可控气氛安全技术-防止爆炸的措施

可控气氛安全技术-防止爆炸的措施

"可燃气体与空气(或氧气)以混合方式存在"是可燃气体爆炸的、个必要条件。此外可

燃气体爆炸还有一个必要条件"可燃气体与空气的混合比例处于爆炸极限之内"。如果我们采

用各种技术措施，确保可燃气体与空气不发生混合，从根本上防止形成易爆的混合气体，由

于不具备这个必要条件，也就能够有效地防止可燃气体爆炸。

例如，在低于安全温度(750℃)以下的炉内充满了可燃气体的情况下，为了防止它发

生爆炸，可采取以下措施：

①立即关断向炉内输送可燃气体，并将残留在炉内的可燃气体燃烧掉；

②用不可燃气体，例如N2将原可燃气体冲洗、置换出炉膛；

③继续向炉内输送可燃气体，使炉子具有一定正压，确保外界空气无法侵入。

以上都是从根本上消除了导致爆炸的物质条件以及这些物质的数量和空间分布条件，所

以能够防止可燃气体爆炸。

"具有足够温度的着火源”是可燃气体爆炸的另一个必要条件，但它同时也是可燃气体进

行稳定燃烧的必要条件。

在设备和工艺允许的情况下，可以预先将整体环境温度(即炉膛温度)提高到或保持在

安全温度(750℃)以上，从而使可燃气体通过扩散燃烧的方式，有控制地进行燃烧。因此

能够防止可燃气体的爆炸。

现在，让我们来讨论，什么情况下在炉膛内会形成易爆的混合气体。由于正常的作业过

程或运行故障，总会出现炉内温度突然或连续降低的现象，因炉内气体随之冷却、收缩，与

外界大气压相比，炉气压力可能会降低为零压甚至负压。由于出现了真空现象，外界空气将

通过废气排放口或密封较差的部位被吸入炉膛。这些外来的空气与炉内的可燃气体混合，极

有可能形成易爆的混合气体。所以必须采取措施防止炉压降低，例如，及时向炉内添加氮气

或其他不可燃气体，以填补炉内形成的真空。一旦出现了负压，就要及时地采取有效措施防

止空气被直接吸入炉内，例如，在进炉之前先烧掉外来空气中的氧气，避免在炉内形成易爆

的混合气体。

另一方面，当炉内可能会形成易爆的混合气体时，如果能提前或及时将炉内气氛改换为

另一种不会爆炸的气氛，同样可以防止炉子内部的气体爆炸。基于这一思路，在安全生产中

常常采用几种不同的“炉气置换法"。

综合以上讨论结果，从安全运行和安全操作的角度考虑，防止可燃气体爆炸的措施可以

有以下几个方面.

①当炉内不需要可燃气体的情况下，要严格、可靠地关断可燃气体输入管路，彻底堵

绝可燃气体向炉内泄漏，从根本上消除导致爆炸的物质条件。

②安全温度法：条件允许时，把炉膛温度提高到或保持在安全温度(750℃)之上。

③防止炉内直接吸入空气：首先要防止炉内出现负压。如出现负压，则要及时地防止

空气被直接吸入炉内。

④燃烧置换法：即采用燃烧的方法，先烧尽炉内气氛，然后根据严格的程序和步骤，

再用所要求的气体将燃烧产物置换到炉外。

⑤充气置换法：充气法换气，将不可燃气体如N2冲洗炉子，使炉内全部置换为无爆炸

危险的冲洗气体。

⑥抽空置换法：抽空法换气，即先抽空炉内气氛，再充以所需要的、无爆炸危险的气

氛等。

注意，用不可燃气体如N2冲洗炉子，即上述的充气置换法，在各种场合下均可进行；

但用燃烧法换气或抽空法换气，则需要满足一定的条件和要求。

下面将对防止可燃气体爆炸的各种措施及原理分别进行叙述。

1.将炉膛温度保持或提高到安全温度之上

“具有足够温度的着火源"是可燃气体爆炸的一个必要条件。各种形式的"着火源"，对于

大多数热处理作业过程是难以避免的或是防不胜防的。因此在可控气氛热处理炉内，通过消

除"着火源”的途径来防止爆炸是不可行的。但是以反向思维的角度考虑：如果我们先将环境

温度即炉膛温度提高到安全温度以上，然后再通入可燃气体，与炉内原有的空气或氧气发生

扩散、混合和稳定的燃烧反应，从而可以完全避免爆炸；总之，在保持或超过安全温度的条

件下，可燃气体与空气以任何比例进行混合，都不会发生爆炸。根本的原因在于：此时不具

备发生可燃气体爆炸的空间分布条件和环境条件，即可燃气体与空气，在它们接触着火温度

或着火能量之前，并没有相互混合，更无从达到一定的体积比例范围(爆炸极限以内)，也

就不可能发生爆炸。

所以，针对着火源而言，出现了一个反其道而行之的方法。该方法的关键在于：通入可

燃气体之前，把炉膛温度提高到或保持在安全温度以上，彻底摆脱了局部区域存在“着火源"

的"禁忌"。

当然提高炉温是需要一定时间的，而且在预料到有可能形成爆炸性的混合气体之前，就

应当把炉膛温度提高到安全温度(750℃)以上。换言之，不能将可燃气体通入含有空气的、

正在加热、升温但温度低于750℃的冷炉室内，反而应该在通入可燃气体之前，先将炉膛加

热到安全温度750℃之上。

很显然，不具备加热能力的冷炉室，或者设备和工艺上限制使用750℃以上的温度，这

种方法是不适用的•

2.防止炉内负压造成爆炸

如果炉内出现了负压，则要及时地防止空气被直接吸入炉内。这里的负压，是指炉内气

体的压强低于周围环境的大气压强。负压是因为炉膛内形成了真空而造成的。在可控气氛热

处理炉的运行中，炉门的升降、炽热工件的转移、冷工件的进入或着炉子机组的故障等原因，

将使炉室内原有炉气的温度降低，其体积也随着收缩并减少，从而使炉内气体压强低于周围

环境的大气压强。于是，炉内便形成了"真空"或"负压"。从原理上讲，这里的炉膛类似于我

国民间治病用的"拔火罐"，在点火后的“拔火罐"里，燃烧后的气体先膨胀，当罐口在人体上

扣严之后，罐内气体随着温度降低便开始收缩，这样就使"拔火罐”里能保持相当长时间的真

空（或负压）而被吸附在人体上。

（1）导致炉室内出现负压（真空）的原因

①炉子漏气。

②装、卸料作业或工件的输送过程会引起炉气体积和炉温的剧烈改变。例如，当具有

火帘保护的外炉门打开时，除火帘自身的燃烧外，还引燃了炉内的可燃气体，大量的燃烧热

量使炉壁受热，而且使炉内的气体升温并膨胀；当外炉门关闭后，因火焰消失及炉壁热量的

散失，使炉内气体迅速地冷却、降温并导致其体积收缩，从而在炉室内造成真空。炉门开启

后燃烧的火焰愈大，密封炉膛及炉内气体受热后的温度愈高，则外炉门关闭后的真空度将会

愈大。

与上述类似，当中间内炉门打开时，高温炉膛通过热辐射以及炉气的对流，将大量的热

量传递给相邻的冷炉室，使之受热升温。当内炉门关闭后，隔离了热源的冷炉室又再次冷却

下来，使炉内气体的体积显著收缩，从而产生真空。

当炽热的工件从低温炉膛移去之后，使该炉壁和炉内气体的温度迅速下降，导致炉内气

体的体积收缩并造成真空。例如，当炽热的工件从淬火室升降台浸入淬火油槽后，油槽上方

原先受热的气氛随之冷却下来，使气体的体积收缩，从而在淬火室内造成真空。

③当炽热的炉气被循环系统强烈地冷却或大量油蒸汽在低温器壁上冷凝，同样会导致

炉内气体的体积缩小并造成真空。

④当炉子出现故障或处于不正常运行状态时，也可能发生类似于上述的现象和过程，

所以也可能导致真空。

总之，真空的产生取决于炉子的类型和特定的工艺过程。而炉子或机组本身的故障，也

会产生真空或者加剧已经存在的真空。

（2）负压（真空）现象的危害

可控气氛热处理炉中，真空会使炉内形成爆炸性气氛。若炉子温度低于750℃且有引火

源时，便会引起爆燃或者爆炸。这种情况可能发生在炉子的局部区域，如在密闭炉膛、冷却

区以及观察孔处。

假如出现了真空，外界空气便从炉子的泄漏处或密封不好的部位，诸如炉门、轴套类部

件的活动连接处、各种伸缩套、密封面或者法兰盘连接处进入炉中。

当冷却介质（例如淬火油）的供应管道与炉腔直接连通且未采取关断措施时，真空可导

致溢流管内的冷却介质被吸干,从而使外部空气直接进入炉内。发生这种情况是十分危险的。

（3）避免或减少负压（真空）危害的措施

①要严格密封炉子，确保不发生任何意外的气体泄漏。

②在即将达到临界真空之前，压力补偿系统可根据炉压测量值立即将氮气输入炉内，

也可同时切断燃料气体进入炉子。一直到压力稳定后才停止动作。为此需要配备相应的安全

装置。

③由炉外提供燃料和空气，经过专门的烧嘴或燃烧装置进行比较充分地燃烧，并使燃

烧所得的混合气体进入炉内，显著地减少了被吸入炉内的氧含量,需要配备相应的安全装置。

④向炉内引入大量保护气，也应配备相应的安全装置。

⑤为防止炉内急剧降温，可缓慢关闭高温炉膛的炉门。

注意：当炉内存在真空时，不可打开相关的炉门，特别是有可能进入空气的密封外炉门。

（4）防止负压产生爆炸的安全装置

对具有密封冷炉室或内置淬火油槽的炉子，当其内部以较快速度降温时，将不可避免地

产生真空。应根据出现真空（负压）的程度和现场的条件，有选择地使用以下安全装置。

①炉内气氛压力监测器及控制开关：当炉压低于压力监测器设定的下限值，炉压监测

开关即发出信号并打开安全氮气或其他保护气体的控制电磁阀，使这些气体自动进入炉内以

弥补炉压的降低。当炉压恢复正常时，炉压监测开关将自动关断氮气供应电磁阀。

②保压阀和高压氮气补偿系统：保压阀亦可称为炉气排放稳压阀，它被安装在废气排

放管的出口处，其结构如图2-2所示。当炉内压力升高或降低时，通过气流的作用自动调整

阀板与阀座间的环形气隙大小，从而使炉压朝相反方向减少或增大。它最大的优点是：当事

先调整好配重祛码后，即使气体流量或炉温有微小变动，仍可使炉压维持稳定；另外当炉压

很低甚至成为负压时，阀板落下会挡住外界空气从此进入。

图2-2炉气保压阀的示意图

]一附片,2-阀座,3-阀杆,[―可城*的核用

如果炉内出现真空，上述的压力监测开关可使高压氮气（4〜6atm）立即通入炉内，数

秒钟内就能让炉压恢复正常。使用这套安全系统的前提是：要有足够数量的高压氮气储备。

③可调节通气量的电动碟阀和环形燃烧器：该套装置适用于缺乏充足氮气供应的情况,

它安装在废气排放管的末端（见图2-3）。

图2-3电动碟阀和环形燃烧器

1一带有电子打火和火焰监测报警装置的点火烧?I，2-环形燃烧器।3废气排放

管,4一与气流间夹角可喝节的阀片，5—电破阀।6一可燃原料气的供气电磁阀

电动碟阀的阀片安装在废气排放管的管路上，该阀片与气流间的夹角可以设定成两个位

置。一个位置是炉子正常排放废气时用来调整炉压平衡的；另一个位置是当炉内真空将原料

气与外界空气的燃烧气流吸入时，用来控制该气流的进入量。

当炉内将要出现真空时，向环形燃烧器供应原料气的电磁阀自动打开，这时原料气与外

界空气在环形燃烧器端口处被点燃，当炉内出现负压时，形成的燃烧火炬或燃烧产物被吸入

管口内。与此同时，电动碟阀的阀片改变为燃烧气进入时的位置。如果燃烧得比较充分，进

入炉中的燃烧产物主要由外部空气中的氮气、部分的二氧化碳和水蒸气等气体组成，它们将

有效地填补炉内真空，经过数分钟或更长时间后，炉压将逐渐恢复正常，环形燃烧器端口处

的燃烧火炬亦开始向外冒出，在规定的燃烧时间以后，环形燃烧器上的原料气电磁阀关闭，

同时电动碟阀的阀片也立刻回复到正常排气时的原始位置。此后，炉内压力和废气燃烧情况

将完全恢复到正常运行状态。

④出现负压时，能及时增大保护气流量（即按比例、同时增加原料气和空气流量）的

自动供气系统。

此套系统一般安装在炉温高于750℃的加热室的进气管道上，增大了流量的保护气一般

也属于吸热式气氛（当然也可用氮气或放热式气氛），进入高温炉之后通过内炉门的气体导

通孔向冷炉室加压。它适于炉内真空不很严重的情况。

⑤安装在冷炉室内，由炉外分别按比例供给燃气和空气、具有压力平衡调节和火焰自

动监测系统的专用燃烧器（烧嘴）等。

该系统的实质是：在非常可靠的安全监测保护下，在冷炉室内安装一个或多个永不熄灭

的引燃烧嘴，并由此烧嘴提供放热式燃烧气体。从减少真空，防止爆炸的目的出发，与通入

氮气的方法比较，安全效果相差不多，但监测、保障系统较为复杂，投入成本较高。

3.燃烧法换气

众所周知，一般情况下可控气氛热处理炉中总是单独存在着3种气体：空气、可燃气体

和氨气（或其他不可燃气体）。从安全观点出发，前两种气体要么单独存在，要么与氮气混

合存在，都是安全的；但空气与可燃气体不能混合存在，否则是危险的。工艺和程序步骤往

往要求将内的空气转换为可燃气体，或者将可燃气体转换为空气，燃烧法换气就是安全地实

现这种转换的最简单、最快捷的措施和手段。

所谓燃烧法换气，经常采用两种方式。

第一种方式，是打开炉门，利用外界的自然空气将炉内原有的可燃气体烧掉并改换为空

气；与热处理现场操作中的“开门放气"一样，结合其用途，可称为“燃烧-放气法"。

第二种方式，是引入可燃气体与炉内原有的空气燃烧使含氧量减少，继续输入可燃气体

并将炉内全部改换为可燃气体。显然，第二种方式一般应关闭炉门，在炉内早期要有燃烧火

焰，而且还要有排气口，以便排出所置换的炉气。这种方式要达到的目的，就是要逐步将充

满炉内的空气"烧尽"或"赶走"，并代之以可燃气体，也就是向含有空气的炉膛如何安全地输

送可燃气体，结合其用途，故可称之为“燃烧-送气法”。

进行炉气置换，不仅是工艺的需要，而且是安全防爆的需要.无论用哪种燃烧法置换炉

气，因为置换时炉温有可能是高于750℃的，也有可能是低于750°（:的，在炉温高于750℃

的炉室中，可以比较安全的实现炉气置换；而对炉温低于750℃的冷炉室，会存在空气与可

燃气体发生混合、爆炸的潜在危险；所以，在此强调：在炉温低于750℃的冷炉室的情况下,

无论用"燃烧-放气法"，还是用"燃烧-送气法"，为了安全地完成炉气置换，都必须依靠特定

的设备条件和严格的操作程序来保证。

由于箱式多用炉既有炉温低于750℃的前室（即冷炉室），又有炉温高于750℃的加热

室，所以通过这种典型结构可以全面地了解各种燃烧法换气的具体应用。

3.1燃烧-放气法

"燃烧-放气法"是将可控气氛热处理炉内原有的可燃气体改换成空气的一种简单、实用

的炉气置换方法。以多用炉为代表，它在热处理工序中得到了广泛的应用.

(1)多用炉"停止供气"和"烧炭黑"工序中的"开门放气"操作

对于炉内充满了可燃气体、加热室温度高于安全温度(750℃)的箱式多用炉，当需要

停止可燃气体供应时：

①先打开前室的外炉门，该炉门下方的火帘将立刻自动点燃，并利用外界空气先烧尽

前室内的可燃气体，为了确保及时点火，必须在外炉门口的下方安装一套与炉门动作联锁的

火帘自动燃烧装置。即只有火帘燃烧后，外炉门才能打开。

②待大火燃尽后，即可关断通入加热室的可燃气体的供应。

③接着部分或全部打开中间炉门，在数分钟内便可烧尽加热室内的可燃气体。

④然后关闭中间炉门等待自然降温。

如果要顺便进行烧炭黑工序，仅仅是需要把打开中间炉门的时间适当延长即可。打开中

炉门的时间，可根据炭黑的多少而定。在烧炭黑的过程中，要密切注意炉膛温度是否急剧上

升，若有升温到900℃以上的趋势，则应立即关闭中间炉门，待降温后再重复进行以上操作。

因此，"燃烧一放气法"也常用于停炉前的"自然通风烧炭黑"工序。

(2)多用炉在装、卸工件之前的“开门放气"操作

在装、卸料之前，多用炉的前炉门和中炉门均关闭，前室的废气排放口具有稳定的燃烧

火焰。为了装、卸工件，需要打开进料端或出料端的前室炉门。由于炉门口下方的火帘自动

点火装置，在炉门开启后，炉内的可燃气体立即被火帘点燃。当炉气被引燃且炉门完全开启

后，可通过动力装置将工件装入或拉出前室。若前炉门仍继续开启，炉内的气体燃烧产物将

逐渐被后来进入的空气所代替。若完成工件的装或卸之后关上外炉门，将开始进行"前室排

空程序"(在“燃烧-送气法"的应用中介绍)。

(3)紧急故障情况下的"开门放气"操作

正在运行的可控气氛多用炉，若突遇供电、供气故障，又没有充足的氮气的情况下，为

了安全，一般要立即打开冷炉室的外炉门，烧尽前室的炉气，即进行“开门放气"操作。

由于电源、气源或相关动力供应的中断，引燃炉气和打开炉门的操作只能靠人工进行。

操作人员必须严格执行在故障状态下"点火、开门”的安全操作规程。

（4）多用炉"开门-燃烧-放气”过程中炉内气氛的变化

我们来讨论，在上述过程中炉内气氛的变化情况。

假设多用炉仍处于装、卸料工序之前的状态：加热室温度在750℃以上并正常供气；内

炉门、外炉门处于关闭状态；前室的废气排放口上有稳定的燃烧火焰（即相当于上一次前室

换气结束时的状态）。

装、卸料工序的过程如下：首先打开外炉门，因外炉门开启与火帘燃烧系统是互锁的，

即外炉门打开前火帘已被点燃，一旦打开外炉门，前室内的可燃气体即被引燃；因其温度和

压力都高于炉外大气，燃烧气体密度低且具有升力，所以在炉门口形成的大火先向外喷出并

随即向上方飘移。

这就是前边讲过的、用空气烧尽前室内可燃气体的“燃烧法”（在外炉门开启后，操作者

用装卸料设备将工件从前室拉出或是装入新的工件）。在炉子门口，这些火焰的燃烧界面，

也就是正在燃烧的炉气与大气压力相平衡的"零压面"。从"零压面"的移动变化，可以生动地

显示出燃烧炉气和侵入空气在前室内空间位置的变动情况。一开始燃烧气体冲向炉门外正前

方，如图2-4中①所示。随着燃烧气体的上升和冷空气的补充，该燃烧气体与冷空气之间

的所谓"零压面"，从炉外向前室内的下方倾斜，如图2-4中②所示；并逐渐向前室内侧和顶

部退缩，如图2-4中③所示。“零压面"的下方，即为随之跟进到炉内的冷空气。

图2-4正常运行的多用炉在刚打开外炉门后

燃烧炉气和流入空气在前室空间内的变动情况

在完成了工件的装卸之后，就可以关上外炉门。因为有部分空气已经进入了前室，此时

就应采用如前所述的“燃烧-送气法"，即用内炉门下方的火焰，尽可能地消耗这些空气并将

其置换出去。对可控气氛热处理炉，这一操作过程常被称为"前室排空程序”。

关于"前室排空程序"中的炉气变化情况和安全注意事项，在下一节的“燃烧-送气法”的应

用中介绍。

(5)应用"燃烧-放气法"时的注意事项

①对温度低于750℃的冷炉室，其前炉门下方必须具备一开门就能将炉气引燃的安全

装置。之所以这样要求，是因为一打开炉门，前室内的可燃气体将向外逸散，接着空气就会

侵入并与它混合，如果开门时未能及时点火，意味着先让空气与炉气混合，然后再让某个“着

火源"来引爆，这显然是很危险的。所以，必须要在它们有可能发生混合之前(即开门时)，

先引燃炉气。

因此，用"燃烧-放气法"烧尽炉气时，为了保证一打开外炉门就能立即引燃炉内的可燃

气体，应在外炉门口的下方安装一套与炉门动作联锁的火帘自动燃烧装置。即只有火帘燃烧

后，外炉门才能打开；当炉门打开后，火帘已经将炉气引燃。在平时.，一定要确保该系统功

能完好，运行正常。

②一定要充分认识到在进行"点火开门"和"人工引燃炉气”的操作时的危险性。很多的惨

痛教训告诉我们：在操作“引燃炉气"和"点火开门"的时候，绝对不能掉以轻心。"点火开门"

虽然轻而易举，但不意味永远是绝对安全的。操作者必须明白：现在的情况与此前相比，炉

子有没有发生异常，在什么情况下的炉气才可以点燃以及用怎样的方法点燃。

首先要清醒地知道，从封闭的炉内溢出的、能够安全点燃的气体应该是具有微正压的可

燃气体或者是它与不可燃气体的混合气体，但绝对不能是可燃气体与空气的混合气体。特别

是炉内虽有可燃气体，但此前由于各种原因却渗入了空气，在操作者不知情且又未作自身安

全保护的情况下去点燃炉气，爆炸灾难就会瞬间发生。在“开门放气”之前，要确保炉子的供

气状况正常，应该注意使炉内气氛保持微正压（200〜300Pa左右）。其根本的目的，是要

求打开炉门之前，炉内不得进入空气。若确认炉内可能进入了空气，最好用氮气进行冲洗置

换。

无论是何种情况，在进行“开门放气"操作时，所有人员必须避开炉门正前方。对于具备

安全装置和动力设施的请况下，以上所说的"点火"和"开门"，仅用按钮操作即可完成。但是

在发生动力和燃气供应故障时，一切都要靠手工完成。应在前炉门打开之前，先将"带有长

柄的人工引燃火炬"点燃，操作者在稍远处将其放在炉门口的下方，然后打开炉门使溢出的

炉气烧尽。这些操作的关键点是先"点火"、后"开门"和"人远离"。

（6）用燃烧法烧尽炉气的安全装置

①在废气排放口处应安装不允许熄灭、可监测报警的点火烧嘴。该装置由带防风罩的

点火烧嘴、点火变压器、供气电磁阀和火焰监测器组成。当检测不到火焰时，该装置具有关

断电磁阀供气并发出报警的功能（见图2-3所示）。

图2-5密封外炉门的火帘燃烧系统

1带有电子打火和火焰监测报警装置的点火烧喷।2密封外炉ih3火帘燃烧

监测探针，4火帘燃烧器।5一可燃原料气的供气电磁阀

②应在外炉门口的下方安装火帘燃烧装置。

火帘燃烧装置由火帘燃烧器、火帘燃烧监测系统以及与上述相同的点火烧嘴等整套装置

组成（见图2-5所示）。火帘燃烧系统与炉门开关的机械动作是互锁的。控制系统要求：当

炉门口的点火烧嘴引燃后，向火帘供气的电磁阀才能打开，只有当火帘已经燃烧并被检测探

针感知后，外炉门才能打开；否则外炉门不能打开。在炉门开启后，炉内的可燃气体立即被

火帘点燃。当外炉门在开启后又重新闭合时，火帘燃烧器和点火烧嘴将自动熄火。

3.2燃烧-送气法

如前所述，"燃烧-送气法”是将可控气氛热处理炉内原有空气改换成可燃气体的一种简

单、易行的炉气置换方法。在以多用炉为代表的“开炉送气"和"前室排空"等工序上，得到了

广泛的应用。

（1）"燃烧-送气法"在密封多用炉的"开炉送气"程序中的应用及炉气变化过程

向加热室内通入可燃气体之前，多用炉必须具备以下条件。

加热室炉温己在750℃以上（此为允许通入可燃气体的最低温度，般设定在850℃以上），

外炉门开启，内炉门关闭，炉内均为空气。

各部件功能完好，运行状态正常；

废气排放口的点火烧嘴和外炉门下方的火帘均已点燃；

所有安全装置运行良好，不在报警状态下；

有充足的N2供应；

可燃气体输入管路上的安全弯管被拆下；

以上条件若满足，并决定向炉内通入可燃气体时，可以重新安装好安全弯管。然后按以

下操作步骤进行.

①向加热室通入规定流量的可燃保护气体。由于加热室温度在安全温度之上，开始时

又充满空气，所以进入加热室的可燃保护气可以稳定地燃烧。刚开始燃烧火焰呈"烟云"形状,

随着燃烧范围的扩大和加热室内空气的逐渐减少，燃烧火焰渐不明显，甚至熄灭。这时炉内

充满了燃烧产物和陆续进入的可燃气体的混合物。继续通入的可燃气体将以“赶气”方式稀

释、排挤那些已经燃烧过的气体产物，最终将占据整个加热室空间。大约经过0.5〜lh后，

当持续通入的可燃气体从内炉门下方的两个通孔（或内炉门下方的气体通道）溢出与前室的

空气汇合并稳定燃烧时，表示加热室的原有空气几乎全部改变为可燃气体了，而且使燃烧火

焰从高温炉膛内部转移到了内炉门下方的通气孔处。

②当内炉门下方的两个通孔（或内炉门下方的气体通道）都能向外连续地冒出稳定燃

烧的火焰时，关上外炉门。

从两个通孔（或通道）出来的炉气与前室空气结合而产生燃烧火焰，燃烧过的气体产物

（以82、H2。蒸气和N2为主）因温度高且密度低，而且又靠近温度较高的内炉门，具有

较大升力，它们将沿着内炉门的外侧向前室顶部空间上升、转移，并逐渐占据前室的上方空

间；冷却后的、温度较低的气体将沿着外炉门里侧向下流动，并进而补充内炉门通孔处燃烧

气体上升后留下的空间。这种冷热气体循环流动的过程，也就是前室残余空气在内炉门通孔

（或气体通道）处被燃烧或消耗的过程。当然也会有少量的未经燃烧的空气会直接从废气排

燃烧后的热炉气

残余的空气和燃烧后冷却的炉气

图2-6带密封前室的多用炉在“燃烧-送气法”

换气时的炉气变化过程

放口排出（参见图2-6所示）。

随着前室残余空气逐渐被消耗，内炉门通孔外边的燃烧火焰将熄灭。从内炉门通孔处溢

出的可燃保护气体将与前室内经过燃烧的气体产物混合，并通过前室的废气排放口排出。因

内炉门通孔处的火焰刚刚熄灭后，前室内基本上是以燃烧产物为主，一开始在废气排放口放

散的炉气是不能被引燃的。只有当前室中未引燃的可燃保护气所占的比例较大时，从废气排

放口出来的炉气才能被点燃；直到前室已完全充满了可燃保护气时，废气排放口处才有稳定

的燃烧火焰。至此，燃烧火焰又从内炉门下方的通气孔处最终转移到了炉子外面的废气排放

口上。

③当可燃保护气从前室废气排放口处被点燃，并形成稳定的燃烧火焰时，表示用"燃烧

-送气法"向多用炉通入可燃保护气的操作过程已经完成。

让我们来讨论在前炉门关闭后内炉门上的燃烧火焰，能起到怎样的安全作用。首先，由

于内炉门下方的气体通道是可燃气体进入前室的唯一出口，此处的温度又高于安全温度，所

以来自加热室的可燃气体，几乎只能在这里与前室空气一边混合、一边稳定地燃烧；由于不

会发生先混合、后燃烧的现象，也就不可能有爆炸危险。另一方面，随着前室的空气被消耗

到不再能维持燃烧时（即前室空气已少于爆炸上限所对应的空气含量时），该气体通道上的

燃烧火焰将渐熄灭。此后由于氧气含量不足，又没有新的空气补充，亦不会有爆炸危险:但

是如果前室空气含量足够多（即明显超过了爆炸上限所对应的空气含量）的时候，由于意外干

扰使燃烧火焰提前熄灭，将会立即形成易爆的混合气体，随时都具有爆炸危险。燃烧火焰受

到干扰而提前熄灭得越早，危险程度越大。所以，在足够的时间里能保持正常燃烧，使得前

室空气能被最大程度地耗竭，等于是排除了可能发生爆炸的条件或因素。由此看来，内炉门

上燃烧火焰所起的作用，对于确保前室换气过程的防爆安全是至关重要的。

对以上用“燃烧送气法”置换炉内空气的过程，可归纳如下。

通入炉内的可燃气体（可燃保护气或可燃液体的裂解气），以扩散燃烧的方式，分别将加

热室和前室内的空气逐渐烧尽，然后再将燃烧产物置换为可燃气体（可燃保护气或可燃液体

的裂解气）。前者是化学反应（燃烧）过程，后者是物理（置换）过程;因此将这种炉气置换法称

为“燃烧-送气法”。在“燃烧-送气法”中，炉内空气与烧尽的气体产物以及冲洗气体积百

分比的变化过程可参见图2-7所示。

以及冲洗气体的体积变化

(2)应用“燃烧-送气法”向多用炉输入可燃保护气体的安全注意事项

①在通人可燃保护气的全过程中，加热室的温度必须在750。C以上；

②只有内炉门通孔上的火焰稳定地燃烧时，才能关闭外炉门；

③关闭外炉门后，不得停止可燃气体供应，不得使炉膛降温，更要防止意外因素使内炉门下

方的火焰被扑灭(即非自然地被提前熄灭)，如打开了前室气体循环风扇等错误操作；

④关闭外炉门后，前室的换气过程需要一定的时间才能完成。一般为15~20min,与前室

空间的大小和供气流量有关。在前室换气结束之前，不得打开内炉门。若因故提前打开了外

炉门，则在其关闭后应按规定的时间重新执行换气过程；

⑤为了安全，应当设计专门的控制电路，以保证按规定的条件和时间执行相应的程序，避免

误操作。

(3)“燃烧-送气法”在多用炉“前室排空”程序中的应用

炉门关闭，正常供气的多用炉，在打开前炉门之后，前室内的可燃气体即被燃烧并向外放散,

部分空气也会乘机进人前室。在执行完装、卸料工序后，关闭前炉门，以便将进入的空气排

出，这就是“前室排空”程序。由于前室炉气烧尽时，在内炉门下方通道仍会形成稳定的燃

烧火焰，若关闭前炉门以后，将会重复上节所述的前室炉气的变化过程，也就是继续用“燃

烧一送气法”，最终将前室残留空气置换出炉外。

(4)关于用“燃烧-送气法”向密封冷炉室输送可燃气体的讨论

这里的密封冷炉室是指炉温低于安全温度(750℃),具有密封炉门(或炉盖、炉罩等)且废

气排放口安装在炉子上方的单室炉。

用“燃烧-送气法”向多用炉输送可燃气体时，前室炉气的变化过程给我们提供了一个

启示：“燃烧-送气法”也可用于向密封冷炉室输送可燃气体，以置换炉内原有的空气。但是

必须在安全装置和操作程序方面满足以下安全条件：

①一开始进人炉内的可燃气体就能可靠、稳定地燃烧；

②在输入的可燃气体能够稳定燃烧的前提下，才可以关闭外炉门：

③确保炉内不再有空气进入，没有任何导致扑灭火焰的意外干扰时，直到燃饶火焰因含领量

不足而自然熄灭。熄灭之后，仍继续向炉内输人可燃气体；

④当从废气排放口溢出的炉气被“常明火”点燃，并能稳定燃烧时，表明向冷炉室输送可燃

气体的换气过程已经完成。

以上各项中，如何通过仪表检测来判断燃烧火焰是否为自然熄灭尚有某些困难，虽然也可以

在冷炉室内安装一只由外部提供燃气和空气、具有自动压力调节和火焰监测的专用燃烧器，

不受时限地来引燃输送到炉内的可燃气体，但存在配置复杂、投入较大的问题。一般情况下,

上述各项要求是通过设备、基本安全装置和严格的操作程序(其中包括操作人员对进行过程

是否正常的观察、检查和判断)来达到的。

但是应该认识到:对于炉膛结构复杂，炉体较长、截面变化较大，炉内存在死角或者可能有

强烈的干扰气流以及密封性能差的低温炉室，也不适宜用“燃烧-送气法”换气;特别是工艺

过程中炉内可能出现强大“负压”的情况下，建议采取以下的安全防爆措施。

①安全温度法:在向冷炉室输送可燃气体前，将炉温提高到安全温度（750℃）以上，然

后向炉内输人可燃气体并在废气排放口稳定燃烧，再根据工资规定把炉温降至需要温度。

②氮气冲洗置换法:先用氮气冲洗炉膛，“赶走”炉内空气后，再向炉内输人规定流量

的可燃气体，它是最安全、常用的换气方法。

③以上任何一种方法都可解决向冷炉室输入可燃气体的安全问题。但为了克服或避免“负

压”带来危险，还应配备相应的压力补偿装置（见2.3.2防止炉内负压造成爆炸）。

（5）“燃烧-送气法”换气在前炉门不密封的多用炉中的应用

对于前炉门不密封的箱式多用炉，也就是利用其前炉门下方的推、拉料钩通道作为废气排放

口的炉子（见图2-8）,由于此结构的特殊性，用以换气的操作步骤应与上述炉型有所不同。

让我们分析一下，这种炉型在应用“燃烧-送气法”换气时，前室炉气的变化过程。

（E）保护气入口

JrT__

图2-8前炉门不密封的箱式多用炉的示意图

1一前室防爆盗（卸压阀）；2—内炉门下方的推拉料钩通道；

3一前炉门下方的推拉料钩通道，亦用作废气排放口t4一废气

排放口的点火烧嘴（常明火5-前炉门下方的燃气火南忏

假设达到安全温度以上的加热室，在此前已经输入了可燃介质，从内炉门下方溢出的可燃气

体正在进行稳定地燃烧，前炉门完全开启，如图2-9所示。随着燃烧产物不断增加并具有升

力，这些热炉气将飘升到前室

图2-9前门不密封的多用炉前室的炉气变化示意图

H।一前炉门口下沿与零压面的距离।Hz—前炉门的下沿与零压面的距闺

炉顶并从前炉门口的上部溢出，而冷空气必然要从前炉门口的下方流入前室，当排出的

热炉气与进入的冷空气在流量上大致平衡时，二者就会在前炉门口中部形成一个分界面，这

个分界面称之为零压面。零压面以下的空间，其静压力比同一水平的炉外的冷空气要低，在

此负压的作用下，外部冷空气就会流入前室下方:而零压面之上的空间，其静压力比同一水

平面的炉外的冷空气要高，在此正压作用下，热炉气要从前炉门口的上方溢出。图中曲线1、

2表示热炉气大致的流动方向，而曲线3表示被吸入的冷空气的流向。

如果此时快速关闭前炉门，将对前室炉气原有的流动状态造成一次干扰和破坏，即会打乱冷、

热炉气各自形成的流动方向，也可能会扑灭中炉门下方的燃烧火焰，也有可能将存留在死角

的、未经燃烧的可燃气体与进入前室的空气混合，这两种情况都有可能导致前室立即发生威

力不同的爆炸。

若此时将前炉门落下一半，将会使热炉气滞留在前室上方的空间增大，也就是使热炉气

处于正压的空间范围扩大了，与此相反，处于负压的冷空气的空间则会相应的缩小。因此炉

图2-10前门不密封的多用炉前室的炉气变化示意图

H】一前炉门口下沿与零压面的距离］—前炉门的下沿与零压面的距离

门口的零压面也必然随之下移，如图2-10所示。图中曲线1、曲线2表示热炉气大致的流

动方向，而曲线3表示被吸人入的冷空气的流向。

从前室炉气的这些变化可以看出，当前炉门向下关闭时，炉门口处的零压面将随之向

下移动，使进入的冷空气减少，这显然有利于前室换气过程的。

从上述的分析可以知道，当前炉门完全关闭之后，零压面将会转移至炉膛底部。如图2-11

所示，此时从前炉门下方的通道口排出的已全部是燃烧后的炉气以及部分未能燃烧的可燃气

图2-H前门不密封的多用炉前室的炉气变化示意图

Hz-前炉门排气口上沿与零压面的距离

前炉门正常关闭时，零压面已转移至炉底部

体，用曲线1、曲线2表示。前室开始处于微正压状态。经过一段时间后，从前炉门通道口

溢出的炉气将全部变成可燃气体并在此稳定燃烧。至此，应用“燃烧-送气法”在前室的换

气过程已经完成。

因此，对于前炉门不密封的箱式多用炉，在首次开炉送气工序中，应按照如下操作步骤

进行。

在加热室内通入规定流量的可燃保护气体之后，当内炉门下方的料钩通道（或看作气体

通道）能向外连续地冒出稳定燃烧的火焰时，再分步关闭前炉门。即将前炉门的关闭分成

几次，每次停止落下的间隔时间为数分钟，逐次完成外炉门的关闭。例如每次将前炉门落下

其剩余高度的1/2,每次停留的时间为3min,将前炉门最后一次停留在尚有100多毫米的

剩余高度上，直到满足以下两个条件时，方可将前炉门最后落下。

①内炉门下方气体通道口的燃烧火焰已经自然熄灭（可通过料钩通道向炉内观察判断，

亦可对提前插入到内炉门前下方的人工引火棒是否燃烧进行观察判断）；

②当前炉门口火帘燃烧的火苗向炉外漂移时（它意味前室内的炉气已经达到了正压，并向外

溢出）；或者前炉门排气口溢出的炉气已经开始被引燃时.

当前炉门排气口溢出的炉气稳定燃烧时，表示此多用炉的“开炉送气”程序已经完成。

在此需要特别提醒的是:对于前炉门不密封的箱式多用炉，当前炉门刚被关闭不久，尤其是

在首次开炉送气中刚刚将前炉门全部或大部分关闭时，一定要小心点火烧嘴不要被风吹灭。

如果发现已被吹灭，只要当时排气口溢出的炉气没有引燃,最好立即关闭点火烧嘴供气阀门，

并迅速将前炉门升起，把前室的炉气烧尽，然后重新按照上述步骤分段关闭前炉门。在以上

操作过程中操作者都要尽量避开炉门前方。之所以这样做，是因为当点火烧嘴的火焰被风吹

灭，此类点火烧嘴往往不具备报警并自动切断燃气供应的功能，从点火烧嘴泄漏出来的燃气

有可能随外界空气进入前室而引起爆炸。

3.4充气法换气

当炉内气氛有可能会形成易爆的混合气体时，或者工艺需要将炉内气氛从一种气氛安全地改

换为另一种气氛时，可以采用充气法来置换炉内气氛，以防止炉内形成爆炸性气氛。这是一

种常用的、安全和易行的方法。

用充气法来置换炉内气氛，就是在一个有废气排放口的密闭炉膛内，向炉内连续地通入一种

与炉内残留气氛混合后不致爆炸的气体（常被称为冲洗气体，是一些不与炉内残留气氛发生

化学反应的不可燃气体，例如N2、0）2等中性气体），经过一段时间之后，当进入炉内的冲

洗气体的体积达到一定的数量后，使炉内残留的气体不断被稀释、排出，因而越来越少，最

终使炉内基本上全部改变成冲洗气体的换气过程。充气法换气又被称为气体冲洗法换气，就

像在生活中我们用清水去漂洗那些用洗衣粉洗涤过的衣服一样。在用清水涮洗的过程中，是

用清水冲洗掉脏物并将脏水稀释，大约经过几次漂洗后，衣服基本上就干净了。用充气法置

换炉气的过程是类似的，只是把漂洗用的清水变为气体而已，若将炉内原始的残留气体当作

脏水，而充入炉内的冲洗气体就相当于是清水了。

当炉内气氛有可能朝着易爆的混合气体的方向转变时，最安全的办法，就是用不可燃气

体（例如氮气）来冲洗炉膛，将炉内原有的气氛置换为无爆炸危险的不可燃气体。

如果在炉子的作业过程中，需要将炉内气氛从空气改换为可燃气体，或是从可燃气体改换为

空气时，为了从根本上避免这两种气体在直接交换时形成易爆的混合气体，干脆就不让它们

直接接触，而是采用一种中间气体（即中性的不可燃气体，例如氮气）作为过渡介质，分别进

行两次气体置换。第一次置换中，氮气作为第一次的冲洗气体，在置换过程快要结束时.，

炉内儿乎全部充满了氮气并暂时被留在炉膛内；在第二次换气过程中，作为冲洗气体的将是

炉内最终需要得到的气体（工作介质），而又把炉膛内的氮气作为残留气体终将被置换出炉

外。

从以上可以看出，用不可燃气体（如N2）来冲洗炉子，在各种场合下均可进行。包括上

述可以使用燃烧法换气的情况下。与燃烧法所不同的是:不再需要打开炉门而是关上炉门，

排出的气体将通过废气排放口点燃放散。而且氮气作为一种过渡介质，有效地解决了空气与

可燃气体在炉内置换的安全问题，因此，人们将具有一定纯度的氮气（这里主要是限制其含

氧量）称为安全气体。这种安全氮气，在可控气氛热处理炉的安全措施中得到了广泛的应用。

（1）充气法换气时冲洗时间和冲洗气体流量的数学计算

从实际应用中还可以看到，用充气法置换炉气，几乎只涉及氮气与空气，或者与可燃气

体之间的交换。也就是说，这些中性气体与相互置换的气体之间并不发生燃烧等化学反应，

只是相互的混合。如果认为它们在很短的时间内就能均匀混合，即在炉内各处的气氛基本上

是均匀的，在此前提条件下，通过计算可得到充气（冲洗）时间t、充气（冲洗）气体流量Q以

及t时刻炉内残留气体杂质浓度的数学关系表达式：

式中Vo——炉子容积，m3；

t——充气（冲洗）时间，h；

Q一—含有杂质气体的体积百分比浓度为Kc的冲洗气的流量，m3/h;

K——t时刻炉内气氛中残留杂质气体的体积百分比浓度，即t时刻炉内气氛不纯度，%;

Ko--充气前炉内气氛所含杂质气体的体积百分比浓度，即充气前炉内气氛不纯度，%；

Kc——冲洗气中所含杂质气体的体积百分比浓度，即冲洗气不纯度，％。

应当说明，在公式中所涉及的杂质气体的浓度，即充气之前的炉气的杂质浓度K。、

充气t时刻的炉气的杂质浓度K,以及充入气体本身所含杂质气体的浓度（不纯度）即Kc,都

是针对同样一种杂质气体而言。为了使公式右边Kt-Kc/K「Kc之值大于0且分母不为0,应

要求Ko>Kt>Kc;即使在无限长时间充气后（即t=8时），Kt只能趋近于Kc,而不可能小于Kc

以上6个参量中只要知道了其中的5个，就可求出剩下的1个参量。一般当炉子及充气条件

确定后，将V。、Ko、Kc可视为常量，式（2-1）即为充气时间t和流量Q,与当时炉内杂质气

体的体积百分比浓度Kt的关系表达式。

即

Kt=（Ko-Kc）e<Hlt/v>>+Kc（2-2）

通常将充气体积Q,炉膛体积V。之比，即Q/V。称之为换气次数。该公式也可看作冲洗气

在t时刻的换气次数Q/V。与当时炉内气氛不纯度K,的关系表达式。

或其他可控气氛等全都当作杂质，即K。=100%；而又将冲洗气N2当作不含这些杂质

（即空气或其他可燃气体等）的纯净气体，故Kc=0。

我们考虑用冲洗N2来置换炉内原有空气或可燃气体时的情况。如果先假定换气次数Qt

/V。=5,经式（2-2）计算可知，当经过5次换气后的结束时刻:

Kt=0.67%（即小于1%）

这说明：当冲洗N2量达到炉膛体积的5倍时，炉内残留的空气或可燃保护气的体积比

例将小于1%。这一浓度远低于前面讲过的安全极限，不会有形成爆炸性气氛的危险。在安

全极限中规定的氧浓度的最高允许值是1%,而这里残留的空气含量还不到1%,相应的氧

含量应该是小于（1%X21%=0.21%）这个数值；另外，安全极限中易燃成分（以C0+H2

+maxl%CH4的形式）的最高允许浓度是5%,而经过冲洗后，现在残留在炉内的可燃气体

的含量也还不到1%。可粗略认为，经5倍以上炉膛体积的N2冲洗后，最终的氧气或可燃

气体的预期含量在理论上大约为各自安全极限的1/5

总归来看，为了使原始炉气（空气或可燃气体）在炉膛内的体积比例减少到＜1%,要

采用5倍以上炉膛体积的N2（或其他中性的不可燃气体）总量来置换炉气。

为什么要采用5倍以上炉膛体积的冲洗气总量并选择比安全极限更低的允许浓度呢？

首先是考虑到实际置换过程与理论计算的偏差。因为理论计算的前提条件是：冲洗气体和残

余的原始炉气应该是随时随地在炉内进行均匀混合的，而实际上这是做不到的。冲洗流量越

大，越容易在炉膛内形成“短路”或是造成冲洗气不能达到的“死角”。因此，之所以采用

5倍以上炉膛体积的冲洗气总量，是考虑到最终的残余气体的实际含量要大于理论计算的结

果，尽管该含量将会增大，但仍可在规定的安全极限以内。其次，为了获得较好的冲洗效果,

冲洗气的流量不可过大，但冲洗时间要尽可能长，它意味着需要更多的清洗气总量。实际上

在生产现场，长时间的冲洗炉膛不仅是为了保证冲洗效果，往往还用来给下道工序或其他紧

急措施提供足够的准备时间，其实也是现场安全的需要。所以，用以置换炉气的冲洗气总量

至少应是炉膛体积的5倍以上，这是一个得到普遍公认的安全用量，它在防止炉气爆炸的冲

洗工程上得到了广泛的应用。

（3）利用可燃气体安全极限进行的炉气置换

正如前述，安全极限是指在保护气氛中的氧或易燃气体的最高允许浓度。氧浓度的最高

允许值是1%,在保护气氛中易燃成分（以C0+II2+maxl%CH4的形式）的最高允许浓度是

5%。只要氧气和易燃气体二者中的一种浓度在其安全极限之下，该保护气氛就不会有爆炸

危险。利用这一点可以适当节省冲洗时间和冲洗气的资源。但应注意这里的可燃气体的组分

只限于CO、H2和最大比例为1%的CH4三种形式，最值得重视的是：实际置换情况总会与

理论计算存在偏差，最终的残余气体的实际含量要大于理论计算的结果，不增大换气次数或

修正换气规程，是达不到预期的安全极限的。因此，所有以安全极限为目标的炉气置换的运

行参数和操作规程，必须经过现场实际运行和检测，通过科学的验证和考核，报经安全生产

监督部门批准后，方可执行。

①用N2冲洗置换炉内空气的情况。因炉内原有空气的氧浓度约为21%,若把空气中的

氧气看作杂质，则K。=21%,因氧浓度的安全极限为1%,故Kl=l%,若使用的氮气为

工业II类1级，即氮气中的氧含量小于0.5%,则Kc=l-99.5%=0.5%,经过式（2-3）

计算可得

Qi/V0=ln（Ko-Kc/Kl-Kc）=ln（21-0.5/1-0.5）=3.71

即当使用纯度为99.5%的N2为冲洗气体时，为使最终炉气中的氧含量为1%,即Kl=

1%,其换气次数%）应为3.71次。与前述常规换气时换气次数为5次的情况比较，可以看到:

在保持冲洗气流量不变的前提下，当考虑到炉内残余氧气的安全极限后，可以节省1/4的

N2资源以及1/4的充气时间。但这仅仅是理论计算的结果而已。与上述同样的理由，只有

适当提高换气次数，并修改换气规程，才能使最终炉气中的氧含量等于或低于1%。当然，

这些修改过的运行参数和操作规程，必须经过现场实际运行和检测，通过验证和考核，报经

安全生产监督部门批准后，方可执行。

②用N2冲洗置换炉内原有的可燃气体。假设炉内原有的可燃气体中，其易燃组分的比

例为100%（实际上大多数可燃保护气中易燃组分的比例不超过70%,这样假设是有意增加

安全保险程度并便于计算）,故K。=100%。正如前述，易燃组分的安全极限为5%,所以,

K,=5%o如仍使用纯度为99.5%的N2为冲洗气体时，即Kc=『99.5%=0.5%。

将上述K。、K,和Kc的数值分别代入下式：

Qc/Vo=ln(Ko-Kc/Kl-Kc)=ln(100-0.5/5-0.5)=3.1

知，为使炉内残余的易燃组分含量降低到5%,当使用纯度为99.5%的N2为冲洗气体

时，所需要的换气次数为3.1次。

与首例中换气次数为5次时，使得残余炉气的含量改变为大约1%的情况比较，在考虑

了易燃组分的安全极限后，理论上可以节省2/5的N2资源以及2/5的充气时间。但这仅

仅是理论计算的结果而已。与上述同样的理由，只有适当提高换气次数，并修改换气规程，

才能使最终炉气中的易燃组分的含量等于或低于5%。当然，这些修改过的运行参数和操作

规程，必须经过现场实际运行和检测，报经安全生产监督部门批准后，方可执行。

(4)利用可燃气体爆炸极限进行的炉气置换

由前述可知，可燃气体与空气形成混合物，而且混合的比例处于一定范围时，在点火源

的作用下就会产生燃烧和爆炸。当该混合比例或是可燃气体的浓度低于某一最低极限或高于

某一最高极限时，火焰便不能蔓延，当然也不能爆炸。对于能使火焰蔓延的可燃气体的最低

浓度，称为该可燃气体爆炸极限的下限，对能使火焰蔓延的可燃气体的最高浓度，称为该可

燃气体爆炸极限的上限。当混合物中可燃气体的浓度低于爆炸下限时，由于可燃气体的含量

太少以及过量空气的冷却作用，阻止了火焰的蔓延；而可燃气体浓度高于爆炸上限时，因过

多的可燃气体使对应的空气及其氧含量太少，火焰也不能蔓延。以上两种情况下混合气体均

不能爆炸。由此可归纳出能够避免爆炸的两个相对安全的浓度：一是低于爆炸下限时的可燃

气体的浓度。任何情况下，混合炉气中的可燃气体的浓度只要低于该浓度，就不会发生爆炸;

二是可燃气体浓度高于爆炸上限时，所对应的空气中的氧含量。任何情况下，混合炉气中的

氧含量只要低于爆炸上限所对应的氧含量，也不会发生爆炸。

对于每一种可燃气体都有其特定的爆炸极限，当用N2(或其他中性的不可燃气体)置

换炉内可控气氛时，将低于爆炸下限对应的可燃气体的浓度作为冲洗结束时预期的残留可燃

气体的安全含量，同理，当用N,（或其他中性的不可燃气体）置换炉内的空气时，将爆炸

上限所对应的氧含量作为冲洗结束时预期的残留氧气的安全含量，就可分别代入式（2-3）

中的K,,从而计算出理论上各自需要的冲洗N2的总量。在这里，爆炸上限的含氧量与以

前统一规定的含氧量的安全极限1%相比，约扩大了数倍之多。由式（2-3）的右边可看出，

当K,增大时，其值变小，即换气次数减少。因此，为了置换炉内的空气，在考虑了爆炸上

限所对应的氧含量以后，理论上可以节省较多的N2（或其他中性的不可燃气体）用量和冲

洗时间。

利用可燃气体爆炸极限进行的炉气置换时，必须注意以下问题。

①每一种可燃气体都有其特定的爆炸极限，也就是说不一样的可燃气体，爆炸极限对应

的可燃气体浓度或氧含量，是各不相同的。自然，相应的换气操作规程也就不胜繁杂了。另

外，如果要求在置换炉气之前必须确认有哪些组分，是有困难的。尤其是遇到紧急情况时，

非常不便于现场的安全操作。

前面已经讲过，可燃气体的爆炸极限是随很多外界因素而变化的。在可控气氛热处理过

程中，特别是发生设备故障时，炉气成分常常会发生变化。因此爆炸极限对应的可燃气体浓

度或氧含量也要相应地改变，这将直接影响到换气操作规程的可操作性以及安全可靠性。

②使用充气法换气时，实际置换效果总是不如理论计算得那么理想，最终的残余气体的

实际含量总要大于理论计算的结果。尤其对以爆炸极限的安全含量为目标的炉气置换，现场

使用的运行参数和操作规程，必须在实地经过多次检测、验证和考核，报经安全生产监督部

门批准后，方可执行。

③鉴于以上原因，用可燃气体爆炸极限进行炉气置换的实际应用并不多见，仅限于理论

计算而己。爆炸极限所对应的安全含量与前述安全极限相比，更接近于爆炸危险。所以，以

爆炸极限的安全含量为目标的炉气置换，也许可以节省N2的用量和冲洗时间，但安全可靠

性也必然是较差的。必须明确：无论如何，安全总是第一位的，而经济利益应该退其次。这

恐怕是此种炉气置换法在实际中很少应用的根本原因。

表2-2是根据爆炸极限对应的安全浓度，用N2（或C02）置换炉内空气或可燃气氛时，

所需要的最小冲洗体积的计算实例。因为没有说明各可燃气体爆炸下限所对应的安全浓度，

»2-2・换炉内空气或可燃气嬴时，，或CO,■小用■的理论计.实例

置倏炉内第有空气•・模炉内源有可控气

炉气中允氨冲院过程结束时

可燃气体或置换炉气的冲洗过程结束时•

许的含H残余含氯M冲洗弋用量1残余可控气

可控气氛中性冲洗气冲洗气用*

*极限（R

种类体的林类（炉膊体积（计算值逐（炉总休•黑氛，计算值＞,

ffift)1/%

借教）/%

—

氟氧混合,

中H?含*

75%4・41.64.22.84.6

60%*31.64.22.64.5

40%4.7氨气1.54.72・2I1.4

20%5.41.45.21.54.5

▲VzG751.17.00.84.5

3.114・5

量气4.4氯气1.64.2

6.9二氧化碳1.26.32.67.4

1.911€9

一H化碳5.6氮气1.45.2

—--------

8.4二氧化碳1.07.71.4|24.7

放热型气浓5.51.45.21.9114.9

型（。=0・50〜氮气

0.65)®放热型气

0«3I74.1

款型（。■11（淡型。〉0.611.5

0.80~0.95港0.90)1_____________________

吸热整/:4.81.54.73.014.98

7.6二氧化碳1.0772.0

①。为燃境系数.

®原文未注明该吸热型气的组分・

③残余含■依K,-（KKi）eFKe.式中K。为炉内原有空气的我含IL故

氏=21％,在此假设冲洗气的杂质含岫8-0,,止是以炉脱体租借取来我小的冲洸.

的用■,所以残余•（含•可由K,nK“u廿算出•

④同理,残留可I?气氛含垃K,=eY，与上不同的是।此处已设定炉内早有可控.

扒的含依K0=1OO%-1.

也为提供其爆炸上限，所对应的氧含量极限值得来源依据，故仅供参考

(5)对高温炉膛充气的炉气置换

当冲洗气体进入高温炉膛并被加热后，其体积随之膨胀。根据理想气体的气态方程，如

果炉压变化不大，则体积(或流量)与其绝对温度成正比。设室温温度为2