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(yīng)用于保護(hù)加熱和氣體滲碳工藝。熱力學(xué)上，當(dāng)溫度超過700℃進(jìn)，甲醇按下式進(jìn)行：

　　CH3OH－→CO+2H2

　　實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)具體的工藝要求，通過改變N2/CH3OH的比例來調(diào)整氣氛的基本組成。

　　當(dāng)按照40/6O的氫氣/甲醇裂解氣配制氣氛時(shí)，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?dú)饧兌瘸承┨厥夤に囈蟾呒兌韧猓琋2-CH3OH型氮基氣氛用于滲碳載氣時(shí)，95％～99.5（體積分?jǐn)?shù)）的氮?dú)庠谙嗤臐B碳時(shí)間內(nèi)，表面碳含量、滲層深度以及內(nèi)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(shí)，隨N2純度的降低，氣氛的恢復(fù)時(shí)間延長；并由于工作區(qū)內(nèi)較高的甲烷含量，導(dǎo)致產(chǎn)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?dú)鈺r(shí)，富化氣需要量增加。據(jù)報(bào)道，在密封箱式爐中滲碳時(shí)，當(dāng)碳勢為1％時(shí)，采用純氮?dú)馇闆r下，天然氣需要量在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下為0.4m3/h；而采用純度為95.5％的氮?dú)鈺r(shí)，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(yù)冷室沖氮時(shí)，氮?dú)庵醒醯捏w積分?jǐn)?shù)應(yīng)小于1%。鑒于上述因素，目前生產(chǎn)上采用的氮?dú)饧兌榷嘣?9.5％以上。

　　1．空氣分離制氮技術(shù)

　　近20年來空氣分離制氮技術(shù)取得了十分明顯前進(jìn)步。傳統(tǒng)的空分制氮法是利用液氮和液氧具有不同蒸發(fā)溫度的特點(diǎn)，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(shù)的一大進(jìn)步，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備大為減化，能耗明顯減少，生產(chǎn)成本明顯降低。我國經(jīng)近十多年的努力，PSA制氮技術(shù)水平有了明顯提高，但分子篩制造技術(shù)有待于進(jìn)一步研究，以提高其性能和壽命。

　　80年代由美國Dow Chemical Co.開發(fā)的膜分離制氮技術(shù)問世并獲得應(yīng)用。膜分離系統(tǒng)由幾個(gè)分離的單元組成，每個(gè)單元裝填有許多比人的頭發(fā)還細(xì)的聚烯烴空心纖維，其分離原理是利用氧氣和氮?dú)獠煌臐B透性，典型的氮?dú)饧兌葹?5％～99.5％。膜分離技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是能耗低、投資少、結(jié)構(gòu)簡單，并可對現(xiàn)有系統(tǒng)增加額外的單元以滿足擴(kuò)大生產(chǎn)的需求。

　　2．甲醇分解的研究

　　從熱力學(xué)角度，在700℃以上，甲醇將全部分解成H2和CO，但實(shí)際情況是900℃以下，甲醇裂解氣仍是非平衡氣氛。當(dāng)采用簡單的往爐內(nèi)直接滴入液態(tài)甲醇時(shí)，一旦滴入器結(jié)構(gòu)或滴入位置不當(dāng)，極易產(chǎn)生不均勻裂解，導(dǎo)致炭黑產(chǎn)生。尤其是在甲醇需求量較大時(shí)和滲碳爐內(nèi)溫度降低時(shí)，甚至連及時(shí)氣化的程度都難以實(shí)現(xiàn)，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(jié)構(gòu)的噴射器以保證均勻穩(wěn)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(nèi)的深度非常重要，理想的位置是置于靠近爐頂風(fēng)扇處、伸入50～100mm。 

　　先將甲醇低溫蒸發(fā)，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(nèi)是LINDBERG公司開發(fā)的稱為“SATURATORS”的氮基氣氛供給系統(tǒng)。該系統(tǒng)如圖1所示，在蒸發(fā)器內(nèi)甲醇溫度給定時(shí)，氮?dú)馀c甲醇蒸氣的比例是一定的，而與通入蒸發(fā)器內(nèi)的氮?dú)饬髁恳约傲魉贌o關(guān)。當(dāng)蒸發(fā)器溫度控制在39℃時(shí)，N2與甲醇裂解氣的比例為40/60型，爐內(nèi)氣氛基本組成（體積分?jǐn)?shù)）為CO20％、H240％、N240％。蒸發(fā)器內(nèi)溫度越高，爐內(nèi)氣氛中CO和H2的含量越高。

　　3．氮基氣氛快速滲碳

　　滲碳?xì)夥盏奶紓鬟f系數(shù)與氣氛中的pCO和ph2。的乘積成正比，根據(jù)這一原理，美國空氣和化學(xué)公司提出了氮基氣氛快速滲碳法。即在強(qiáng)滲期采用幾乎100％的甲醇作載氣，當(dāng)工件表面合碳量達(dá)到氣氛碳勢設(shè)定值時(shí)，載氣換以40/60型的N2-CH3OH氣氛。據(jù)介紹，采用快速滲碳法時(shí)，滲碳周期可縮短lh，節(jié)約能源17％。