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热处理炉为什么要进行气体分析?碳势控制和气体分析仪器又有那些关系?

发布时间: 2021-06-11  点击次数: 47次

热处理是指材料在固态下,通过加热、保温和冷却的手段,以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。简单来说就是“四把火”,分别是“正火、退火、回火、淬火”其作用是:

  • 去除毛坯的内应力。多用于铸件、锻件、焊接件。
  • 改善加工条件,使材料易于加工。如退火、正火,等。
  • 提高金属材料的综合机械性能。如,调质处理。
  • 可以提高材料硬度。如,淬火,渗碳淬火

总的来说就是消除毛坯件的各种应力缺陷,改善其工艺性能,为后续工序加工做好准备,显著提高坯件的力学性能,提高其使用性能和使用寿命。所以热处理是锻造时不可少的环节之一。

一、热处理炉

由于热处理工艺种类和热处理工件形状尺寸的多样性,热处理炉炉型和构造也呈现各式各样,热处理炉分类方法很多:

  • 按照最高温度分:炉温大于1000℃为高温热处理炉;650~1000℃为中温热处理炉;650℃以下为低温热处理炉。
  • 按照主要热处理工艺种类分:固溶、淬火、正火、回火、退火和渗碳等化学热处理炉。
  • 按照加热热源分:有以燃料燃烧为热源的燃煤炉、燃油炉和燃气炉;此外还有以电能为热源的电阻炉、电极炉、感应加热炉等
  • 按炉内加热介质分:以气体为加热介质的,如空气、烟气、控制气氛、真空等;以液体为加热介质的,如熔盐、熔铅等;以固体为加热介质的,如流动粒子炉等。

 

二、热处理和气体分析监测的关系

说到这里不得不提到热处理气氛控制,气氛控制是指加热金属时为了保护金属表面和调节金属表面化学成分而使用的成分可以控制的气体。热处理生产技术重点发展的方向之一是可控气氛热处理。尤其是碳素钢和一般合金结构钢件的光亮淬火、退火、渗碳淬火、碳氮共渗淬火、气体氮碳共渗仍以可控气氛为主要手段。所以可控气氛热处理仍是先进热处理技术的主要组成部分。

 

可控气氛主要有吸热式气、放热式气、氮基气氛、氨分解气、滴注分解气、氢和木炭气

 

2.1吸热式气

在发生器中,把天然气、液化石油气等气体与一定比例的空气混合(当空气量较少时,混合气体先部分燃烧),再通过加热到高温(1000℃以上)的催化剂,使混合气体的未燃部分热裂解(吸热反应)而制得。吸热式气是一种应用最广的可控气氛。把它作为运载气体,将适量的富化气(甲烷或丙烷)带入加热炉内,就可以使低碳钢件表面渗碳,使碳含量达到规定的要求。控制富化气的添加量,便能控制炉气的碳势。

2.2放热式气

在发生器中,把天然气液化石油气等气体燃料或酒精、柴油等液体燃料与较多的空气混合,使它接近于完全燃烧(放热反应),再对燃烧产物进行初步净化(除水)或高度净化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的气体。放热式气可用于低碳钢的光亮退火、硅钢片的脱碳退火、中碳钢、高碳钢的光亮淬火、粉末冶金的烧结和气体氮碳共渗等。净化放热式气氛还可用于不锈钢的退火和钎焊保护,或作为渗碳时的运载气体等。

2.3氮基气氛

常用的是将制氧过程中产生的工业氮经净化(除氧或空气)后得到的高纯氮气,也可以是将液氮蒸发得到的气体。氮基气氛可用于加热保护,也可以加入甲醇等使其成分接近吸热式气氛,作为渗碳时的运载气体,再加入富化气(如丙烷等)即可渗碳。它的优点是可以节约天然气、液化石油气等,碳势也可控制。

2.4氨分解气

氨在一定温度和催化剂作用下可完全分解为 3个体积的氢和 1个体积的氮,形成氨分解气。也可以把氨和空气混合进行部分燃烧,然后除水净化得到氨燃烧气(主要成分是氮)。这两种气氛都含氢,属于氢-水类型的混合气体。多用于不锈钢高速钢的热处理和粉末冶金的烧结。因氨较贵,故制备成本较高。

2.5滴注分解气

使钢表面的碳浓度可以控制的滴注式渗碳所产生的分解气也属于可控气氛。这就是60年代初期提出的卡博马格法。其原理是:往炉中滴入两种有机液体,在炉中发生热裂解,以一种液体(如甲醇)的热裂解气作为运载气体,以另一种(如醋酸乙酯)的热裂解气作为富化气体来实现钢的渗碳,并靠调节第二种液体的滴入量来达到控制炉气碳势的目的。这种方法的优点是不用气体发生炉,设备结构简单,适于批量生产氢,氢是还原性气体。绝对干燥的氢是难以制备的,因此使用的氢实际上是微量水和氢的混合气体。金属在氢中加热时是氧化或是还原取决于水与氢的比值。但用氢保护加热不能绝对防止钢的脱碳。不锈钢和硅钢片的退火、粉末冶金的烧结铁粉还原,都可以在氢气中进行。

 

2.6木炭气

用鼓风机把空气吹入发生炉中,空气与炽热的木炭反应所产生的煤气即木炭气。其主要成分是一氧化碳和二氧化碳。一氧化碳是还原性气体,二氧化碳是氧化性气体。钢在这种混合气中加热时,气氛的氧化和还原能力取决于CO2/CO比值。调节这个比值就可以使钢达到无氧化无脱碳效果。木炭气可用于钢的保护加热。

三、气体分析监测系统在热处理中的实际应用

炉气的碳势是指某一温度下炉气与钢表面奥氏体中的碳量相平衡时的碳量,简单地可理解为是炉气渗碳能力的表征;与炉气成分及温度有关,它的高低反映了炉气渗碳能力的强弱。 渗碳气体的渗碳能力(碳势)是由其所含气体成分(如一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、氧气等的配比)所决定的。

 

无论使用何种热处理气氛控制,都对气体的组份浓度含量,有着非常严格的控制,通常是通过测定其中某一组分的含量(如水蒸气、二氧化碳、氧气)来提供信号给控制系统,及时调节供气成分来改变炉内碳势。

 

诺科仪器的NK-500系列红外线气体分析系统,可根据企业被测气氛的特性和工艺要求,进行模块化定制,可实现一套系统同时、连续、在线的检测各路气氛,解决了传统测量的弊端。可实时监测各式热处理炉内真实气氛组份(CO、CO2、CH4)等气体浓度含量、氧电势、碳势等,是帮助现场工程师分析炉气成分,排除故障,优化工艺的强大助手。

 

热处理是指材料在固态下,通过加热、保温和冷却的手段,以获得预期组织和性能的一种金属热加工工艺。简单来说就是“四把火”,分别是“正火、退火、回火、淬火”其作用是:

  • 去除毛坯的内应力。多用于铸件、锻件、焊接件。
  • 改善加工条件,使材料易于加工。如退火、正火,等。
  • 提高金属材料的综合机械性能。如,调质处理。
  • 可以提高材料硬度。如,淬火,渗碳淬火

总的来说就是消除毛坯件的各种应力缺陷,改善其工艺性能,为后续工序加工做好准备,显著提高坯件的力学性能,提高其使用性能和使用寿命。所以热处理是锻造时的环节之一。

一、热处理炉

由于热处理工艺种类和热处理工件形状尺寸的多样性,热处理炉炉型和构造也呈现各式各样,热处理炉分类方法很多:

  • 按照最高温度分:炉温大于1000℃为高温热处理炉;650~1000℃为中温热处理炉;650℃以下为低温热处理炉。
  • 按照主要热处理工艺种类分:固溶、淬火、正火、回火、退火和渗碳等化学热处理炉。
  • 按照加热热源分:有以燃料燃烧为热源的燃煤炉、燃油炉和燃气炉;此外还有以电能为热源的电阻炉、电极炉、感应加热炉等
  • 按炉内加热介质分:以气体为加热介质的,如空气、烟气、控制气氛、真空等;以液体为加热介质的,如熔盐、熔铅等;以固体为加热介质的,如流动粒子炉等。

 

二、热处理和气体分析监测的关系

说到这里不得不提到热处理气氛控制,气氛控制是指加热金属时为了保护金属表面和调节金属表面化学成分而使用的成分可以控制的气体。热处理生产技术重点发展的方向之一是可控气氛热处理。尤其是碳素钢和一般合金结构钢件的光亮淬火、退火、渗碳淬火、碳氮共渗淬火、气体氮碳共渗仍以可控气氛为主要手段。所以可控气氛热处理仍是先进热处理技术的主要组成部分。

 

可控气氛主要有吸热式气、放热式气、氮基气氛、氨分解气、滴注分解气、氢和木炭气

 

2.1吸热式气

在发生器中,把天然气、液化石油气等气体与一定比例的空气混合(当空气量较少时,混合气体先部分燃烧),再通过加热到高温(1000℃以上)的催化剂,使混合气体的未燃部分热裂解(吸热反应)而制得。吸热式气是一种应用最广的可控气氛。把它作为运载气体,将适量的富化气(甲烷或丙烷)带入加热炉内,就可以使低碳钢件表面渗碳,使碳含量达到规定的要求。控制富化气的添加量,便能控制炉气的碳势。

2.2放热式气

在发生器中,把天然气液化石油气等气体燃料或酒精、柴油等液体燃料与较多的空气混合,使它接近于完全燃烧(放热反应),再对燃烧产物进行初步净化(除水)或高度净化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的气体。放热式气可用于低碳钢的光亮退火、硅钢片的脱碳退火、中碳钢、高碳钢的光亮淬火、粉末冶金的烧结和气体氮碳共渗等。净化放热式气氛还可用于不锈钢的退火和钎焊保护,或作为渗碳时的运载气体等。

2.3氮基气氛

常用的是将制氧过程中产生的工业氮经净化(除氧或空气)后得到的高纯氮气,也可以是将液氮蒸发得到的气体。氮基气氛可用于加热保护,也可以加入甲醇等使其成分接近吸热式气氛,作为渗碳时的运载气体,再加入富化气(如丙烷等)即可渗碳。它的优点是可以节约天然气、液化石油气等,碳势也可控制。

2.4氨分解气

氨在一定温度和催化剂作用下可完全分解为 3个体积的氢和 1个体积的氮,形成氨分解气。也可以把氨和空气混合进行部分燃烧,然后除水净化得到氨燃烧气(主要成分是氮)。这两种气氛都含氢,属于氢-水类型的混合气体。多用于不锈钢高速钢的热处理和粉末冶金的烧结。因氨较贵,故制备成本较高。

2.5滴注分解气

使钢表面的碳浓度可以控制的滴注式渗碳所产生的分解气也属于可控气氛。这就是60年代初期提出的卡博马格法。其原理是:往炉中滴入两种有机液体,在炉中发生热裂解,以一种液体(如甲醇)的热裂解气作为运载气体,以另一种(如醋酸乙酯)的热裂解气作为富化气体来实现钢的渗碳,并靠调节第二种液体的滴入量来达到控制炉气碳势的目的。这种方法的优点是不用气体发生炉,设备结构简单,适于批量生产氢,氢是还原性气体。绝对干燥的氢是难以制备的,因此使用的氢实际上是微量水和氢的混合气体。金属在氢中加热时是氧化或是还原取决于水与氢的比值。但用氢保护加热不能绝对防止钢的脱碳。不锈钢和硅钢片的退火、粉末冶金的烧结铁粉还原,都可以在氢气中进行。

 

2.6木炭气

用鼓风机把空气吹入发生炉中,空气与炽热的木炭反应所产生的煤气即木炭气。其主要成分是一氧化碳和二氧化碳。一氧化碳是还原性气体,二氧化碳是氧化性气体。钢在这种混合气中加热时,气氛的氧化和还原能力取决于CO2/CO比值。调节这个比值就可以使钢达到无氧化无脱碳效果。木炭气可用于钢的保护加热。

三、气体分析监测系统在热处理中的实际应用

炉气的碳势是指某一温度下炉气与钢表面奥氏体中的碳量相平衡时的碳量,简单地可理解为是炉气渗碳能力的表征;与炉气成分及温度有关,它的高低反映了炉气渗碳能力的强弱。 渗碳气体的渗碳能力(碳势)是由其所含气体成分(如一氧化碳、二氧化碳、水蒸气、氧气等的配比)所决定的。

 

无论使用何种热处理气氛控制,都对气体的组份浓度含量,有着非常严格的控制,通常是通过测定其中某一组分的含量(如水蒸气、二氧化碳、氧气)来提供信号给控制系统,及时调节供气成分来改变炉内碳势。

 

诺科仪器的NK-500系列红外线气体分析系统,可根据企业被测气氛的特性和工艺要求,进行模块化定制,可实现一套系统同时、连续、在线的检测各路气氛,解决了传统测量的弊端。可实时监测各式热处理炉内真实气氛组份(CO、CO2、CH4)等气体浓度含量、氧电势、碳势等,是帮助现场工程师分析炉气成分,排除故障,优化工艺的强大助手。

 

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