烧结钢烧结过程中的气氛控制

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1、烧结钢烧结过程中的气氛控制   及其对性能的影响   摘要：烧结气氛的正确选择及其控制对烧结后部件的性能至关重要，这里所谓的控制主要是指对气氛中氧及碳浓度（含量）的控制，因为两者均对烧结的质量及其后部件的力学性能、烧结表面质量等具有决定性的作用。本文综述了PM钢烧结过程中所用的不同的烧结气氛，阐述不同气氛的作用及其影响，着重分析不同气氛中碳势及氧浓度的控制，并举例说明。   关键词：烧结钢烧结气氛碳势氧分压   烧结气氛及其选择   如果仅考虑含碳钢的烧结，粉末冶金工业中所使用的烧结气氛为氢气、氮气、氮气+氢气（有碳势或无碳势）、分解氨、吸热

2、煤气、吸热煤气+氮气、合成煤气以及真空等，正确选择烧结气氛，需了解各种烧结气氛的特点及其性能，按照保证质量，降低成本的原则进行选取。   氢气是一种很强的还原性气氛，很多人认为氢气具有一定的脱碳作用，但这在很大程度上取决于所使用的氢气的纯度而不是氢气本身。一般经过电解或催化转化的氢气都含有一定量的杂质气体，如H2O，O2，CO及CH4等，有时总量可达0.5%左右。因此，使用前最好能对其进行干燥及纯化处理，使其含氧量及露点降低，但是因氢气的价格较高，除非有特殊理由，一般情况下很少使用纯氢作烧结气氛。   氮气是一种安全而廉价的惰性气体，但因纯氮

3、气在烧结温度下不具备还原性，所以在传统粉末冶金钢的生产中很少用纯氮气作烧结气氛。近年来随着氮气纯化成本的降低及烧结炉密闭性的提高，氮气亦开始被用作烧结气氛烧结含碳钢。   氮氢混合气近年来被越来越多地用于含碳钢的烧结中，氮/氢通常用在95/5-50/50之间，这种混合气具有一定的还原性，露点可以达到-60℃以下，一般来说，使用这种气体在1050-1150℃时需要加入一定量的CH4或C3H8以保持一定的碳势，而在1250℃以上烧结含碳钢，无需控制碳势，这种混合气可以用来在1120℃以下烧结含铬的铁基合金而不发生氧化。   分解氨是使氨气通过加热

4、的催化剂分解而成的，包括75%H2和25%N2。但一般来说分解氨中总是残存少量未分解的氨分子，当它们在高温下与热金属接触时会分解成活性很强的氢原子及氮原子，从而使金属氮化。近期的研究表明，如果控制得当，在1120℃时烧结AstaloyCrM，分解氨化90N2/10H2混合气具有更强的还原性，其主要原因在于这些在烧结过程中刚刚分解的活性氢原子，比90N2/10H2混合气中的氢气具有更强的还原性，可以有效还原AstaloyCrM颗粒外的氧化层，要纯化分解氨，可以使其通过水后并干燥之，或用活性氧化铝，或用分子筛将残留的氨全部除去。   吸热煤气是将

5、碳氢化物煤气（CH4或C3H8）与空气按一定比例混合，在900-1000℃预热，再经氧化镍触媒催化转化后得到的混合气体的一种。根据空气与煤气的比例不同，转化过程伴随着吸热或放热型反应，所得到的混合气体被相应的称为吸热煤气或放热煤气，其反应或如下：   CmHn+m(O2+3.774N2)—mCO+n/H2+1.887mN2   如果要上述反应完全进行，即CmHm中的所有C与空气中的O2刚好反应完毕，则所需要空气/煤气应为m/2(1+3.774)，即2.387m。比如，所使用的碳氢煤气是CH4，则所需的空气/煤气应为2.387，此时所产出的混合

6、气体中包括40.9%H2，38.6%N2及20.5%CO.图8给出CH4空气在不同比例下所得到的混合气体中不同气体的配比关系，由图可见，反应后混合气体中H2及CO的含量随着空气/煤气的增加而降低，但H2O及CO2的含量随之而增加，同时也说明反应后的混合气体中碳势随着空气/煤气的增加在降低以及氧化性能在增加，这也是为什么烧结含碳钢时很少用放热煤气而大部分用吸热煤气的主要原因，一般来讲，空气/煤气在2.0-3.0之间所产出的混合气体均被称为吸热煤气，而该比值大于5.0时所产出的混合气体均被称为放热煤气.图9给出了以CH4作为原料生产出的吸热煤气的

7、露点与空气/煤气之间的关系，可见空气/煤气仅从2.4升至2.5，产出的混合气的露点就从-25℃升到0℃以上。因此，如果用户自己生产吸热煤气时，应特别注意控制原料中空气与煤气的比例（最好不超过2.4）以得到具有足够低露点的吸热煤气。这里还应该提醒读者两点：一是图8中所给出的反应后的混合气体中，不同气体的比例对应的只是反应结束时的温度一般为（1000-1100℃）下的比例，反应结束后，如果气体的温度发生变化，则混合气体的碳势、露点及不同气体的比例都将发生变化，很粉末冶金生产厂家都是用一台放热煤气产生器通过管道为几个烧结炉同时供应所需的烧结气氛，气

8、氛在达到烧结炉之前温度已经降低。如果管道的保温性不好，管道壁的温度低于800℃，那么混合气中一部分碳要以碳黑的形式沉积在管道壁上。也就是说，当混合气在烧结炉中重新被