可控气氛热处理..docVIP

可控气氛热处理 可控气氛热处理 作者：《先进制造工艺*优质低耗洁净热处理技术》 1．N2-CH3OH氮基气氛N2-CH3OH是最具代表性的氮基气氛，可广泛地应用于保护加热和气体渗碳工艺。热力学上，当温度超过700℃进，甲醇按下式进行：CH3OH－→CO+2H2实际应用时，可根据具体的工艺要求，通过改变N2/CH3OH的比例来调整气氛的基本组成。当按照40/6O的氢气/甲醇裂解气配制气氛时，炉气的基本组成分40/40/20（N2/H2/CO）型，因其与吸热式气氛的基本组成相似，也被称为合成吸热式气氛（Endomix）。其碳势控制方法、渗碳均匀性、参碳速度等方面与吸热式气氛相似。用于制备氮基气氛的氮气纯度除某些特殊工艺要求高纯度外，N2-CH3OH型氮基气氛用于渗碳载气时，95％～99.5（体积分数）的氮气在相同的渗碳时间内，表面碳含量、渗层深度以及内氧化程度与高纯氮的效果是相似的。但在较低的工作温度时，随N2纯度的降低，气氛的恢复时间延长；并由于工作区内较高的甲烷含量，导致产生炭黑的趋势增加，尤其是在气氛流量较大的情况下。另一方面采用较底纯度的氮气时，富化气需要量增加。据报道，在密封箱式炉中渗碳时，当碳势为1％时，采用纯氮气情况下，自然气需要量在标准状态下为0.4m3/h；而采用纯度为95.5％的氮气时，则需要lm3/h的自然气。此外，从安全方面考虑，密封箱式多用炉采用前室和预冷室冲氮时，氮气中氧的体积分数应小于1%。鉴于上述因素，目前生产上采用的氮气纯度多在99.5％以上。1．空气分离制氮技术近20年来空气分离制氮技术取得了十分明显前进步。传统的空分制氮法是利用液氮和液氧具有不同蒸发温度的特点，采用将空气深冷液化，然后再分离的方式获得纯度很高的液氮。变压吸附制氮（PSA）法是空分制氮技术的一大进步，其优点是设备大为减化，能耗明显减少，生产本钱明显降低。我国经近十多年的努力，PSA制氮技术水平有了明显进步，但分子筛制造技术有待于进一步研究，以进步其性能和寿命。80年代由美国Dow Chemical Co.开发的膜分离制氮技术问世并获得应用。膜分离系统由几个分离的单元组成，每个单元装填有很多比人的头发回细的聚烯烃空心纤维，其分离原理是利用氧气和氮气不同的渗透性，典型的氮气纯度为95％～99.5％。膜分离技术的优点是能耗低、投资少、结构简单，并可对现有系统增加额外的单元以满足扩大生产的需求。2．甲醇分解的研究从热力学角度，在700℃以上，甲醇将全部分解成H2和CO，但实际情况是900℃以下，甲醇裂解气还是非平衡气氛。当采用简单的往炉内直接滴进液态甲醇时，一旦滴进器结构或滴进位置不当，极易产生不均匀裂解，导致炭黑产生。尤其是在甲醇需求量较大时和炉内温度降低时，甚至连及时气化的程度都难以实现，根本无法保证N2和CH3OH的充分混合和气氛的精确控制。国外在密封箱式多用炉上多采用专利结构的喷射器以保证均匀稳定的液体流量，并有利于甲醇的分解。喷射器的安装位置及伸进炉内的深度非常重要，理想的位置是置于靠近炉顶风扇处、伸进50～100mm。 先将甲醇低温蒸发，然后和N2按比例混合，在保持蒸气温度条件下通进火炉内是LINDBERG公司开发的称为“SATURATORS”的氮基气氛供给系统。该系统如图1所示，在蒸发器内甲醇温度给定时，氮气与甲醇蒸气的比例是一定的，而与通进蒸发器内的氮气流量以及流速无关。当蒸发器温度控制在39℃时，N2与甲醇裂解气的比例为40/60型，炉内气氛基本组成（体积分数）为CO20％、H240％、N240％。蒸发器内温度越高，炉内气氛中CO和H2的含量越高。3．氮基气氛快速渗碳渗碳气氛的碳传递系数与气氛中的pCO和ph2。的乘积成正比，根据这一原理，美国空气和化学公司提出了氮基气氛快速渗碳法。即在强渗期采用几乎100％的甲醇作载气，当工件表面合碳量达到气氛碳势设定值时，载气换以40/60型的N2-CH3OH气氛。据先容，采用快速渗碳法时，渗碳周期可缩短lh，节约能源17％。 2．直生式气氛 在开发载气技术和引进碳势控制技术之前，将燃料气和空气直接通进工作炉内进行渗碳还还是一种主要的气体渗碳方法，只是没有控制，仅凭经验进行生产。直到80年代初，Gohring等人对直生式气氛重新进行了试验研究。结果表明，尽管直生式气氛的组成远不能达到热力学平衡，尽管气氛中含有较高的甲烷（CH4），但这种非平衡气氛仍然是可以控制的。在碳传递过程中，起主导作用的还是CO的分解，即CO－→COad－→[C]+Oad碳活度仍可表示为： 此后，此项技术在很多国家引起重视，并进行试验研究。到目前为止，该项技术已开始应用产业生产，并逐渐显示出其节能、高效等上风