熱處理爐為什么要進(jìn)行氣體分析？碳勢(shì)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(guò)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(jiǎn)單來(lái)說(shuō)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(lái)說(shuō)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(shí)的環(huán)節(jié)之一。

一、熱處理爐

由于熱處理工藝種類(lèi)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(lèi)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(lèi)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(dòng)粒子爐等。

二、熱處理和氣體分析監(jiān)測(cè)的關(guān)系

說(shuō)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(shí)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(shí)，混合氣體先部分燃燒），再通過(guò)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?？刂聘换瘹獾奶砑恿?，便能控制爐氣的碳勢(shì)。

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(duì)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(shí)的運(yùn)載氣體等。

2.3氮基氣氛

常用的是將制氧過(guò)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(shí)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(shì)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(gè)體積的氫和 1個(gè)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(lèi)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(lái)實(shí)現(xiàn)鋼的滲碳，并靠調(diào)節(jié)第二種液體的滴入量來(lái)達(dá)到控制爐氣碳勢(shì)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(jiǎn)單，適于批量生產(chǎn)氫，氫是還原性氣體。絕對(duì)干燥的氫是難以制備的，因此使用的氫實(shí)際上是微量水和氫的混合氣體。金屬在氫中加熱時(shí)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(duì)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(shí)，氣氛的氧化和還原能力取決于CO2/CO比值。調(diào)節(jié)這個(gè)比值就可以使鋼達(dá)到無(wú)氧化無(wú)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(cè)系統(tǒng)在熱處理中的實(shí)際應(yīng)用

爐氣的碳勢(shì)是指某一溫度下?tīng)t氣與鋼表面奧氏體中的碳量相平衡時(shí)的碳量，簡(jiǎn)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(shì))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(wú)論使用何種熱處理氣氛控制，都對(duì)氣體的組份濃度含量，有著非常嚴(yán)格的控制，通常是通過(guò)測(cè)定其中某一組分的含量(如水蒸氣、二氧化碳、氧氣)來(lái)提供信號(hào)給控制系統(tǒng),及時(shí)調(diào)節(jié)供氣成分來(lái)改變爐內(nèi)碳勢(shì)。

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(cè)氣氛的特性和工藝要求，進(jìn)行模塊化定制，可實(shí)現(xiàn)一套系統(tǒng)同時(shí)、連續(xù)、在線的檢測(cè)各路氣氛，解決了傳統(tǒng)測(cè)量的弊端?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各式熱處理爐內(nèi)真實(shí)氣氛組份（CO、CO2、CH4）等氣體濃度含量、氧電勢(shì)、碳勢(shì)等，是幫助現(xiàn)場(chǎng)工程師分析爐氣成分，排除故障，優(yōu)化工藝的*助手。