第十章可控气氛热处理炉解析ppt
发布时间：2023-11-25 作者: 可控气氛多用炉生产线（XKD产品）
第十章 可控气氛热处理炉 可控气氛：为了使工件表面不发生氧化脱碳现象或对工件进行化学热处理，向炉内通以可来控制成分的气氛。 作用：可实现无氧化无脱碳热处理，提高热处理质量，可进行渗碳、脱碳等特殊热处理工艺操作。 §１０－1 可控气氛加热的基础原理 炉内常用气氛： 吸热式气氛（空气量小于0.5）、 放热式气氛（空气量0.5～0.95）、 氨分解气氛、 滴注式气氛、 氮基气氛和氢气氛等。 气氛组成：主要由CO、H2、N2和少量的CO2，H20和CH4、CnHm等气体组成。 一、钢在炉内气氛中的氧化与还原 1、钢在空气中的氧化与还原反应 560℃以下生成Fe3O4； 在560℃以上形成三种氧化物， 内层为FeO， 中层为Fe3O4， 外层为Fe2O3； 通常认为氧气对钢的氧化过程是不可逆的，无法控制。 2、钢在CO2－CO气氛中的氧化—还原反应 1）反应方程式： 4）反应方向判断 例如：在1000℃时， KP＝2.486，即 (CO)／(CO2)＝2.486；氧化还原处于平衡状态； KP2.486，即 (CO)／(CO2)＜2.486； 为趋于平衡，反应向右进行，CO2使Fe氧化生成FeO，CO2浓度降低，同时CO浓度增加，钢件氧化。 KP2.486，即 (CO)／(CO2)2.486；反应向左进行，发生还原作用，钢件不氧化。 结论：钢在CO2－CO气氛中是否发生氧化，取决于(CO)／(CO2) 的比值，即CO和CO2的相对量，并不是绝对含量。 3、钢在H2－H2O气氛中的氧化—还原反应 1）反应方程式 4、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。 1）反应方程式 4、钢在CO、CO2、H2、H2O混合气体中的氧化还原反应 要达到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应 1、钢在CO－CO2气氛中的脱碳增碳反应 2、气氛中的碳势 碳势：指一定成分的气氛，在一定温度下，气氛与钢的脱碳增碳反应达到平衡时，钢的表面含碳量。 3、钢在H2—CH4气氛中的脱碳增碳反应 在CO—CO2气氛中，碳势较低，生产上往往借助CO—CO2为载体，添加适量的增碳剂CH4来增加碳势，或者气氛中原来就有H2—CH4气氛存在。 钢在H2—CH4气氛中将发生如下脱碳增碳反应 4、碳势控制原理 在应用可控气氛的热处理炉内进行钢件的热处理时，要达到无脱碳淬火、正火、退火以及渗碳、碳氮共渗等预期目的，需要精确控制炉气碳势，实际上就是在工艺技术要求温度下把炉气成分调到与某种钢的碳含量相平衡，或工件表面含碳量达到工艺技术要求。 可控气氛主要由CO、H2、N2和少量的CO2，H20和CH4、CnHm等气体组成。其中， CO、H2、 CH4、CnHm属还原形气体；CO2，H20属氧化性气体，会引起钢的脱碳；N2属中性气体。 体系中氧化性气体与还原性气体、增碳性气体与脱碳性气体组分间的数量关系，即CO/ CO2、 H2/ H20、CH4/ H2、（CO）×（H2）/ H20等，决定了体系中反应进行的方向。 碳势控制，也就是控制这些炉气组分间的相对量。 §１０－2 可控气氛的操控方法 一、气氛的选择与搭配 实现可控气氛热处理，除必要的热处理炉外，选择合理的可控气氛及其控制是十分重要的。 针对具体工艺科学地设计和选用适当的炉用气氛通常的出发点： 加速工艺过程 提升产品质量 1、气氛的选择 热处理气氛已有很多，选择时应考虑： 1）选择能加速化学热处理过程的气氛 渗碳过程中，碳的传递系数随CO％×H2％的含量而增大，因此，适宜的渗碳气氛要求含有足够数量的CO和H2，能满足该要求的渗碳气氛常用的有吸热式气氛、甲醇裂化气、煤油和空气等。 2）选择资源丰富和少无公害的气氛 能满足这一要求的最佳气氛就是氮气。 注意，纯氮是惰性气体，主要使用在于密封性很好的炉子或应用于低温保护或工件允许形成很薄的氧化膜，而该膜能起保护自身作用的工艺，如铝的退火。氮气常应用于使炉子维持正压，以防炉外空气侵入。 事实上，高纯氮难以获取，成本很高，工业用氮又含有0.5～5％O2，，会使加热工件氧化，所以一般不能单独用于热处理保护，而且，对从炉缝等处侵入的空气没有反应消除的能力，因此，通常的做法是：根据处理工件的要求和工艺参数，在炉气中添加某些还原性气体组成氮基气氛。 3）选用抗氧化能力强、脱碳能力弱的气体作保护气氛 最佳气体是氢气。 通常热处理温度下，H2与O2的反应很快，而脱碳的反应速度比H2O慢近干倍，比CO2慢近百倍。 液氨分解后得到的H2和N2是光亮退火的良好气氛，可用于拔丝中间退火、保护焊和钎焊保护气．高温炉钼丝保护气等。 4）节约能源，简化结构 发展直生式可控气氛是个方向，即将甲烷、或丙烷、或丁烷等气体与空气或CO2，按比例调配，直接通入炉内，形成可控气氛。 将丁烷和CO2混合直接通入炉内，渗碳时间减少14％，丁烷节省87％。 问题是丙烷、丁烷裂化温度在950～1050℃，温度低，反应不完全，有可能会出现碳黑和未完全裂解的碳氢化合物。 把吸热型发生装置直接安放在热处理炉内，炉罐内放置触媒，可减少炉外设置发生装置带来的能源和原料损失，也可免去把热气氛冷却的热损失。 新的问题是每台设备都需要发生装置，提高了设备费用。 各种可控气氛按成本（由低到高）排序： 直生式气氛直接碳势控制→内置发生法→炉外裂解法→氮气与甲醇炉内发生法→氮气、甲醇炉外发生法→滴注法。 2、气氛的搭配 实现气氛控制的主要原则：气氛本身要有很高的可控性。 即可随气氛中某一气体的增加或减少而明显地改变气氛的碳势、氧势或其他势。 通常将气氛分为载体气和富化气。 以渗碳为例分析这两种气氛的特性及搭配。 1）载体气 作用：维持气氛的基本碳势，保持炉内处于正压状态，维持炉内气体的稳定与正常运动； 特性：可用碳量一定，使气氛保持一定的碳势，使富化气能起碳势调节的作用； 较大的碳势传递系数，含有大量的CO和H2； 成份稳定，容易裂解，使气氛碳势保持稳定性； 资源丰富，价格实惠公道。 常用载体气：吸热式气氛、甲醇裂解气、氮基气氛等； 2）富化气 作用：提供气氛的碳分，调节气氛的碳势； 富化气的少量变化能使碳势有明显改变。 特性：较高的可用碳量，富化气有少量增减，即可使气氛系统的碳势有明显变化； 对载体气成分的比例影响小，即气氛碳势的变化只随富化气量的变化而变化； 成分稳定，以保证放大增益稳定，渗碳气氛稳定。 常用富化气：丙烷、甲烷、丙酮、醋酸乙酯、煤油等。 3）气氛搭配 吸热式气氛＋丙烷： 优点：载体气有较大量的CO和H2，保持中等碳势； 有较高的碳传递系数，有加快渗碳的效果； 丙烷的可用碳量很高，碳势的增益较大； 缺点：丙烷少量增碱，碳势变比就很大，但易出现碳黑，需严控其 加入量。 氮基气氛＋富化气：N2（81％）＋CH4（19％）；N2＋吸热型气氛＋丙烷 采用有机液作渗剂：载体气与富化气的最佳搭配是甲醇与醋酸乙酯； 它们的裂解气分别为： 两种裂解气中CO与H2的比例是相同的。因此，气氛碳势的变化只取决于醋酸乙酯裂解的[C]。 为减少相关成本，也常用煤油．丙酮和苯来代替醋酸乙酯，煤油可用碳量很高，但成份不稳定。 二、气氛控制 1、炉内气氛测量 炉内气氛测量方法：主要有间接和直接测量法两类。 以碳势控制为例， 间接测量：露点仪（50年代）； 红外线年代出现）； 微机多参数碳势控制（80年代实现） 直接测量：电阻探头控制碳势。 常用气氛传感器： 1）氧化锆氧传感器 基础原理：根据固体电解质氧浓度差电池的原理制造。氧化锆在高温下具有传导氧离子的特性，能够在氧化锆管两侧产生氧浓度差电势，若温度在某一定值时，根据测得的电势可求得被测气体的氧分压。 组成：由探头、电源控制器、气泵、二次仪表及变送器等组成。 探头：核心部件，由炭化硅过滤器、氧化锆元件、恒温室、气体导管等组成。过滤器按在头部过虑灰尘、防止气体冲击；氧化锆元件置于恒温室中，以保证在恒定温度下测量。 2）红外线气体分析仪 基础原理：利用被测组分气体吸收红外线中对应于该组分的特征吸收波段的辐射能的原理测量气体组分含量。 3）电阻探头 基础原理：在奥氏体状态的渗碳温度下，一根细铁丝会很快被渗碳，其电阻值与含碳量之间有单值函数关系。测量被渗碳的铁丝的电阻值，便能感知炉气碳势。 2、气氛碳势控制 在一般渗碳气氛中含有CO、CO2、CH4、H2、H2O、O2和[C]等七种成分以及不参与反应的N2； 这些成分发生众多的化学反应，但基本反应只有四种。 根据热力学定律计算，在平衡态渗碳，渗碳气氛只有三个自由度。即体系中当有三个成分的分压一经确定，体系的状态及其他各种气体的分压也随之确定 多参数控制：控制渗碳气氛的碳势，就必须控制这三个成分，这是所谓的三参数控制。该控制方式可放宽原料气成分及配比的要求，有利于高精度控制，但需要多种传感器，系统复杂，维护不便。 单参数控制：如果使气氛中有两个成分保持稳定，那么只需要控制一个成分，就能控制碳势，这就是单参数控制。该控制方式需要稳定原料气的成分与配比来限定CO／H2等于常数，但控制管理系统结构相对比较简单，便于推广。 三、渗碳过程控制 渗碳过程的数学模型 渗碳过程描述：渗剂输入炉内，在高温下裂解反应，产生渗碳气体；渗碳气体在气固界面上发生碳的传递，在传递过程中发生工件对渗碳气氛的吸附和界面反应，产生活性碳原子；碳原子由工件表面向深度迁移扩散。 1、碳传递 边界条件 a）外部边界条件 碳原子由气相进入固相的通量应等于固相中碳原子由表面向内部扩散的通量。 则： b）内部边界条件：设x＝p处时，碳浓度变化为： 3、碳浓度分布数学模型的建立 联立渗碳过程的碳传递、扩散方程和初始条件及边界条件，可获得渗碳层浓度分布方程。 §１０—4 可控气氛热处理炉的结构及发展 一、可控气氛热处理炉的分类及特点 1．可控气氛热处理炉的分类 可控气氛热处理炉种类很多，有周期式和连续式之分。 周期炉：有井式炉和密封箱式炉(又称多用炉)， 适用于多品种小批量生产，可用于光亮淬火、光亮退火、 渗碳、碳氮共渗等热处理。 连续炉：有推杆式、转底式及各种各样的形式的连续式可控气氛渗碳生产等， 适用于大批量生产，能够直接进行光亮淬火、回火、渗碳及碳统共渗 等热处理。 2．可控气氛热处理炉的特点 (1)炉膛密封良好 炉膛密封形式主要有炉体密封和炉罐密封两类。 炉体密封，包括炉壳、炉门、电热元件引出孔、热电偶孔、凤扇轴孔和推料机械伸出炉外的孔洞等处的密封。电热元件等在可控气氛作用下，需采用抗渗碳性强的材料或加抗渗破除料，最好用低压供电，以免元件渗碳或炉壁积碳使元件发生短路而毁坏。 采用炉罐(金属或陶瓷罐)隔离密封，密封效果比较好，但会降低传热效果和增加炉罐材料消耗，炉子工作时候的温度也受到限制。 还有一种密封形式兼有上述两类密封的特点，即除炉膛密封外，采用辐射管加热器，可防止炉气侵蚀元件和火焰破坏炉内气氛。 (2)炉内保持正压 可控气氛炉内应保持正压，以防止炉外空气浸入引起爆炸，并且保证炉内气氛稳定。 保持炉内正压的措施是，以很多压力供入足够的可控气体．保证可控气氛充满炉膛；对全 密封的炉子，在废气排出口设置水封；控制炉内压力；炉门设置装料前室及火帘装置，以隔 绝空气侵入和防止炉气外溢。 (3)炉内气氛均匀 可控气氛在炉内必须循环流动．使气氛和温度均匀，以保证产品质量一致。因此，可 控气氛炉大都没有风扇。可控气氛可从加热室的侧面供入，也可从加热室上方滴入。 (4)装设安全保护装置 可控气氛多数有毒和有爆炸的危险。除要求正确操作外，炉上应有防爆孔，还应设安 全装置。如在管路上设单向闯、截止闯、火焰逆止阀、压力测定器以及安全报警等装置。 (5)炉内构件抗气氛侵蚀 对于吸热式可控气氛，炉衬需要采用抗渗砖砌筑。多数可控气氛对电热元件都有侵 蚀作用，破坏元件的氧化膜，发生渗碳或渗氮．缩短元件的常规使用的寿命。为保护电热元件．可 将其安装在辐射管内。对暴露在气氛中的元件，应在氧化性气氛中加热，使其退碳、退氧、 重新形成保护性氧化膜。热电偶的热结点不得暴露在可控气氛中。 二、密封箱式护的基本结构 目前我们国家生产的密封箱式炉有单推拉料式和双推拉料式，固10—11为单推拉9封箱式炉结构简图，由前室、加热室、淬火装置、前推拉料机构和炉前辅助机构组成o 1．前室 密封箱式炉的前室，不仅是进料的过渡区．而且是工件加热后进行淬火、缓冷等作业以后的出料区。要能淬火，前室的下面就应有油槽；要能缓冷，前室的上面或侧面就应该接缓冷室。进料、出料、淬火和缓冷时．料盘和工件必须作前后和上下的运动，前后运动用推拉料机来完成，上下运动依靠升降机构来完成。 前室可分为有缓冷室和无缓冷室两种。前室壳体为焊接而成的方形密封室，可以与炉壳或淬火油槽成一体，也可以用螺栓连接。前室门位于前空前而，由电机减速器驱动链条开启和关闭。门与框之间采用石棉绳靠门自重或压紧机构压紧，门下方设有火帘装置，前门开启后，能自动点燃，当工件进入或拉出时，防止空气进入炉内引起氧化脱碳或爆炸。当前室门关闭时，火帘同时熄灭。前室安装防爆装置，一旦空气进入引起爆炸、气体从防爆装置泄出，确保安全。 缓冷室位于前室的上部或侧面，位于上部叫上缓冷，位于侧而叫侧缓冷。可格缓冷室焊成钢板密封夹层，通入自来水冷却，也可将冷却水管装在缓冷室两侧的内壁上。缓冷室上部安装风扇，强制气流循环，加速冷却。 2．加热室 加热室用钢板焊接成密封结构与前宣连接在一起，顶部装有风机装置，佼炉气上下循环，以保证炉温和气氛均匀。炉顶装有热电偶，用于控制炉膛温度。 炉膛两侧采用电加热辐射管或气体燃料加热辐射管，垂直或水平放置在炉膛两侧，安装、维修方便。炉衬采用抗渗砖、硅酸铝纤维复合炉衬。炉内进出料导轨采用碳化硅滑动式或耐热钢滚轮式安装于炉底o 3．淬火装置 淬火装置是由淬火槽、淬火升降台、油加热器、油搅拌器等组成。淬火槽为一方形槽，由钢板焊接而成，并与前空和缓冷室连成一体。为使工件在淬火时达到工艺技术要求，槽内除没有油搅拌器外，还设有油加热器、油冷却器，将油温控制在40一60℃之间，以提高油冷却能力。 4．推拉料机构 推拉料机构由框架、科盘滚动导轨、电机减速器、套简滚子链、推拉传动机构组成。 根据炉体结构可设计成双推拉料(前推后拉)型和单推拉料(前推拉)型。双推拉料型推拉动作较为稳定可靠，缺点是由于后推拉料机构的安装，结炉体密封带来困难，单
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