设备管理_可控气氛热处理炉设备概述

1 北华航天工业学院金属材料工程教研室 2 课十二第五章可控气氛热处理炉 本章我们主要了解以下四个方面的内容 一 可控气氛炉加热的基本原理 二 可控气氛的种类 制备流程 特性与应用 三 可控气氛的碳势测量及氧势控制 四 可控气氛热处理炉的类型 安全操作与发展 本次课我们先来了解前两个方面的内容 3 我们知道 在一般空气介质电阻炉中加热钢件时 容易发生氧化和脱碳 要使钢件加热时不产生氧化和脱碳 可以采用两种方法 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 向炉内通以可进行控制成分的气氛 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 5 1概述 4 5 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氧发生作用生成甲烷或一氧化碳 其化学方程式如下 2Fe3C O2 6Fe 2COFe3C 2H2 3Fe CH4Fe3C H2O 3Fe CO H2Fe3C 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 6 钢件在保护气氛下加热不仅可实现无氧化无脱碳热处理 提高热处理质量 还可以进行渗碳 脱碳等特殊热处理 并且可实现机械化和自动化控制 使生产率得到提高 劳动条件得到改善 但其设备复杂 投资较大 操作技术要求较高 保护气氛可以是中性气体 N2 或惰性气体 Ar 有时也可以是还原性气体 H2 大多数保护气氛是由多种气体 例如CO CO2 H2 CH4 H2O N2等 混合组成的 各种气体与钢进行的化学反应列于表10 1中 7 表10 1各种气体与铁及其碳化物的化学反应 8 各种气体与钢的化学反应和各种气体之间的化学反应是比较复杂的 但是可以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 9 1 实现无氧化无脱碳与增碳热处理 因而提高钢件的表面质量及机械性能 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 10 2可控气氛加热的基本原理 在这一节里 我们通过钢在可控气氛中加热所发生的化学反应 来了解可控气氛中各种组分的性质与作用以及对钢在加热过程中发生氧化还原 脱碳增碳反应的影响 进而确定可控气氛中的控制对象 常用的可控气氛主要由CO H2和少量的CO2 H2O和CH4 CnHm等气体组成 在热处理温度条件下 气体与钢进行化学反应 11 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有所不同 是可逆的 其反应速度和反应方向决定于CO CO2比值和温度 12 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 式中 PCO PCO2 CO和CO2气体的分压 CO CO2 CO和CO2气体的浓度 CO CO2 混合气体中CO和CO2的体积百分含量 其反应方程式如 10 1 反应方向由平衡常数来判断 13 在一定温度状态下 平衡常数KP总保持为定值 某一温度下的kP值 可由实验测定 也可由热力学反应自由能计算求得 如表10 2所示 应用平衡常数KP即可判断反应进行的方向 如在1000 时 KP 2 486 即当 CO CO2 2 486时 氧化还原处于平衡状态 当实际炉气 CO CO2 2 486时 为趋于平衡 10 1 式反应向右进行 CO2使Fe氧化生成FeO CO2浓度降低 同时CO浓度增加 钢件氧化 点 14 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 2 钢在H2 H2O气氛中的反应在热处理温度条件下 钢在H2 H2O气氛中的反应式为 其平衡常数为 15 16 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 17 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 当Me和MexO2皆为化学纯的凝聚相 则反应平衡常数为KP 1 PO2 10一6 18 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 必须综合考虑式 10 1 和 10 3 表示混合炉气中各组分的分压 式中 这时要达到无氧化加热需满足如下条件 即 19 二 钢在炉气中的脱碳增碳反应1 钢在CO CO2气氛中的脱碳增碳反应钢在CO CO2气氛中的反应式如下 ac 碳在奥氏体 一Fe 中的有效浓度 又称奥氏体中碳的活度 ac是在一定温度下钢的含碳量与 一Fe中的饱和含碳量的比值 20 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 2 气氛中的碳势碳势是指一定成分的气氛 在一定温度下 气氛与钢的脱碳增碳反应达到平衡时 钢的含碳量 图10 1是钢在CO CO2气氛中化学反应的平衡曲线 条件是PCO PCO2 98 066kPa 1大气压 曲线上每个点代表一个平衡状态 例如 在0 1 C的曲线上 当温度为900 时 相应的CO为80 表示在80 CO的气氛中 含碳0 1 的钢达到平衡状态 既不脱碳也不增碳 那么900 下含80 CO气氛的碳势即为0 1 C 21 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 此外 虚线AK表示氧化一还原平衡曲线 在AK线下方Fe将发生氧化反应 在AK线上方的气氛是还原性的 能防止氧化 但不能防止脱碳 这是因为在700 以上脱碳反应的平衡条件 所需要CO 含量远比氧化反应为高 也就是说 不脱碳的条件比不氧化的条件要严格得多 因此 如果进行既不氧化又不脱碳的光亮热处理时 则应使气氛中CO含量保持在相应含碳量的钢的平衡曲线以上 亦即将气氛的碳势维持在钢的相应含碳量以上 22 3 钢在H2 CH4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气氛存在 钢在H2 CH4气氛中将发生如下脱碳增碳反应 CH4与CO的渗碳能力有所不同 CH4的渗碳能力强得多 是一种强渗碳剂 而H2有脱碳能力 23 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 为我们了解各种气氛的制备方法 特性与应用做铺垫 10 3可控气氛的种类与制备 24 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 25 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同类型的可控气氛 各种工业煤气由于生产过程的影响 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 即把有机液体直接滴入炉内 经高温反应生成可控气氛 也可将有机液体滴入裂解装置中生成可控气氛 再将其通入热处理炉中 26 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 氨气是呈液态瓶装 贮运方便 要求含水分杂质要少 氮气有工业氮 它是制氧的副产品 含氧较多 另外也可用空气分离法制造粗氮和纯氮 气氮和液氮 27 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2C3H8 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 二 制备气氛的种类1 吸热式气氛 28 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继续进行 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 2 制备流程 点 图10 2为吸热式气氛的制备流程图 原料气经减压阀 流量计和压力调节阀进入混合器与空气混合 空气经过滤器 流量计进入混合器 原料气与空气的混合气由泵鼓入反应罐 在管路中设有安全装置 如火焰逆止阀等 混合气在l000 1050 的反应罐内借助镍基催化剂的作用 29 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 气体管路混合系统 动力系统 反应系统 安全系统 30 3 炉内吸热式气氛发生器日 英 美新研制装有炉内吸热式气氛发生器的密封箱式炉 如图10 3 省去了重新加热气体的工序 所用的催化剂的产气能力比一般催化剂高4 5倍 产气温度为800 900 能保证在通常处理温度下工作 运行成本降低20 左右 表10 5不同原料气与混合比形成的吸热式气氛的组成 31 4 吸热式气氛的特性与应用 优点 含CO和H2较多且含量比较稳定 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容易引起钢中的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 为了避免氢脆 一般也不用它做高强钢的保护气氛 32 2 放热式气氛 1 制备原理放热式气氛是原料气与较多的空气 n O 5 0 95 的不完全燃烧产物 所产生的热量足以维持反应进行 放热式可控气氛的原料气可以是液化石油气 煤气或其它气体燃料 原料气与少于理论需要量的空气进行燃烧 部分原料气完全燃烧 部分原料气不完全燃烧 以丙烷原料气为例 完全燃烧的反应式 空气与丙烷气比例23 8 1 C3H8十5O2十18 8N2 3CO2 4H2O十18 8N2 Q 10 14 不完全燃烧的反应式为 空气与丙烷气比例14 28 2 2C3H8十3O2 11 28N2 6CO 8H2十11 28H2 Q 10 15 33 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 可在较宽的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 工件含碳量和工作温度而定 34 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 原料气与空气按一定比例混合 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 35 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 36 表10 4放热式气氛的成分 3 放热式气氛的特性及应用根据混合比不同 可将放热式气氛分为浓型和淡型两种 表10 4 从气体成分来看 放热式气氛含有较多的CO2 它是一种脱碳性较强的气氛 所以只能用做少或无氧化加热的气氛 其中浓型气氛可用于低碳钢光洁退火以及中碳钢短时加热淬火 淡型气氛可用于铜合金光亮退火 可锻铸铁退火和粉末冶金烧结 37 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 如果用净化方法去除放热式气氛中的CO2和H2O 还可以扩大其应用范围 优点 放热式气氛发生装置结构简单 不用外部能源 制备方便 产气量大 原料气消耗量少 所以它的生产成本较低 38 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 39 3 氨分解气氛的特性及应用由NH3分解反应式可知 点 氨分解气氛的组成为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 可用于各种金属的光亮加热 特别适用于高铬钢 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 氨燃烧气氛为了克服氨分解气氛的缺点 可将氨分解气或氨气混合一定数量空气进行燃烧 燃烧产物经过除水而得到氮基保护气氛 2NH3 3H2 N2 Q 10一13 40 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不同热处理工艺的要求 滴控热处理具有设备简单 操作方便 节能等特点 但所用的有机液体原料价格较高 滴控气氛的液体原料滴注有机液体有两大类 一类是含碳原子较多的重烃类 例如苯C6H6 甲苯C6H5CH3 煤油等 另一类是烃的衍生物 例如甲醇CH3OH 乙醇C2H5OH 异丙醇C3H7OH 丙酮CH3COCCH3 醋酸乙脂CH3COOC2H5等 41 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 气氛的性质主要取决于有机液体分子式中的C O 当C O 1时为还原性和渗碳性 当C O 1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