《热处理设备》第五章 可控气氛炉
发布时间：2023-12-14 作者: 可控气氛大型井式炉（XKJ产品）
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
木炭气氛发生装置结构相对比较简单，制取简易，但木炭消耗 量较大、劳动条件差。木炭气氛的成分很不稳定，只适用 于要求不严格的工件的保护加热，如铸锻件的退火保护。 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（CH3COCH3）等。一般做为滴注式可 控气氛。
一、钢在炉气中的氧化还原反应 1、钢在CO2-CO气氛中的反应 钢在空气中加热将与氧发生氧化反应，在 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。 钢在CO2-CO气氛中的氧化还原反应则有 所不同，是可逆的，其反应速度和反应方向决 定于CO/CO2比值和温度。
解压。当气氛中的氧分压大于PO2时，反应向右进行，金 属被氧化成氧化物；当气氛中的氧分压小于PO2时，反应 向左进行，金属氧化物分解。各种氧化物的分解压是不 相同的，并随温度的升高而急剧增大，氧化物处于不稳
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 也可用空气分离法制造粗氮和纯氮、气氮和液氮。
ac— 碳在奥氏体(γ一Fe)中的有效浓度，又称奥氏体中碳 19 的活度.（ac是在一定温度下钢的含碳量与γ一Fe中的饱和含碳量的比值 ）
碳势是指一定成分的气氛，在一定温度下，气氛与钢 的脱碳增碳反应达到平衡时，钢的含碳量。 图10-1是钢在CO-CO2气氛中化学反应的平衡曲线， 条件是PCO PCO2=98.066kPa（1大气压）。曲线上每个
反之，当（CO）/（CO2）2.486时，反应向左进行，发 生还原作用，钢件不氧化。因此，钢在CO2—CO气氛中 是否发生氧化，取决于（CO）/（CO2）的比值，即
速度相等，这样就能实现无氧化与无脱碳加热。 无氧化加热一般可分为光亮加热和光洁加热，前 者表面未形成氧化膜，仍保持金属光泽；后者有 氧化膜生成，失去金属光泽。 可控气氛热处理炉的优越性如下：
(1)实现无氧化无脱碳与增碳热处理，因而提高钢件的 表面质量及机械性能，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，节约金属材料。 (2)实现可控渗碳，可以精确地控制零件表面的含碳量、 碳浓度梯度和渗碳层厚度，因而提高了渗碳零件的机械性 能，稳定渗碳工艺的质量。 (3)实现特殊的热处理工艺，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，提高劳动生产率，改善劳动 条件。 总之，可控气氛热处理炉目前已成为一种先进的加热 设备。尤其是在可控气氛的应用方面可作为衡量一个国家 9 热处理技术发展水平的重要标志。
此外，虚线AK表示氧化 一还原平衡曲线。在AK线 下方Fe将发生氧化反应;在 AK线上方的气氛是还原性 的，能防止氧化，但不能 防止脱碳。这是因为在 700℃以上脱碳反应的平衡 条件所需要CO%含量远比氧化反应为高。也就是说，不
脱碳的条件比不氧化的条件要严格得多。因此，如果进行 既不氧化又不脱碳的光亮热处理时，则应使气氛中CO含 量保持在相应含碳量的钢的平衡曲线 碳势维持在钢的相应含碳量以上。
1、钢在CO—CO2气氛中的脱碳增碳反应 钢在CO—CO2气氛中的反应式如下：
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
也可将有机液体滴入裂解装置中生成可控气氛，再将其通 入热处理炉中。 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。 各种工业煤气由于生产过程的影响，成分不稳定，因 而制备的可控气氛也不稳定，含硫也较高。 一般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、炼制石油时分离出来的气体。这两种石油气特点
应用平衡常数KP即可判断反应进行的方向。如在 1000℃时，KP =2.486，即当(CO)/(CO2 )=2.486时，氧化 还原处于平衡状态，当实际炉气(CO/CO2)2.486时，为趋 于平衡（10—1）式反应向右进行， CO2使Fe氧化生成 13 FeO, CO2浓度降低，同时CO浓度增加，钢件氧化。（点）
在一定温度状态下，平衡常数KP总保持为定值。某 一温度下的kP值，可由实验测定，也可由热力学反应自由 能计算求得。如表10-2所示
我们知道，在一般空气介质电阻炉中加热钢件时,容易 要使钢件加热时不产生氧化和脱碳，可以采用两种方法
产率得到提高、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。 保护气氛可以是中性气体(N2)或惰性气体(Ar),有 时也可以是还原性气体(H2)。大多数保护气氛是由多 种气体(例如CO, CO2, H2, CH4, H2O, N2等)混合组成的 ，各种气体与钢进行的化学反应列于表10-1中。
用； 三、可控气氛的碳势测量及氧势控制。 四、可控气氛热处理炉的类型、安全操作与 发展。
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、分离空气制备的、 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分）
CO—CO2为载体，来添加适量增碳剂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
CH4与CO的渗碳能力不一样,CH4的渗碳能力强得多，是一种 22 强渗碳剂,而H2有脱碳能力。