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1、直生式天然气可控气氛在热处理中的应用日期：2006-2-618:13:44人气：3阅读积分：0摘要:对直生式天然气可控气氛在周期式多用炉和连续式气体渗碳炉中的应用研究表明,采用天然气加空气直生式气氛用于零件的渗碳和气体保护是可行的。关键词:渗碳;控制气氛;试验;应用中图分类号:TG156.99 文献标识码:B 文章编号:1000-3762(2002)10-0014-041 前言采用可控气氛是热处理技术上的一大进步。国外先进国家100%采用了可控气氛热处理,而我国目前尚不足20%。作为热处理可控气氛,大多采用吸热式气氛、氮基(N2)气氛
2、和滴注式气氛。20世纪90年代,德国易卜森公司首先推出了所谓直生式可控气氛热处理技术,即将丙烷加空气、丙酮加空气等直接通入热处理炉内进行可控气氛热处理,也称为超级渗碳或超级热处理。但是,将天然气加空气直接通入炉内生成直生式气氛,国内外尚属罕见。天然气是以甲烷为主的可燃气体。甲烷(CH4)与丙烷(C3H8)、丁烷(C4H10)一样,都可以与适量空气混合,在高温下裂解为热处理可控气氛所需的气体:(CO、H2和N2)。具体反应如下:甲烷2CH4+O2+3.8N22CO+4H2+3.8N2 丙烷2C3H8+3O2+11.4N26CO+8H2+11.
3、4N2 丁烷C4H10+2O2+7.6N24CO+5H2+7.6N2 由此可见,天然气用于热处理可控气氛是可能的。2 气氛控制方法和控制仪器的选择收稿日期:2001-12-20作者简介:陶惠芳(1964-),女,西北轴承股份有限公司技术中心质保部技术室主任,高级工程师,主要从事轴承质量检验工作。2.1 气氛控制方法在天然气直生气氛中,以一定比例的天然气加空气作载体气,再通入少量可控制量的天然气作富化气进行碳势控制。通过自动控制天然气的通入量,使炉内保持所要求的碳势进行各种热处理。2.2 气氛控制仪的选择红外线仪是通过测量气氛中的CO2和C
4、O含量来确定碳势的,其数学模型计算公式[1]为Cp=Kp[PCO]2PCO2(1)式中 Cp碳势Kp化学平衡常数PCO气氛中CO分压PCO2气氛中CO2分压此种关系在CH4含量小于2%时是稳定的。CH4是一种强渗碳剂,当CH4含量大于2%时,由于(1)式未考虑CH4之影响,所以红外仪就不能使用。直生式气氛是一种非平衡性气氛,气氛中CH4含量一般都大于2%,所以红外仪就不能用来控制其碳势。氧探头碳控仪是目前常用的比较精确而适用的碳势控制仪,它适用于各种气氛,在它的数学模型计算公式[2]中可以包括各种气体成份的影响,即Cp=KpKCOP1/2O2
5、(2)其中PO2=2.12×10-4×10-(E/4.495×10-2T)式中 PO2气氛的氧分压 E氧浓差电势ISSN1000-3762CN41-1148/TH 轴承Bearing T绝对温度由文献[3]得E=0.0496×Tlog0.2091PCOKp2Kp3C·cont2(3)式中Kp2=PCOP2H2PCH4P1/2O2Kp3=PCOP3H2PCH4PH2O式中 C碳在奥氏体中的活度cont炉内渗碳反应平衡常数PH2气氛中氢分压PCH4气氛中甲烷的分压PH2O气氛中水分压从上面各公式不难看出,氧电势数学模型中考虑了CO、O2、H2
6、、H2O、CH4各种气氛成份的影响,它对各种气氛都是适用的。所以在试验中采用了氧探头碳控仪作为碳势控制仪器。3 周期炉试验3.1 试验装置周期炉试验和气氛控制装置示意图如图1所示。压缩空气经过减压阀、流量计通入炉内。天然气通过过滤器分两路流过流量计与空气混合后图1 周期炉试验装置示意图一起进入炉内,一路经过手动阀通入常量天然气,另一路通过电磁阀控制添加一定量的天然气。电磁阀的开闭由碳势控制仪控制,以保证炉内碳势控制在设定值。本控制系统采用工控机IPC-610/486DX/100、打印机和UPS电源等,并由智能碳势控制仪表通过通讯(RS-422
7、)与主机组成集散式控制系统,整个系统输入输出均采用光电隔离技术3.2 氧电势和碳势的关系由于目前市售的氧探头碳控仪只是按照甲醇、丙酮气氛来标定的,CH4的影响仍没有充分考虑,其主要表现就是氧电势和碳势的关系不一致。所以对于天然气加空气这种直生式气氛,数学模型尚需进一步修改。直生式天然气可控气氛试验首先要试验氧电势和炉内实际碳势的关系,才能对炉内气氛进行控制。根据试验,炉内实际碳势和氧电势关系列于表1和表2。表1 940℃时碳势和氧电势的关系炉内碳势/%1.2161.1301.0721.010.960.860.780.71炉内氧电势/mV119
8、61186117611701164111511491143现行仪表对应氧电势/mV11441140113511311127112111141108表2 850℃时碳
