第2讲材料加热炉基础.pptVIP

材料与气氛的工程关系 被制备材料对气氛选择性 炉用材料对气氛的适应性 材料的氧化还原反应 材料与活性气氛的作用 材料在真空中加热 氧化物的分解压 活性成分 的化学势 真空度 坩埚或炉罐 发热材料 炉衬材料 炉体结构 材料工艺 共同基础 材料在加热气氛中的氧化还原反应分析 氧化物的分解压： 氧化还原反应： 平衡常数与分解压（ )： 氧化物的标准自由焓： 氧化物分解压与标准生成自由焓一样是其对氧亲和力的量度。 氧化物的分解压将材料与气氛联系起来， 在工程上具有可知性和可操作性。 分解压就越低，越易被氧化，氧化物的稳定性越高。 当PO2′＜PO2时，金属氧化物分解为金属和氧气； 当PO2′＞PO2时，金属被氧化为氧化物； 当PO2= PO2′时，金属-金属氧化物-气氛三相达到平衡，金属既不氧化，金属氧化物的也不分解。 材料在加热气氛中的氧化还原反应分析 图2-1 金属氧化物的分解压随温度的变化 。 在设计加热炉时，氧化物的分解压成为无氧化加热保护气氛的选用根据 Ellingham图 大对数元素氧化反应的ΔG°值都随温度上升而增加，但CO例外； 图中位置较下面的元素可能将位置较上面的元素从其氧化物中还原出来； 若不是由于温度太高工艺上难以实现的话，碳就可以作为各种金属氧化物的“万能还原剂”； 常见元素被氧化的难易程度随温度而略有变动，从图中可以排出元素与氧的亲和力逐渐增加的顺序为：Cu、Ni、Co、Fe、Cr、Mn、Si、Ti、Al、Mg、Ca。 脱氧剂与氧化剂的选用 例2-1利用Ellingham图分析冶金过程中的氧化还原反应。 分析与思考： 想用金属热还原法法从TiO2中还原出Ti，必须使用与氧亲和力较强的金属如Al、Mg、Ca等为还原剂。想脱除FeO中的氧，必须使用Fe以下的元素如Mn、Si、Al、Ca等。 高炉炼铁过程主要是还原铁的氧化物，凡在铁以上的金属(如Cu、Ni等)都能和铁一道从其金属氧化物中被还原出来进入铁液，在铁以下的金属，它们的氧化物(如Al2O3、MgO、CaO等)则不会被还原而进入炉渣。 炼钢过程主要是氧化铁水中的一些杂质元素，如C、Si、Mn、P等，这些元素对氧亲和力比铁大，故被氧化变成气体或进入炉渣。 在冶炼合金钢时，那些铁之前的合金元素如Cu、Mo、W等在冶炼中不被氧化，但铁之后的合金元素如Cr、Mn、V、Si、Al等则可能被氧化。因此这些合金元素必须在冶炼的还原期、甚至在出钢前后加入，以减少氧化烧损。 Ellingham图应用 Ellingham图应用 直接读取氧化物的分解压 或者CO/CO2、H2/H2O的临界分压比 例题2-2：现在要设计一台用于纯硅在1000℃～1400℃温度范围内的加热炉，如用氢气进行保护，请根据Richardson—Jeffes图给出纯硅无氧化加热时氢气的纯度。 分析及解答： 根据Richardson—Jeffes图，纯硅在1000℃温度下加热时，H2/H2O分压比约在105～106之间，在1400℃温度下进行加热时，H2/H2O分压比约为103～104之间。由此可见，对纯硅进行加热时，高纯氢气中的水蒸气含量在1000℃时不能超过1～10ppm，在1400℃时不能超过100～1000ppm。 钢铁无氧化加热气氛设计 氧化物名称 氧化物分解压（atm） 200℃ 500℃ 600℃ 800℃ Fe3O4 10-52 10-28.7 10-24.4 10-18.4 FeO 10-24.6 10-18.7 Fe2O3 10-77.8 10-45.8 10-40 10-31.7 表2-2 铁氧化物的分解压 表2-2 铁氧化物的分解压 表2-1 铁氧化物的分解压 铁的氧化物的分解压力是极其微小的； 实际上，在N2-O2系加热气氛中，氧含量只有小于0.001%时，钢铁才不会被氧化； 在加热气氛中，若有氢气存在的，这时氢氧结合生成水，由于氢气和氧气反应是极为彻底的，若有H2存在时，残余O2的含量是极少的。 考虑到生产成本钢铁不会在单质纯净气氛中进行保护加热，一般采用可控气氛进行无氧化加热，可控气氛的主要组成为H2、CO、 H2O、CO2、N2。 钢铁在H2—H2O气氛中氧化还原作用 由图可以看出，H2O在低温氧化性强，在高温氧化性弱。在低温下要使铁不氧化，气氛中H2要多，而H2O要少； 要使铁在1000℃加热不氧化H2和H2O的分压比大于1.5就可以了。这也是回火气氛比淬火加热气氛要求更加严格的原因。 图2-3 纯铁在H2—H2O气氛中氧化还原反应的临界分压比 钢铁在CO—CO2气氛中氧化还原作用 CO2在高温时其氧化能力强，要使铁不氧化，CO要增多；低温则相反，CO可减少一些，因CO2这时的氧化能力弱，这与H2O的情形正好相反。 值得