氮基气氛渗碳炉内气氛计算

＝１３６０Ｌ／ｈ，经处理后可取 １．４ｍ３。 ２．４炉子外泄气体量
网带炉的炉门是有一定开启度的常开型。根据
文献介绍，可以用下式计算其从炉门开口处泄出的
炉气量：
ω = 2 1 × H 2gH γ1 −γ
33
γ
式中ω— １ｓ 内通过开启的炉门，炉内气体理论
泄出量，ｍ３／ｓ
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Ｂ —炉门口开启的宽度，ｍ Ｈ —炉门口开启的高度，ｍ
则＝０．８×２７３／１１７３＝０．１８６ｋｇ／ｍ３。
那么
2 ω=
1 × 0.44 × 0.02 × 0.9 ×
19.6 × 0.02 × 1.04 − 0.186
33
0.186
＝０．００４０９ｍ３／ｓ＝１４．７３ｍ３／ｈ
折算成标准状态下的流量：１４．７３ ×２７３／１１７３＝
３．４Ｎｍ３／ｈ
如果炉子设置废气燃烧口，其直径 ４ｃｍ 时，根
自氮基气氛热处理问世以来，发展到现在已取 得了很大的进展，氮基气氛渗碳已成熟地应用到多 种钢种的各类零件上，对于氮基气氛渗碳炉内气氛 的计算也就受到人们的关注。本文试就这个问题谈 些我们的工作和结果。 １ 氮基渗碳气氛
在氮气中添加适当数量的碳氢化合物或碳氢氧 化合物（气体或液体），由于使用的添加物不同，就 有了不同类型的氮基气氛。其中氮气 ＋ 甲醇气氛是 目前广泛采用的一种类型。氮气和甲醇按一定比例 混合后进入炉内，在高温下裂解形成渗碳气氛。
有较高的碳势外，还要有较大的碳传递系数和一定 的可用碳量。在气体渗碳工艺过程中，渗碳气氛中 的 ＣＯ 含量一般认为不应小于 １５％。如果添加 Ｃ３Ｈ８ 作富化气，其添加量为炉内气氛总量的 ３％左右。 ２ 氮基气氛渗碳炉气的计算
氮气 ＋ 甲醇在炉内裂解后气氛成份稳定，采用 氧探头很容易实现气氛碳势的自动控制。
如前所述，这里选用的 Ｎ２＋ＣＨ ３ＯＨ 裂解气氛的 组成是：２０％ＣＯ，４０％Ｈ２，４０Ｎ ２ ，其化学方程式就 是：
２Ｎ２＋ＣＨ３ＯＨ＝ＣＯ＋２Ｈ２＋２Ｎ２ （６） 在标准状态下，１ 摩尔（ｍｏｌ ）气体的体积为 ２２．４Ｌ，２Ｎ２ 就是 ４４．８Ｌ，由此可算出氮气供应量：
４４．８∶Ｘ＝２２．４ × ５∶４０００ Ｘ＝４４．８ × ４０００／２２．４ × ５＝１６００Ｌ＝１．６Ｎｍ３ 在标准状态下， Ｃ Ｈ ３ Ｏ Ｈ 是液体，１ ｍ ｏ ｌ ３ ２ ｇ （ＣＨ３ＯＨ 的比重为 ０．７９１ｇ／ｍＬ），即为 ４０．４６ｍＬ，按照 所确定的比例形成４．０ｍ３／ｈ供气量，每小时需要供应 的甲醇量： ４０．４６∶Ｘ＝２２．４ × ５∶４０００ Ｘ＝１．４５Ｌ 因此，为形成炉内 ４．０ｍ３／ｈ 的 ２０％ＣＯ，４０％Ｈ２， ４０％Ｎ２ 的渗碳气氛，其原料的供应量为 １．６Ｎｍ３／ｈ 氮 气，１．４５Ｌ／ｈ 或 ２４ｍＬ／ｍｉｎ 的甲醇，３４Ｌ／ｈ 的丙烷。 ３ 结论 综上所述，这里介绍的计算结果，虽然经过我 们多次在本公司制造的网带炉上验证，获得满意的 渗碳效果，读者在应用时，尚需根据自己的条件加 以修正。这里介绍的是氮气 ＋ 甲醇气氛，当然也适 用于甲醇裂解气。添加剂除了本文介绍的丙烷外，也 可用甲烷（天然气）或丙酮等。 从上述计算结果可以看出，消耗于零件渗碳过 程的碳源气体是很少的，而从炉门开启口泄出的气 体量是全部消耗气体中的大部分。如何在保证热处 理产品质量的前提下，对进料炉门进行改造，加强 炉门的密封，是减少炉气消耗，降低热处理生产成 本，提高经济效益的有效途径。在这方面本公司可 以对客户进行帮助，满足客户的需要。
ＺＨＡＮＧ Ｈａｉ－ｍｕ， ＪＩＡＮＧ Ｂｉｎｇ－ｈｕａ （Ｇｕｓｕ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｓｕｚｈｏｕ Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｐａｒｋ， Ｓｕｚｈｏｕ ２１５１２１）
Abstract: Ｔｈｅ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｉｎ ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｂａｓｅｄ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｉｓ ｂｅｉｎｇ ｕｓｅｄ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇｌｙ ａｎｄ ｅｘｔｅｎｓｉｖｅｌｙ， ａｎｄ ｂｏｔｈ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗｉｔｈ ｒｅｓｐｅｃｔ ｔｏ ｉｔｓ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｒｅ ｂｅｃｏｍｉｎｇ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｐｅｒｆｅｃｔ ｄａｙ ｂｙ ｄａｙ．Ｔｈｅ ｆｕｒｎａｃｅ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｗａｓ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｎｉｔｒｏｇｅｎ－ｍｅｔｈａｎｏｌ ｂａｓｅｄ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ａｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｔ ｂａｎｄ ｆｕｒｎａｃｅ ｍａｄｅ ｉｎ Ｇｕｓｕ Ｅｌｅｃｔｉｃ Ｆｕｒｎａｃｅ Ｃｏ．， Ｌｔｄ． Key Words: ｎｉｔｒｏｇｅｎ ｂａｓｅｄ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ； ｎｅｔ ｂａｎｄ ｆｕｒｎａｃｅ； ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ； ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ
渗碳技术要求：零件的内外壁均渗碳，渗碳层 深度规定为 ０．１０ｍｍ － ０．２０ｍｍ，本文工艺计算时取 中间数 ０．１５ｍｍ，渗碳淬火后硬度＞ ６２ＨＲＣ。渗碳层 表面的含碳量要求达到 ０．９０％－ １．００％，为了计算方 便，渗碳层的平均含碳量取 ０．７０％Ｃ。
在网带炉有效装载面积上可放１４３０个冲压外圈 （１３ × １１０），连续渗碳时，要达到规定的渗碳质量
要求，每个零件需在炉内停留 １ｈ。 ２．２ 每一个零件经渗碳后，需增加的碳量为：
Ｇ ＝ ２πＤ Ｂ ＨΔｇ 式中：Ｄ —零件外径（ｃｍ ） Ｂ —零件高度（ｃｍ） Ｈ —渗碳层深度（ｃｍ） Δｇ—渗碳层内增加的碳量（ｇ） ［Δｇ＝７．８ｇ／ ｃｍ３ ×（０．７－０．１）％，表面含碳量取平均值］。 这样，Ｇ＝２ × ３．１４ × ３× ２．５ × ０．０１５ × ７．８× ０．００６ｇＣ／个＝０．０３３０６４２ｇＣ／个 由此可算出每小时需要向炉内渗碳件供应的碳 量为： ０．０３３０６４２×１４３０＝４７．２８ｇＣ／ｈ ２．３渗碳气氛中的碳源及供应量 在 Ｎ２＋ＣＨ３ＯＨ 气氛中其主要活性成份有 ＣＯ，Ｈ２ 和 ＣＨ４，从热力学上说渗碳反应有： ２ＣＯ＝［Ｃ］＋ＣＯ２ （１） ＣＯ＋Ｈ２ ＝ ［ Ｃ ］ ＋ Ｈ ２ Ｏ （２ ） ＣＨ４＝［Ｃ］＋２Ｈ２ （３） 但从动力学方面看，３个反应速度不相同，反应 （２）最快，反应（１）次之，反应（３）最慢，而且 相差很多。根据反应动力学的基本原理，系统中如 果同时存在几个反应，那么整个系统受速度最快的 反应控制，这就是说在这种气氛中渗碳是按反应（２） 进行的。随着渗碳过程的进行，气氛中 ＣＯ 和 Ｈ２ 不 断减少，Ｈ２Ｏ 不断增加，气氛的碳势降低，渗碳能 力也随之降低，这时气氛中几乎同时发生下列反应： ＣＨ４＋Ｈ２Ｏ＝ＣＯ＋３Ｈ２ （４） 从反应（４）可以看出，只要气氛中有足够的ＣＨ４ 就可以将气氛中的 Ｈ２Ｏ 降低，增高 ＣＯ 和 Ｈ２ 恢复气 氛的碳势和渗碳能力。从这里看出 ＣＯ 不是碳源，而 是碳的传递者，ＣＨ４ 才是真正的碳供应者，即碳源。 从炉气稳定性角度考虑，气氛中 ＣＯ 分压应保持恒 定，因此除了要向炉内连续不断供应一个恒定量的
为满足前述计算中 ４７．２８ｇＣ／ｈ 的需要，最小的
Ｃ３Ｈ８供气量是４７．２８／１．６＝２９．５５Ｌ／ｈ。考虑到添加进炉 气中的 Ｃ３Ｈ８ 不会全部被利用，其中有少量在气相中 析出成为碳黑，另有少量残留在废气中而泄出炉外，
因此需要另外增加 １５％。即用于零件渗碳的 Ｃ３Ｈ８ 为 ３４．０Ｌ。如果添加 Ｃ３Ｈ８ 量占炉内总气量的 ２．５％， 那么为满足渗碳要求的炉气供应量是 ３ ４ ／ ２ ． ５ ％
据上述资料可按下面公式计算出炉气的消耗量：
Ｑ = µF
2 gh γ1 − γ m3 / s γ
·３ ４ ·
《热处理》 ２００５ 年第 ２０ 卷第 ２ 期
式中：Ｑ —废气燃烧口炉气消耗量，ｍ３／ｓ μ—冒气系数，可取 ０．９ Ｆ —排气面积，ｍ２ ｇ —重力加速度，ｍ／ｓ２，取９．８ｍ／ｓ２ ｈ —燃烧口到炉底的高度，ｍ 在我们的计算中这个高度取 ０．４ｍ，其计算结果
炉门口和燃烧口总的外泄气体量：３．４＋０．３６ ＝ ３．７６，在计算中取 ４．０Ｎｍ３／ｈ ２．５气源供应量的计算
从以上计算率可以看出炉气外泄量（４．０Ｎｍ３／ｈ） 大于渗碳件渗碳源（Ｃ３Ｈ８）对炉气量的要求值（１．４ Ｎｍ ３／ ｈ ），因此就根据炉气外泄量来决定炉气供应 量：４．０Ｎｍ３／ｈｒ。
φ—炉气泄出阻力系数，一般可取 ０．９
ｇ —重力加速度，ｍ／ｓ２，取９．８ｍ／ｓ２
γ１ —周围空气的容重，ｋｇ／ｍ３ γ—炉气的容重，ｋｇ／ｍ３
根据本文给出的数据按照上式进行计算如下：
Ｂ＝０．４４ｍ，Ｈ＝０．０２ｍ，炉门口周围空气的温度可
取 ５０℃，则γ１＝１．２９３ × ２７３／３２３＝１．０４，吸热型炉气 的容重在标准状态下为０．８ｋｇ／Ｎｍ３，炉内温度９００℃，
当 Ｎ２ 与 ＣＨ３ＯＨ 按某一比例混合时，炉内裂解 气氛中的 ＣＯ∶Ｈ２ ∶Ｎ２ 约为 ２０％∶４０％∶４０％。这种 比例的气氛与天然气为原料所制备的吸热式气氛的 组成比例十分接近。为了使气氛具有较高的碳势，还 需向炉内加入少量的富化气，如 Ｃ Ｈ ４ ，Ｃ ３ Ｈ ８ 或 ＣＨ３ ＣＯＣＨ３ （丙酮）等。对于渗碳气氛，除了要求具
在工艺设计时，需根据零件渗碳的技术要求， 零件形状和渗碳面积，设计炉气组成和气源供给量， 以保证产品质量和降低能源消耗。
我们选用 Ｎ２＋ＣＨ３ＯＨ 添加 Ｃ３Ｈ８ 的气氛，在带马 弗的网带炉中，对用 ＳＰＣＣ（或 Ｓｔ１４）钢制造的滚针 轴承的冲压外圈渗碳作为应用实例进行分析和计算。
网带炉各区温度设定为：一区 ９００℃、二区８７０ ℃、三区 ８５０℃，炉内马弗总容积 ０．３ｍ３，网带在炉 内装载零件的有效面积为 ３．３ × ０．４ｍ３。 ２．１渗碳零件相关数据
Ｎ２＋ＣＨ３ＯＨ 混合物外，还必须根据炉气成份的变化 添加富化气，在本文中是添加 Ｃ３Ｈ８。这样就有了反 应 Ｃ３Ｈ８＋３Ｈ２Ｏ＝３ＣＯ＋７Ｈ２ （５）
所以在本文实例中，渗碳的碳源就是 Ｃ３Ｈ８。 １［ｍｏｌ］ （摩尔，克分子）Ｃ３Ｈ８ 可提供 ３６ｇ 碳，在 标准状态下，每升 Ｃ３Ｈ８ 气可提供 ３６／２２．４＝１．６ｇＣ／Ｌ
关键词： 氮基气氛；网带炉；渗碳；气氛计算 中图分类号： ＴＧ１５６．８＋１ 文献标识码： Ｂ 文章编号： １００８－１６９０（２００５）０２－００３３－００３
Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｉｔｒｏｇｅｎ－Ｂａｓｅｄ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ Ｆｕｒｎａｃｅ
是：Ｑ = 0.9 × 3.14 × 0.022 × 19.6 × 0.4 × 1 .04 − 0.186 0.186
＝０．００６７８ｍ３／ｓ＝２４．４２ｍ３／ｈ＝５．７Ｎｍ３／ｈ 一般在燃烧口装有调节阀门。如果将燃烧口的
口径调节到１ｃｍ，则废气泄出量就可降到０．３６Ｎｍ３／ｈ。 那些没有设置燃烧口的炉子，也就只有炉门口的外 泄炉气量了。
收稿日期： ２００４ － ０９ － ０８ 作者简介： 张海木（１９６３．８ －），男，江苏苏州人，工程师，江苏省苏州工业园区姑苏电炉有限公司总
经理，发表论文 ３ 篇。
《热处理》 ２００５ 年第 ２０ 卷第 ２ 期
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渗碳零件选用滚针轴承 Ｈ Ｋ ２ ５ ２ ０ 的冲压外圈， 材料为 Ｓ Ｐ Ｃ Ｃ 或 Ｓ ｔ １ ４ 钢，冲压外圈的外形尺寸为 ３０ｍｍ × ２５ｍｍ × １ｍｍ（外径×装配前高度×壁厚）。
～工 艺～
氮基气氛渗碳炉内气氛计算
张海木，江炳烨
（苏州工业园区姑苏电炉有限公司，苏州 ２１５１２１）
摘 要： 氮基气氛热处理已得到愈来愈广泛的应用，其应用理论和应用工艺也日趋完善。本文是采用氮、甲 醇基渗碳气氛渗碳，对炉内气氛进行计算。计算与工艺验证，均系在苏州工业园区姑苏电炉有限公 司制造的网带炉上进行。