直生式氣氛熱處理

　　在開發(fā)載氣技術(shù)和引入碳勢控制技術(shù)之前，將燃料氣和空氣直接通入工作爐內(nèi)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(jīng)驗進行生產(chǎn)。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(jié)果表明，盡管直生式氣氛的組成遠不能達到熱力學(xué)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(dǎo)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(shù)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(shù)已開始應(yīng)用工業(yè)生產(chǎn)，并逐漸顯示出其節(jié)能、高效等優(yōu)勢。

　　1. 直生武氣氛特性

　?。?）燃料種類 工業(yè)上應(yīng)用的燃料包括氣體和液體，典型的有以下幾種：

　?、偬烊粴猓虎诒?；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(nèi)溫度等有關(guān)。

　　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(yīng)用。

　?。?）碳傳遞系數(shù)950℃不同類型氣氛中CO和H2含量以及碳傳遞系數(shù)。 

　?、?氣體的百分含量為體積分數(shù)。 

　　直生式氣氛比其他氣氛類型具有較高的碳傳送系數(shù)，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?jié)B碳速度增加，滲層深度提高。在連續(xù)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(jié)省時間約400h。

　?。?）碳可用量 直生式氣氛比傳統(tǒng)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(fù)雜和工件裝載密度較大、氣氛的循環(huán)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(fù)和碳勢的迅速調(diào)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(wěn)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(nèi)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(guī)溫度滲碳下有產(chǎn)生炭黑的趨勢。

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

　　通常采用調(diào)節(jié)空氣流量比調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)燃料流量時，產(chǎn)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(jié)構(gòu)如圖2所示。由于直生式氣氛含有較高的CH4，而常規(guī)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(yīng)，從而導(dǎo)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(yīng)定時吹洗探頭測量端析出的炭黑。 

　　3．直生式氣氛對設(shè)備的要求

　　直生式氣氛適用于密封箱式爐、井式爐、連續(xù)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(shè)計應(yīng)考慮以下因素：一是應(yīng)具有足夠的加熱能力以滿足燃料和空氣反應(yīng)時吸熱所消耗的額外能量；二是應(yīng)加強爐內(nèi)氣氛的循環(huán)，并選擇合適的氣氛注入結(jié)構(gòu)及人口位置，以保證進入爐內(nèi)的氣氛充分混合；三是保證氣氛在接觸到工件之前已經(jīng)過較充分的反應(yīng)。

　　一種用于連續(xù)護的進氣結(jié)構(gòu)。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(nèi)馬弗的導(dǎo)向作用，使進入爐內(nèi)的氣氛經(jīng)充分混合后，先經(jīng)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(nèi)的停留時間，使其反應(yīng)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(jīng)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(chǎn)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(tǒng)的吸熱式氣氛時，在標準狀態(tài)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(zhuǎn)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(tài)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(jié)省91％。

　　在普道多用爐上進行直生式氣體滲碳的試驗結(jié)果，和吸熱式氣氛相比，可節(jié)約原料氣89％，生產(chǎn)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(yōu)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(yīng)受阻而降低，其應(yīng)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(fā)了如圖4所示的氣氛系統(tǒng)。即在原有系統(tǒng)中增加甲醇供給系統(tǒng)，并通過檢測爐內(nèi)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(shù)、滲碳速度也將隨之提高

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