可控气氛热处理炉设备概述 pptx
发布时间：2024-07-14 作者: 产品中心
主讲教师：范涛;课十二 第五章 可控气氛热处理炉; 我们大家都知道，在一般空气介质电阻炉中加热钢件时,易发生氧化和脱碳。 要使钢件加热时不产生氧化和脱碳，能够使用两种方法： 一种是向炉膛内送入保护气体，使钢件在保护气氛下加热；为了使工件表面不发生氧化、脱碳、烧损现象或对工件进行化学热处理，向炉内通以可来控制成分的气氛，称可控气氛。 另一种方法是把炉膛内空气抽除，使钢件在真空状态下加热;;脱碳是钢加热时表面碳含量降低的现象。脱碳的过程就是钢中碳在高温下与氢或??发生作用生成甲烷或一氧化碳。其化学方程式如下； 2Fe3C+O2＝6Fe+2CO Fe3C+2H2＝3Fe+CH4 Fe3C+H2O＝3Fe+CO+H2 Fe3C+CO2＝3Fe+2CO 这些反应是可逆的，即氢、氧和二氧化碳使钢脱碳，而甲烷和一氧化碳则使钢增碳。 ; ;表10-1各种气体与铁及其碳化物的化学反应;9、要学生做的事，教职员躬亲共做；要学生学的知识，教职员躬亲共学；要学生守的规则，教职员躬亲共守。6月-216月-21Thursday, June 24, 2021 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈线、一个好的教师，是一个懂得心理学和教育学的人。6月-2121:50:4021:50Jun-2124-Jun-21 12、要记住，你不仅是教课的教师，也是学生的教育者，生活的导师和道德的引路人。21:50:4021:50:4021:50Thursday, June 24, 2021 13、He who seize the right moment, is the right man.谁把握机遇，谁就心想事成。6月-216月-2121:50:4021:50:40June 24, 2021 14、谁要是自己还没有发展培养和教育好，他就不能发展培养和教育别人。24 六月 20219:50:40 下午21:50:406月-21 15、一年之计，莫如树谷；十年之计，莫如树木；终身之计，莫如树人。六月 219:50 下午6月-2121:50June 24, 2021 16、提出一个问题往往比解决一个更重要。因为处理问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已，而提出新的问题，却需要有创造性的想像力，而且标志着科学的线 17、儿童是中心，教育的措施便围绕他们而组织起来。9:50:40 下午9:50 下午21:50:406月-21 2、Our destiny offers not only the cup of despair, but the chalice of opportunity. (Richard Nixon, American President )命运给予我们的不是失望之酒，而是机会之杯。二〇二一年六月十七日2021年6月17日星期四 3、Patience is bitter, but its fruit is sweet. (Jean Jacques Rousseau , French thinker)忍耐是痛苦的，但它的果实是甜蜜的。10:516.17.202110:516.17.202110:5110:51:196.17.202110:516.17.2021 4、All that you do, do with your might; things done by halves are never done right. ----R.H. Stoddard, American poet做一切事都应尽力而为，半途而废永远不行6.17.20216.17.202110:5110:5110:51:1910:51:19 5、You have to believe in yourself. Thats the secret of success. ----Charles Chaplin人必须相信自身，这是成功的秘诀。-Thursday, June 17, 2021June 21Thursday, June 17, 20216/17/2021 ? ; 各种气体与钢的化学反应和各种气体之间的化学反应是很复杂的，但是能调节保护气氛中氧化性气体与还原性气体的比例、脱碳性气体与渗碳性气体的比例，即CO2/CO、H2O/H2、CH4/H2的相对含量，使反应处于平衡状态，钢的氧化速度与还原速度相等，钢的脱碳速度与渗碳速度相等，这样就能实现无氧化与无脱碳加热。 无氧化加热一般可分为光亮加热和光洁加热，前者表面未形成氧化膜，仍保持金属光泽；后者有氧化膜生成，失去金属光泽。 可控气氛热处理炉的优越性如下： ; (1)实现无氧化无脱碳与增碳热处理，因而提高钢件的表面上的质量及机械性能，减少零件的加工余量和钢材的烧损量，因此能节省工时及能耗，节约金属材料。 (2)实现可控渗碳，可以精确地控制零件表面的含碳量、碳浓度梯度和渗碳层厚度，因而提高了渗碳零件的机械性能，稳定渗碳工艺的质量。 (3)实现特殊的热处理工艺，如硅钢片的脱碳退火，轧制钢材的复碳退火等。 (4)实现机械化与自动化，提高劳动生产率，改善劳动条件。 总之，可控气氛热处理炉目前已成为一种先进的加热设备。尤其是在可控气氛的应用方面可作为衡量一个国家热处理技术发展水平的重要标志。;§10—2 可控气氛加热的基础原理;一、钢在炉气中的氧化还原反应 1、钢在CO2-CO气氛中的反应 钢在空气中加热将与氧发生氧化反应，在560℃以下生成Fe3O4，在560℃以上形成三种氧化物，内层为FeO，中层为Fe3O4，外层为Fe2O3，通常认为氧气对钢的氧化过程是不可逆的，无法控制。 钢在CO2-CO气氛中的氧化还原反应则不一样，是可逆的，其反应速度和反应方向决定于CO/CO2比值和温度。; 在一定温度下，反应达平衡时，气氛中各种气体浓度不再改变，其平衡常数为;;反之，当（CO）/（CO2）2.486时，反应向左进行，发生还原作用，钢件不氧化。因此，钢在CO2—CO气氛中是否发生氧化，取决于（CO）/（CO2）的比值，即（CO）和CO2的相对量，并不是绝对含量。;; 3.气氛中的氧势 金属在气氛中能否被氧化或其氧化物能否自发分解，一方面取决于金属氧化物的稳定性，可用金属的分解压力来表示;另一方面是气氛中氧的分压大小。 金属在含氧气氛中加热会产生如下反应 ;式中，PO2为化学平衡系中氧的分压，即金属氧化物的分解压。当气氛中的氧分压大于PO2时，反应向右进行，金属被氧化成氧化物；当气氛中的氧分压小于PO2时，反应向左进行，金属氧化物分解。各种氧化物的分解压是不相同的，并随温度的升高而急剧增大，氧化物处于不稳定状态。 氧势是指在一定温度下，金属的氧化和氧化物的分解处于平衡状态时气氛中氧的分压或氧化物的分解压。（点）;4.钢在CO、CO2、H2、H2O混合气体中的氧化还原反应 当炉内气氛同时存在CO、CO2 、H2 、H2O 时，必须考虑式(10—1)和(10—3)，;;例如，含碳0.8%的钢在1100℃时，由于分子间作用力的影响，只起到 ac 为0.45%的作用，故称此值为有效浓度。;图中SE线为饱和奥氏体的平衡曲线，位于其下面的是钢的不同含碳量的平衡曲线气氛中的脱碳增碳反应 在CO—CH4气氛中，碳势较低，生产上往往借助CO—CO2为载体，来添加适量增碳剂CH4来增加碳势，或者气氛中原来就有H2—CH4气氛??在。钢在H2—CH4气氛中将发生如下脱碳增碳反应 ; 用于热处理的可控气氛种类很多，按照制备可控气氛的原料气（液）不同，可控气氛分为四类：以原料气制备的、以有机液体制备的、分离空气制备的、瓶装高纯气体。 目前常见的可控气氛有（以原料气制取可控气氛分）放热式气氛、吸热式气氛、滴注式气氛、氨分解气氛、氨燃烧气氛、氮基气氛等。 接下来首先了解制备可控气氛的各种常用原料，为我们不难发现各种气氛的制备方法、特性与应用做铺垫。;一、制备可控气氛的原料 1．固体原料 主要是木炭。将空气通入炽热的木炭层时产生木炭气氛，其主要成分是N2和CO，还有少量H2和CO2。 木炭气氛发生装置结构相对比较简单，制取简易，但木炭消耗量较大、劳动条件差。木炭气氛的成分很不稳定，只适用于要求不严格的工件的保护加热，如铸锻件的退火保护。 2．液体原料 液体原料主要是有机液体，如甲醇（CH3OH）、乙醇（C2H5OH）、丙醇（C3H7OH）、苯（C6H6），甲苯（C7H8）、丙酮（CH3COCH3）等。一般做为滴注式可控气氛。;3.气体原料 气体原料主要有工业煤气，天然气、液化石油气、氨气、氮气等，它们各自适于制备不一样的可控气氛。 各种工业煤气由于生产的全部过程的影响，成分不稳定，因而制备的可控气氛也不稳定，含硫也较高。 一般液化石油气多为丙烷（C3H8）和丁烷（C4H10）的混合物，有两种来源：一、是开采石油得到的石油气，二、炼制石油时分离出来的气体。这两种石油气特点;含硫量很低（＜0.01%)，很适于制备吸热式气氛。二者在常温下加压即可液化，因而可充入容器中运输和贮存。制备吸热式气氛的原料气要求含烯烃等杂质在5%以下，纯度低易在制备气氛过程中产生碳黑，影响气氛质量。 甲烷（CH4）是一种较好的原料气，占天然气达90%以上，纯度很高，但其是一种干性气体，很难液化，不便于贮运。 ;1）制备原理 吸热式气氛是原料气与≤理论空气需要量一半的空气(n≤0.5)在高温及催化剂的作用下，不完全燃烧生成的气氛。原料气有天然气、丙烷、液化石油气(主要是丙烷、丁烷)、城市煤气。原料气与空气的混合气体在反应罐内进行化学反应，以丙烷为例，其反应式为 2C3 H8+3O2+11 .28N2 → 6CO+8H2+11.28N2 - Q (10-13) 由上式可知，空气与丙烷的混合比为(3+11.28):2，当;混合比较低时，只靠混合气自身燃烧反应的热量不能维持燃烧接着来进行，需要由外部供热，因此称吸热式气氛。 制取这类气氛是借降低空气与原料气的混合比来调整气氛中CO与CO2、H2与H2O、H2与CH4的相对含量，即调整气氛的碳势。;进行化学反应，生成吸热式气氛。为防止在400~700℃之间生成碳黑，经水冷却器冷却到300℃以下，通入炉内使用。; 原料气;4）吸热式气氛的特性与应用： 优点：含CO和H2较多且含量较为稳定，其碳势在0.4~0.6%，改变混合比容易调节碳势。对碳钢来说，它是还原性气氛 可用于中、高碳钢光亮热处理，并可做渗碳或碳氮共渗的渗碳剂和载体气(在吸热式气氛中加入少量丙烷气可做渗碳可控气氛)。 缺点：吸热式气氛中的CO会造成钢中的Cr氧化，故大多数不锈钢都不用它做保护气氛。吸热式气氛中的H2含量高，为了尽最大可能避免氢脆，一般也不用它做高强钢的保护气氛。;2．放热式气氛 ; 放热式可控气氛的成分随所用空气过剩系数n的大小而不同，可在很宽的范围内变动。当n值较小(0.5~0.6)时，CO/CO2值较大，气氛氧化性和脱碳性较弱，但产气量也较少；n值较大(0.8-0.9)时，CO/CO2值较小，氧化性和脱碳性也较强，但产气量较大，成本较低。 为提高气氛还原性，常再经净化处理，除去其中的CO2和H2O。通过改变空气与燃料的比和净化方法，可在较宽???范围内改变气氛的成分和性质，得到CO2含量不同的气氛，一般又把这类气氛分为淡型、浓型和净化型。这类气氛可能是还原性和增碳性的，也可能是氧化性和脱碳性的，视气氛成分、工件含碳量和工作时候的温度而定。;2）制备流程 制备放热式气氛的工艺流程图如图10-3、4所示。原料气与空气按特殊的比例混合，用罗茨泵送到烧嘴，在燃烧室内进行燃烧及裂解，未燃烧的部分原料气通过催化剂完全反应。反应产物主要含有CO、H2、N2、CO2 、H2O和少量CH4。反应产物应通入冷凝器中，使其中的水气冷凝成水而排除，必要时再净化处理，这样就获得可供应用的放热式气氛。 气氛发生装置的管路系统主要由四部分所组成。 (1)混合系统: 原料气和空气混合后用罗茨泵送至烧嘴. (2)燃烧系统: 混合气由烧嘴喷入燃烧室，用点火器;点燃并在其中燃烧。 （3)净化系统: 燃烧气经冷凝器和各种净化器等除去其中的水分及CO2等。 （4)安全系统: 由单向阀、灭火器、防爆器和放散阀等部件组成。 此外，还有各种控制阀，压力、流量等测量仪表。; 放热式气 氛的类型;3.氨分解气氛与氨燃烧气氛 用氨制备的气氛可分为氛分解气氛和氨燃烧气氛两种类型，而氨燃烧气氛又分为完全燃烧和不完全燃烧两种。 1）氨分解气氛的制备 氨分解气氛是液氨气化后，在催化剂作用下加热分解生成的气氛，其反应式为 (10 —13);2）氨分解气氛的制备流程 氨分解气氛的制备流程如图10-5所示。原料气自氨瓶流入气化器受热气化，在反应罐中借助高温和催化剂的作用进行分解，分解产物自反应罐出来后再返回气化器，利用其余热加热液态氨。冷却后的分解产物经净化，除去残氨和水气，就得到可供使用的分解氨。;3）氨分解气氛的特性及应用 由NH3分解反应式可知(点)，氨分解气???的组成为75%H2和 25%N2,因而其性质与H2基本相同，它不含有CO和CO2无渗碳和析出碳黑的倾向，当露点很低时具有强还原性。可用在所有金属的光亮加热，非常适合于高铬钢、不锈钢、硅钢片的光亮加热。其缺点是耗氨多、产气量少、生产所带来的成本高、有易爆危险、残余氨未除净对钢件有轻微渗氮作用。;4、滴注式可控气氛 滴注式可控气氛就是将具有渗碳性的有机液体或其混合物直接滴入密封的炉膛(或炉罐)中，在高温和隔绝空气条件下进行裂解所产生的气氛。滴注式气氛的组成可根据滴入的有机液体种类与数量进行人为控制以满足多种热处理工艺的要求。滴控热处理具有设备简单、操作便捷、节能等特点，但所用的有机液体原料价格较高。;1）、滴注式气氛的制备原理 滴注式气氛是将甲醇、乙醇、煤油、丙酮、甲酰胺等有机液体直接滴人热处理炉内，经裂解后生成可控气氛。 近年来，特别是在密封箱式炉上的成功应用，滴注式气氛得到了较大的发展。 气氛的性质主要根据有机液体分子式中的C/O，当C/O1时为还原性和渗碳性，当C/O1时为氧化性和脱碳性。 有机液体在高温下的裂解过程是个复杂反应，如果按其理论反应式反应只能生成CO、H2和[c]（活性炭）(如表10-3)，但气体产物中也存在着相互作用，因此，在裂化气氛中还会存在少量的CO2、H2O及CH4等。;;2） 滴注式气氛的应用 滴注式气氛多用甲醇滴注液，为了调整高碳势气氛，通常以甲醇为载体，滴入C/O1的有机液为增碳剂，以提高炉内气氛的碳势。图10-6为不同渗碳剂与甲醇混合物对炉内气氛中CO含量的影响，从图中能够准确的看出醋酸乙脂;5、氮基气氛 氮基保护气氛在热处理生产中已有较长的使用历史，最初使用的氮基保护气氛有净化放热式气氛、再处理的放热式气氛、氨燃烧气氛等。制备这类氮基气氛要消耗较多的燃料气和氨气，而且制备工艺流程复杂，设备投资很多，所以它们的应用受到限制。 近些年来，为了节约能源，发展了用氮气为主要的组成原材料制取氮基保护气氛的技术，氮基气氛热处理取得很多成就。;;;这里必须指出，通入反应灌的丙烷气和空气的混合物，并未达到着火浓度范围，按式(10—13）;作业和思考题：;? 小 结 ?;谢谢大家！
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