几种可控气氛的产气原理、碳势调节和安全事项

几种可控气氛的产气原理、碳势调节和安全事项

一、原理介绍

1.氧化

3Fe+2O2→Fe3O4(570℃以下) ※预氧化

2Fe+O2→2FeO(570℃以上)

4Fe+3O2→2Fe2O3(氧化皮)

2.脱碳

Fe3C+O2→3Fe+CO2

C(γ-Fe)+O2→CO2

3.氧化还原反应

Fe+H2O←→FeO+H23FeO+H2O←→Fe3O4+H2①※高速钢刀具蒸气处理

K1=[H2]/[H2O] [H2]/ [H2O]＞K1 逆向进行; [H2]/ [H2O]＜K1正向进行

LgK=△F°/4.575T,K:平衡常数,T:反应温度, △F°:反应在标准状态下自由能的变化4.脱碳增碳反应

C(γ-Fe)+CO2←→2CO ②K②=[CO]²/[CO2 ]ac ac=[CO]2/ K②[CO2]

C(γ-Fe)+H2O←→CO+H2③K③=[CO][H2] /[H2O]ac ac=[CO][H2]/ K③[H2O]

C(γ-Fe)+2H2←→CH4④K④=[CH4]/[H2 ]²ac ac=[CH4]/ K④[H2] ²

C(γ-Fe)+1/2O2←→CO ⑤K⑤=[CO] / [O2 ] 1/2ac ac=[CO]/ K⑤[O2]1/2

ac-碳在奥氏体中的相对浓度,又称碳活度

5.炉气氛内部的化学反应:水煤气反应

CO2+H2←→CO+H2O ⑥K⑥=[CO] [H2O]/[CO2][H2]

※因此,只要控制气氛组分的分压或体积百分浓度,就可控制反应进行的方向.不仅保护工件不氧化、不脱碳而且还可以实现增碳(渗碳),故此类气氛叫可控气氛为妥.所谓碳势控制就是控制这些炉气组分间的相对量.如在Rx气氛中由于燃料气体和空气的比例实际上在一个很小的范围内变化,所以H2、CO2的量基本不变,要控制炉气的碳势只须改变其中的微量组分CO2、H2O有一定的对应关系,因此只要控制H2O或CO2或者O2(因为O2与H2O、CO2也有对应关系).控制任意一个因子的分压即可达到控制碳势的目的。

6. 碳势的定义：①是表征含碳气氛在一定温度下,改变钢件表面含碳量的能力的参数

②是表征含碳气氛在一定温度下与钢件表面处于平衡时,可使钢表面达到的

碳含量. ①定义较确切.在含碳炉气组分和温度不变时,工件含碳量与它的合金成分多少,渗碳或加热时间的长短,工件尺寸,曲率半径大小的因素有关.如齿轮齿渗碳后的检查部

位即可说明。

③碳势的计算比较麻烦.需要知道平衡温度T、ac、和在此温度下的奥氏体饱和含碳量Cps,各组分的分压等进行推算且因多因素的波动如装炉量，合金元素的影响较大.作为应用技术不必花太多的精力进行计算。实际生产中炉气碳势的量度最快最准的办法是钢箔定碳.由于钢箔0.1mm左右很薄,是穿透性渗碳(不存在合金成分,尺寸，曲率半径大小的影响,平衡时间短为18-30min).

因此用低碳钢箔在某一温度下的平衡含碳量来表征炉气在该温度下的碳势.

实际生产中也是用钢箔定碳,确定炉气碳势,修正仪表.

※几个注意的问题

①钢箔定碳, 钢箔要干净,不能有油污。,更不能在冷却时氧化(要在保护气下冷却)出现兰

色氧化色会增重,影响测量的准确性.

②CH4和CO渗碳能力主次

碳势与[CO]²/[CO2]有关也与[CH4]/[H2]²有关CH4首先与CO2和H2O反应

CH4+CO2←→2CO+2H2, CH4+H2O←→CO+3H2

多余的CH4才按CH4[C]+2[H2]进行分解.在Rx由于CH4含量很低,而CO(23%)和H2(C3H8为原料气)较多且基本上稳定.因此构成炉气渗碳反应的主要环节CO参加的两个反应：

[C]+CO2←→2CO, [C]+H2O←→CO+H2

按热力学计算CH4析碳能力比CO的析碳能力大近100倍。但一般认为CH4的直接渗碳作用小而它的作用是间接的,主要表现它能降低CO2 H2O和O2的含量.CH4易与O2反应,当炉气中CH4含量高时,用空气降低其含量最合适.故超级渗碳都是用空气来调节碳势.③富化气添加后炉气的变化。

当Rx气添加C3H8后有下述反应:

C3H8→C2H4+CH4C2H4→2[C]+2H2由于产生[C],碳势上升.

④单因子、多因子、平衡和非平衡状态下的碳势控制

a 平衡条件下的碳势控制(单因子)

吸热式气氛(Rx) CO和H2含量大稳定CO 23% H2 31% CH4＜1%,可认为基本处于平衡状态,碳势ac=K1P2CO/PCO2

ac-碳在奥氏体中的相对浓度,间接代表气氛中的碳势。

如前述,因此用单个数CO2或O2,H2O就能较准确的控制碳势.而三者是相关的。

b:非平衡条件下的碳势控制(多因子控制)

直生式气氛(CH4,C3H8或CH3COCH3与成比例空气混合后进入炉内的渗碳气氛为直生式气氛),CO,O含量不稳定,CH4含量很高(2%-10%)但研究证明仍遵守

ac=K1Pco/K3P1/2O2方程,但CO随渗碳温度和时间改变而改变.因此需要附加气氛分析仪(CO红外分析仪)迈哈克计算CO进行补偿。(双因子)

并将氧探头,CO红外仪,热电偶采集的数据输入计算机,基本按上述方程建立数学模型进行计算,实践证明还是能控制直生式非平衡气氛的碳势的。

●但测量氧势值的氧探头如用标准氧探头时,铂电极是分解CH4的强触媒,而直生

式CH4较多为2%-10%,CH4的分解会在铂电极周围产生了很多的H2,造成了氧

探头产生错误信号MV(读数偏高).易卜森采用特殊合金电极+补偿电解质的氧

探头解决此问题.亦可用露点仪控制。

●混合气喷嘴（如图）：在920℃时,CH4与空气混合气体的化学活性较差,因此必

须充分混合。