热处理炉内气氛及控制

个人收集整理勿做商业用途个人收集整理勿做商业用途第第1页共12页南京工程学院教案【教学单元首页】第 17-18 次课 授课学时4 教案完成时间：2023。2第九章热处理炉内气氛及掌握；§9。1热处理炉内气氛种类;§9.2可控章、节热处理炉内气氛种类主可控气氛的制备

气氛的制备；§9.3碳势和氧势的测量与掌握；§9。3碳势和氧势的测量与掌握;可控气氛加热的根本原理要碳势和氧势测量技术内碳势和氧势测量技术压力与流量的测量容目的：了解热处理炉内气氛的特、性质、制备原理及用途、常见碳势的测量技术等,为合理选择和目使用炉内气氛及碳势设备奠定必要的理论根底。的与要求：了解常见碳势、氧势、压力、流量测量技术与原理以及吸、放热型气氛制备原理与流程，要 把握常见炉内气氛性质、特点和用途、碳势和氧势等概念。求重重点：炉内气氛种类、性质及应用；碳势、氧势、氧化脱碳机理.点难点：吸、放热型气氛制备装置构成及流程;碳势测量技术测试原理。与难点教学板书与多媒体教学结合。方法与手段:1)防止工件加热过程氧化、脱碳；2〕对工件进展化学热处理。§9.1〔P124-129〕热处理炉内气氛热处理炉内气氛可控气氛指成分和性在热处理炉生产中常用可控气氛P124什么是可控气氛？一.吸热式气氛定义:燃料气与少于或等于〔即不能维持反响温度须借助外部热量维持反响的进展，故称为吸热式气氛。2 2 2 成分：吸热式气氛主要成分H、CON，还有少量COCH2 2 2 用途:1)吸热式气氛碳势约0.4％，对低碳钢是复原性和渗碳性气氛。2〕吸热式气氛主要用于〔光亮淬火不宜作为高铬钢和高强度钢的保护气氛贫铬氢脆.3〕吸热式气氛经过再处理除去CO和CO后获得的以H和N为主的气氛可用于不锈钢和硅钢光亮2 2 2加宠保护气氛〔见P124表10-2〕二。放热型气氛定义：原料气与理论空气需要量一半以上的空气不完全燃烧的产物。因反响放出的热量足以维持反响进展而不需外加热源,故称为放热型气氛.成分：放热型气氛主要成份是N、CO、CO.为提高气氛复原性，常再进展净化处理，以除去其中氧化性成分CO2

2 2HO。2通过转变空气和燃料气比以及净化处理，可在较宽范围内转变气氛成分和性质，一般又把这类气氛分为〔混合气中参加较多空气〔混合气中参加较少空气〔净化处理的放热式气氛)三种。气氛性质：可能是复原型和增碳性的,也可能是氧化型和脱碳性的。用途：1)浓型放热式气氛是复原性、弱脱碳性气氛，常用于低、中碳钢光亮淬火保护气氛；2〕淡型放热式气氛是为微氧化性和脱碳性气氛，常用于低碳钢和铜光滑加宠保护气氛；3〕净化型放热式气氛由于气氛中氧化性、脱碳性成分CO被去除，主成分由氮气和肯定量的2COH2组成，属于复原性气氛，可用于中高碳钢光亮加宠保护气氛；4〕净化型气氛再加少量富渗碳气，可用作高碳钢保护气氛和化学热处理介质.三。氨分解气氛及氨燃烧气氛分类:分加热分解气氛(吸热式〕和燃烧气氛〔放热式〕两类。燃烧气氛又分完全燃烧和不完全燃烧气氛两种。制备原理：将无水氨加热到800—900℃，在催化剂作用下，分解成氢气+氮气的气氛.氨分解气氛〔75%H2+25％N2〕特点和应用：具有强复原性和弱脱碳性，常用于不锈钢、硅钢、铜和高铬钢光亮加宠保护气氛.可用于铜和碳钢光滑加宠保护气氛.氨不完全燃烧气氛组成和应用:主要由氮气〔76%〕和氢气〔24%〕组成，具有复原性和弱脱碳性，可用于不锈钢和硅钢光亮加宠保护气氛。四.氢氢是一种强复原性很气体。多用作铜及其合金退火、硬质合金烧结、不锈钢退火以及钼丝电热元件保护气氛.氢中常含微量水分，易引起氧化脱碳，要求高纯氢时应进展脱水。五。氮基气氛以氮为根本成分的混合气体。可由淡型放热型气氛经净化处理制得或由工业纯氮除去残存氧而制得。由于氮是不活泼气体，不与金属发生化学反响，可用于中、高碳钢退火、正火和淬火加宠保护气氛。六.滴注式气氛直接滴入热处理炉内,经裂解后生成的可控气氛.气氛性质：取决于有机液体C/O比，C/O比大于1如乙醇、丙酮、异丙酮、醋酸乙酯等，生成气氛强复原性和强渗碳性气氛；C/O1气氛性质：取决于有机液体C/O比，C/O比大于1如乙醇、丙酮、异丙酮、醋酸乙酯等，生成气氛强复原性和强渗碳性气氛；C/O1气氛；C/O1如蚁酸,则为氧化性和脱碳性气氛。2 2 2 4§9.2(P125-128〕一.吸热式可控气氛制备原理及流程1。制备原理如前所述，吸热式气氛由原料气〔天燃气、丙烷、液化石油气、城市煤气等〕与小于或等于理论空气需要量一半的空气在高温顺催化剂作用下，发生不完全燃烧生成的气氛.以丙烷为例:完全燃烧反响式：C3H8+空气〔5O2+18。8N2〕==3CO2+4H2O+18.8N2+Q，可见，空气与丙烷混合比为(5+18。8)：1=23.8：1制备吸热性可控气氛反响如下：2C3H8+3O2+11。28N2==6CO+8H2+11.28N2 + 454.94J，可见，空气与丙烷混合比为(3+11.28)：2=7.14：1.制备吸热式气氛缺乏以维持燃烧反响持续进展，因此，制备吸热性可控气氛制备需由外部供给热量。混合比COCO2H2H2OH2CH4的相对量，即调整气氛碳势,因此称这种气氛为可控气氛。2。催化剂〔触媒〔补充〕作用:1〕降低反响温度。没有催化剂，反响温度必需提高到1200℃.2〕加快反响速度，缩短反响时间。催化剂：主要成份：NiO，通过反响罐中产生的复原性气体复原生成有催化作用的活性镍.催化剂载体：多孔氧化铝泡沫砖。通过浸泡催化剂溶液后烘干获得。工业中应防止触媒“中毒“〔指触媒外表受某种物理或化学作用而失去催化作用。“中毒”通常是由于积聚“碳黑“引起的能.恢复中毒催化剂催化功能方法：1)取出放在箱式炉内加热到850℃左右，烧掉碳黑。2〕向反响罐通入空气,同时掌握反响罐内温度,该温度依据反响罐内碳黑量多少进展调整，当反响700—800℃左右；而当反响罐内碳黑较少时，则控个人收集整理勿做商业用途2制在850℃左右。3〕烧碳黑时间依据反响罐排出气体中CO、CO量确定，当排出气体中CO2含量趋近于零、CO2含量小于1%时即可完毕烧碳黑。1/周。3。制备流程原料气经减压阀、流量计和压力调整阀进入混合器，同时空气经过过滤器和流量计也进入混合器→在混合器内混合的气体由泵鼓入反响罐→在1000-1050℃的反响罐内在镍基催化剂作用下进展化学反响生成吸热式气氛→吸热式气氛通过冷却器冷却〔反响罐出来的高温气体必需快冷到300℃以下，否则在400—700℃之间气氛会发生如下反响：2CO==C+CO2；CH==C+2H4

，引起气氛成分变化〕→通入炉内使用。4.制备装置构成1〕气体管路和混合系统主要有减压阀、压力继电器、电磁开关、零压阀〔或压力调整阀〕等组成。零压阀作用:确保原料气和空气压力在混合时保持平衡，从而保证混合比例稳定。压力继电器作用：确保原料气压力不低于某一要求值，当低于该要求值时，压力继电器将断开，关闭管路。中设有混合器，确保原料气和空气在容器内混合均匀。2〕动力系统：通过泵将混合气供入反响罐内。泵通常是罗茨泵，它是一种定量泵，不能依据管路气体压力调整流量，因此常设一旁通即自行开启，使泵鼓出的气体经旁通阀返回供气端，以防泵因气压过大而着火.反响系统：由反响罐、加热炉和冷却器组成。安全系统单向阀起限定混合气体单向流淌作用。起排解管道内过量气体作用。当气体压力过大时，放散阀自行开启。是混合气体燃烧爆炸时的应急阀门，爆炸气体可将该阀鼓开,从而保护管路。火焰逆止阀的作用是当管道发生回火时，自动截止气体管道.5。炉内吸热式气氛发生器Surface800-950℃热处理炉上,由于催化剂20％左右。第4页共12页个人收集整理勿做商业用途二.放热式可控气氛1。制备原理如前所述，放热型气氛是由原料气〔液化石油气、煤气或其它气体燃料〕与较多的空气。95〕不完全燃烧产生。以丙烷为例：气体〔H2O在冷凝中除去〕.：2C38+32+1。282==6CO+82+11.282+2〔6+8+11.2〕=1：12.64。空气参加量少空气参加多丙烷气产生的气体量越多，反之越少.2.制备流程过催化剂完全反响→反响产物通入冷凝器中除水→视状况打算是否净化→放热型气氛。§9。3碳势和氧势测量与掌握一。钢在炉气中的氧化复原反响〔P121〕钢在CO2—CO气氛中的反响氧化复原反响CO/CO2比值和温度，反响方向可用平衡常数来推断。平衡常数表示方法,KP1=PCO/PCO2=［CO]/[CO2］=(CO)/〔CO2)，PC、CO2COCO2；[CO［COCO和CO2〔CO〔CO2〕COCO2气体.平衡常数确定方法KP1是个定值，有下述两种确定方法：PC、CO2［CO［CO2]或CO〔CO方法二：通过热力学反响自由能计算得到：假设某温度下上述反响自由焓变为ΔG0RTlnP1可计算出P1,P1第5页共12页个人收集整理勿做商业用途个人收集整理勿做商业用途第第6页共12页lgKP1=—966。7/T+1。155用平衡常数判定反响方向依据某温度下KP1和混合气中CO和CO2实际浓度比，可判别反响方向：KP1时,气氛为复原性气氛时，气氛为氧化性气氛，上述反响向右进展。例：实际气氛中COCO26040％，依据表中数据判别7001000℃上述气氛中反响进展的方向，并说明气氛是氧化性气氛还是复原性气氛.COCO2对铁的氧化复原反响平衡常数温度/℃ 200 300 400 500 600 700 800 900 1000KP1=PCO/PCO2 0.6160。7520。8150。9601.116 1.45 1。7952。142 2.4862H2-H2O气氛中的反响钢H2—H2O气氛中发生的可逆氧化—复原反响为：Fe+H2O==FeO+H2，KP2为：KP2PH2/PH2OH2]/[H2O〔H2〕/〔H2O〕.同理，依据某温度下的平衡常数、混合气中H2H2O浓度比,可判别反响进展方向或气氛是氧化性气氛还是复原性气氛。H2H2O对铁的氧化复原反响平衡常数温度/℃KP2=PH2/PH2O20065.63300 40019。067。995004.206002.747002.258001。929001.6810001。53.金属加热时气氛中的氧势氧化内因和外因化物稳定性〔内因，用氧化物分解压表示〕及气氛中氧分压〔外因。氧分压xMe+O2==MexO2MeMexO2均是分散相(固相〕时，KP=1/PO2，式中PO2为化学平衡时氧分压，即金属氧化物分解压。当气氛中氧分压大于PO2时，金属发生氧化，反之金属氧化物被复原或发生分解。氧化物分解压不仅与金属本身有关，还与温度有关，随着温度上升，氧化物分解压急剧增大。氧势指在肯定温度下，金属的氧化和氧化物的分解处于平衡状态时气氛中的氧分压或氧化物的分解压.4。钢在CO、CO2、H2、H2O混合气体中的氧化复原反响、CO2、H2、H2O时，这时下述两个反响均可能发生，即：Fe+CO2==FeO+CO,Fe+H2O==FeO+H2，也即:2Fe+CO2+H2O=2FeO+CO+H2，此时要到达无氧化加热须满足如下条件：(PH2/H2〔C/CO2〕PP21。钢在炉气中脱碳增碳反响〔补充〕O2、H2O、CO2、H2气氛中加热会发生以下脱碳增碳反响：［C］γ-Fe+O2==2CO，[C]γ-Fe+H2O==CO+H2［C］γ—Fe+CO2==2CO，［C]γ—Fe+2H2==CH4[C］γ-Fe表示钢中碳，反响向右进展表示脱碳，向左进展表示增碳.2CO-CO气氛中脱碳增碳反响2钢在CO-CO2气氛中脱碳增碳反响为:[C]γ—Fe+CO2==2COP2反响平衡时有:K1=PCOaa

P2或ac= CO

，ac称为碳在γ—Fe中的有效浓度或奥氏体中碳活度。CO c2

KP1CO2需留意的是，①碳浓度和碳活度是两个不同概念，如含碳0。8％的钢在1000℃时其活度只有0.45％.②钢脱碳可在无氧化状态下发生，即脱碳反响常优先于氧化。气氛中的碳势碳势量。以下图是PCO+PCO2=1atm条件下，钢在CO-CO2气氛中化学反响(［C］γ-Fe+CO2==2CO〕的平衡曲线。曲线上每个点代表一个平衡状态。例如，依据图中0.1％C曲线可知，当温度为P12310.1900℃,气氛中CO浓度为80%时，含碳0。1％的钢脱碳增碳反响到达平衡，此时气氛的碳势为0。1%C。含碳低于0.1%C的钢在该气氛中发生增碳，而含碳高于0。1%CP12310.1HCH气氛中脱碳增碳反响2 4CO—CO2CO-CO2CH4来增加碳势〔即增加一局部富化气。P在2—CH4气氛中脱碳增碳反响为［C］γ-F+2H2==C4，平衡常数K= CH4 。aP2c H2三.碳势和氧势掌握原理〔P130〕1。碳势掌握原理气氛碳势掌握：通过掌握气氛中CO/CO2和H2/H2O组分之间的相对量，使炉中气氛碳势与钢外表要求的含碳量相平衡。实际生产中，渗碳气氛通常同时存在H2O、CO2、H2、CO，此时存在两个脱碳—增碳反应：[C］γ—Fe+H2O==CO+H2［C]γ—Fe+CO2==2COP P两式相减得：CO2+H2==H2O+CO〔称为水煤气反响〕,其K2=

CO HO或者P P2CO H2 2P PKPP CO H2O。KPCO22 H2P2依据CO-C2气氛中脱碳增碳反响[C]F+C2==2COc=K

PCO2

P P CO H2OKP代入得：ac=

KP P2 H CO2

，在肯定温度下，PH

1CO 2 H2 2、PCO为恒量〔在渗碳气氛中，CO％、H2%含量KP 21 HO2远大于CO2％、2O含量，CO、2，可近似看作常数，1、个人收集整理勿做商业用途COK2H2O〔CO2PCO2

P P CO KP2 H

H2O2ac.CC由于a Cc

P，式中CPCs-Fe中的不饱和含碳量〔即钢的含碳量Cs为sγ—Fe中的饱和含碳量(为恒量)，由于acCP间存在上述关系，因此可通过测量acCP.2。碳势测量与掌握方法测量法,其它方法为间接测量法。1)热丝电阻法于电阻丝很细，电阻丝内含碳量能与炉内碳势时刻保持全都。由于电阻丝含碳量与其电阻间具有线性关系,因而通过测量电阻丝的电阻即可知道炉内碳势。08法进展标定.红外线分析法〔4253.4波长各不一样，而每一种气体对红外线吸取程度又与气体浓度和吸取层厚度存在如下定量关I0dIc具有I透过红外线强度即可确定该气体浓度。红外气体工作原理如以下图所示:红外线分析法特点：反响快、精度高，但仪器简单、价格昂贵。第8页共12页个人收集整理勿做商业用途3)露点法即在肯定压力下〔105Pa含水量越低,露点越低。因此，通过测量露点可知炉内气氛碳势凹凸〔依据：ac=K2PH2PCO/K1PH2O).〔补充),同时用温度计不断搅拌,使铜杯温度不断下降，当铜杯温度下降到和待测气氛露点相平衡时，水汽就开头在铜杯外表上分散成细小的露点而失去光泽，此时快速从温度计读出温度，该温度及待测气体的露点。露点杯缺点：不能进展连续测量和掌握。氯化锂露点仪法:装置：在一端封闭玻璃管上包一层玻璃丝带，然后绕上两条螺旋状的平行铂丝组成一对24V的沟通电压，在外电路中串联一只限流灯泡。测试原理:〔氯化锂是吸湿性盐类，枯燥氯化锂不导电一局部被蒸发掉，又使氯化锂电阻上升，电流减小，温度下降,于是元件吸湿性又增大，如此反复直至平衡,这时装在感湿元件内的电阻温度计指示出的温度称为平衡温度，它反映了相应气氛中的水分含量.氯化锂感湿元件的平衡温度与气氛中的水汽露点存在近似直线关系，因此，依据平衡温度与露点关系、露点与碳势关系即可知道气氛的碳势。露点仪法有何缺点：反响慢、对管路要求严、不得有积碳。第9页共12页个人收集整理勿做商业用途3.氧势测量与掌握方法1)氧势的掌握(碳势〕原理

P2，K3= CO2

ac=

P2 得1P P2CO O2

COK1 COK2ac=

PCO1KK P21 3

,肯定温度下，PCO为恒量、K1K3acPO2O

存在肯定的平衡关系，PCPPO2

存在肯定的关系,因此可利用氧势来掌握炉内碳势。氧势检测装置—-氧探头〔又称氧〔氧势测量原理氧势检测装置是依据固体电解质氧浓差电池原理制成的.氧化锆是金属氧化物陶瓷，在高温下具有传导氧离子特性。在氧化锆中掺入肯定量的氧化钇或氧化钙杂质，可使其内部形成，而形成的“氧空穴”是传导氧离子通道。在氧化锆管〔电解质)封闭端内外两侧涂一层多孔铂作电极，在高温下〔600℃〕,当氧到达低浓度侧在氧化锆管两侧产生氧浓差电池。在两极上的反响为：阴极：O2+4e—→2O2—，阳极:2O2—-4e-→O2,两极间产生的浓差电势RT P (I)

nFlnPO II2( )2

:R8.314Jmol—1K-1nO2加反响电子数(n=4),F〔96500J。V—1。mol-1〕,T〔氧化锆氧浓差电池的实际工作温度)，P为参比气体氧浓度〔承受空气时=0.21×105Pa)，P为待测气体氧O2Ⅰ O2Ⅱ浓度。因此，T(探头的温度〕肯定时,依据测得的电动势E,即可求得被测气体的氧分压P 。O2Ⅱ依据氧分压与碳势的关系，即可获得气氛的碳势。以下图为丙烷为原料气的吸热型气氛氧探头输出量与碳势的关系示意图。氧探头特点构造简洁，灵敏度高，反响快速〔一般小于1s〔但氧探头寿命短，本钱较高。——工程师认证书〕第10页共12页个人收集整理勿做商业用途个人收集整理勿做商业用途第第11页共12页本章小结什么是可控气氛？在热处理炉生产中常用可控气氛有哪些？2 2 2 2 可控气氛指成分和性质可适当掌握的气体，包括反响生成气氛、分解气氛和单元素通过降低COCO、HHO、HCH的相对量，即调整气氛碳势，因此称这种气氛为可控气2 2 2 2 在热处理炉生产中常用可控气氛包括吸热式气氛、放热式气氛、氨分解气氛、滴注式气氛、氮基气氛和氢气等。什么是吸热式气氛？吸热式气氛有哪些用途？燃料气与少于或等于理论空气需要量一半的空气在高温及催化剂作用下，发生不完全燃烧生成因反响产生的热量缺乏