氮甲醇气氛介质流量的控制.doc

氮甲醇气氛炉介质流量的控制上海汽车变速器有限公司 热处理 工程师 朱永新前言氮甲醇气氛渗碳是以氮气为载体添加富化气的一种渗碳方法。相对于其他形式的可控气氛而言，氮甲醇渗碳具有碳势波动更稳定，产品质量更好，操作更安全等显著的优点。其缺点是设备需要消耗大量的氮气和甲醇，生产成本和碳排放量较高。通入过多的氮气和甲醇不仅会造成资源浪费，同时会造成大量的CO2气体排放影响环境。在不影响渗碳质量和速度的前提下，我厂经过一年多来的生产实践，大幅降低设备指导耗气量30%以上，节能减排大有潜力可以挖掘。1 渗碳介质比例的设定我厂使用的Aichlin多用炉，是典型的氮气+甲醇+丙烷的氮甲醇渗碳气氛，经高温裂解后主要产生CO,H2,N2等气体。热力学上，当温度超过700时，其主要介质甲醇按下式进行：裂解方程式为：CH3OHCO+2H2，每L液态甲醇产气量为1.66m3。40/60配比是最常用的氮甲醇气氛，实际应用时可以通过调节N2和CH3OH的比例来调整气氛的组成。设备厂家的指导流量：4.2+0.5L/h甲醇，4.5+1m3/h氮气比例，也是基于这一原则。根据这一气体组成，我们可以计算出炉膛内CO/H2/N2所占的比例：CH3OH CO + 2H2 4.2*1.66/3 2*4.2*1.66/3N2:4.5（氮气不参与化学反应）即：CO:H2:N2=2.3:4.6:4.5，气体主要成分组成接近为：20% CO+ 40% H2+ 40%N2。氧探头作为可控气氛在线碳势控制的主要手段，是通过测量炉内的氧分压高低，间接反映碳势的高低，其反应方程式为：COC+1/2O2。在气氛中的CO值恒定的前提下，若测出炉气中的可变氧量，可测定出炉气碳势，然后通过加入丙烷或空气的追加，达到控制碳势的目的。氮-甲醇气氛中，氮气与甲醇的比例不同，co的值也不同。因此，控制氮气与甲醇的比例、保证co的值的恒定，是稳定碳势的前提。设备上一般氮气以m3、甲醇以L为单位的流量计，只要保证氮气与甲醇的 1.1：1的关系，就可以方便设定氮气与甲醇的比例关系，从而得到CO为20%基础的氮甲醇气氛。在甲醇质量(特别是含水量)可靠，流量计稳定的的情况下,气氛中含量在一个很小的范围(一般18%一22%)内波动。在此理论基础上，我们将甲醇和氮气进行了同比例下降，流量调整为：3.0+0.5L/h甲醇，3.5+0.5m3/h氮气的设定值。2 渗碳介质流量的确定碳原子在炉内长时间停留会失去活性，应适当补充换新。传统渗碳介质流量的计算方式，是建立在老式渗碳炉（滴注煤油式、无碳势自动控制、密封性不好）所以要求换气次数较大（一般大于3次/小时）。目前的渗碳设备在密封性和碳势控制手段上已有很大的提高，试验时考虑保险系数，换气次数还是延用这一计算方法（3-5次/h）。介质流量的确定，是根据炉膛的容积，测算出氮气和甲醇的设定量。Aichlin多用炉的炉膛体积为：1600*1300*1200=2.5m3，按照炉膛的体积我们得出以下的换气数据：1）按4.2L/h甲醇，4.5m3/h氮气，换气次数为：（4.2*1.66+4.5）/2.5=4.5次/h2）按3.0L/h甲醇，3.5m3/h氮气,换气次数为：（3*1.66+3.5）/2.5=3.4次/h需要说明的是，上述炉膛体积是按照空炉的体积估算，在装炉后的实际炉膛体积更小，因此实际的换气次数更高。3 工艺试验和检测3.1渗碳工艺的过程跟踪在确定氮气和甲醇下降量后，我们首先在Aichlin多用炉上进行了跟踪试验。使用同一炉子，同一工艺，在流量更改前后，针对渗碳过程的升温、保温、降温等不同阶段，分别对炉压，碳势的波动情况作了详细的跟踪记录，见表1炉压、碳势记录表：降低流量前降低流量后升温保温降温升温保温降温炉压+40pa+50pa+50pa炉压+30pa+40pa+40pa碳势波动量不控制0.050.05碳势波动量不控制0.050.05碳势到达时间5-10min碳势到达时间5-10min表1炉压、碳势记录表从记录数据及工艺曲线看，碳势的波动值和碳势到达时间基本无变化，渗碳总的工艺时间未受到影响。炉压略有降低，在对排气口阀门进行调整后，可以恢复原来的炉压。同时应当注意的是，降低流量虽然不影响渗碳的碳势控制，不需要延长原来的工艺时间以及调整工艺参数。但是在特殊情况下，如对炉膛进行开门检修操作，在原来的平衡气氛完全遭到破坏的情况下，需要适当增加预渗的时间恢复碳势，否则将影响随后的碳势。3.2理化检测结果在产品进行满炉试制的同时，根据不同的装炉位置进行了9点金相测试，以及表层碳含量的光谱检测，所有检测指标合格，见表2金相检测记录表：试验产品名称：02T 311 169 行星齿 材料：TL4521序号表面硬度680-780表面含碳量0.7-0.9心部硬度400-500硬化层深0.5-0.8KAM非M结论17200.834400.652220.015合格26830.844350.602330.015合格36940.814360.631230.010合格46950.844420.661330.015合格56860.844350.631220.015合格66890.824300.642330.015合格77050.834410.632220.015合格86850.814330.641330.015合格97080.804390.641320.015合格表2金相检测记录表3.3相关设备的应用降低流量的方法在我厂的多用炉、连续炉、转底炉等所有氮甲醇渗碳炉上，进行了大面积推广，覆盖的产品达数百种，受到了良好的效果。大大降低了设备的耗气量，每年可为企业节约几十万资金。4 结论1）氮气和甲醇的通入必须按一定的比例执行，改变两者的比例会影响碳势。2）适当的降低氮气甲醇的流量，不影响渗碳的速度和产品质量。3）在设备不断改进，密封性能更好的情况下，降低渗碳介质的使用量大有潜力可挖。参考文献：1、 樊东黎，热处理技术数据手册，机械工业出版社，2000.92、 杨满，实用热处理技术手册，机械工业出版社，2010.63、 陈永勇，可控气氛热处理，冶金工业出版社，2008.74、 阎承沛，真空与可控气氛热处理，化学工业出版社，2006.7