直生式氣氛熱處理

　　在開發載氣技術和引入碳勢控制技術之前，將燃料氣和空氣直接通入工作爐內進行滲碳還仍是一種主要的氣體滲碳方法，只是沒有控制，僅憑經驗進行生產。直到80年代初，Gohring等人對直生式氣氛重新進行了試驗研究。結果表明，盡管直生式氣氛的組成遠不能達到熱力學平衡，盡管氣氛中含有較高的甲烷（CH4），但這種非平衡氣氛仍然是可以控制的。在碳傳遞過程中，起主導作用的仍是CO的分解，即　CO－→COad－→[C]+Oad

　　碳活度仍可表示為： 

　　此后，此項技術在許多國家引起重視，并進行試驗研究。到目前為止，該項技術已開始應用工業生產，并逐漸顯示出其節能、高效等優勢。

　　1. 直生武氣氛特性

　　（1）燃料種類 工業上應用的燃料包括氣體和液體，典型的有以下幾種：

　　①天然氣；②丙烷；③丙酮；④異丙醇。

　　（2）氣體成分 直生式氣氛的組成與燃料種類、燃料與空氣的比例以及爐內溫度等有關。

　　表1分別為 950℃、1.15％碳勢和850℃、0.90％碳勢時的氣氛組成。

　　直式生氣氛中含有較高的CH4，氣氛組成尤其是CH4含量受溫度影響較大。天然氣/空氣類型的直生式氣氛由于過高的CH4含量，在850℃以下已無法獲得實際應用。

　　（3）碳傳遞系數950℃不同類型氣氛中CO和H2含量以及碳傳遞系數。 

　　① 氣體的百分含量為體積分數。 

　　直生式氣氛比其他氣氛類型具有較高的碳傳送系數，這意味著在相同碳勢氣氛條件下，直生式氣氛可以使工件表面獲得較高的碳濃度，并使表層獲得較高的碳濃度梯度，從而使滲碳速度增加，滲層深度提高。在連續或推桿爐氣體滲碳的情況下，當推料周期為15min時，采用吸熱式氣氛滲碳，工件的有效層深為1.09mm。而采用天然氣/空氣型直生式氣氛滲碳時，工件的有效層深可達到1.17mm，提高 7.3％；當要求有效層深相同時，采用直生式氣氛滲碳的推料周期可減少為14min，每年可節省時間約400h。

　　（4）碳可用量 直生式氣氛比傳統的吸熱式氣氛具有更高的碳可用量，其主要原因是直生式氣氛中含有較高的CH4。高的碳可用量保證了滲碳均勻性，尤其是對零件形狀比較復雜和工件裝載密度較大、氣氛的循環狀況較差的情況下，碳的可用量是滲碳均勻性的決定因素。試驗證明，在密封箱式多用爐采用直生式氣氛滲碳時，同爐次滲碳深度最大差距約為0.12mm左右。

　　高的CH4和高的碳可用量有助于氣氛的迅速恢復和碳勢的迅速調整。一臺裝爐量為1t的密封箱式多用爐采用直生式氣氛時，重新開爐的穩定時間不超過1.5h，而采用吸熱式氣氛時，通常需要3h以上。

　　2．直生式氣氛的碳勢控制

試驗證實，天然氣/空氣、丙酮/空氣和異丙醇/空氣在850～1000℃范圍內均具有較好的可控制性。丙烷/空氣型氣氛在較低溫度范圍（800～880℃）具有較好的可控制性，但在常規溫度滲碳下有產生炭黑的趨勢。

　　直生式氣氛碳勢控制系統如圖1所示，采用O2-CO-t三參數微機碳勢控制。

　　通常采用調節空氣流量比調節燃料流量具有更好的碳勢控制效果，一方面是氣氛成分變化對空氣流量比較敏感；另一方面是調節燃料流量時，產生炭黑的危險較大。

　　控制直生式氣氛碳勢，需要采用特殊的氧探頭，其結構如圖2所示。由于直生式氣氛含有較高的CH4，而常規氧探頭中的電極材料（如鉑電極）對CH4的分解具有較強的催化效應，從而導致過高的輸出毫伏值。特殊探頭采用了特殊的合金電極及補償電極。

　　直生式氣氛碳勢控制用氧探頭使用時應定時吹洗探頭測量端析出的炭黑。 

　　3．直生式氣氛對設備的要求

　　直生式氣氛適用于密封箱式爐、井式爐、連續式爐及其他熱處理爐型。但采用直生式氣氛時，熱處理爐的設計應考慮以下因素：一是應具有足夠的加熱能力以滿足燃料和空氣反應時吸熱所消耗的額外能量；二是應加強爐內氣氛的循環，并選擇合適的氣氛注入結構及人口位置，以保證進入爐內的氣氛充分混合；三是保證氣氛在接觸到工件之前已經過較充分的反應。

　　一種用于連續護的進氣結構。具有較高壓力的空氣從中間的細管進入，兩管端相距約300mm，管端封死，迫使氣流改變方向以達到充分混合的目的。

　　利用密封箱式爐內馬弗的導向作用，使進入爐內的氣氛經充分混合后，先經過加熱元件，然后再接觸到工件。

　　在普通多用爐上通過控制氣氛流量延長氣氛在爐內的停留時間，使其反應得以充分進行，也起到了較好的碳勢控制和滲碳效果。

　　4．氣氛消耗及經濟性

　　直生式氣氛的燃料消耗量顯著減少，下面是來自實際生產的幾個實例。

　　爐膛尺寸為760mm×1220mm×760mm，裝爐量為1000kg的多用爐，采用傳統的吸熱式氣氛時，在標準狀態下需要消耗12m3/h的吸效熱式氣氛加上1.0m3/h的天然氣。采用直生式氣氛時，僅需要1.3m3/h天然氣或0.7m3/h丙烷或1.0L/h丙酮，原料消耗降低70％～75％。

　　直徑約2m的轉底爐，熱處理為保護加熱，采用吸熱式氣氛時，氣氛消耗量（標態下）為15m3/h。采用天然氣/空氣型直生式氣氛時，天然氣消耗量為1.5m3/h，節省91％。

　　在普道多用爐上進行直生式氣體滲碳的試驗結果，和吸熱式氣氛相比，可節約原料氣89％，生產成本降低49％。

　　5. 直生式氣氛的局限性

　　綜上所述，直生式氣氛在許多方面都具有明顯的優勢，但也不難看出，在850℃以下，直生式氣氛（尤其是天然氣/空氣型）中含有太多的CH4，CO含量也因CH4和O2的反應受阻而降低，其應用受到限制。而許多工藝如碳氮共滲、保護加熱、工件入爐時的溫度都是850℃左右。為了解決850℃以下的供氣問題，德國Ipsen公司開發了如圖4所示的氣氛系統。即在原有系統中增加甲醇供給系統，并通過檢測爐內CO含量控制甲醇的供給。

　　6. 燃料/CO2型直生式氣氛

　　用CO2代替空氣制備直生式氣氛時，氣氛中的CO將大幅度提高。其傳遞系數、滲碳速度也將隨之提高

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