《热处理设备》第五章可控气氛炉

1、主讲教师：范涛北华航天工业学院 金属资料工程教研室课十二 第五章 可控气氛热处置炉本章我们主要了解以下四个方面的内容： 一、可控气氛炉加热的根本原理； 二、可控气氛的种类、制备流程、特性与运用； 三、可控气氛的碳势丈量及氧势控制。 四、可控气氛热处置炉的类型、平安操作与开展。 本次课我们先来了解前两个方面的内容。 我们知道，在普通空气介质电阻炉中加热钢件时,容易发生氧化和脱碳。要使钢件加热时不产生氧化和脱碳，可以采用两种方法：一种是向炉膛内送入维护气体，使钢件在维护气氛下加热；为了使工件外表不发生氧化、脱碳、烧损景象或对工件进展化学热处置，向炉内通以可进展控制成分的气氛，称可控气氛。另一种方法

2、是把炉膛内空气抽除，使钢件在真空形状下加热5.1 概 述脱碳是钢加热时外表碳含量降低的景象。脱碳的过程就是钢中碳在高温下与氢或氧发生作用生成甲烷或一氧化碳。其化学方程式如下； 2Fe3C+O26Fe+2COFe3C+2H23Fe+CH4 Fe3C+H2O3Fe+CO+H2 Fe3C+CO23Fe+2CO这些反响是可逆的，即氢、氧和二氧化碳使钢脱碳，而甲烷和一氧化碳那么使钢增碳。 钢件在维护气氛下加热不仅可实现无氧化无脱碳热处置，提高热处置质量，还可以进展渗碳、脱碳等特殊热处置。并且可实现机械化和自动化控制，使消费率得到提高、劳动条件得到改善。但其设备复杂、投资较大，操作技术要求较高。 维护气氛

3、可以是中性气体(N2)或惰性气体(Ar),有时也可以是复原性气体(H2)。大多数维护气氛是由多种气体(例如CO, CO2, H2, CH4, H2O, N2等)混合组成的，各种气体与钢进展的化学反响列于表10-1中。表10-1各种气体与铁及其碳化物的化学反响 各种气体与钢的化学反响和各种气体之间的化学反响是比较复杂的，但是可以调理维护气氛中氧化性气体与复原性气体的比例、脱碳性气体与渗碳性气体的比例，即CO2/CO、H2O/H2、CH4/H2的相对含量，使反响处于平衡形状，钢的氧化速度与复原速度相等，钢的脱碳速度与渗碳速度相等，这样就能实现无氧化与无脱碳加热。无氧化加热普通可分为光亮加热和光洁加

4、热，前者外表未构成氧化膜，仍坚持金属光泽；后者有氧化膜生成，失去金属光泽。 可控气氛热处置炉的优越性如下： (1)实现无氧化无脱碳与增碳热处置，因此提高钢件的外表质量及机械性能，减少零件的加工余量和钢材的烧损量，因此能节省工时及能耗，节约金属资料。 (2)实现可控渗碳，可以准确地控制零件外表的含碳量、碳浓度梯度和渗碳层厚度，因此提高了渗碳零件的机械性能，稳定渗碳工艺的质量。 (3)实现特殊的热处置工艺，如硅钢片的脱碳退火，轧制钢材的复碳退火等。 (4)实现机械化与自动化，提高劳动消费率，改善劳动条件。 总之，可控气氛热处置炉目前已成为一种先进的加热设备。尤其是在可控气氛的运用方面可作为衡量一个

5、国家热处置技术开展程度的重要标志。102 可控气氛加热的根本原理 在这一节里，我们经过钢在可控气氛中加热所发生的化学反响，来了解可控气氛中各种组分的性质与作用以及对钢在加热过程中发生氧化复原、脱碳增碳反响的影响，进而确定可控气氛中的控制对象。 常用的可控气氛主要由CO、H2和少量的CO2、H2O和CH4、CnHm等气体组成。在热处置温度条件下，气体与钢进展化学反响。一、钢在炉气中的氧化复原反响 1、钢在CO2-CO气氛中的反响 钢在空气中加热将与氧发生氧化反响，在560以下生成Fe3O4，在560以上构成三种氧化物，内层为FeO，中层为Fe3O4，外层为Fe2O3，通常以为氧气对钢的氧化过程是

6、不可逆的，无法控制。 钢在CO2-CO气氛中的氧化复原反响那么有所不同，是可逆的，其反响速度和反响方向决议于CO/CO2比值和温度。 在一定温度下，反响达平衡时，气氛中各种气体浓度不再改动，其平衡常数为式中： PCO、PCO2CO和CO2气体的分压; CO、CO2 CO和CO2气体的浓度；CO,CO2混合气体中CO和CO2的体积百分含量.其反响方程式如(10-1)，反响方向由平衡常数来判别. 在一定温度形状下，平衡常数KP总坚持为定值。某一温度下的kP值，可由实验测定，也可由热力学反响自在能计算求得。如表10-2所示 运用平衡常数KP即可判别反响进展的方向。如在1000时，KP =2.486，

7、即当(CO)/(CO2 )=2.486时，氧化复原处于平衡形状，当实践炉气(CO/CO2)2.486时，反响向左进展，发生复原作用，钢件不氧化。因此，钢在CO2CO气氛中能否发生氧化，取决于CO/CO2的比值，即CO和CO2的相对量，并不是绝对含量。2、钢在H2H2O气氛中的反响 在热处置温度条件下，钢在H2H2O气氛中的反响式为其平衡常数为 3.气氛中的氧势 金属在气氛中能否被氧化或其氧化物能否自发分解，一方面取决于金属氧化物的稳定性，可用金属的分解压力来表示;另一方面是气氛中氧的分压大小。 金属在含氧气氛中加热会产生如下反响 由此可见，在1000，使Fe不氧化 =1.5即可.式中，PO2为

8、化学平衡系中氧的分压，即金属氧化物的分解压。当气氛中的氧分压大于PO2时，反响向右进展，金属被氧化成氧化物；当气氛中的氧分压小于PO2时，反响向左进展，金属氧化物分解。各种氧化物的分解压是不一样的，并随温度的升高而急剧增大，氧化物处于不稳定形状。 氧势是指在一定温度下，金属的氧化和氧化物的分解处于平衡形状时气氛中氧的分压或氧化物的分解压。点 当Me和MexO2皆为化学纯的凝聚相，那么反响平衡常数为 KP=1/PO2 (10一6)4.钢在CO、CO2、H2、H2O混合气体中的氧化复原反响 当炉内气氛同时存在CO、CO2 、H2 、H2O 时，必需综合思索式(101)和(103)，表示混合炉气中各

9、组分的分压。式中：这时要到达无氧化加热需满足如下条件，即二、钢在炉气中的脱碳增碳反响1、钢在COCO2气氛中的脱碳增碳反响钢在COCO2气氛中的反响式如下：ac 碳在奥氏体(一Fe)中的有效浓度，又称奥氏体中碳的活度.ac是在一定温度下钢的含碳量与一Fe中的饱和含碳量的比值 例如，含碳0.8%的钢在1100时，由于分子间作用力的影响，只起到 ac 为0.45%的作用，故称此值为有效浓度。2、气氛中的碳势 碳势是指一定成分的气氛，在一定温度下，气氛与钢的脱碳增碳反响到达平衡时，钢的含碳量。 图10-1是钢在CO-CO2气氛中化学反响的平衡曲线，条件是PCO + PCO2=98.066kPa1大气

10、压。曲线上每个点代表一个平衡形状。例如，在0.1% C的曲线上，当温度为900时，相应的CO为80%，表示在80% CO的气氛中，含碳0.1%的钢到达平衡形状，既不脱碳也不增碳、那么900下含80% CO气氛的碳势即为0.1%C。 图中SE线为饱和奥氏体的平衡曲线，位于其下面的是钢的不同含碳量的平衡曲线。 此外，虚线AK表示氧化一复原平衡曲线。在AK线下方Fe将发生氧化反响;在AK线上方的气氛是复原性的，能防止氧化，但不能防止脱碳。这是由于在700以上脱碳反响的平衡条件 所需求CO%含量远比氧化反响为高。也就是说，不脱碳的条件比不氧化的条件要严厉得多。因此，假设进展既不氧化又不脱碳的光亮热处置

11、时，那么应使气氛中CO含量坚持在相应含碳量的钢的平衡曲线以上，亦即将气氛的碳势维持在钢的相应含碳量以上。3.钢在H2CH4气氛中的脱碳增碳反响 在COCH4气氛中，碳势较低，消费上往往借助COCO2为载体，来添加适量增碳剂CH4来添加碳势，或者气氛中原来就有H2CH4气氛存在。钢在H2CH4气氛中将发生如下脱碳增碳反响 CH4与CO的渗碳才干有所不同,CH4的渗碳才干强得多，是一种强渗碳剂,而H2有脱碳才干。 用于热处置的可控气氛种类很多，按照制备可控气氛的原料气液不同，可控气氛分为四类：以原料气制备的、以有机液体制备的、分别空气制备的、瓶装高纯气体。 目前常见的可控气氛有以原料气制取可控气氛

12、分放热式气氛、吸热式气氛、滴注式气氛、氨分解气氛、氨熄灭气氛、氮基气氛等。 接下来首先了解制备可控气氛的各种常用原料，为我们了解各种气氛的制备方法、特性与运用做铺垫。103 可控气氛的种类与制备一、制备可控气氛的原料1固体原料 主要是木炭。将空气通入炽热的木炭层时产生木炭气氛，其主要成分是N2和CO，还有少量H2和CO2。 木炭气氛发生安装构造简单，制取简易，但木炭耗费量较大、劳动条件差。木炭气氛的成分很不稳定，只适用于要求不严厉的工件的维护加热，如铸锻件的退火维护。2液体原料 液体原料主要是有机液体，如甲醇CH3OH、乙醇C2H5OH、丙醇C3H7OH、苯C6H6，甲苯C7H8、丙酮CH3C

13、OCH3等。普通做为滴注式可控气氛。3.气体原料 气体原料主要有工业煤气，天然气、液化石油气、氨气、氮气等，它们各自适于制备不同类型的可控气氛。 各种工业煤气由于消费过程的影响，成分不稳定，因此制备的可控气氛也不稳定，含硫也较高。 普通液化石油气多为丙烷C3H8和丁烷C4H10的混合物，有两种来源：一、是开采石油得到的石油气，二、炼制石油时分别出来的气体。这两种石油气特点即把有机液体直接滴入炉内，经高温反响生成可控气氛。也可将有机液体滴入裂解安装中生成可控气氛，再将其通入热处置炉中。含硫量很低0.01%)，很适于制备吸热式气氛。二者在常温下加压即可液化，因此可充入容器中运输和储存。制备吸热式气

14、氛的原料气要求含烯烃等杂质在5%以下，纯度低易在制备气氛过程中产生碳黑，影响气氛质量。 甲烷CH4是一种较好的原料气，占天然气达90%以上，纯度很高，但其是一种干性气体，很难液化，不便于贮运。 氨气是呈液态瓶装，贮运方便，要求含水分杂质要少。氮气有工业氮，它是制氧的副产品，含氧较多，另外也可用空气分别法制造粗氮和纯氮、气氮和液氮。1制备原理 吸热式气氛是原料气与实际空气需求量一半的空气(n0.5)在高温及催化剂的作用下，不完全熄灭生成的气氛。原料气有天然气、丙烷、液化石油气(主要是丙烷、丁烷)、城市煤气。原料气与空气的混合气体在反响罐内进展化学反响，以丙烷为例，其反响式为2C3 H8+3O2+

15、11 .28N2 6CO+8H2+11.28N2 - Q (10-13) 由上式可知，空气与丙烷的混合比为(3+11.28):2，当二、制备气氛的种类 1、吸热式气氛混合比较低时，只靠混合气本身熄灭反响的热量不能维持熄灭继续进展，需求由外部供热，因此称吸热式气氛。 制取这类气氛是借降低空气与原料气的混合比来调整气氛中CO与CO2、H2与H2O、H2与CH4的相对含量，即调整气氛的碳势。2制备流程点 图10-2为吸热式气氛的制备流程图。原料气经减压阀、流量计和压力调理阀进入混合器与空气混合;空气经过滤器、流量计进入混合器。原料气与空气的混合气由泵鼓入反响罐。在管路中设有平安安装，如火焰逆止阀等，

16、混合气在l000-1050的反响罐内借助镍基催化剂的作用进展化学反响，生成吸热式气氛。为防止在400700之间生成碳黑，经水冷却器冷却到300以下，通入炉内运用。气体管路混合系统动力系统反响系统平安系统 原料气混合比理 论 反 应 式组 成(%)注 释COH2N2甲 烷丙 烷丁 烷2.57.510CH4+0.5(O2+4N2)CO+2H2+2N2C3H8+1.5(O2+4N2)3CO+4H2+6NC4H10+2(O2+4N2)4CO+5H2+8N2202324403129404647实际气氛中尚含有0.3%CO20.6%H2O0.4%CH43炉内吸热式气氛发生器日、英、美新研制装有炉内吸热式气

17、氛发生器的密封箱式炉，如图10-3，省去了重新加热气体的工序，所用的催化剂的产气才干比普通催化剂高45倍，产气温度为800900，能保证在通常处置温度下任务，运转本钱降低20%左右表10-5不同原料气与混合比构成的吸热式气氛的组成4吸热式气氛的特性与运用：优点：含CO和H2较多且含量比较稳定，其碳势在0.40.6%，改动混合比容易调理碳势。对碳钢来说，它是复原性气氛可用于中、高碳钢光亮热处置，并可做渗碳或碳氮共渗的渗碳剂和载体气(在吸热式气氛中参与少量丙烷气可做渗碳可控气氛)。缺陷：吸热式气氛中的CO容易引起钢中的Cr氧化，故大多数不锈钢都不用它做维护气氛。吸热式气氛中的H2含量高，为了防止氢

18、脆，普通也不用它做高强钢的维护气氛。2放热式气氛 1制备原理 放热式气氛是原料气与较多的空气(n=O.5 0 . 95)的不完全熄灭产物，所产生的热量足以维持反响进展。 放热式可控气氛的原料气可以是液化石油气、煤气或其它气体燃料。原料气与少于实际需求量的空气进展熄灭，部分原料气完全熄灭，部分原料气不完全熄灭，以丙烷原料气为例。完全熄灭的反响式；空气与丙烷气比例23.8：1C3H8十5O2十18.8N2 3CO2+4H2O十18.8N2+Q (10-14)不完全熄灭的反响式为空气与丙烷气比例14.28：22C3H8十3O2+11.28N26CO+8H2十11.28H2+Q (10-15) 放热式

19、可控气氛的成分随所用空气过剩系数n的大小而不同，可在很宽的范围内变动。当n值较小(0.50.6)时，CO/CO2值较大，气氛氧化性和脱碳性较弱，但产气量也较少；n值较大(0.8-0.9)时，CO/CO2值较小，氧化性和脱碳性也较强，但产气量较大，本钱较低。 为提高气氛复原性，常再经净化处置，除去其中的CO2和H2O。经过改动空气与燃料的比和净化方法，可在较宽的范围内改动气氛的成分和性质，得到CO2含量不同的气氛，普通又把这类气氛分为淡型、浓型和净化型。这类气氛能够是复原性和增碳性的，也能够是氧化性和脱碳性的，视气氛成分、工件含碳量和任务温度而定。2制备流程 制备放热式气氛的工艺流程图如图10-

20、3、4所示。原料气与空气按一定比例混合，用罗茨泵送到烧嘴，在熄灭室内进展熄灭及裂解，未熄灭的部分原料气经过催化剂完全反响。反响产物主要含有CO、H2、N2、CO2 、H2O和少量CH4。反响产物应通入冷凝器中，使其中的水气冷凝成水而排除，必要时再净化处置，这样就获得可供应用的放热式气氛。 气氛发生安装的管路系统主要由四部分组成。(1)混合系统: 原料气和空气混合后用罗茨泵送至烧嘴.(2)熄灭系统: 混合气由烧嘴喷入熄灭室，用点火器点燃并在其中熄灭。 3)净化系统: 熄灭气经冷凝器和各种净化器等除去其中的水分及CO2等。 4)平安系统: 由单向阀、灭火器、防爆器和放散阀等部件组成。 此外，还有各

21、种控制阀，压力、流量等丈量仪表。放热式气氛的类型原料气混合比（原料气与空气）气体成分（%）COCO2H2H2OCH4N2浓 型淡 型丙烷丙烷1216162381213571012.5614120.80.80.5其余其余表10-4放热式气氛的成分3放热式气氛的特性及运用 根据混合比不同，可将放热式气氛分为浓型和淡型两种(表10-4)。从气体成分来看，放热式气氛含有较多的CO2，它是一种脱碳性较强的气氛，所以只能用做少或无氧化加热的气氛。其中浓型气氛可用于低碳钢光洁退火以及中碳钢短时加热淬火，淡型气氛可用于铜合金光亮退火、可锻铸铁退火和粉末冶金烧结。3.氨分解气氛与氨熄灭气氛 用氨制备的气氛可分为

22、氛分解气氛和氨熄灭气氛两种类型，而氨熄灭气氛又分为完全熄灭和不完全熄灭两种。 1氨分解气氛的制备 氨分解气氛是液氨气化后，在催化剂作用下加热分解生成的气氛，其反响式为 (10 13)假设用净化方法去除放热式气氛中的CO2和H2O，还可以扩展其运用范围。优点：放热式气氛发生安装构造简单，不用外部能源，制备方便，产气量大，原料气耗费量少，所以它的消费本钱较低。2氨分解气氛的制备流程 氨分解气氛的制备流程如图10-5所示。原料气自氨瓶流入气化器受热气化，在反响罐中借助高温暖催化剂的作用进展分解，分解产物自反响罐出来后再前往气化器，利用其他热加热液态氨。冷却后的分解产物经净化，除去残氨和水气，就得到可

23、供运用的分解氨。3氨分解气氛的特性及运用 由NH3分解反响式可知(点)，氨分解气氛的组成为75%H2和 25%N2,因此其性质与H2根本一样，它不含有CO和CO2无渗碳和析出碳黑的倾向，当露点很低时具有强复原性。可用于各种金属的光亮加热，特别适用于高铬钢、不锈钢、硅钢片的光亮加热。其缺陷是耗氨多、产气量少、消费本钱高、有易爆危险、剩余氨未除净对钢件有细微渗氮作用。4氨熄灭气氛 为了抑制氨分解气氛的缺陷，可将氨分解气或氨气混合一定数量空气进展熄灭，熄灭产物经过除水而得到氮基维护气氛。2NH33H2+ N2Q (10一13)4、滴注式可控气氛 滴注式可控气氛就是将具有渗碳性的有机液体或其混合物直接滴入密封的炉膛(或炉罐)中，在高温暖隔绝空气条件下进展裂解所产生的气氛。滴注式气氛的组成可根据滴入的有机液体种类与数量进展人为控制以满足不同热处置工艺的要求。滴控热处置具有设备简单、操作方便、节能等特点，但所用的有机液体原料价钱较高。 滴控气氛的液体原料滴注有机液体有两大类：一类是含碳原子较多的重烃类，例如苯 C6H6、甲苯C6H5CH3、煤油等，另一类是烃的衍生物，例如甲醇CH3OH、乙醇C2H5OH、异丙醇C3H7OH、丙酮CH3COCCH3、醋酸乙脂CH3COOC2H5等。1、滴注式气氛的制备原理 滴注式气氛是