2022年材料工程师热处理设备讲稿 .pdf

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1、材料工程师讲稿第三部分热处理设备3.1 概述3.1.0 考核知识点重点掌握：炉子传热的三种方式（对流、传导、辐射）。一般掌握：热处理设备的分类。3.1.1热处理设备分类热处理设备定义：完成热处理工艺操作所需的装置，称为热处理设备。热处理生产的最基本工艺过程：加热、冷却、表面清理、回火、校正、检验。热处理设备分主要设备和辅助设备。3.1.1.1主要设备 通常把能完成热处理工艺操作（或投资价值较大）的设备，称其为主要设备。了解教材中，第290页所列 8 种情况。3.1.1.2辅助设备通常把与主要设备配套和维持生产所需的设备，称为辅助设备。了解教材中，第290 页所列 6种情况。3.1.2 热处理炉

2、的分类热处理炉的分类，可根据热处理件、热处理工艺和批量要求进行划分。依据热处理炉的特性因素分类，见教材291页，表 31 3.1.3 炉子传热原理（重点）定义：热量从一个物体传至另一个物体，或由同一物体的这一部分传至另一部分的过程称为传热。条件：只有两个物体间或同一物体内部存在温差时，才会发生热量的传递过程。方向：热量都是从高温部分向低温部分传递。1）传导传热：在各种温度下，只要两物体间或同一物体内部有温差存在时，无论是在固体、液体还是在气体中均可发生传导传热。传导传热只有热量的传递过程，没有宏观的质点移动过程。2） 对流换热：热对流是指流体（气体或液体）中温度不同的各部分之间发生相对位移，使

3、不同部分的质点相互混合而引起的热量传递过程。当不同温度的流体和固体表面接触时，相互间发生的热量传递过程称为对流换热。热处理炉温在700以下时，对流换热作用明显。回火炉装有循环风扇就是为了增强设备的对流换热作用。3） 辐射换热：辐射换热是由热辐射而发生的换热过程。具有一定温度的物体总以电磁场的形式不断地向外发射辐射能，当把电磁波投射到与其不相接触的另一物体时，电磁波被吸收并转化成热能，这种传热过程称为辐射换热。热处理炉温在700以上时，辐射换热作用明显。真空炉装载工件时，为使工件加热温度均匀必须充分考虑电磁波光线的遮蔽问题。 还应了解的其它几个基本概念1） 热流量（ Q） 单位时间内由高温物体传

4、给低温物体的热量，称为热流量。Q = K （T1T2）F 精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页，共 37 页2） 传热系数（ K ）表示温度差1时，每秒钟通过1 传热面积所传递的热量。3） 热量密度（ W/ ）表示单位时间内，通过单位传热面积所传递的热量。q =K (T1 T2) = t/ (1/K) =t / R 3.2 热处理常用设备3.2.0 考核知识点：重点掌握：箱式电阻炉的工作原理，中温箱式电阻炉的结构特点、操作要点；箱式电阻炉的功率计算要点；电阻炉的性能实验工程。一般掌握：井式电阻炉（高温、中温、低温）的结构特点、操作

5、要点；浴炉（外热式、内热电极式盐浴炉）的结构特点、操作要点。3.2.1 箱式电阻炉电阻炉的工作原理：是利用电流通过电热元件时所产生的热效应，采取热辐射和炉膛内气体对流作用的形式将热量传导到被加热的工件上，使工件加热。箱式电阻炉的分类：箱式电阻炉根据炉膛温度可分为高温炉、中温炉和低温炉三种。3.2.1.1 中温箱式电阻炉（重点）1 结构及特点箱式电阻炉的构成：箱式电阻炉由炉体、测温系统和电控系统所组成。箱式电阻炉的结构：炉体由炉架、炉壳、炉衬、耐热钢炉底板、电热元件、炉门及炉门提升机构组成。电热元件布置在炉底和炉膛两侧内壁的搁丝砖上，热电偶由炉顶插入炉膛内部，插入深度约150 毫 M。为观察炉膛

6、内部的加热情况，炉门中央开有窥视孔。为保证操作安全，炉门及炉门提升机构设置有电源的限位开关。箱式电阻炉的用途及特点：用途：中温箱式电阻炉主要用于碳钢及合金钢（包括铸、锻件）的退火、正火、淬火等常规热处理。特点：箱式电阻炉的电热元件常用Gr20Ni80 或 0Gr25A15 电热合金制造，炉内温度的均匀状态受电热元件布置、炉门密封及炉衬的保温性能所影响；由于设备的最高工作温度为 950，工件加热主要靠电热元件和炉膛内壁表面的热辐射；工件处在空气介质中加热，表面极易发生氧化；该设备通常没有机械化装出料装置，劳动强度较高。2 箱式电阻炉的操作要点1） 开炉前的准备，除P293页的三条内容外，还应检查

7、炉门及炉门提升机构电源限位开关的工作是否正常。2） 开炉生产，除P293页的五条内容外，还应注意：为保证工件的加热均匀，箱式电阻炉靠近炉口的约300 毫 M 区域内不允许摆放工件；工件不要直接摆放在炉底板上加热。3） 停炉，除P293 页的内容外，还应进行工件、工具的定置、有序码放和工作场地的清精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页，共 37 页扫。3 操作注意事项在 P293页的七条内容中，要特别牢记第六条（炉衬烘烤）的内容。 为保证操作人员的人身安全，在工件的装、出炉过程中，不允许带电操作。4 电炉维护，除P293页 P294页

8、的五条内容外，还应：对炉门及炉门提升机构的电源限位开关进行维护。 应注意对热电偶、控温仪表按标准规定要求进行周期鉴定。一般情况下，控温仪表的鉴定周期为一年；热电偶的鉴定周期，应根据其使用的重要程度可分别规定为：三个月、六个月或一年。3.2.1.2 高温箱式炉（一般掌握）1 结构与特点高温箱式炉主要用于高铬模具、高速钢刃具的热处理，按最高工作温度可分1200和1350两种。由于加热温度高，工件极易氧化脱碳。因此，必要时应通入保护气氛或采取其它保护措施。高温箱式电阻炉同样由炉体、测温系统和电控系统所组成。1200高温箱式炉的电热元件采用0Cr25AL7Mo2高温铁铬铝电热材料制造，炉底板用碳化硅板

9、制造，其它部分的炉体结构与中温箱式电阻炉相近。只是因炉膛工作温度更高，要求的炉门壁厚度和炉衬的厚度更厚，保温性能更好。1350高温箱式炉采用非金属碳化硅棒电热元件，因其电阻系数大、使用过程中易老化，为稳定功率和便于调节，需配置调压装置。2 操作要点 294 页 11 条内容。3.2.1.3 滚底式炉及台车炉。均为箱式电阻炉的变种形式，可简单了解。3.2.1.4 电阻炉的功率计算（重点）热平衡计算法1 计算总的热量Q总Q总= Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q7 1）计算工件加热所需的热量Q1Q1 =P件（C22C11）2）计算加热辅具构件所需的热量Q2 Q2 =P辅（C22C1

10、1）3）计算加热控制气体所需的热量Q3 Q3 =控（21）4）计算通过炉衬的散热损失QQ总注：热流的数值与炉表面状况及炉壁温度有关。刷银粉漆的炉壳温度低于50时，数值取 1250；壳温度高于50时，数值取2500。5）计算炉门开启时的辐射热损失QQ5.675 （)1001T4（)1002T4 3.6 6）计算炉门开启时的溢气热损失Q6 Q6 = VC（212tt）精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 3 页，共 37 页7）计算其它热损失Q7 Q7可按炉衬散热损失的0.5 倍 1.0 倍计算，即Q7 =（0.5 1.0 ）Q。2 将总热量

11、转换成功率P总=Q总/3600 （KW ）其中Q总= Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q7 3 计算炉子的设计功率P设 = K P总式中： K（功率储备系数）=1.3 1.5 P设 = （1.3 1.5 ）（Q1+ Q2+ Q3+ Q4+ Q5+ Q6+ Q7）/3600 经验计算法 P =K3V式中： P 功率（千万）V 炉膛体积（ M3）K 修正系数炉膛温度范围箱式电阻炉的K值1200 1300120 1000 110080100 900 10007080 800 9005565 700以下4045 3.2.1.5 电阻炉的供电电压及接线方式除特殊情况外，电阻炉的供电电压一

12、般为220 伏 380 伏。电阻炉功率 25KW时，常采用220 伏或 380 伏单相供电。电阻炉功率25KW 75KW ，常采用380 伏“星接”或“角接”的三相供电形式。当电阻炉功率75KW时，通常把电热元件编成若干组，然后再采用三相380 伏电源，以“星接”或“角接”形式进行并联供电。特别需要注意的是：1 电热元件使用时，必需注意它的使用电压；“星接”时，每组电热元件的使用电压为220 伏。“角接”时，每组电热元件的使用电压为380 伏。2 为保证供电安全，在三相供电线路中，应尽可能保证电源的三相负载平衡；3 并应采用三相五线制的供电方式。即：在供电线路中，除三相电源线外，将设备的电气接

13、零（即：零线）与设备的接地（即：地线）分开。3.2.1.6 电阻炉的性能测试工程（设备验收、鉴定时常用。应掌握其测试方法及要求）1 电热元件冷态直流电阻的测定，考核电热元件的设计与制造质量。2 额定功率的测定，考核炉子的设计功率是否合理、是否满足规定要求。3 空炉升温时间的测定，考核炉子的设计功率是否充分、炉衬设计是否合理。4 空载功率的测定，考核炉子的整体保温性能。5 炉温均匀性的测定，是炉子的重要考核指标，决定着工件的热处理质量好坏与稳定。6 设备表面温升的测定，考核热处理炉炉衬的设计与制造质量及保温性能是否良好。3.2.1.7 常用电热元件材料及性能电热元件材料应具备的特殊性能1）具备良

14、好的耐热性和较高的高温强度电热元件是高温条件下的工作器件，因而电热元件材料应具有良好的耐热性和高温强度。即：要求电热元件材料的工作表面在高温条件下不易发生氧化起皮，且在以后的较长时间工作中不易发生显著变形。2）具有较高的电阻系数用电阻系数较大的材料制作电热元件，有利于功率的获得。在获得同等必需功率的条件下，使用电阻系数较大的材料制作电热元件可以有效地节约材料、简化结构、方便安装使用。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页，共 37 页3）具有良好的抗蚀性能4）具有较低的电阻温度系数使用电阻温度系数很大的材料制造电热元件时，需配备调压

15、器，以便调整设备功率。5）具有较低的热膨胀系数6）具有良好的可加工性能电热元件材料的可加工性能，主要指：成形加工、绕制、焊接及返修的可能性和难易程度。镍铬系电热材料与铁铬铝系电热材料相比较具有更好的可加工性能。硅碳棒、硅钼棒，材料的性质很脆，不易成形加工，使用、操作和维修过程中易断裂，应特别小心。1 铁铬铝电热合金 优点见 P299 页缺点见 P299页常用的铁铬铝系电热材料性质 / 名称1Cr13AL4 0Cr25AL5 0Cr27AL7Mo2 主要化学成分Cr：1315 AL ：3.55.5 Cr：2327 AL ：4.56.5 Cr：27 AL ：6.5 Mo：2 比重 （克 /立方厘

16、M）7.4 7.1 7.1 抗拉强度（公斤 /平方毫 M）6075 6580 7080 电阻系数（欧平方毫M/M ）1.26 1.40 1.50 熔点（）145015001520 正常工作温度（）900950 10501200 1200 1300 最高工作温度（）1100 1300 1400 2 镍铬电热合金 优点见 P299 页缺点见 P299页 常用的镍铬系电热材料性质 / 名称Cr20Ni80 Cr15Ni60 主要化学成分Cr：2023 Ni ：7578 Cr：1518 Ni：5561 比重 （克 /立方厘 M）8.4 8.2 抗拉强度（公斤 /平方毫 M）6580 6580 电阻系数

17、（欧平方毫M/M ）1.11 1.10 熔点（）14001390正常工作温度（）1050 950 最高工作温度（）1150 1050 3纯金属电热元件材料钼钨铂使用环境氢气、氨分解气、真空空气、真空使用温度 ()1800 2400 12001600使用条件电阻率小、电阻温度系数很大，需配备调压器使用4 非金属电热元件材料见 P300页， 4、5、6。碳化硅二硅化钼石墨使用环境空气、真空真空使用温度 ()1350 1700 14002500使用条件电阻温度系数很大，需配备调压器使用注：碳化硅电热元件在使用中易发生老化现象。因此，新旧电热元件不允许混用。硅碳棒、硅钼棒，材料的性质很脆，不易成形加工

18、，使用、操作和维修过程中易断精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页，共 37 页裂，应特别小心。使用电热合金线材的电热元件的简易计算（补充内容，实际工作中常用，可了解掌握） 确定设备加热区段电热元件的功率及工作电压为保证电网供电平衡，热处理炉加热一般均采用三相供电方式。其电热元件的承载功率与加热区段内的电热元件数量有关。当三个电热元件采用“星接”方式时，电热元件的工作电压为220 伏，电热元件的功率为设备该加热区段功率的1/3；采用“角接”方式时，电热元件的工作电压为380 伏，功率亦为设备该加热区段功率的1/3。确定热处理炉额定温

19、度下电热元件的电阻值 R =U 2/ 1000 N 式中： R 电热元件电阻（欧） N 电热元件功率（瓦） U 电热元件工作电压（伏） 根据电热元件的功率及工作电压，计算电热元件的工作电流N = U I 式中： N 电热元件功率（瓦） U 电热元件工作电压（伏） I 电热元件工作电流（安培）根据电热元件的工作电流，确定电热丝的截面积和直径 S = 3.14 D2/4 式中： S 电热丝截面积（平方毫M） D 电热丝直径（毫 M）注：一般情况下，根据经验可选择每平方毫M 截面积通过4安培电流。 计算电热丝的长度 L =R S / 式中： L 电热丝长度（ M） 电热材料额定温度下的电阻系数（欧平

20、方毫M/ M）核算电热元件的表面功率负荷 W =1000 N/F 式中： W 表面功率负荷（瓦/ 平方厘 M ） F 电热元件的表面积（平方厘M ）注：电热元件的表面功率负荷应等于或小于下表中的给定数值。电热元件材料 / 工作温度7008009001000110012001300Cr20Ni80 2.5 2.0 1.5 1.1 0.5 Cr15Ni60 2.0 1.5 0.8 0Cr25AL5 3.03.7 2.63.2 2.12.6 1.62.0 1.21.5 0.81.0 0.50.7 电热元件的结构尺寸设计线状电热元件通常绕成螺旋形布置在炉膛内炉衬的阁丝砖上，其结构尺寸应满足：工程铁铬铝

21、丝电热元件镍铬丝电热元件大于 1000小于 1000大于 950小于 750750950螺旋体节径D（毫 M）（46）d （68）d （56）d （812）d （68）d 螺旋体节距h（毫 M）（24）d （24）d （24）d （24）d （24）d 对于高温强度较低的电热元件，应适当减少螺旋体节径D 的数值，以增加其结构刚度，用于补救其高温强度低、易于倒塌的使用缺陷。螺旋柱体长度Lo （M L h /3.14 D）取决于炉衬的结构尺寸，可以通过调节螺旋体节距尺寸实现与炉衬的要求相吻合。3.2.2井式电阻炉井式电阻炉同样分为：高温井式电阻炉、中温井式电阻炉和低温井式电阻炉。井式电阻炉特别适用

22、于轴类工件的加热，淬火变形小。为使工件的加热温度均匀，炉内的工件装炉位置应注意与炉口和炉底均需保留有一定空间，约100mm 200mm 。计算井式电阻炉的设计功率P =K3V式中 P 功率（ KW ）V 炉膛体积（ M3） K 修正系数精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页，共 37 页炉膛温度范围井式电阻炉的K值1200 13008090 1000 11005565 900 10005055 800 9004045 700以下35 为使井式电阻炉的炉膛温度均匀，在进行功率分配设计时应注意：相同区域空间的功率分配比例相同功率分配的区

23、域空间比例炉口区域部位2 1/2 中部区域部位1 1 炉底区域部位3/2 3/4 3.2.2.1 低温井式电阻炉1 操作要点见 P301页2 使用注意事项及维护见 P301 页 P302 页。3.2.2.2 中温井式电阻炉3.2.2.3 高温井式电阻炉见 P302 页 P303 页。3.2.3 浴炉浴炉的定义：浴炉是利用液体介质进行工件加热或冷却的一种热处理设备。3.2.3.1 浴炉的特点：优点：1 浴炉的工作温度范围宽（60 1350），可完成多种热处理工艺操作（随炉冷却的退火工艺除外）。如：淬火、回火、分级淬火、等温淬火、正火、局部加热和化学热处理等。2 因工件在液体介质中加热，因此，加热

24、速度快、温度均匀、变形小、不易氧化和脱碳等。特别适用于：尺寸不大、形状复杂、表面质量要求较高及精密零件的热处理。3 浴炉结构简单、制造方便，炉口向上、便于操作，容易实现机械化。缺点：1 装料少，不适宜处理较大工件；2 炉口向上敞开，热损失大；3 劳动条件差，容易污染环境；4 因使用的有些盐类有毒，需进行妥善保管，盐浴残渣亦需妥善处置；5 处理后的工件需要认真清洗，否则工件表面易发生腐蚀；6 内热式盐浴炉的启动、脱氧操作比较麻烦。3.2.3.2 浴炉的分类根据使用的介质不同，浴炉可分为：盐浴炉、碱浴炉、油浴炉、铅浴炉等。根据热源的供给方式不同，浴炉可分为：外热式浴炉、内热式浴炉（亦称：电极式盐浴

25、炉）、管状电热元件加热的浴炉。1 外热式浴炉外热式浴炉，由炉体和坩埚组成。坩埚的底部支撑在炉体加热室内的耐火材料上。炉体的设计可参照井式电阻炉的设计方法。坩埚的制备，可用10 15mm的耐热钢板焊接，也可使用耐热钢铸造成壁厚约20mm的铸件。坩埚应设置有耳环，以便于吊装。坩埚的上边缘与炉体的重叠尺寸应大些，且与炉体应紧密接触，以防止浴液流入炉体的加热室内而损坏设备。外热式浴炉的特点：外热式浴炉主要用于碳钢、合金钢的回火；液体化学热处理；铝合金熔化等。外热式浴炉不需要变压器，启动操作方便；因坩埚的热惰性大，使坩埚内外的温差大（经验上：温差在150左右）、耗能高，一般情况下，其使用的工作温度在精选

26、学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页，共 37 页700以下（随工作温度的升高，坩埚的使用寿命将急剧降低）。2 管状电热元件加热的浴炉管状电热元件加热的浴炉，由管状电热元件、坩埚、炉衬（炉壳和保温材料）所组成。管状电热元件加热的浴炉使用的介质，主要有：硝盐、碱、油。工作温度在550以下。常用于工件的回火和等温淬火。因管状电热元件加热的浴炉使用温度较低，其炉体结构（炉衬）只需在炉壳内充填100mm 200mm 厚的保温材料即可。坩埚的制备，一般情况下，可用10mm厚的低碳钢板焊接。亦可使用不锈钢板或耐热钢板焊接制造。为便于吊装，坩埚应设

27、置有耳环。管状电热元件是定型产品，有U型、 W型、 L 型等多种形式和规格尺寸，管壁有碳钢和不锈钢之分，我们可根据使用的要求进行选购。在使用管状电热元件时，其加热部分必须有效地浸入在介质内，以确保它的使用安全。3 内热式电极盐浴炉内热式电极盐浴炉由炉体、工作电极、启动电阻、坩埚、盐浴炉变压器所组成。内 热 式 电 极 盐 浴 炉 ， 按 工 作 温 度 可 分 为 ： 低 温 （ 650 ） 、 中 温 （ 650 1000）、高温（1000 1300）三种。按电极的安装形式又可分为：插入式和埋入式两种。内热式电极盐浴炉的坩埚，是使用厚度为10mm 的低碳钢板，采用连续焊接形式将钢板焊接成炉胆

28、；再在炉胆内，使用重质耐火砖（或耐火泥）砌筑工作室空间。内热式电极盐浴炉，是以熔盐本身为电阻，电流通过熔盐而发热的热处理设备。内热式电极盐浴炉，在冷炉条件下进行开炉时，必须首先使用启动电阻将工作电极间的凝结的盐进行熔化，然后再使用工作电极进行熔盐加热升温。内热式电极盐浴炉的启动电阻，是使用 20mm 的低碳钢绕制的螺旋体；工作电极是规格尺寸根据需要制定的低碳钢锻件。3.2.3.3 常用浴剂见表 32 3.2.3.4 浴炉的使用、维修及安全操作1 外热式浴炉使用和维修技术要点2 电极盐浴炉使用和维修技术要点3 盐炉的安全操作要求（重点）浴炉的安全操作，除P307页的六条内容外，还应特别注意以下内

29、容：严防水的带入而引发的熔盐爆炸。生产用盐必须妥善保管。一般情况下，盐类储存箱应进行两个人的分锁（即：每人一把锁）保管。生产过程中产生的盐渣，必须进行妥善处置生产过程中产生的盐渣，应集中保存并统一交给专业处理机构进行处置；不得随意抛弃和掩埋，以防对环境造成污染。4 使用硝盐浴炉时，必须注意安全防爆等安全措施（重点）使用硝盐炉的安全防爆措施，应严格遵守P307页的四项条款内容。3.3 可控气氛炉3.3.0考核知识点精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页，共 37 页掌握气氛制备原理、不同可控气氛的特点，可控气氛保护加热、渗碳、碳氮共渗

30、工艺，可控气氛热处理设备的安全操作。熟悉可控气氛热处理炉的设备结构、安全设施、安全操作与维护保养。3.3.1 可控气氛的类型与特点常用的控制气氛按大类可分为：吸热式气氛XQ 、甲醇裂解气氛YLQ 、放热式气氛、氨分解气氛FAQ、氮基气氛、氢气气氛QQ 等。见下表。气氛名称中国基标分类代号美国煤协会分类代号日本中外炉分类代号普通放热式气氛PFQ 100 DX 净化放热式气氛JFQ 200 DX 吸热式气氛XQ 300 RX 甲醇裂解气氛YLQ 氮甲醇气氛DQ 丙 酮 +空 气 裂 解 气 氛 （ 直 生式）氨气裂解气氛FAQ 601 AX 氨气燃烧气氛RAQ 621、622 SAX 氢气QQ 可

31、控气氛的制备方法（重点）3.3.1.1 吸热式可控气氛的制备方法吸热式气氛，是将天然气（主要成分是甲烷）或丙烷气按一定比例与空气混合后通入气体发生炉的反应罐内，在高温（1050）下经触媒（镍触媒）作用，反应生成的气氛。由于反应过程需要吸收热量，故称其为吸热式气氛。吸热式发生炉装置一般采用电加热形式，最高工作温度为1200。炉膛内置有充满镍触媒的耐热钢（常用Cr25Ni20耐热钢制作）反应罐，天然气或丙烷气与空气按一定比例混合后经火焰逆止阀通入反应罐，在镍触媒的作用下反应生成主要成分为：CO、H2、N2和微量CO2、H2O、O2的气氛。气氛经迅速冷却（为保证气氛稳定），并进行降压、稳压后送入可控

32、气氛热处理炉。使用天然气或丙烷气制备可控气氛，必须严格控制硫的含量。见P309 页内容。1 使用甲烷（天然气）制备的吸热式可控气氛2CH4 + 空气（ 21 O2、79 N2） 2CO + 4H2 + N2 反应物生成物甲烷空气CO H2 N2 1M32.38M31M32M31.88M3生成物比例20.54138.52 使用丙烷制备的吸热式可控气氛2C3H8 + 空气（ 21 O2、79 N2） 6CO + 8H2 + N2 反应物生成物丙烷空气CO H2 N2 1M37.14M33M34M35.64M3生成物比例23.731.644.63.3.1.2 滴注式气氛最常用的是甲醇滴注裂解气氛。将

33、甲醇（工业1 级）直接滴入炉内裂解获得。CH3OH CO + 2H2 其中：CO 33.33 、H2 66.67。当裂解温度800以上时，在甲醇裂解产物中CO的含量已经达到30以上，且甲烷精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 9 页，共 37 页含量已经低于2，气氛具有较好的碳势可控性，是较为理想的载体气氛。渗碳过程需通入富化气甲烷或丙烷或渗碳介质煤油。因甲醇裂解气的CO和H2的含量较高，特别是在低温（ 700时，可能发生如下反应：2CH3OH 2H2O+CH4+C）条件下，甲烷的含量很高，非常容易出现炭黑。因此，该种气氛不适宜作低温下的

34、保护加热光亮淬火使用。随着时间推移和技术的进步，不少单位研究出：在较高温度（900以上使用）下，使用乙醇（C2H5OH）+水（H2O）替代甲醇使用的方法获得成功，较大的降低了生产成本。C2H5OH +H2O 2CO + 4H2 气体组分同样是：CO 33.33 、H2 66.67。3.3.1.3 氮甲醇气氛的制备方法按一定比例，在甲醇的裂解气中通入氮气（氮气纯度99.5 ），则可获得氮甲醇气氛。通常采取：将甲醇和氮气（比例为：1 升甲醇 : 1 立方 M 氮气）直接通入炉内进行裂解的方法，获得氮甲醇气氛。该种气氛的组分与使用天然气制备的吸热式气氛的组分非常接近，同样可作为载体气使用，渗碳过程需

35、通入富化气甲烷或丙烷。但生产过程省却了炉气发生炉装置，降低了设备及操作的复杂程度，目前使用极为广泛。在氮甲醇气氛中，通入不同比例的氮气，可获得不同CO和H2含量的氮基气氛。当气氛中的H2含量低于4时，没有爆炸危险。常用于钢铁零件（高碳钢、轴承钢）的保护加热光亮淬火。3.3.1.4 直生式气氛将渗碳介质（天然气、或丙烷气、或丙酮、或异丙醇等）与空气按一定比例混合后直接通入炉内，在高温（大于900）下反应，直接生成渗碳气氛。气体的主要组分为：CO、H2、N2；微量组分为：CO2、H2O、O2。气氛的碳势通过空气混入量的多少进行调节。3.3.1.5其它控制气氛1 氨分解气氛氨气的分解反应：2NH3

36、2N + 3H2 （ 1）2NH3 N2 + 3H2 （2）氨气在不同温度下的分解率：裂解温度500 600 700 800 900 分解率30 99.95 99.978 99.989 99.993 在不同温度下，氨气的两种裂解反应同时进行。氨的分解率越高，活性氮原子越少，气氛的氮势越低。在氮化温度时，氨气经钢铁表面的催化作用产生活性氮原子被钢铁工件表面吸收，完成渗氮过程。因此，可以通过调整氨气的分解率来控制炉气的氮势。为加速氨气的裂解，普遍采用镍触媒，并在较高温度（850左右）下进行。氨分解气氛经净化去水后，可作为钢铁件的铜焊、有色金属热处理或烧结的保护气氛。亦可作为载体气使用，进行可控氮化

37、处理。2 氮基气氛以氮气为基础的保护气氛，叫做氮基气氛。在氮气中通入1 2的丙烷或天然气，使制备的气氛中的H2含量低于，没有爆炸危险。常用于高碳钢或轴承钢的保护加热。3 放热式气氛的制备可燃气与空气按一定比例混合后，通入发生器燃烧炉进行不完全燃烧。反应后生成具有一定CO2、CO、H2、H2O、N2含量的混合气体，这种反应依靠可燃气的自身燃烧放热维持，不需外部供热，因此，叫做放热式气氛。放热式气氛根据原料气和空气的混合比例不同，燃烧反应的程度也不同，生成的气体精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 10 页，共 37 页成分也不同。当放热式气

38、氛中的H2含量低于4时，称为淡型，没有爆炸危险；当放热式气氛中的H2含量高于4时，称为浓型，应注意安全使用。放热式气氛经去除H2O、CO2的净化后（CO2含量 0.01、露点在 -60 以下），常用于航空业的光亮淬火。3.3.1.6碳势的测量与控制炉内气氛控制系统包括：温度控制系统在内，并由氧探头（或红外仪、或露点仪）等炉气测量仪表及压力表、流量计、阀门等传感元件组成的、对可控气氛的制备过程及炉内气氛的主要构成进行检测和控制的一整套系统。碳势用表示，是可控气氛中的重要指标。1） 氧探头氧探头测量分析法，因其具有其它测量方法不可替代的优点，因此，目前使用非常广泛。使用氧探头测量炉气碳势时，空气来

39、源方便，无需购置，成本低廉；空气中氧的含量占空气的21，非常稳定，是理想的标准气体。氧探头测量炉气中氧电势线性好、非常灵敏、速度快、没有明显的滞后现象，炉气的碳势控制精度高，波动小；氧探头结构简单，便于使用和维护。氧探头测定的是：炉气气氛中的氧电势。参比气是空气，核心元件是氧探头。氧探头的结构：氧探头的结构形式有两种，一种是氧探头的单一结构；一种是氧探头和热电偶的组装结构。氧探头的基本结构形式是：锆球表面与套管的坡口严密接触，坡口将锆球表面分割成两个区域，即富氧区和贫氧区。贫氧区与炉气相通，富氧区与空气相通构成氧差电池。阳极（贫氧炉气）反应：1/2 O2 + 2e = O-2e；阴极（富氧空气

40、）反应：O-2e - 2e = 1/2 O2 氧探头的工作原理：氧探头是利用ZrO2（二氧化锆）在一定的温度（600以上）下，在不同氧浓度的气氛中会产生一定的直流电势（称为氧电势）。碳势控制仪表将氧探头输入的氧电势转换成碳势，并与仪表设定的碳势进行比较和计算；再以电讯号的形式输出，作用到渗碳剂管路的电磁阀上，从而达到对炉气碳势的控制。氧探头的维护与保养：氧探头在使用过程中，最常见的问题是碳黑和灰尘的沉积。在碳势控制的电路中，均安排有以炉次生产为单元的氧探头积碳的自动吹扫过程，每次吹扫时间大约持续20 秒钟；同时，还安装有手动进行氧探头碳黑的吹扫程序开关，便于在生产过程中随时对氧探头的积碳进行吹

41、扫。应注意的是：对氧探头碳黑的吹扫不能过于频繁，且每次吹扫的时间不能过长，以免造成氧探头损坏。非常必要时可进行氧探头的拆解清理，锆球、套管等电极构件可使用酒精棉球轻轻擦拭（注意：不得损伤锆球表面和套管坡口），构件干燥后按序组装。2） 红外仪红外仪测定的是：炉气气氛中的CO2含量。参比气是纯净的CO2气，核心元件是远红外线气体分析仪。二氧化碳红外仪气相分析法的测量原理：红外线是一种不可见的辐射光线，不同的气体对红外线有不同的吸收效应。二氧化碳气，对波长为4.25微 M 的红外线有很强的吸收，且对红外线的吸收程度与气体浓度和吸收层的厚度存在定量关系。当入射的红外线的强度和二氧化碳气体的吸收层厚度固

42、定时，则透过气体的红外线强度只与二氧化碳气体的浓度有关。此时，只要测量透过气体的红外线强度就可以得到被测二氧化碳气体的浓度数值。这就是二氧化碳红外仪的测量原理。二氧化碳红外仪进行气相分析的工作原理：精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 11 页，共 37 页使用薄膜泵从可控气氛井式气体渗碳炉的排气管抽取炉气，经过滤炭黑后，输入到二氧化碳红外仪的预处理单元，做进一步的滤除炭黑、灰尘和水分。净化后的炉气经稳压后进入二氧化碳红外仪光学部分的二氧化碳检测室进行检测。仪器在指示出被测气体中二氧化碳浓度的同时输出直流电讯号供仪表纪录。当仪表的指示值与

43、设定值有偏差时，仪表指针将拨动微动开关使渗碳剂管路中的电磁阀动作，从而达到炉气碳势的自动控制。二氧化碳红外仪气相分析法的缺点：使用二氧化碳红外仪进行气相分析，必须同时配备高纯度的氮气（零点气）和二氧化碳气（标准气）；二氧化碳红外仪进行气相分析时，有很明显的滞后效应（约20 分钟左右）；当炉气中的甲烷含量较高（4）时，二氧化碳红外仪进行气相分析有失真可能；当使用单光源二氧化碳红外仪时，测量前必须对二氧化碳红外仪的检测气室和标准气室进行光平衡调节；二氧化碳红外仪属精密光学仪器，需较高的维护技术和严格的维护保养周期。3） 露点仪根据水煤气反应CO2 + H 2 = CO + H2O，只要控制气氛中的

44、CO2或H2O，气氛的碳势即被控制。露点是水蒸气的结露温度，气氛中所含的水蒸气量不同，其结露温度也不同。含量低，结露温度低；含量高，结露温度亦高。露点仪测定的是：炉气气氛中的水蒸气的结露温度。核心元件是氯化锂感湿元件。氯化锂感湿元件的测量原理是：利用氯化锂对气氛中的水蒸气具有很强的吸附性，吸附水蒸气后的氯化锂感湿元件的两电极之间的介质的导电率提高，电阻降低。其程度随吸附水蒸气的多少而变化。将氯化锂感湿元件置于被测气氛中吸附水蒸气并建立动态平衡；在一定的电压下，测量其两极间通过电流的大小，即可间接获得气氛中的水蒸气含量。为防止氯化锂感湿元件在存放中吸附水蒸气，因而必须在干燥皿中保存。露点仪测定炉

45、气中水蒸气的结露温度，同样有滞后现象。3.3.2可控气氛热处理炉3.3.2.1 常用的可控气氛炉型很多，既有周期式作业炉，也有连续生产的贯通式作业炉。3.3.2.2可控气氛密封多用炉（重点）可控气氛多用炉的类型可控气氛多用密封箱式炉是其最基本的炉型，它能自动完成各种类型的热处理，特别适用于各种热处理工艺的过程控制，它具有多种操作功能，是目前使用非常广泛的热处理设备。可控气氛多用炉基本都采用组线的生产形式。其生产线包括：可控气氛多用炉（主炉）、清洗机、回火炉（一般配备低温炉，工作温度475）、固定料台（一般配备2个）、升降料台、炉前轨道小车等。常规配置为：111；211；2 12 等形式。可控气

46、氛多用炉的结构可控气氛多用炉的品牌和规格很多。一般情况下，可控气氛多用炉设备主要由加热室、密封前室、温度控制系统、介质供给系统、碳势控制系统、设备生产安全保障系统及计算机专家系统所构成。1） 加热室（后室）的构成可控气氛多用炉的加热室主要负责工件的无氧化加热、工件的可控气氛渗碳或碳氮共渗。可控气氛多用炉的加热室由炉壳、炉衬、中间门、电热元件、循环风扇、马弗构件及碳化硅导轨所构成。 炉壳炉壳是钢板（板厚约8 毫 M10 毫 M）的焊接结构件，为保证炉膛的炉气气密性，所有焊缝均采用连续焊接。精选学习资料 - - - - - - - - - 名师归纳总结 - - - - - - -第 12 页，共

47、37 页 炉衬可控气氛多用炉的炉衬结构，同样由绝热层和保温层构成。绝热层，一般均用抗渗砖砌制；为保证炉衬质量，砌炉时所使用的抗渗砖都采取磨砖对缝的方法，砌缝控制在1 毫M 左右；规格较大的炉型，为防止炉衬在使用中变形、损坏，炉衬在砌制时一般都留有伸缩缝。炉墙采用轻质抗渗砖，炉底因承重则采用重质抗渗砖。为保证炉气循环，碳化硅导轨及马弗构件均架设在炉底的重质抗渗砖砌筑的承重支点上。 中间门可控气氛多用炉的中间门，多数情况下没有密封功能，只有隔热作用。中间门的结构为耐热钢的铸钢框架内砌筑轻质抗渗砖或耐火纤维毡，下方预留有通气孔洞。中间门的提升和闭合，可采取气缸的伸缩方式或机械运转方式进行。 电热元件

48、可控气氛多用炉一般情况下都采用电加热辐射管进行加热。电加热辐射管的管壳，大多采用 Cr25Ni20 材质的、板厚3 毫 M 的板材进行连续焊接制造；电加热辐射管的内芯，可使用在耐火材料的骨架上进行电热丝螺旋绕制的方法制作，亦可进行鼠笼式结构的焊接方法制作。根据目前条件，单只电加热辐射管的最大加热功率均10 千瓦。电加热辐射管的宏观质量检查重点是：电加热辐射管的管壳制造质量；电加热辐射管内芯的电热丝螺旋绕制与焊接质量；耐火材料骨架的外观质量；电加热辐射管的管壳与电加热辐射管的内芯之间的电绝缘性能是否优良等。 循环风扇与碳化硅马弗构件循环风扇采用搅拌型的结构形式，为Cr25Ni20 材质的耐热钢铸

49、件；炉内马弗构件为碳化硅材质，板厚约20 毫 M。循环风扇与炉内马弗构件共同作用，保证炉膛内的温度和气氛均匀。循环风扇与碳化硅马弗构件不允许有微裂、缺失、扭曲等质量缺陷。2）气冷室气冷室由保护气氛冷却循环系统、淬火升降台、前门（有密封和不密封两种）、废气排放装置（包括：炉膛压力控制系统、废气排放管、点火监测装置、防爆装置等）、冷却炉壁、负压保护系统所组成。可控气氛多用炉的密封前室（气冷室）负责工件的无氧化冷却（包括：工件的气冷或油冷淬火）。可控气氛多用炉的前室是：带有油冷却夹层的、使用大约10 毫 M 厚的钢板进行连续焊接制造的密封工作空间。并安装有循环风扇，以确保工件的气冷质量。）油槽密封前

50、室，内置淬火槽。淬火槽安装有淬火油的搅拌、加热、冷却和循环系统，均可根据工艺进行设定，以确保工件的淬火质量。）传动系统传动系统分机械传动、液压传动、气压传动等。传动装置有：炉料传动装置（推拉料机构）；工件淬火升降料台；密封前室炉门、中间门升降系统等。传动系统考虑了停电、故障状态等特殊情况下的紧急处理措施，以确保人员、设备、产品的安全。）控制系统温度控制系统可控气氛多用炉的温度控制系统由热电偶（热电偶大多为双芯结构）和智能化控温仪表所构成；炉膛温度控制系统采用PAD 调节技术，控温精度高、波动小。每台可控气氛多用炉使用多只热电偶，其中：炉温控制1 只；电加热辐射管的超温保护1 只；炉衬低温安全保