氮基氣氛熱處理

　　N2-CH3OH氮基氣氛 

　　N2-CH3OH是最具代表性的氮基氣氛，可廣泛地應用于保護加熱和氣體滲碳工藝。熱力學上，當溫度超過700℃進，甲醇按下式進行：

　　CH3OH－→CO+2H2

　　實際應用時，可根據具體的工藝要求，通過改變N2/CH3OH的比例來調整氣氛的基本組成。

　　當按照40/6O的氫氣/甲醇裂解氣配制氣氛時，爐氣的基本組成分40/40/20（N2/H2/CO）型，因其與吸熱式氣氛的基本組成相似，也被稱為合成吸熱式氣氛（Endomix）。其碳勢控制方法、滲碳均勻性、參碳速度等方面與吸熱式氣氛相似。

　　用于制備氮基氣氛的氮氣純度除某些特殊工藝要求高純度外，N2-CH3OH型氮基氣氛用于滲碳載氣時，95％～99.5（體積分數）的氮氣在相同的滲碳時間內，表面碳含量、滲層深度以及內氧化程度與高純氮的效果是相似的。但在較低的工作溫度時，隨N2純度的降低，氣氛的恢復時間延長；并由于工作區內較高的甲烷含量，導致產生炭黑的趨勢增加，尤其是在氣氛流量較大的情況下。另一方面采用較底純度的氮氣時，富化氣需要量增加。據報道，在密封箱式爐中滲碳時，當碳勢為1％時，采用純氮氣情況下，天然氣需要量在標準狀態下為0.4m3/h；而采用純度為95.5％的氮氣時，則需要lm3/h的天然氣。此外，從安全方面考慮，密封箱式多用爐采用前室和預冷室沖氮時，氮氣中氧的體積分數應小于1%。鑒于上述因素，目前生產上采用的氮氣純度多在99.5％以上。

　　1．空氣分離制氮技術

　　近20年來空氣分離制氮技術取得了十分明顯前進步。傳統的空分制氮法是利用液氮和液氧具有不同蒸發溫度的特點，采用將空氣深冷液化，然后再分離的方式獲得純度很高的液氮。

　　變壓吸附制氮（PSA）法是空分制氮技術的一大進步，其優點是設備大為減化，能耗明顯減少，生產成本明顯降低。我國經近十多年的努力，PSA制氮技術水平有了明顯提高，但分子篩制造技術有待于進一步研究，以提高其性能和壽命。

　　80年代由美國Dow Chemical Co.開發的膜分離制氮技術問世并獲得應用。膜分離系統由幾個分離的單元組成，每個單元裝填有許多比人的頭發還細的聚烯烴空心纖維，其分離原理是利用氧氣和氮氣不同的滲透性，典型的氮氣純度為95％～99.5％。膜分離技術的優點是能耗低、投資少、結構簡單，并可對現有系統增加額外的單元以滿足擴大生產的需求。

　　2．甲醇分解的研究

　　從熱力學角度，在700℃以上，甲醇將全部分解成H2和CO，但實際情況是900℃以下，甲醇裂解氣仍是非平衡氣氛。當采用簡單的往爐內直接滴入液態甲醇時，一旦滴入器結構或滴入位置不當，極易產生不均勻裂解，導致炭黑產生。尤其是在甲醇需求量較大時和滲碳爐內溫度降低時，甚至連及時氣化的程度都難以實現，根本無法保證N2和CH3OH的充分混合和氣氛的精確控制。

　　國外在密封箱式多用爐上多采用專利結構的噴射器以保證均勻穩定的液體流量，并有利于甲醇的分解。噴射器的安裝位置及伸入爐內的深度非常重要，理想的位置是置于靠近爐頂風扇處、伸入50～100mm。 

　　先將甲醇低溫蒸發，然后和N2按比例混合，在保持蒸氣溫度前提下通入箱式退火爐內是LINDBERG公司開發的稱為“SATURATORS”的氮基氣氛供給系統。該系統如圖1所示，在蒸發器內甲醇溫度給定時，氮氣與甲醇蒸氣的比例是一定的，而與通入蒸發器內的氮氣流量以及流速無關。當蒸發器溫度控制在39℃時，N2與甲醇裂解氣的比例為40/60型，爐內氣氛基本組成（體積分數）為CO20％、H240％、N240％。蒸發器內溫度越高，爐內氣氛中CO和H2的含量越高。

　　3．氮基氣氛快速滲碳

　　滲碳氣氛的碳傳遞系數與氣氛中的pCO和ph2。的乘積成正比，根據這一原理，美國空氣和化學公司提出了氮基氣氛快速滲碳法。即在強滲期采用幾乎100％的甲醇作載氣，當工件表面合碳量達到氣氛碳勢設定值時，載氣換以40/60型的N2-CH3OH氣氛。據介紹，采用快速滲碳法時，滲碳周期可縮短lh，節約能源17％。