設備管理_可控氣氛熱處理爐設備概述

1 北華航天工業(yè)學院金屬材料工程教研室 2 課十二第五章可控氣氛熱處理爐 本章我們主要了解以下四個方面的內容 一 可控氣氛爐加熱的基本原理 二 可控氣氛的種類 制備流程 特性與應用 三 可控氣氛的碳勢測量及氧勢控制 四 可控氣氛熱處理爐的類型 安全操作與發(fā)展 本次課我們先來了解前兩個方面的內容 3 我們知道 在一般空氣介質電阻爐中加熱鋼件時 容易發(fā)生氧化和脫碳 要使鋼件加熱時不產生氧化和脫碳 可以采用兩種方法 一種是向爐膛內送入保護氣體 使鋼件在保護氣氛下加熱 為了使工件表面不發(fā)生氧化 脫碳 燒損現象或對工件進行化學熱處理 向爐內通以可進行控制成分的氣氛 稱可控氣氛 另一種方法是把爐膛內空氣抽除 使鋼件在真空狀態(tài)下加熱 5 1概述 4 5 脫碳是鋼加熱時表面碳含量降低的現象 脫碳的過程就是鋼中碳在高溫下與氫或氧發(fā)生作用生成甲烷或一氧化碳 其化學方程式如下 2Fe3C O2 6Fe 2COFe3C 2H2 3Fe CH4Fe3C H2O 3Fe CO H2Fe3C CO2 3Fe 2CO這些反應是可逆的 即氫 氧和二氧化碳使鋼脫碳 而甲烷和一氧化碳則使鋼增碳 6 鋼件在保護氣氛下加熱不僅可實現無氧化無脫碳熱處理 提高熱處理質量 還可以進行滲碳 脫碳等特殊熱處理 并且可實現機械化和自動化控制 使生產率得到提高 勞動條件得到改善 但其設備復雜 投資較大 操作技術要求較高 保護氣氛可以是中性氣體 N2 或惰性氣體 Ar 有時也可以是還原性氣體 H2 大多數保護氣氛是由多種氣體 例如CO CO2 H2 CH4 H2O N2等 混合組成的 各種氣體與鋼進行的化學反應列于表10 1中 7 表10 1各種氣體與鐵及其碳化物的化學反應 8 各種氣體與鋼的化學反應和各種氣體之間的化學反應是比較復雜的 但是可以調節(jié)保護氣氛中氧化性氣體與還原性氣體的比例 脫碳性氣體與滲碳性氣體的比例 即CO2 CO H2O H2 CH4 H2的相對含量 使反應處于平衡狀態(tài) 鋼的氧化速度與還原速度相等 鋼的脫碳速度與滲碳速度相等 這樣就能實現無氧化與無脫碳加熱 無氧化加熱一般可分為光亮加熱和光潔加熱 前者表面未形成氧化膜 仍保持金屬光澤 后者有氧化膜生成 失去金屬光澤 可控氣氛熱處理爐的優(yōu)越性如下 9 1 實現無氧化無脫碳與增碳熱處理 因而提高鋼件的表面質量及機械性能 減少零件的加工余量和鋼材的燒損量 因此能節(jié)省工時及能耗 節(jié)約金屬材料 2 實現可控滲碳 可以精確地控制零件表面的含碳量 碳濃度梯度和滲碳層厚度 因而提高了滲碳零件的機械性能 穩(wěn)定滲碳工藝的質量 3 實現特殊的熱處理工藝 如硅鋼片的脫碳退火 軋制鋼材的復碳退火等 4 實現機械化與自動化 提高勞動生產率 改善勞動條件 總之 可控氣氛熱處理爐目前已成為一種先進的加熱設備 尤其是在可控氣氛的應用方面可作為衡量一個國家熱處理技術發(fā)展水平的重要標志 10 10 2可控氣氛加熱的基本原理 在這一節(jié)里 我們通過鋼在可控氣氛中加熱所發(fā)生的化學反應 來了解可控氣氛中各種組分的性質與作用以及對鋼在加熱過程中發(fā)生氧化還原 脫碳增碳反應的影響 進而確定可控氣氛中的控制對象 常用的可控氣氛主要由CO H2和少量的CO2 H2O和CH4 CnHm等氣體組成 在熱處理溫度條件下 氣體與鋼進行化學反應 11 一 鋼在爐氣中的氧化還原反應1 鋼在CO2 CO氣氛中的反應鋼在空氣中加熱將與氧發(fā)生氧化反應 在560 以下生成Fe3O4 在560 以上形成三種氧化物 內層為FeO 中層為Fe3O4 外層為Fe2O3 通常認為氧氣對鋼的氧化過程是不可逆的 無法控制 鋼在CO2 CO氣氛中的氧化還原反應則有所不同 是可逆的 其反應速度和反應方向決定于CO CO2比值和溫度 12 在一定溫度下 反應達平衡時 氣氛中各種氣體濃度不再改變 其平衡常數為 式中 PCO PCO2 CO和CO2氣體的分壓 CO CO2 CO和CO2氣體的濃度 CO CO2 混合氣體中CO和CO2的體積百分含量 其反應方程式如 10 1 反應方向由平衡常數來判斷 13 在一定溫度狀態(tài)下 平衡常數KP總保持為定值 某一溫度下的kP值 可由實驗測定 也可由熱力學反應自由能計算求得 如表10 2所示 應用平衡常數KP即可判斷反應進行的方向 如在1000 時 KP 2 486 即當 CO CO2 2 486時 氧化還原處于平衡狀態(tài) 當實際爐氣 CO CO2 2 486時 為趨于平衡 10 1 式反應向右進行 CO2使Fe氧化生成FeO CO2濃度降低 同時CO濃度增加 鋼件氧化 點 14 反之 當 CO CO2 2 486時 反應向左進行 發(fā)生還原作用 鋼件不氧化 因此 鋼在CO2 CO氣氛中是否發(fā)生氧化 取決于 CO CO2 的比值 即 CO 和CO2的相對量 并不是絕對含量 2 鋼在H2 H2O氣氛中的反應在熱處理溫度條件下 鋼在H2 H2O氣氛中的反應式為 其平衡常數為 15 16 3 氣氛中的氧勢金屬在氣氛中能否被氧化或其氧化物能否自發(fā)分解 一方面取決于金屬氧化物的穩(wěn)定性 可用金屬的分解壓力來表示 另一方面是氣氛中氧的分壓大小 金屬在含氧氣氛中加熱會產生如下反應 17 式中 PO2為化學平衡系中氧的分壓 即金屬氧化物的分解壓 當氣氛中的氧分壓大于PO2時 反應向右進行 金屬被氧化成氧化物 當氣氛中的氧分壓小于PO2時 反應向左進行 金屬氧化物分解 各種氧化物的分解壓是不相同的 并隨溫度的升高而急劇增大 氧化物處于不穩(wěn)定狀態(tài) 氧勢是指在一定溫度下 金屬的氧化和氧化物的分解處于平衡狀態(tài)時氣氛中氧的分壓或氧化物的分解壓 點 當Me和MexO2皆為化學純的凝聚相 則反應平衡常數為KP 1 PO2 10一6 18 4 鋼在CO CO2 H2 H2O混合氣體中的氧化還原反應當爐內氣氛同時存在CO CO2 H2 H2O時 必須綜合考慮式 10 1 和 10 3 表示混合爐氣中各組分的分壓 式中 這時要達到無氧化加熱需滿足如下條件 即 19 二 鋼在爐氣中的脫碳增碳反應1 鋼在CO CO2氣氛中的脫碳增碳反應鋼在CO CO2氣氛中的反應式如下 ac 碳在奧氏體 一Fe 中的有效濃度 又稱奧氏體中碳的活度 ac是在一定溫度下鋼的含碳量與 一Fe中的飽和含碳量的比值 20 例如 含碳0 8 的鋼在1100 時 由于分子間作用力的影響 只起到ac為0 45 的作用 故稱此值為有效濃度 2 氣氛中的碳勢碳勢是指一定成分的氣氛 在一定溫度下 氣氛與鋼的脫碳增碳反應達到平衡時 鋼的含碳量 圖10 1是鋼在CO CO2氣氛中化學反應的平衡曲線 條件是PCO PCO2 98 066kPa 1大氣壓 曲線上每個點代表一個平衡狀態(tài) 例如 在0 1 C的曲線上 當溫度為900 時 相應的CO為80 表示在80 CO的氣氛中 含碳0 1 的鋼達到平衡狀態(tài) 既不脫碳也不增碳 那么900 下含80 CO氣氛的碳勢即為0 1 C 21 圖中SE線為飽和奧氏體的平衡曲線 位于其下面的是鋼的不同含碳量的平衡曲線 此外 虛線AK表示氧化一還原平衡曲線 在AK線下方Fe將發(fā)生氧化反應 在AK線上方的氣氛是還原性的 能防止氧化 但不能防止脫碳 這是因為在700 以上脫碳反應的平衡條件 所需要CO 含量遠比氧化反應為高 也就是說 不脫碳的條件比不氧化的條件要嚴格得多 因此 如果進行既不氧化又不脫碳的光亮熱處理時 則應使氣氛中CO含量保持在相應含碳量的鋼的平衡曲線以上 亦即將氣氛的碳勢維持在鋼的相應含碳量以上 22 3 鋼在H2 CH4氣氛中的脫碳增碳反應在CO CH4氣氛中 碳勢較低 生產上往往借助CO CO2為載體 來添加適量增碳劑CH4來增加碳勢 或者氣氛中原來就有H2 CH4氣氛存在 鋼在H2 CH4氣氛中將發(fā)生如下脫碳增碳反應 CH4與CO的滲碳能力有所不同 CH4的滲碳能力強得多 是一種強滲碳劑 而H2有脫碳能力 23 用于熱處理的可控氣氛種類很多 按照制備可控氣氛的原料氣 液 不同 可控氣氛分為四類 以原料氣制備的 以有機液體制備的 分離空氣制備的 瓶裝高純氣體 目前常見的可控氣氛有 以原料氣制取可控氣氛分 放熱式氣氛 吸熱式氣氛 滴注式氣氛 氨分解氣氛 氨燃燒氣氛 氮基氣氛等 接下來首先了解制備可控氣氛的各種常用原料 為我們了解各種氣氛的制備方法 特性與應用做鋪墊 10 3可控氣氛的種類與制備 24 一 制備可控氣氛的原料1 固體原料主要是木炭 將空氣通入熾熱的木炭層時產生木炭氣氛 其主要成分是N2和CO 還有少量H2和CO2 木炭氣氛發(fā)生裝置結構簡單 制取簡易 但木炭消耗量較大 勞動條件差 木炭氣氛的成分很不穩(wěn)定 只適用于要求不嚴格的工件的保護加熱 如鑄鍛件的退火保護 2 液體原料液體原料主要是有機液體 如甲醇 CH3OH 乙醇 C2H5OH 丙醇 C3H7OH 苯 C6H6 甲苯 C7H8 丙酮 CH3COCH3 等 一般做為滴注式可控氣氛 25 3 氣體原料氣體原料主要有工業(yè)煤氣 天然氣 液化石油氣 氨氣 氮氣等 它們各自適于制備不同類型的可控氣氛 各種工業(yè)煤氣由于生產過程的影響 成分不穩(wěn)定 因而制備的可控氣氛也不穩(wěn)定 含硫也較高 一般液化石油氣多為丙烷 C3H8 和丁烷 C4H10 的混合物 有兩種來源 一 是開采石油得到的石油氣 二 煉制石油時分離出來的氣體 這兩種石油氣特點 即把有機液體直接滴入爐內 經高溫反應生成可控氣氛 也可將有機液體滴入裂解裝置中生成可控氣氛 再將其通入熱處理爐中 26 含硫量很低 0 01 很適于制備吸熱式氣氛 二者在常溫下加壓即可液化 因而可充入容器中運輸和貯存 制備吸熱式氣氛的原料氣要求含烯烴等雜質在5 以下 純度低易在制備氣氛過程中產生碳黑 影響氣氛質量 甲烷 CH4 是一種較好的原料氣 占天然氣達90 以上 純度很高 但其是一種干性氣體 很難液化 不便于貯運 氨氣是呈液態(tài)瓶裝 貯運方便 要求含水分雜質要少 氮氣有工業(yè)氮 它是制氧的副產品 含氧較多 另外也可用空氣分離法制造粗氮和純氮 氣氮和液氮 27 1 制備原理吸熱式氣氛是原料氣與 理論空氣需要量一半的空氣 n 0 5 在高溫及催化劑的作用下 不完全燃燒生成的氣氛 原料氣有天然氣 丙烷 液化石油氣 主要是丙烷 丁烷 城市煤氣 原料氣與空氣的混合氣體在反應罐內進行化學反應 以丙烷為例 其反應式為2C3H8 3O2 11 28N2 6CO 8H2 11 28N2 Q 10 13 由上式可知 空氣與丙烷的混合比為 3 11 28 2 當 二 制備氣氛的種類1 吸熱式氣氛 28 混合比較低時 只靠混合氣自身燃燒反應的熱量不能維持燃燒繼續(xù)進行 需要由外部供熱 因此稱吸熱式氣氛 制取這類氣氛是借降低空氣與原料氣的混合比來調整氣氛中CO與CO2 H2與H2O H2與CH4的相對含量 即調整氣氛的碳勢 2 制備流程 點 圖10 2為吸熱式氣氛的制備流程圖 原料氣經減壓閥 流量計和壓力調節(jié)閥進入混合器與空氣混合 空氣經過濾器 流量計進入混合器 原料氣與空氣的混合氣由泵鼓入反應罐 在管路中設有安全裝置 如火焰逆止閥等 混合氣在l000 1050 的反應罐內借助鎳基催化劑的作用 29 進行化學反應 生成吸熱式氣氛 為防止在400 700 之間生成碳黑 經水冷卻器冷卻到300 以下 通入爐內使用 氣體管路混合系統(tǒng) 動力系統(tǒng) 反應系統(tǒng) 安全系統(tǒng) 30 3 爐內吸熱式氣氛發(fā)生器日 英 美新研制裝有爐內吸熱式氣氛發(fā)生器的密封箱式爐 如圖10 3 省去了重新加熱氣體的工序 所用的催化劑的產氣能力比一般催化劑高4 5倍 產氣溫度為800 900 能保證在通常處理溫度下工作 運行成本降低20 左右 表10 5不同原料氣與混合比形成的吸熱式氣氛的組成 31 4 吸熱式氣氛的特性與應用 優(yōu)點 含CO和H2較多且含量比較穩(wěn)定 其碳勢在0 4 0 6 改變混合比容易調節(jié)碳勢 對碳鋼來說 它是還原性氣氛可用于中 高碳鋼光亮熱處理 并可做滲碳或碳氮共滲的滲碳劑和載體氣 在吸熱式氣氛中加入少量丙烷氣可做滲碳可控氣氛 缺點 吸熱式氣氛中的CO容易引起鋼中的Cr氧化 故大多數不銹鋼都不用它做保護氣氛 吸熱式氣氛中的H2含量高 為了避免氫脆 一般也不用它做高強鋼的保護氣氛 32 2 放熱式氣氛 1 制備原理放熱式氣氛是原料氣與較多的空氣 n O 5 0 95 的不完全燃燒產物 所產生的熱量足以維持反應進行 放熱式可控氣氛的原料氣可以是液化石油氣 煤氣或其它氣體燃料 原料氣與少于理論需要量的空氣進行燃燒 部分原料氣完全燃燒 部分原料氣不完全燃燒 以丙烷原料氣為例 完全燃燒的反應式 空氣與丙烷氣比例23 8 1 C3H8十5O2十18 8N2 3CO2 4H2O十18 8N2 Q 10 14 不完全燃燒的反應式為 空氣與丙烷氣比例14 28 2 2C3H8十3O2 11 28N2 6CO 8H2十11 28H2 Q 10 15 33 放熱式可控氣氛的成分隨所用空氣過剩系數n的大小而不同 可在很寬的范圍內變動 當n值較小 0 5 0 6 時 CO CO2值較大 氣氛氧化性和脫碳性較弱 但產氣量也較少 n值較大 0 8 0 9 時 CO CO2值較小 氧化性和脫碳性也較強 但產氣量較大 成本較低 為提高氣氛還原性 常再經凈化處理 除去其中的CO2和H2O 通過改變空氣與燃料的比和凈化方法 可在較寬的范圍內改變氣氛的成分和性質 得到CO2含量不同的氣氛 一般又把這類氣氛分為淡型 濃型和凈化型 這類氣氛可能是還原性和增碳性的 也可能是氧化性和脫碳性的 視氣氛成分 工件含碳量和工作溫度而定 34 2 制備流程制備放熱式氣氛的工藝流程圖如圖10 3 4所示 原料氣與空氣按一定比例混合 用羅茨泵送到燒嘴 在燃燒室內進行燃燒及裂解 未燃燒的部分原料氣通過催化劑完全反應 反應產物主要含有CO H2 N2 CO2 H2O和少量CH4 反應產物應通入冷凝器中 使其中的水氣冷凝成水而排除 必要時再凈化處理 這樣就獲得可供應用的放熱式氣氛 氣氛發(fā)生裝置的管路系統(tǒng)主要由四部分組成 1 混合系統(tǒng) 原料氣和空氣混合后用羅茨泵送至燒嘴 2 燃燒系統(tǒng) 混合氣由燒嘴噴入燃燒室 用點火器 35 點燃并在其中燃燒 3 凈化系統(tǒng) 燃燒氣經冷凝器和各種凈化器等除去其中的水分及CO2等 4 安全系統(tǒng) 由單向閥 滅火器 防爆器和放散閥等部件組成 此外 還有各種控制閥 壓力 流量等測量儀表 36 表10 4放熱式氣氛的成分 3 放熱式氣氛的特性及應用根據混合比不同 可將放熱式氣氛分為濃型和淡型兩種 表10 4 從氣體成分來看 放熱式氣氛含有較多的CO2 它是一種脫碳性較強的氣氛 所以只能用做少或無氧化加熱的氣氛 其中濃型氣氛可用于低碳鋼光潔退火以及中碳鋼短時加熱淬火 淡型氣氛可用于銅合金光亮退火 可鍛鑄鐵退火和粉末冶金燒結 37 3 氨分解氣氛與氨燃燒氣氛用氨制備的氣氛可分為氛分解氣氛和氨燃燒氣氛兩種類型 而氨燃燒氣氛又分為完全燃燒和不完全燃燒兩種 1 氨分解氣氛的制備氨分解氣氛是液氨氣化后 在催化劑作用下加熱分解生成的氣氛 其反應式為 10 13 如果用凈化方法去除放熱式氣氛中的CO2和H2O 還可以擴大其應用范圍 優(yōu)點 放熱式氣氛發(fā)生裝置結構簡單 不用外部能源 制備方便 產氣量大 原料氣消耗量少 所以它的生產成本較低 38 2 氨分解氣氛的制備流程氨分解氣氛的制備流程如圖10 5所示 原料氣自氨瓶流入氣化器受熱氣化 在反應罐中借助高溫和催化劑的作用進行分解 分解產物自反應罐出來后再返回氣化器 利用其余熱加熱液態(tài)氨 冷卻后的分解產物經凈化 除去殘氨和水氣 就得到可供使用的分解氨 39 3 氨分解氣氛的特性及應用由NH3分解反應式可知 點 氨分解氣氛的組成為75 H2和25 N2 因而其性質與H2基本相同 它不含有CO和CO2無滲碳和析出碳黑的傾向 當露點很低時具有強還原性 可用于各種金屬的光亮加熱 特別適用于高鉻鋼 不銹鋼 硅鋼片的光亮加熱 其缺點是耗氨多 產氣量少 生產成本高 有易爆危險 殘余氨未除凈對鋼件有輕微滲氮作用 4 氨燃燒氣氛為了克服氨分解氣氛的缺點 可將氨分解氣或氨氣混合一定數量空氣進行燃燒 燃燒產物經過除水而得到氮基保護氣氛 2NH3 3H2 N2 Q 10一13 40 4 滴注式可控氣氛滴注式可控氣氛就是將具有滲碳性的有機液體或其混合物直接滴入密封的爐膛 或爐罐 中 在高溫和隔絕空氣條件下進行裂解所產生的氣氛 滴注式氣氛的組成可根據滴入的有機液體種類與數量進行人為控制以滿足不同熱處理工藝的要求 滴控熱處理具有設備簡單 操作方便 節(jié)能等特點 但所用的有機液體原料價格較高 滴控氣氛的液體原料滴注有機液體有兩大類 一類是含碳原子較多的重烴類 例如苯C6H6 甲苯C6H5CH3 煤油等 另一類是烴的衍生物 例如甲醇CH3OH 乙醇C2H5OH 異丙醇C3H7OH 丙酮CH3COCCH3 醋酸乙脂CH3COOC2H5等 41 1 滴注式氣氛的制備原理滴注式氣氛是將甲醇 乙醇 煤油 丙酮 甲酰胺等有機液體直接滴人熱處理爐內 經裂解后生成可控氣氛 近年來 特別是在密封箱式爐上的成功應用 滴注式氣氛得到了較大的發(fā)展 氣氛的性質主要取決于有機液體分子式中的C O 當C O 1時為還原性和滲碳性 當C O 1時為氧化性和脫碳性 有機液體在高溫下的裂解過程是個復雜反應 如果按其理論反應式反應只能生成CO H2和 c 活性炭