10.4 可控气氛在线视频

最后 我们学习一下第四小节

可控气氛

为了使工件在热处理过程中

不被或者少被氧化和脱碳

保持光亮或光洁的表面

或者为了实现某种化学热处理

需要使用可控气氛

或称保护气体

气体与金属之间的化学反应

及变化规律是制备和应用

可控气氛的理论依据

关于金属氧化 脱碳的

主要化学反应已在第六章讲述过

其中 所介绍的各个平衡图

是实际使用中的重要参考

但是 由于以下几方面的原因

那些平衡图并不能满足

各种情况下具体的定量要求

这些原因是

一 热处理过程中

各个化学反应不一定能达到

化学平衡的程度

二 钢铁工件中各种合金元素

对化学反应会产生影响

三 各种化学反应之间

存在着相互影响

四 炉子不严密

炉子漏气会对炉内气氛造成影响

因此 在生产中

往往要针对具体设备和工艺

进行摸索和实验

碳势和露点是保护气体的

两个重要参数

碳势指的是在一定温度下

钢与炉气反应达到动态平衡

既不脱碳 也不增碳

此时 钢表面含碳量

就是该气氛在该温度下的碳势

例如 在900摄氏度时

CO为80% CO2为20%的炉气

与含碳0.1%的钢相互平衡

则称CO 80% CO2 20%的炉气

900摄氏度时的碳势为0.1%

在一定温度下

一定成分的炉气氛

其碳势是一定的

在可控气氛中进行热处理时

必须对气氛的碳势进行严格控制

在炉子正式使用前

必须直接测定气体成分

与碳势之间的关系

实测时 将生产中所用的

钢铁材料试样

放在可控气氛的恒温中

经过较长时间

约1到4个小时

达到平衡后取出试样

用剥层分析法

确定表面含碳量

这个含碳量便是这个气氛

在该温度下的碳势

在各种温度和气体成分条件下

进行一系列测定

便可得到实际的经验平衡线

然后 再用到生产上去

露点是指水蒸气和其他气体的混合物

在逐渐冷却到一定温度时

水汽凝结成液态水

这个温度就是这个混合物的露点

水蒸气的含量越低

露点也就越低

为了使钢铁工件不被氧化脱碳

还需要控制可控气氛的露点

对于有些类型的可控气氛

可以通过露点去控制碳势

这是因为有水煤气反应

二氧化碳与氢气可逆反应

生成一氧化碳和水蒸气

可见 降低水蒸气含量

必然使得二氧化碳的含量也降低

所以 把露点控制住

也就等于把碳势控制住了

用于热处理的可控气氛种类较多

在冶金和机械工业中

常用的可控气氛有

放热式气氛 吸热式气氛

氨分解气氛 氢气和工业氮气等

这是几种可控气氛的一览表

其中标明了气氛的名称

组分和用途

所谓放热式气氛

是将可燃的原料气

如液化石油气 天然气 煤气等

与空气按一定比例混合

空气消耗系数一般为0.3到0.9

送入燃烧室进行不完全燃烧

并使燃烧产物迅速冷却

除水后得到的一种气氛

在这样的空气消耗系数下

燃烧所产生的热量

足以维持燃烧过程的进行

不需要从外界供热

所以 这样制备的气氛

叫做放热式气氛

放热式气氛是可控气氛中

最便宜的一种

因为其发生器结构简单

制备方便 产气量大

在空气消耗系数较大的情况下

得到的气体叫做贫气

它的成分举例如下

二氧化碳等于10.5%

一氧化碳等于1.5%

氢气等于1.2%

水蒸气等于0.8%

氮气等于86%

这种气体中

二氧化碳与一氧化碳的比值

和水蒸气和氢气的比值较高

通常只用作铜和铜合金的光亮退火

在空气消耗系数较小的情况下

得到的气体叫做富气

它的成分举例如下

二氧化碳等于5%

一氧化碳等于11%

氢气等于14%

氮气等于70%

露点为4摄氏度

相当于水蒸气含量为0.8%

这种气体仅用于低碳钢的退火

粉末冶金烧结等

为了进一步扩大放热式气氛的

应用范围

可通过净化处理

将其中的二氧化碳及水蒸气排除

下面是净化后

放热式气氛的举例

二氧化碳等于0.05%

一氧化碳等于1.5%

氢气等于1.2%

剩余的为氮气

露点为-50摄氏度

相当于水蒸气含量为0.0039%

这种气体的水蒸气和二氧化碳

相对含量较低

可用于高中低碳钢的光亮处理

在有催化剂的情况下

使净化放热式气体中的一氧化碳

与水蒸气反应

生成二氧化碳及氢气

并除去二氧化碳

便制成不含碳分的气体

这种气体称为再处理的放热式气氛

它是马口铁退火的

不可缺少气氛

用这种气氛处理过的金属很美观

它还适用于硅钢 不锈钢

和黄铜的热处理

所谓吸热式气氛

是在空气消耗系数为

0.25至0.27的条件下

将空气与可燃原料气混合后

通入装有催化剂的反应罐中

进行燃烧反应而制成的可控气氛

在这样低的空气消耗系数下

燃烧反应所产生的热量

已经不能维持燃烧过程的正常运行

而需要外部供热

使反应罐维持在

960到1050摄氏度的温度

所以 这样制备的气氛

叫做吸热式气氛

下面是吸热式气氛成分的举例

二氧化碳等于0.4%

一氧化碳等于23%

氢气等于30.4%

甲烷约等于1%

氮气等于44.6%

露点为-20摄氏度

相当于含水蒸气0.102%

放热式气氛正是由于其中

二氧化碳和水蒸气的含量极低

而一氧化碳和氢气的含量高

而且有少量甲烷存在

所以 可保护高 中碳钢

在热处理时不被氧化和脱碳

与放热式气氛相比

吸热式气氛的价格稍贵些

而且与空气接触时易爆炸

炉温较低时易产生碳黑

为扩大吸热式气氛的应用范围

可将它再次和水蒸气混合

在有催化剂作用的情况下

将一氧化碳转变为二氧化碳

然后排除二氧化碳和水蒸气

这样制备的气氛称作

再处理的吸热式气氛

其主要成分是氮气和氢气

可用于各种金属表面氧化物的还原

以及不锈钢 硅钢 高铬镍钢的

光亮与退火

生产上对于高铬镍钢 硅钢

耐热钢等的光亮热处理

往往使用氢气或氨分解气氛

氨分解气氛是将氨气分解得到的

将氨气通入装有催化剂的反应罐内

在700至800摄氏度下

氨气发生分解

反应方程为两个氨气

生成三个氢气和一个氮气

从反应方程中不难看出

分解气的成分为75%的氢气

和25%的氮气

氮气是中性气体

所以 氨分解气和氢气一样

具有较强的还原性

由于气氛中没有甲烷

所以 下面这个反应只能向左进行

也就是说钢被脱碳

但这个脱碳反应速度很低

而且脱碳的生成物是甲烷

气氛中只要有少量的甲烷

就能阻止脱碳的进行

因此 这种气氛可用于高 中

低碳钢的光亮退火

氢气 是最早使用的保护气体

现在它的应用仍很广泛

氢气最常用的工业制备方法

是水电解法

制备的氢气纯度可达98%至99.9%

用量较大的工厂

会专门设置制氢车间

氢气具有很强的还原性

主要用于不锈钢 硅钢

和某些合金钢的退火

氢气中水含量的控制

随钢种的要求而异

现以硅钢和不锈钢为例加以说明

处理硅钢时

一是使硅钢最大限度的脱碳

二是要防止氧化

为了脱碳要在气氛中加入水蒸气

但水蒸气含量过高

又有发生氧化的可能

为此 需将水蒸气与氢气的比值

控制在0.5至0.3范围内

这个比值相当于露点为

40到70摄氏度

气体加湿的方法

是将气体通过一定温度的热水箱

控制水温

即可有效的控制气体的湿度

但在不锈钢光亮处理时

露点要求很低

例如处理铬17和一铬18镍9的

不锈钢时

露点必须低于-35摄氏度

此外 由于有些元素

如铬 铝 钛与氧的亲和力极强

所以要求气氛中含氧量极低

甚至低于百万分之十

工业氮是制氧站的主要副产品

氮气是一种中性气体

具有无毒 不燃烧 不爆炸的特点

是用途广泛的保护气体

但氮气中的氧含量超过0.001%时

就会使钢产生氧化和脱碳

因此 在一般热处理炉中

不适用单一的气体来保护

而是在氮气中添加少量的

还原性气体

如一氧化碳与氢气

以防止氧化的发生

氮气主要用于各种碳钢的光亮退火

正火 淬火和回火

可控气氛炉对耐火材料

有一定的要求

可控气氛炉所用耐火材料的

氧化铁含量必须很低

这是因为可控气氛中的氢气

和一氧化碳在高温下

与砖中的氧化铁

四氧化三铁 氧化亚铁

发生还原反应

新生成的化合物

使耐火砖膨胀

从而使砖体剥落

除此之外

还消耗可控气氛中的一氧化碳

氢气 生成水蒸气和二氧化碳

使炉气成分遭到破坏

所以 将耐火砖中氧化铁含量

控制在一定范围内是完全有必要的

我国耐火材料厂

在生产这类耐火砖时

一般将氧化铁的含量

控制在0.5%以下

以上 就是本门课的全部内容

谢谢大家