第九章热处理炉内气氛及控制2013.2

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第17-18 次课授课学时 4 教案完成时间：2013.2

第九章热处理炉内气氛及控制

研究炉内气氛目的：1）防止工件加热过程氧化、脱碳；2）对工件进行化学热处理。

§9.1热处理炉内气氛种类（P124-129）

热处理炉内气氛即炉内气体介质，主要有空气、真空和可控气氛等。可控气氛指成分和性质可适当控制的气体，包括反应生成气氛、分解气氛和单元素气氛，在热处理炉生产中常用可控气氛包括吸热式气氛、放热式气氛、氨分解气氛、滴注式气氛、氮基气氛和氢气等。P124什么是可控气氛？

一.吸热式气氛

定义：燃料气与少于或等于理论空气需要量一半的空气在高温及催化剂作用下，发生不完全燃烧生成的气氛。因反应产生的热量不足以补偿系统的吸热和散热（即不能维持反应温度），须借助外部热量维持反应的进行，故称为吸热式气氛。

成分：吸热式气氛主要成分是H2、CO和N2，还有少量的CO2和CH4。

用途：1）吸热式气氛碳势约0.4%，对低碳钢是还原性和渗碳性气氛。2）吸热式气氛主要用于渗碳载气、中高碳钢加热时的保护气氛（光亮淬火），但不宜作为高铬钢和高强度钢的保护气氛，因为碳与铬反应生成碳化物会使高铬钢贫铬；气氛中的氢易导致高强度钢氢脆。3）

吸热式气氛经过再处理除去CO和CO

2后获得的以H

2

和N

2

为主的气氛可用于不锈钢和硅钢光亮

加热保护气氛。（见P124表10-2）

二.放热型气氛

定义：原料气与理论空气需要量一半以上的空气不完全燃烧的产物。因反应放出的热量足以维持反应进行而不需外加热源，故称为放热型气氛。

成分：放热型气氛主要成份是N

2、CO、CO

2

。为提高气氛还原性，常再进行净化处理，以

除去其中氧化性成分CO

2和H

2

O。

通过改变空气和燃料气比以及净化处理，可在较宽范围内改变气氛成分和性质，一般又把这类气氛分为淡型（混合气中加入较多空气）、浓型（混合气中加入较少空气）和净化型（净化处理的放热式气氛）三种。

气氛性质：视气氛成分、工件含碳量和工作温度而定。可能是还原型和增碳性的，也可能是氧化型和脱碳性的。

用途：1）浓型放热式气氛是还原性、弱脱碳性气氛，常用于低、中碳钢光亮淬火保护气氛；2）淡型放热式气氛是为微氧化性和脱碳性气氛，常用于低碳钢和铜光洁加热保护气氛；3）净化型放热式气氛由于气氛中氧化性、脱碳性成分CO

2

被去除，主成分由氮气和一定量的CO和H2组成，属于还原性气氛，可用于中高碳钢光亮加热保护气氛；4）净化型气氛再加少量富渗碳气，可用作高碳钢保护气氛和化学热处理介质。

三.氨分解气氛及氨燃烧气氛

分类：分加热分解气氛（吸热式）和燃烧气氛（放热式）两类。燃烧气氛又分完全燃烧和不完全燃烧气氛两种。

制备原理：将无水氨加热到800-900℃，在催化剂作用下，分解成氢气+氮气的气氛。

氨分解气氛（75%H2+25%N2）特点和应用：具有强还原性和弱脱碳性，常用于不锈钢、硅钢、铜和高铬钢光亮加热保护气氛。

完全燃烧气氛组成和应用：主要由氮气（99%）和少量氢气（1%）组成，属于中性气氛，可用于铜和碳钢光洁加热保护气氛。

氨不完全燃烧气氛组成和应用：主要由氮气（76%）和氢气（24%）组成，具有还原性和

弱脱碳性，可用于不锈钢和硅钢光亮加热保护气氛。

四.氢

氢是一种强还原性很气体。多用作铜及其合金退火、硬质合金烧结、不锈钢退火以及钼丝电热元件保护气氛。

氢中常含微量水分，易引起氧化脱碳，要求高纯氢时应进行脱水。

五.氮基气氛

以氮为基本成分的混合气体。可由淡型放热型气氛经净化处理制得或由工业纯氮除去残存氧而制得。由于氮是不活泼气体，不与金属发生化学反应，可用于中、高碳钢退火、正火和淬火加热保护气氛。

六.滴注式气氛

将甲醇、乙醇、煤油、甲酰铵等有机液体直接滴入热处理炉内，经裂解后生成的可控气氛。

滴注气氛的主要成份是H

2、CO和少量的CO

2

、H

2

O、CH

4

等。

气氛性质：取决于有机液体C/O比，C/O比大于1如乙醇、丙酮、异丙酮、醋酸乙酯等，生成气氛强还原性和强渗碳性气氛；C/O比等于1如甲醇，生成气氛为强还原性和弱渗碳性气氛；如果C/O比小于1如蚁酸，则为氧化性和脱碳性气氛。

§9.2可控气氛制备（P125-128）

一.吸热式可控气氛制备原理及流程

1.制备原理

如前所述，吸热式气氛由原料气（天燃气、丙烷、液化石油气、城市煤气等）与小于或等于理论空气需要量一半的空气在高温和催化剂作用下，发生不完全燃烧生成的气氛。

以丙烷为例：

完全燃烧反应式：C3H8+空气（5O2+18.8N2）==3CO2+4H2O+18.8N2+Q，可见，空气与丙烷混合比为(5+18.8):1=23.8:1

制备吸热性可控气氛反应如下：

2C3H8+3O2+11.28N2==6CO+8H2+11.28N2+ 454.94J，可见，空气与丙烷混合比为(3+11.28):2=7.14:1。

对比可见，制备吸热式气氛混合比较低，因混合气自身燃烧放出的热量较少，放出的热量不足以维持燃烧反应持续进行，因此，制备吸热性可控气氛制备需由外部提供热量。

通过降低空气与原料气混合比可调整气氛中CO和CO2、H2和H2O、H2与CH4的相对量，即调整气氛碳势，因此称这种气氛为可控气氛。

2.催化剂（触媒）（补充）

作用：1）降低反应温度。没有催化剂，反应温度必须提高到1200℃。2）加快反应速度，缩短反应时间。

催化剂：主要成份：NiO，通过反应罐中产生的还原性气体还原生成有催化作用的活性镍。

催化剂载体：多孔氧化铝泡沫砖。通过浸泡催化剂溶液后烘干获得。

工业中应防止触媒“中毒”（指触媒表面受某种物理或化学作用而失去催化作用）。

“中毒”通常是由于积聚“碳黑”引起的。可通过燃烧去掉触媒上的碳黑而恢复其催化功能。

恢复中毒催化剂催化功能方法：1）取出放在箱式炉内加热到850℃左右，烧掉碳黑。2）向反应罐通入空气，同时控制反应罐内温度，该温度根据反应罐内碳黑量多少进行调整，当