第九章熱處理爐內(nèi)氣氛及控制2013

南京工程學(xué)院教案【教學(xué)單元首頁】第 17-18 次課 授課學(xué)時(shí) 4 教案完成時(shí)間：2013.2章、節(jié)第九章 熱處理爐內(nèi)氣氛及控制；9.1熱處理爐內(nèi)氣氛種類；9.2可控氣氛的制備；9.3碳勢和氧勢的測量與控制；9.3碳勢和氧勢的測量與控制；主要內(nèi)容熱處理爐內(nèi)氣氛種類可控氣氛的制備可控氣氛加熱的基本原理碳勢和氧勢測量技術(shù)碳勢和氧勢測量技術(shù)壓力與流量的測量目的與要求目的：了解熱處理爐內(nèi)氣氛的特、性質(zhì)、制備原理及用途、常見碳勢的測量技術(shù)等，為合理選擇和使用爐內(nèi)氣氛及碳勢設(shè)備奠定必要的理論基礎(chǔ)。要求：了解常見碳勢、氧勢、壓力、流量測量技術(shù)與原理以及吸、放熱型氣氛制備原理與流程，掌握常見爐內(nèi)氣氛性質(zhì)、特點(diǎn)和用途、碳勢和氧勢等概念。重點(diǎn)與難點(diǎn)重點(diǎn)：爐內(nèi)氣氛種類、性質(zhì)及應(yīng)用；碳勢、氧勢、氧化脫碳機(jī)理。難點(diǎn)：吸、放熱型氣氛制備裝置構(gòu)成及流程；碳勢測量技術(shù)測試原理。教學(xué)方法與手段板書與多媒體教學(xué)結(jié)合。第九章 熱處理爐內(nèi)氣氛及控制研究爐內(nèi)氣氛目的：1）防止工件加熱過程氧化、脫碳；2）對工件進(jìn)行化學(xué)熱處理。9.1熱處理爐內(nèi)氣氛種類（P124-129）熱處理爐內(nèi)氣氛即爐內(nèi)氣體介質(zhì)，主要有空氣、真空和可控氣氛等?？煽貧夥罩赋煞趾托再|(zhì)可適當(dāng)控制的氣體，包括反應(yīng)生成氣氛、分解氣氛和單元素氣氛，在熱處理爐生產(chǎn)中常用可控氣氛包括吸熱式氣氛、放熱式氣氛、氨分解氣氛、滴注式氣氛、氮基氣氛和氫氣等。P124什么是可控氣氛？一.吸熱式氣氛定義：燃料氣與少于或等于理論空氣需要量一半的空氣在高溫及催化劑作用下，發(fā)生不完全燃燒生成的氣氛。因反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不足以補(bǔ)償系統(tǒng)的吸熱和散熱（即不能維持反應(yīng)溫度），須借助外部熱量維持反應(yīng)的進(jìn)行，故稱為吸熱式氣氛。成分：吸熱式氣氛主要成分是H2、CO和N2，還有少量的CO2和CH4。用途：1）吸熱式氣氛碳勢約0.4%，對低碳鋼是還原性和滲碳性氣氛。2）吸熱式氣氛主要用于滲碳載氣、中高碳鋼加熱時(shí)的保護(hù)氣氛（光亮淬火），但不宜作為高鉻鋼和高強(qiáng)度鋼的保護(hù)氣氛，因?yàn)樘寂c鉻反應(yīng)生成碳化物會(huì)使高鉻鋼貧鉻；氣氛中的氫易導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼氫脆。3）吸熱式氣氛經(jīng)過再處理除去CO和CO2后獲得的以H2和N2為主的氣氛可用于不銹鋼和硅鋼光亮加熱保護(hù)氣氛。（見P124表10-2）二.放熱型氣氛定義：原料氣與理論空氣需要量一半以上的空氣不完全燃燒的產(chǎn)物。因反應(yīng)放出的熱量足以維持反應(yīng)進(jìn)行而不需外加熱源，故稱為放熱型氣氛。成分：放熱型氣氛主要成份是N2、CO、CO2。為提高氣氛還原性，常再進(jìn)行凈化處理，以除去其中氧化性成分CO2和H2O。通過改變空氣和燃料氣比以及凈化處理，可在較寬范圍內(nèi)改變氣氛成分和性質(zhì)，一般又把這類氣氛分為淡型（混合氣中加入較多空氣）、濃型（混合氣中加入較少空氣）和凈化型（凈化處理的放熱式氣氛）三種。氣氛性質(zhì)：視氣氛成分、工件含碳量和工作溫度而定?？赡苁沁€原型和增碳性的，也可能是氧化型和脫碳性的。 用途：1）濃型放熱式氣氛是還原性、弱脫碳性氣氛，常用于低、中碳鋼光亮淬火保護(hù)氣氛；2）淡型放熱式氣氛是為微氧化性和脫碳性氣氛，常用于低碳鋼和銅光潔加熱保護(hù)氣氛；3）凈化型放熱式氣氛由于氣氛中氧化性、脫碳性成分CO2被去除，主成分由氮?dú)夂鸵欢康腃O和H2組成，屬于還原性氣氛，可用于中高碳鋼光亮加熱保護(hù)氣氛；4）凈化型氣氛再加少量富滲碳?xì)?，可用作高碳鋼保護(hù)氣氛和化學(xué)熱處理介質(zhì)。三.氨分解氣氛及氨燃燒氣氛分類：分加熱分解氣氛（吸熱式）和燃燒氣氛（放熱式）兩類。燃燒氣氛又分完全燃燒和不完全燃燒氣氛兩種。制備原理：將無水氨加熱到800-900，在催化劑作用下，分解成氫氣+氮?dú)獾臍夥?。氨分解氣氛?5%H2+25%N2）特點(diǎn)和應(yīng)用：具有強(qiáng)還原性和弱脫碳性，常用于不銹鋼、硅鋼、銅和高鉻鋼光亮加熱保護(hù)氣氛。完全燃燒氣氛組成和應(yīng)用：主要由氮?dú)猓?9%）和少量氫氣（1%）組成，屬于中性氣氛，可用于銅和碳鋼光潔加熱保護(hù)氣氛。氨不完全燃燒氣氛組成和應(yīng)用：主要由氮?dú)猓?6%）和氫氣（24%）組成，具有還原性和弱脫碳性，可用于不銹鋼和硅鋼光亮加熱保護(hù)氣氛。四.氫氫是一種強(qiáng)還原性很氣體。多用作銅及其合金退火、硬質(zhì)合金燒結(jié)、不銹鋼退火以及鉬絲電熱元件保護(hù)氣氛。氫中常含微量水分，易引起氧化脫碳，要求高純氫時(shí)應(yīng)進(jìn)行脫水。五.氮基氣氛以氮為基本成分的混合氣體?？捎傻头艧嵝蜌夥战?jīng)凈化處理制得或由工業(yè)純氮除去殘存氧而制得。由于氮是不活潑氣體，不與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，可用于中、高碳鋼退火、正火和淬火加熱保護(hù)氣氛。六.滴注式氣氛將甲醇、乙醇、煤油、甲酰銨等有機(jī)液體直接滴入熱處理爐內(nèi)，經(jīng)裂解后生成的可控氣氛。滴注氣氛的主要成份是H2、CO和少量的CO2、H2O、CH4等。氣氛性質(zhì)：取決于有機(jī)液體C/O比，C/O比大于1如乙醇、丙酮、異丙酮、醋酸乙酯等，生成氣氛強(qiáng)還原性和強(qiáng)滲碳性氣氛；C/O比等于1如甲醇，生成氣氛為強(qiáng)還原性和弱滲碳性氣氛；如果C/O比小于1如蟻酸，則為氧化性和脫碳性氣氛。9.2可控氣氛制備（P125-128）一.吸熱式可控氣氛制備原理及流程1.制備原理如前所述，吸熱式氣氛由原料氣（天燃?xì)?、丙烷、液化石油氣、城市煤氣等）與小于或等于理論空氣需要量一半的空氣在高溫和催化劑作用下，發(fā)生不完全燃燒生成的氣氛。以丙烷為例：完全燃燒反應(yīng)式：C3H8+空氣（5O2+18.8N2）=3CO2+4H2O+18.8N2+Q，可見，空氣與丙烷混合比為(5+18.8):1=23.8:1制備吸熱性可控氣氛反應(yīng)如下：2C3H8+3O2+11.28N2=6CO+8H2+11.28N2 + 454.94J，可見，空氣與丙烷混合比為(3+11.28):2=7.14:1。對比可見，制備吸熱式氣氛混合比較低，因混合氣自身燃燒放出的熱量較少，放出的熱量不足以維持燃燒反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，因此，制備吸熱性可控氣氛制備需由外部提供熱量。通過降低空氣與原料氣混合比可調(diào)整氣氛中CO和CO2、H2和H2O、H2與CH4的相對量，即調(diào)整氣氛碳勢，因此稱這種氣氛為可控氣氛。2.催化劑（觸媒）（補(bǔ)充）作用：1）降低反應(yīng)溫度。沒有催化劑，反應(yīng)溫度必須提高到1200。2）加快反應(yīng)速度，縮短反應(yīng)時(shí)間。催化劑：主要成份：NiO，通過反應(yīng)罐中產(chǎn)生的還原性氣體還原生成有催化作用的活性鎳。催化劑載體：多孔氧化鋁泡沫磚。通過浸泡催化劑溶液后烘干獲得。工業(yè)中應(yīng)防止觸媒“中毒”（指觸媒表面受某種物理或化學(xué)作用而失去催化作用）?！爸卸尽蓖ǔＪ怯捎诜e聚“碳黑”引起的。可通過燃燒去掉觸媒上的碳黑而恢復(fù)其催化功能。恢復(fù)中毒催化劑催化功能方法：1）取出放在箱式爐內(nèi)加熱到850左右，燒掉碳黑。2）向反應(yīng)罐通入空氣，同時(shí)控制反應(yīng)罐內(nèi)溫度，該溫度根據(jù)反應(yīng)罐內(nèi)碳黑量多少進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)碳黑較多時(shí)，反應(yīng)罐內(nèi)溫度控制在700-800左右；而當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)碳黑較少時(shí)，則控制在850左右。3）燒碳黑時(shí)間根據(jù)反應(yīng)罐排出氣體中CO、CO2量確定，當(dāng)排出氣體中CO含量趨近于零、CO2含量小于1%時(shí)即可結(jié)束燒碳黑。燒碳黑周期：一般1次/周。3.制備流程原料氣經(jīng)減壓閥、流量計(jì)和壓力調(diào)節(jié)閥進(jìn)入混合器，同時(shí)空氣經(jīng)過過濾器和流量計(jì)也進(jìn)入混合器在混合器內(nèi)混合的氣體由泵鼓入反應(yīng)罐在1000-1050的反應(yīng)罐內(nèi)在鎳基催化劑作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成吸熱式氣氛吸熱式氣氛通過冷卻器冷卻（反應(yīng)罐出來的高溫氣體必須快冷到300以下，否則在400-700之間氣氛會(huì)發(fā)生如下反應(yīng)：2CO=C+CO2；CH4=C+2H2而產(chǎn)生碳黑，引起氣氛成分變化）通入爐內(nèi)使用。4.制備裝置構(gòu)成制備吸熱式氣氛系統(tǒng)非常復(fù)雜，大致由以下幾部分組成：1）氣體管路和混合系統(tǒng)原料氣管路主要有減壓閥、壓力繼電器、電磁開關(guān)、零壓閥（或壓力調(diào)節(jié)閥）等組成。零壓閥作用：確保原料氣和空氣壓力在混合時(shí)保持平衡，從而保證混合比例穩(wěn)定。壓力繼電器作用：確保原料氣壓力不低于某一要求值，當(dāng)?shù)陀谠撘笾禃r(shí)，壓力繼電器將斷開，關(guān)閉管路?；旌舷到y(tǒng)中設(shè)有混合器，確保原料氣和空氣在容器內(nèi)混合均勻。2）動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)作用：通過泵將混合氣供入反應(yīng)罐內(nèi)。泵通常是羅茨泵，它是一種定量泵，不能根據(jù)管路氣體壓力調(diào)整流量，因此常設(shè)一旁通回路，跨在泵的進(jìn)、出氣端管路上，由旁通閥控制。當(dāng)輸出端壓力增大到一定值時(shí)，旁通閥即自行開啟，使泵鼓出的氣體經(jīng)旁通閥返回供氣端，以防泵因氣壓過大而著火。泵有時(shí)也使用葉片泵。3）反應(yīng)系統(tǒng)：由反應(yīng)罐、加熱爐和冷卻器組成。4）安全系統(tǒng)主要有單向閥、放散閥、防爆閥和火焰逆止閥等。單向閥起限定混合氣體單向流動(dòng)作用。放散閥起排除管道內(nèi)過量氣體作用。當(dāng)氣體壓力過大時(shí)，放散閥自行開啟。防爆閥是混合氣體燃燒爆炸時(shí)的應(yīng)急閥門，爆炸氣體可將該閥鼓開，從而保護(hù)管路?；鹧婺嬷归y的作用是當(dāng)管道發(fā)生回火時(shí)，自動(dòng)截止氣體管道。5.爐內(nèi)吸熱式氣氛發(fā)生器近年來，日本中外爐公司、英國Wellman和美國Surface公司成功研制了用于密封箱式爐爐內(nèi)吸熱式氣氛發(fā)生器。該發(fā)生器直接裝在工藝溫度在800-950熱處理爐上，由于催化劑產(chǎn)氣能力高、避免了保護(hù)氣體二次加熱，因而使運(yùn)行成本降低20%左右。二.放熱式可控氣氛1.制備原理如前所述，放熱型氣氛是由原料氣（液化石油氣、煤氣或其它氣體燃料）與較多的空氣（n=0.5-0.95）不完全燃燒產(chǎn)生。以丙烷為例：完全燃燒：C3H8+5O2+18.8N2=3CO2+4H2O+18.8N2+Q，1份丙烷產(chǎn)氣（3+18.8）=21.8氣體（H2O在冷凝中除去）。不完全燃燒：2C3H8+3O2+11.28N2=6CO+8H2+11.28N2+Q，產(chǎn)氣量為2：（6+8+11.28）=1：12.64。根據(jù)上述反應(yīng)式可見：1）通過改變空氣加入量，可以獲得不同CO/CO2比值的氣氛。空氣加入量少時(shí)，CO/CO2比值大，制得的氣氛氧化性、脫碳性弱；反之，如果空氣加入多，CO/CO2比值小，氣氛氧化性、脫碳性強(qiáng)。2）空氣加入量越多，發(fā)生完全燃燒的比例越高，單位體積丙烷氣產(chǎn)生的氣體量越多，反之越少。2.制備流程原料氣與空氣混合羅茨泵送到燒嘴在燃燒室內(nèi)燃燒及裂解，未燃燒部分與原料氣通過催化劑完全反應(yīng)反應(yīng)產(chǎn)物通入冷凝器中除水視情況決定是否凈化放熱型氣氛。9.3碳勢和氧勢測量與控制一.鋼在爐氣中的氧化還原反應(yīng)（P121）1.鋼在CO2-CO氣氛中的反應(yīng)1）氧化還原反應(yīng)鋼在CO2-CO氣氛中將發(fā)生如下可逆氧化-還原反應(yīng)：Fe+CO2=FeO+CO，其反應(yīng)速度和方向取決于CO/CO2比值和溫度，反應(yīng)方向可用平衡常數(shù)來判斷。2）平衡常數(shù)表示方法設(shè)一定溫度下反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)氣氛中各氣體濃度不再發(fā)生變化，則反應(yīng)平衡常數(shù)KP1=PCO/PCO2 =CO/CO2=（CO）/（CO2），式中：PCO、PCO2分別為氣氛中CO和CO2氣體分壓；CO、CO2分別為氣氛中CO和CO2氣體濃度；（CO）、（CO2）分別為氣氛中CO和CO2氣體體積百分含量。3）平衡常數(shù)確定方法平衡常數(shù)與溫度有關(guān)，一定溫度下的KP1是個(gè)定值，有下述兩種確定方法：方法一：通過實(shí)驗(yàn)測定PCO、PCO2 ，CO、CO2或（CO）、（CO2），通過計(jì)算得到。方法二：通過熱力學(xué)反應(yīng)自由能計(jì)算得到：假設(shè)某溫度下上述反應(yīng)自由焓變?yōu)镚0，則由G0=-RTlnKP1可計(jì)算出KP1，研究表明，KP1可用下述公式計(jì)算，即：lgKP1=-966.7/T+1.1554）用平衡常數(shù)判定反應(yīng)方向根據(jù)某溫度下KP1和混合氣中CO和CO2實(shí)際濃度比，可判別反應(yīng)方向：即當(dāng)（CO）/（CO2）KP1時(shí)，氣氛為還原性氣氛，上述反應(yīng)向左進(jìn)行；當(dāng)（CO）/（CO2）600），當(dāng)氧化鋯兩側(cè)氧濃度不同時(shí)，高濃度側(cè)氧分子奪取鉑電極上自由電子，以離子形式通過“氧空穴”達(dá)到低濃度側(cè)，經(jīng)鉑電極釋放出多余電子，從而形成氧離子流,在氧化鋯管兩側(cè)產(chǎn)生氧濃差電池。在兩極上的反應(yīng)為：陰極：O2+4e-2O2-，陽極：2O2-4e-O2，兩極間產(chǎn)生的濃差電勢E可用能斯特公式計(jì)算：E=，式中：R為氣體常數(shù)（8.314J.mol-1.K-1），n為參加反應(yīng)電子數(shù)（n=4），F(xiàn)為法拉第常數(shù)（96500J.V-1.mol-1 ），T絕對溫度（氧化鋯氧濃差電池的實(shí)際工作溫度），PO2為參比氣體氧濃度（采用空氣時(shí)=0.21105Pa），PO2為待測氣體氧濃度。因此，T（探頭的溫度）一定時(shí)，根據(jù)測得的電動(dòng)勢E，即可求得被測氣體的氧分壓PO2。根據(jù)氧分壓與碳勢的關(guān)系，即可獲得氣氛的碳勢。下圖為丙烷為原料氣的吸熱型氣氛氧探頭輸出量與碳勢的關(guān)系示意圖。3）氧探頭特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，反應(yīng)迅速（一般小于1s），可以測量由于氣體成分變化而引起的微小碳勢變化。（但氧探頭壽命短，成本較高。工程師認(rèn)證書）本章小結(jié)1.什么是可控氣氛？在熱處理爐生產(chǎn)中常用可控氣氛有哪些？可控氣氛指成分和性質(zhì)可適當(dāng)控制的氣體，包括反應(yīng)生成氣氛、分解氣氛和單元素氣氛（或通過降低空氣與原料氣混合比可調(diào)整氣氛中CO和CO2、H2和H2O、H2與CH4的相對量，即調(diào)整氣氛碳勢，因此稱這種氣氛為可控氣氛）。在熱處理爐生產(chǎn)中常用可控氣氛包括吸熱式氣氛、放熱式氣氛、氨分解氣氛、滴注式氣氛、氮基氣氛和氫氣等。2.什么是吸熱式氣氛？吸熱式氣氛有哪些用途？燃料氣與少于或等于理論空氣需要量一半的空氣在高溫及催化劑作用下，發(fā)生不完全燃燒生成的氣氛。因反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不足以補(bǔ)償系統(tǒng)的吸熱和散熱（即不能維持反應(yīng)溫度），須借助外部熱量維持反應(yīng)的進(jìn)行，故稱為吸熱式氣氛。用途：1）吸熱式氣氛碳勢約0.4%，對低碳鋼是還原性和滲碳性氣氛。2）吸熱式氣氛主要用于滲碳載氣、中高碳鋼加熱時(shí)的保護(hù)氣氛（光亮淬火），但不宜作為高鉻鋼和高強(qiáng)度鋼的保護(hù)氣氛，因?yàn)樘寂c鉻反應(yīng)生成碳化物會(huì)使高鉻鋼貧鉻；氣氛中的氫易導(dǎo)致高強(qiáng)度鋼氫脆。3）吸熱式氣氛經(jīng)過再處理除去CO和CO2后獲得的以H2和N2為主的氣氛可用于不銹鋼和硅鋼光亮加熱保護(hù)氣氛。3.什么是放熱式氣氛？放熱式氣氛有何用途？原料氣與理論空氣需要量一半以上的空氣不完全燃燒的產(chǎn)物。因反應(yīng)放出的熱量足以維持反應(yīng)進(jìn)行而不需外加熱源，故稱為放熱型氣氛。1）濃型放熱式氣氛是還原性、弱脫碳性氣氛，常用于低、中碳鋼光亮淬火保護(hù)氣氛；2）淡型放熱式氣氛是為微氧化性和脫碳性氣氛，常用于低碳鋼和銅光潔加熱保護(hù)氣氛；3）凈化型放熱式氣氛由于氣氛中氧化性、脫碳性成分CO2被去除，主成分由氮?dú)夂鸵欢康腃O和H2組成，屬于還原性氣氛，可用于中高碳鋼光亮加熱保護(hù)氣氛；4）凈化型氣氛再加少量富滲碳?xì)?，可用作高碳鋼保護(hù)氣氛和