熱處理爐為什么要進(jìn)行氣體分析？碳勢控制和氣體分析儀器又有那些關(guān)系？

熱處理是指材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。簡單來說就是“四把火”，分別是“正火、退火、回火、淬火”其作用是：

• 去除毛坯的內(nèi)應(yīng)力。多用于鑄件、鍛件、焊接件。
• 改善加工條件，使材料易于加工。如退火、正火，等。
• 提高金屬材料的綜合機(jī)械性能。如，調(diào)質(zhì)處理。
• 可以提高材料硬度。如，淬火，滲碳淬火

總的來說就是消除毛坯件的各種應(yīng)力缺陷，改善其工藝性能，為后續(xù)工序加工做好準(zhǔn)備，顯著提高坯件的力學(xué)性能，提高其使用性能和使用壽命。所以熱處理是鍛造時不可少的環(huán)節(jié)之一。

一、熱處理爐

由于熱處理工藝種類和熱處理工件形狀尺寸的多樣性，熱處理爐爐型和構(gòu)造也呈現(xiàn)各式各樣，熱處理爐分類方法很多：

• 按照最高溫度分：爐溫大于1000℃為高溫?zé)崽幚頎t；650～1000℃為中溫?zé)崽幚頎t；650℃以下為低溫?zé)崽幚頎t。
• 按照主要熱處理工藝種類分：固溶、淬火、正火、回火、退火和滲碳等化學(xué)熱處理爐。
• 按照加熱熱源分：有以燃料燃燒為熱源的燃煤爐、燃油爐和燃?xì)鉅t；此外還有以電能為熱源的電阻爐、電極爐、感應(yīng)加熱爐等
• 按爐內(nèi)加熱介質(zhì)分：以氣體為加熱介質(zhì)的，如空氣、煙氣、控制氣氛、真空等；以液體為加熱介質(zhì)的，如熔鹽、熔鉛等；以固體為加熱介質(zhì)的，如流動粒子爐等。

二、熱處理和氣體分析監(jiān)測的關(guān)系

說到這里不得不提到熱處理氣氛控制，氣氛控制是指加熱金屬時為了保護(hù)金屬表面和調(diào)節(jié)金屬表面化學(xué)成分而使用的成分可以控制的氣體。熱處理生產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展的方向之一是可控氣氛熱處理。尤其是碳素鋼和一般合金結(jié)構(gòu)鋼件的光亮淬火、退火、滲碳淬火、碳氮共滲淬火、氣體氮碳共滲仍以可控氣氛為主要手段。所以可控氣氛熱處理仍是先進(jìn)熱處理技術(shù)的主要組成部分。

可控氣氛主要有吸熱式氣、放熱式氣、氮基氣氛、氨分解氣、滴注分解氣、氫和木炭氣

2.1吸熱式氣

在發(fā)生器中，把天然氣、液化石油氣等氣體與一定比例的空氣混合（當(dāng)空氣量較少時，混合氣體先部分燃燒），再通過加熱到高溫（1000℃以上）的催化劑，使混合氣體的未燃部分熱裂解（吸熱反應(yīng)）而制得。吸熱式氣是一種應(yīng)用*的可控氣氛。把它作為運(yùn)載氣體，將適量的富化氣（甲烷或丙烷）帶入加熱爐內(nèi)，就可以使低碳鋼件表面滲碳，使碳含量達(dá)到規(guī)定的要求。控制富化氣的添加量，便能控制爐氣的碳勢。

2.2放熱式氣

在發(fā)生器中,把天然氣液化石油氣等氣體燃料或酒精、柴油等液體燃料與較多的空氣混合，使它接近于*燃燒(放熱反應(yīng))，再對燃燒產(chǎn)物進(jìn)行初步凈化(除水)或高度凈化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的氣體。放熱式氣可用于低碳鋼的光亮退火、硅鋼片的脫碳退火、中碳鋼、高碳鋼的光亮淬火、粉末冶金的燒結(jié)和氣體氮碳共滲等。凈化放熱式氣氛還可用于不銹鋼的退火和釬焊保護(hù)，或作為滲碳時的運(yùn)載氣體等。

2.3氮基氣氛

常用的是將制氧過程中產(chǎn)生的工業(yè)氮經(jīng)凈化（除氧或空氣）后得到的高純氮?dú)猓部梢允菍⒁旱舭l(fā)得到的氣體。氮基氣氛可用于加熱保護(hù)，也可以加入甲醇等使其成分接近吸熱式氣氛，作為滲碳時的運(yùn)載氣體，再加入富化氣（如丙烷等）即可滲碳。它的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約天然氣、液化石油氣等，碳勢也可控制。

2.4氨分解氣

氨在一定溫度和催化劑作用下可*分解為 3個體積的氫和 1個體積的氮，形成氨分解氣。也可以把氨和空氣混合進(jìn)行部分燃燒，然后除水凈化得到氨燃燒氣（主要成分是氮）。這兩種氣氛都含氫，屬于氫-水類型的混合氣體。多用于不銹鋼高速鋼的熱處理和粉末冶金的燒結(jié)。因氨較貴，故制備成本較高。

2.5滴注分解氣

使鋼表面的碳濃度可以控制的滴注式滲碳所產(chǎn)生的分解氣也屬于可控氣氛。這就是60年代初期提出的卡博馬格法。其原理是：往爐中滴入兩種有機(jī)液體，在爐中發(fā)生熱裂解，以一種液體（如甲醇）的熱裂解氣作為運(yùn)載氣體，以另一種（如醋酸乙酯）的熱裂解氣作為富化氣體來實現(xiàn)鋼的滲碳，并靠調(diào)節(jié)第二種液體的滴入量來達(dá)到控制爐氣碳勢的目的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不用氣體發(fā)生爐，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，適于批量生產(chǎn)氫，氫是還原性氣體。絕對干燥的氫是難以制備的，因此使用的氫實際上是微量水和氫的混合氣體。金屬在氫中加熱時是氧化或是還原取決于水與氫的比值。但用氫保護(hù)加熱不能絕對防止鋼的脫碳。不銹鋼和硅鋼片的退火、粉末冶金的燒結(jié)鐵粉還原,都可以在氫氣中進(jìn)行。

2.6木炭氣

用鼓風(fēng)機(jī)把空氣吹入發(fā)生爐中，空氣與熾熱的木炭反應(yīng)所產(chǎn)生的煤氣即木炭氣。其主要成分是一氧化碳和二氧化碳。一氧化碳是還原性氣體，二氧化碳是氧化性氣體。鋼在這種混合氣中加熱時，氣氛的氧化和還原能力取決于CO2/CO比值。調(diào)節(jié)這個比值就可以使鋼達(dá)到無氧化無脫碳效果。木炭氣可用于鋼的保護(hù)加熱。

三、氣體分析監(jiān)測系統(tǒng)在熱處理中的實際應(yīng)用

爐氣的碳勢是指某一溫度下爐氣與鋼表面奧氏體中的碳量相平衡時的碳量，簡單地可理解為是爐氣滲碳能力的表征；與爐氣成分及溫度有關(guān)，它的高低反映了爐氣滲碳能力的強(qiáng)弱。 滲碳?xì)怏w的滲碳能力(碳勢)是由其所含氣體成分(如一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、氧氣等的配比)所決定的。

無論使用何種熱處理氣氛控制，都對氣體的組份濃度含量，有著非常嚴(yán)格的控制，通常是通過測定其中某一組分的含量(如水蒸氣、二氧化碳、氧氣)來提供信號給控制系統(tǒng),及時調(diào)節(jié)供氣成分來改變爐內(nèi)碳勢。

諾科儀器的NK-500系列紅外線氣體分析系統(tǒng)，可根據(jù)企業(yè)被測氣氛的特性和工藝要求，進(jìn)行模塊化定制，可實現(xiàn)一套系統(tǒng)同時、連續(xù)、在線的檢測各路氣氛，解決了傳統(tǒng)測量的弊端。可實時監(jiān)測各式熱處理爐內(nèi)真實氣氛組份（CO、CO2、CH4）等氣體濃度含量、氧電勢、碳勢等，是幫助現(xiàn)場工程師分析爐氣成分，排除故障，優(yōu)化工藝的強(qiáng)大助手。

熱處理是指材料在固態(tài)下，通過加熱、保溫和冷卻的手段，以獲得預(yù)期組織和性能的一種金屬熱加工工藝。簡單來說就是“四把火”，分別是“正火、退火、回火、淬火”其作用是：

• 去除毛坯的內(nèi)應(yīng)力。多用于鑄件、鍛件、焊接件。
• 改善加工條件，使材料易于加工。如退火、正火，等。
• 提高金屬材料的綜合機(jī)械性能。如，調(diào)質(zhì)處理。
• 可以提高材料硬度。如，淬火，滲碳淬火

總的來說就是消除毛坯件的各種應(yīng)力缺陷，改善其工藝性能，為后續(xù)工序加工做好準(zhǔn)備，顯著提高坯件的力學(xué)性能，提高其使用性能和使用壽命。所以熱處理是鍛造時的環(huán)節(jié)之一。

一、熱處理爐

由于熱處理工藝種類和熱處理工件形狀尺寸的多樣性，熱處理爐爐型和構(gòu)造也呈現(xiàn)各式各樣，熱處理爐分類方法很多：

• 按照最高溫度分：爐溫大于1000℃為高溫?zé)崽幚頎t；650～1000℃為中溫?zé)崽幚頎t；650℃以下為低溫?zé)崽幚頎t。
• 按照主要熱處理工藝種類分：固溶、淬火、正火、回火、退火和滲碳等化學(xué)熱處理爐。
• 按照加熱熱源分：有以燃料燃燒為熱源的燃煤爐、燃油爐和燃?xì)鉅t；此外還有以電能為熱源的電阻爐、電極爐、感應(yīng)加熱爐等
• 按爐內(nèi)加熱介質(zhì)分：以氣體為加熱介質(zhì)的，如空氣、煙氣、控制氣氛、真空等；以液體為加熱介質(zhì)的，如熔鹽、熔鉛等；以固體為加熱介質(zhì)的，如流動粒子爐等。

二、熱處理和氣體分析監(jiān)測的關(guān)系

說到這里不得不提到熱處理氣氛控制，氣氛控制是指加熱金屬時為了保護(hù)金屬表面和調(diào)節(jié)金屬表面化學(xué)成分而使用的成分可以控制的氣體。熱處理生產(chǎn)技術(shù)重點(diǎn)發(fā)展的方向之一是可控氣氛熱處理。尤其是碳素鋼和一般合金結(jié)構(gòu)鋼件的光亮淬火、退火、滲碳淬火、碳氮共滲淬火、氣體氮碳共滲仍以可控氣氛為主要手段。所以可控氣氛熱處理仍是先進(jìn)熱處理技術(shù)的主要組成部分。

可控氣氛主要有吸熱式氣、放熱式氣、氮基氣氛、氨分解氣、滴注分解氣、氫和木炭氣

2.1吸熱式氣

在發(fā)生器中，把天然氣、液化石油氣等氣體與一定比例的空氣混合（當(dāng)空氣量較少時，混合氣體先部分燃燒），再通過加熱到高溫（1000℃以上）的催化劑，使混合氣體的未燃部分熱裂解（吸熱反應(yīng)）而制得。吸熱式氣是一種應(yīng)用*的可控氣氛。把它作為運(yùn)載氣體，將適量的富化氣（甲烷或丙烷）帶入加熱爐內(nèi)，就可以使低碳鋼件表面滲碳，使碳含量達(dá)到規(guī)定的要求。控制富化氣的添加量，便能控制爐氣的碳勢。

2.2放熱式氣

在發(fā)生器中,把天然氣液化石油氣等氣體燃料或酒精、柴油等液體燃料與較多的空氣混合，使它接近于*燃燒(放熱反應(yīng))，再對燃燒產(chǎn)物進(jìn)行初步凈化(除水)或高度凈化(除水、二氧化碳和一氧化碳)而制得的氣體。放熱式氣可用于低碳鋼的光亮退火、硅鋼片的脫碳退火、中碳鋼、高碳鋼的光亮淬火、粉末冶金的燒結(jié)和氣體氮碳共滲等。凈化放熱式氣氛還可用于不銹鋼的退火和釬焊保護(hù)，或作為滲碳時的運(yùn)載氣體等。

2.3氮基氣氛

常用的是將制氧過程中產(chǎn)生的工業(yè)氮經(jīng)凈化（除氧或空氣）后得到的高純氮?dú)猓部梢允菍⒁旱舭l(fā)得到的氣體。氮基氣氛可用于加熱保護(hù)，也可以加入甲醇等使其成分接近吸熱式氣氛，作為滲碳時的運(yùn)載氣體，再加入富化氣（如丙烷等）即可滲碳。它的優(yōu)點(diǎn)是可以節(jié)約天然氣、液化石油氣等，碳勢也可控制。

2.4氨分解氣

氨在一定溫度和催化劑作用下可*分解為 3個體積的氫和 1個體積的氮，形成氨分解氣。也可以把氨和空氣混合進(jìn)行部分燃燒，然后除水凈化得到氨燃燒氣（主要成分是氮）。這兩種氣氛都含氫，屬于氫-水類型的混合氣體。多用于不銹鋼高速鋼的熱處理和粉末冶金的燒結(jié)。因氨較貴，故制備成本較高。

2.5滴注分解氣

使鋼表面的碳濃度可以控制的滴注式滲碳所產(chǎn)生的分解氣也屬于可控氣氛。這就是60年代初期提出的卡博馬格法。其原理是：往爐中滴入兩種有機(jī)液體，在爐中發(fā)生熱裂解，以一種液體（如甲醇）的熱裂解氣作為運(yùn)載氣體，以另一種（如醋酸乙酯）的熱裂解氣作為富化氣體來實現(xiàn)鋼的滲碳，并靠調(diào)節(jié)第二種液體的滴入量來達(dá)到控制爐氣碳勢的目的。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是不用氣體發(fā)生爐，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，適于批量生產(chǎn)氫，氫是還原性氣體。絕對干燥的氫是難以制備的，因此使用的氫實際上是微量水和氫的混合氣體。金屬在氫中加熱時是氧化或是還原取決于水與氫的比值。但用氫保護(hù)加熱不能絕對防止鋼的脫碳。不銹鋼和硅鋼片的退火、粉末冶金的燒結(jié)鐵粉還原,都可以在氫氣中進(jìn)行。

2.6木炭氣

用鼓風(fēng)機(jī)把空氣吹入發(fā)生爐中，空氣與熾熱的木炭反應(yīng)所產(chǎn)生的煤氣即木炭氣。其主要成分是一氧化碳和二氧化碳。一氧化碳是還原性氣體，二氧化碳是氧化性氣體。鋼在這種混合氣中加熱時，氣氛的氧化和還原能力取決于CO2/CO比值。調(diào)節(jié)這個比值就可以使鋼達(dá)到無氧化無脫碳效果。木炭氣可用于鋼的保護(hù)加熱。

三、氣體分析監(jiān)測系統(tǒng)在熱處理中的實際應(yīng)用

爐氣的碳勢是指某一溫度下爐氣與鋼表面奧氏體中的碳量相平衡時的碳量，簡單地可理解為是爐氣滲碳能力的表征；與爐氣成分及溫度有關(guān)，它的高低反映了爐氣滲碳能力的強(qiáng)弱。 滲碳?xì)怏w的滲碳能力(碳勢)是由其所含氣體成分(如一氧化碳、二氧化碳、水蒸氣、氧氣等的配比)所決定的。

無論使用何種熱處理氣氛控制，都對氣體的組份濃度含量，有著非常嚴(yán)格的控制，通常是通過測定其中某一組分的含量(如水蒸氣、二氧化碳、氧氣)來提供信號給控制系統(tǒng),及時調(diào)節(jié)供氣成分來改變爐內(nèi)碳勢。

諾科儀器的NK-500系列紅外線氣體分析系統(tǒng)，可根據(jù)企業(yè)被測氣氛的特性和工藝要求，進(jìn)行模塊化定制，可實現(xiàn)一套系統(tǒng)同時、連續(xù)、在線的檢測各路氣氛，解決了傳統(tǒng)測量的弊端。可實時監(jiān)測各式熱處理爐內(nèi)真實氣氛組份（CO、CO2、CH4）等氣體濃度含量、氧電勢、碳勢等，是幫助現(xiàn)場工程師分析爐氣成分，排除故障，優(yōu)化工藝的強(qiáng)大助手。