the service life of gas pipelines.
Извлечение водорода является актуальным вопросом на всех стадиях производства, включая плавку, прокатку, сварку и т.д. Не менее важен вопрос борьбы с наводороживанием изделий из стали в ходе эксплуатации.Hydrogen extraction is a pressing issue at all stages of production, including smelting, rolling, welding, etc. No less important is the issue of combating hydrogenation of steel products during operation.
При нахождении металла в коррозионных средах, к которым относится, в частности, увлажненный грунт, большое значение уделяется электрохимической защите, осуществляемой путем приложения к металлу постоянного напряжения, противодействующего химическому потенциалу металл-грунт. Однако, одновременно с предотвращением коррозии, происходит диффузия ионов водорода в толщу металла, вызывающая охрупчивание и снижение механической прочности.When the metal is in corrosive environments, which include, in particular, moistened soil, great importance is given to electrochemical protection, carried out by applying a constant voltage to the metal, counteracting the chemical potential of the metal-soil. However, simultaneously with the prevention of corrosion, diffusion of hydrogen ions occurs into the thickness of the metal, causing embrittlement and a decrease in mechanical strength.
Известные способы извлечения водорода из стали связаны с термическим воздействием. В частности, известен способ по патенту [SU 1010140], включающий извлечение водорода из расплавленного металла под вакуумом. Этот и аналогичные способы связаны с уничтожением изделия как такового. Задача предлагаемого способа - извлечение излишка водорода их стальных изделий без разрушения и с сохранением выполняемой функции.Known methods for extracting hydrogen from steel involve thermal action. In particular, a method is known according to the patent [SU 1010140], which involves extracting hydrogen from molten metal under vacuum. This and similar methods involve the destruction of the product itself. The objective of the proposed method is to extract excess hydrogen from steel products without destruction and while maintaining the function performed.
Известны способы, связанные с созданием температурного профиля охлаждения изделий, например, [SU 1730179], однако применяемые температуры порядка 900°С не приемлемы для труб. Согласно нормативам, нагрев труб допускается в пределах 200°С.There are known methods associated with creating a temperature profile for cooling products, for example, [SU 1730179], however, the applied temperatures of about 900°C are not acceptable for pipes. According to the standards, heating of pipes is allowed within 200°C.
Известны способы разводороживания, связанные с воздействием альтернативными энергетическими агентами. Известен, в частности, способ воздействия высокоинтенсивной радиацией [RU 2402755 С2], представляющий повышенную опасность для природы и персонала. Известен также менее опасный способ воздействия электронным пучком, как это предусмотрено публикацией [Ю.И. Тюрин, В.В. Ларионов. Разводороживание сварных швов облучением электронами // Материаловедение и термическая обработка сплавов. 2018, № 6, с. 62-65], а также патентом «Способ разводороживания сварных швов магистральных газопроводов» [РФ 2580582]. Недостаток известного способа - сложность оборудования, малый размер участка воздействия.There are known methods of dilution associated with exposure to alternative energy agents. In particular, a method of exposure to high-intensity radiation is known [RU 2402755 C2], which poses an increased danger to nature and personnel. A less dangerous method of exposure to an electron beam is also known, as provided for in the publication [Yu.I. Tyurin, V.V. Larionov. Dehydrogenation of welds by electron irradiation // Materials Science and Heat Treatment of Alloys. 2018, no. 6, p. 62-65], as well as the patent “Method for dilution of welds of main gas pipelines” [RF 2580582]. The disadvantage of this known method is the complexity of the equipment and the small size of the impact area.
Задача изобретения - создание более доступного способа десорбции водорода из стальных изделий в условиях, не нарушающих эксплуатационных пределов.The objective of the invention is to create a more affordable method for desorption of hydrogen from steel products under conditions that do not violate operating limits.
Технический результат изобретения - продление срока службы стальных изделий, находящихся под воздействием электрохимической защиты в условиях коррозионной среды.The technical result of the invention is to extend the service life of steel products exposed to electrochemical protection in a corrosive environment.
Технический результат достигается тем, что способ разводороживания стальных изделий, включающий одновременное термическое и дополнительное энергетическое воздействие, отличается тем, что термическое воздействие производят посредством высокочастотного индукционного нагрева стальных изделий, а дополнительное энергетическое воздействие производят приложением переменного магнитного поля амплитудой 0,4-0,8 килоэрстед.The technical result is achieved in that the method of dehydration of steel products, including simultaneous thermal and additional energy effects, is characterized in that the thermal effect is produced by high-frequency induction heating of steel products, and the additional energy effect is produced by applying an alternating magnetic field with an amplitude of 0.4-0.8 kilooersted.
Способ разводороживания стальных изделий включает одновременное термическое и альтернативное энергетическое воздействие. Отличие состоит в том, что термическое воздействие осуществляют посредством высокочастотного индукционного нагрева. При этом одновременно сталь испытывает дополнительное энергетическое, к данном случае механическое воздействие благодаря силам магнитострикции. Под действием магнитного поля сталь испытывает деформацию, связанную с переориентацией спиновых моментов атомов, ведущей к смещениям их равновесных положений относительно друг друга. Зависимость относительной деформации стали, выраженной в миллионных долях ΔL/L, от приложенного магнитного поля Н показана на фиг. 1. Характерными особенностями являются знакопеременная деформация и насыщение, наступающее в умеренных полях порядка 0,4-0,8 кЭ. Из рисунка видно, что указанный диапазон является необходимым и достаточным для полного проявления эффекта магнитострикции.The method of dehydrogenation of steel products includes simultaneous thermal and alternative energy effects. The difference is that the thermal effect is carried out through high-frequency induction heating. At the same time, the steel experiences additional energy, in this case mechanical, impact due to magnetostriction forces. Under the influence of a magnetic field, steel experiences deformation associated with a reorientation of the spin moments of the atoms, leading to displacements of their equilibrium positions relative to each other. The dependence of the relative strain of steel, expressed in parts per million ΔL/L, on the applied magnetic field H is shown in Fig. 1. Characteristic features are alternating deformation and saturation occurring in moderate fields of the order of 0.4-0.8 kOe. The figure shows that the specified range is necessary and sufficient for the full manifestation of the magnetostriction effect.
Зависимость относительной деформации, от времени в синусоидальном поле представлена на фиг. 2. Можно видеть, что при относительно низкой частоте, например, 50 Гц, темпы изменения деформации оказываются значительно выше, что способствует усилению локальных напряжений. Величина деформации достигает ±(5…10)⋅10-6. В соответствии с законом Гука этой деформации сопутствуют напряжения порядка (1…2) МПа. Испытываемые напряжения приводят к активизации движения атомов водорода, усиливающей активизацию теплового движения под действием повышенной температуры. Эти факторы вызывают диффузию водорода в направлении области с его наименьшей концентрацией, то есть к поверхности. Один из вариантов реализации способа ограничивается применением индукционного нагрева, при этом магнитное поле индукционного нагревателя само по себе служит источником магнитострикционных колебаний. Второй вариант реализации включает применение дополнительного источника магнитного поля типа соленоида или катушки с сердечником. Второй вариант позволяет изменять направление вектора магнитного поля и частоту воздействия, то есть создает возможность оптимизации процесса.The dependence of the relative deformation on time in a sinusoidal field is presented in Fig. 2. It can be seen that at a relatively low frequency, for example, 50 Hz, the rate of change in strain is much higher, which contributes to an increase in local stresses. The amount of deformation reaches ±(5…10)⋅10 -6 . In accordance with Hooke's law, this deformation is accompanied by stresses of the order of (1...2) MPa. The stresses experienced lead to increased movement of hydrogen atoms, which enhances the activation of thermal movement under the influence of elevated temperature. These factors cause diffusion of hydrogen towards the region with its lowest concentration, that is, towards the surface. One of the embodiments of the method is limited to the use of induction heating, while the magnetic field of the induction heater itself serves as a source of magnetostrictive oscillations. The second implementation option involves the use of an additional magnetic field source such as a solenoid or coil with a core. The second option allows you to change the direction of the magnetic field vector and the frequency of exposure, that is, it creates the opportunity to optimize the process.
Экспериментально исследованы образцы искусственно наводороженной стали, помещаемые в поле индукционного нагревателя.Samples of artificially hydrogenated steel placed in the field of an induction heater were experimentally studied.
Наводороживание стали производят в 20% растворе NaOH. В качестве анода используется платина, образец стали является катодом. Наводороживание производят при поверхностной плотности тока порядка 0,125 А/см2. Продолжительность процесса составляет от 36 до 72 часов. Концентрация водорода определяется путем точного измерения массы образцов до и после наводороживания. Достигаемые величины концентрации водорода составляют от 60 до 200 ppm.Hydrogenation of steel is carried out in a 20% NaOH solution. Platinum is used as the anode, and the steel sample is the cathode. Hydrogenation is carried out at a surface current density of the order of 0.125 A/cm 2 . The duration of the process is from 36 to 72 hours. The hydrogen concentration is determined by accurately measuring the mass of the samples before and after hydrogenation. Achievable hydrogen concentrations range from 60 to 200 ppm.
Распределение водорода в образцах стали исследуется при помощи оптического эмиссионного спектрометра радиочастотного тлеющего разряда GD-Profiler 2. Спектрометр измеряет свечение атомов различных элементов в плазме тлеющего разряда в процессе их постепенного катодного распыления с исследуемой поверхности. Данный метод позволяет осуществлять анализ профиля элементного состава поверхностей на глубину от десятков нанометров до десятков микрометров.The distribution of hydrogen in steel samples is studied using a GD-
Схема эксперимента по термо-магнитострикционной обработке образцов представлена на фиг. 3. Образцы в виде стальных дисков 1 помещаются в поле плоской спирали 2 индукционного нагревателя мощностью до 1,5 кВт с функцией стабилизации температуры. Рабочая частота нагревателя составляет 20 КГц. Для удобства эксперимента образцы выполняются малоразмерными - диаметром 25 мм и толщиной от 1 до 3 мм - и вставляются в соответствующее отверстие в стальной пластине 3, перекрывающей площадь спирали. Эта конфигурация обеспечивает штатную нагрузку для схемы индуктора и в то же более равномерное распределение высокочастотного магнитного поля по площади образца. Низкочастотное магнитное поле с частотой сети 50 Гц подводится к образцу электромагнитом с П-образным сердечником 4, опирающимся одним концом на образец 1, а другим - на свободную поверхность стальной пластины 3.The experimental diagram for thermo-magnetostrictive treatment of samples is presented in Fig. 3. Samples in the form of
Экспериментальные результаты представлены на фиг. 4-6, показывающих профиль концентрации водорода по глубине образцов до обработки (а) и после обработки (б). Температура во всех случаях поддерживается в пределах от 200 до 220°С автоматикой индукционного генератора. Фиг. 4 соответствует воздействию магнитным полем высокой частоты в течение 4 часов, концентрация водорода за это время снижается примерно на 30%. Фиг. 5 соответствует воздействию магнитным полем высокой частоты в течение 12 часов, концентрация водорода снижается примерно на 50%. Сопоставление графиков фиг. 4 и фиг. 5 показывает, что концентрация водорода в образце, как и следует ожидать, монотонно снижается с увеличением времени обработки. Фиг. 6 соответствует комбинированному воздействию магнитным полем высокой частоты и полем электромагнита с частотой 50 Гц, концентрация водорода снижается примерно на 80%. Сопоставление графиков фиг. 5 и фиг. 6 показывает, что низкочастотное магнитное поле заметно ускоряет десорбцию водорода. Вероятное объяснение этого эффекта может быть связано с различием условий намагничивания: высокочастотное поле проникает в образец на толщину скин-слоя, оцениваемую для частоты 20 КГц как 50 мкм, а низкочастотное поле - на всю глубину.The experimental results are presented in Fig. 4-6, showing the profile of hydrogen concentration along the depth of the samples before treatment (a) and after treatment (b). The temperature in all cases is maintained within the range from 200 to 220°C by the automatic induction generator. Fig. 4 corresponds to exposure to a high-frequency magnetic field for 4 hours, the hydrogen concentration during this time decreases by approximately 30%. Fig. 5 corresponds to exposure to a high frequency magnetic field for 12 hours, the hydrogen concentration is reduced by approximately 50%. Comparison of the graphs of Fig. 4 and fig. Figure 5 shows that the hydrogen concentration in the sample, as would be expected, decreases monotonically with increasing treatment time. Fig. 6 corresponds to the combined effect of a high-frequency magnetic field and an electromagnet field with a frequency of 50 Hz, the hydrogen concentration is reduced by approximately 80%. Comparison of the graphs of Fig. 5 and fig. 6 shows that a low-frequency magnetic field noticeably accelerates the desorption of hydrogen. A probable explanation for this effect may be due to the difference in magnetization conditions: the high-frequency field penetrates the sample to the thickness of the skin layer, estimated at a frequency of 20 kHz as 50 μm, and the low-frequency field penetrates the entire depth.
Таким образом, предлагаемый способ разводороживания стали обеспечивает снижение концентрации водорода в изделиях из стали не менее чем в 5 раз, в условиях, не нарушающих эксплуатационных пределов. Благодаря этому снижаются показатели разрыхления и охрупчивания материала. Тем самым реализуется технический результат, состоящий в повышении срока службы изделий в коррозионных средах под воздействием электрохимической защиты.Thus, the proposed method of dihydrogenation of steel ensures a reduction in the hydrogen concentration in steel products by at least 5 times, under conditions that do not violate operating limits. Thanks to this, the rates of loosening and embrittlement of the material are reduced. This achieves the technical result of increasing the service life of products in corrosive environments under the influence of electrochemical protection.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2809151C1 true RU2809151C1 (en) | 2023-12-07 |
Family
ID=
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU410108A1 (en) * | 1971-05-05 | 1974-01-05 | ||
| SU1730179A1 (en) * | 1990-02-20 | 1992-04-30 | Череповецкий Металлургический Комбинат Им.50-Летия Ссср | Method of removing hydrogen from steel billets |
| RU2244023C2 (en) * | 2002-11-21 | 2005-01-10 | Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова | Method providing an increase of wear resistance of metal-cutting tools made out of tool steels by magnetic-pulse treatment with a preheating and an installation for its realization |
| RU2402755C2 (en) * | 2008-11-28 | 2010-10-27 | Борис Михайлович Лапшин | Procedure and device for de-hydrogenisation of walls of gas mains |
| JP5740698B2 (en) * | 2011-09-28 | 2015-06-24 | 株式会社青山製作所 | Dehydrogenation treatment method for plated parts |
| RU2580582C2 (en) * | 2014-07-29 | 2016-04-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method for dehydrogenisation of welds of pipelines |
| RU167592U1 (en) * | 2016-01-11 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянский государственный технический университет" | INSTALLATION FOR DEWATERING OF PARTS |
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU410108A1 (en) * | 1971-05-05 | 1974-01-05 | ||
| SU1730179A1 (en) * | 1990-02-20 | 1992-04-30 | Череповецкий Металлургический Комбинат Им.50-Летия Ссср | Method of removing hydrogen from steel billets |
| RU2244023C2 (en) * | 2002-11-21 | 2005-01-10 | Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова | Method providing an increase of wear resistance of metal-cutting tools made out of tool steels by magnetic-pulse treatment with a preheating and an installation for its realization |
| RU2402755C2 (en) * | 2008-11-28 | 2010-10-27 | Борис Михайлович Лапшин | Procedure and device for de-hydrogenisation of walls of gas mains |
| JP5740698B2 (en) * | 2011-09-28 | 2015-06-24 | 株式会社青山製作所 | Dehydrogenation treatment method for plated parts |
| RU2580582C2 (en) * | 2014-07-29 | 2016-04-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Method for dehydrogenisation of welds of pipelines |
| RU167592U1 (en) * | 2016-01-11 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянский государственный технический университет" | INSTALLATION FOR DEWATERING OF PARTS |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ozur et al. | Production and application of low-energy, high-current electron beams | |
| Collins et al. | Plasma immersion ion implantation of steels | |
| Wei et al. | Surface modification of 5CrMnMo steel with continuous scanning electron beam process | |
| Priest et al. | Low pressure rf nitriding of austenitic stainless steel in an industrial-style heat-treatment furnace | |
| Ryabchikov et al. | Modification of the microstructure and properties of martensitic steel during ultra-high dose high-intensity implantation of nitrogen ions | |
| Wu et al. | Analyses of quenching process during turn-off of plasma electrolytic carburizing on carbon steel | |
| Spitsyn et al. | Retention of deuterium in damaged low-activation steel Rusfer (EK-181) after gas and plasma exposure | |
| RU2809151C1 (en) | Method of dehydration of steel products | |
| Ryabchikov et al. | High-intensity chromium ion implantation into Zr-1Nb alloy | |
| Özbek et al. | Surface properties of M2 steel treated by pulse plasma technique | |
| RU2413033C2 (en) | Procedure for plasma nitriding item out of steel or non-ferrous alloy | |
| Mukherjee et al. | Low-and high-energy plasma immersion ion implantation for modification of material surfaces | |
| Semsari et al. | Comparison of high-energy He+ and D+ irradiation impact on tungsten surface in the IR-IECF device | |
| RU2125615C1 (en) | Method of surface treatment of articles made of structural alloys | |
| Saeed et al. | Pulsed dc discharge in the presence of active screen for nitriding of high carbon steel | |
| Liu et al. | Embrittlement of RAFM EUROFER97 by implanted hydrogen | |
| Pillaca et al. | Experiments on plasma immersion ion implantation inside conducting tubes embedded in an external magnetic field | |
| RU2384911C1 (en) | Method for treatment of electrodes in insulating gaps of high-voltage electric vacuum instruments | |
| Ryabchikov et al. | Low energy implantation of nitrogen ions by extended beam with a ballistic focusing in a stainless steel | |
| Ramazanov et al. | Effect of applying a magnetic field in ion nitriding on probe characteristics of glow discharge, microhardness and R6M5 steel structure | |
| RU2619543C1 (en) | Pulse electron-beam metal product surface polishing method | |
| Kazakov et al. | Beam-produced plasma generated by the pulsed large-radius electron beam in the forevacuum pressure range | |
| Choi | Superhydrophilic polymer surface modification by low energy reactive ion beam irradiation using a closed electron Hall drift ion source | |
| Bender et al. | Material-related issues at high-power and high-energy ion beam facilities | |
| Pavanati et al. | Microstructural and mechanical characterization of iron samples sintered in DC plasma |