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传感器在监测钢铁淬火中的H2和CO浓度中的应用

2019-08-29 17:15
ISweek工采网
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工件的加热是在一定的介质中进行的。常见的加热介质有空气、燃料气体、盐浴和保护气氛。

(1)空气。在普通箱式炉或井式炉中加热时,其加热介质就是空气。空气作为加热介质,其缺点就是其中的氧气、二氧化碳和水蒸气容易使工件氧化和脱碳。

氧化是指钢表面的铁原子或合金原子与加热介质中的氧化性物质发生化学反应,生成氧化物的过程。氧化铁(俗称氧化皮)的生成,在加热时会使工件表面烧损,影响表面粗糙度;在淬火时影响淬火冷却的均匀性,造成硬度不均或硬度不足。

脱碳是指钢件表面的碳与加热介质中的氧、二氧化碳、水蒸气及氢发生化学反应,使表面的碳含量减少的现象。脱碳使工件表面的碳含量降低,导致淬火硬度不足,不但降低其耐磨性,而且在表面产生拉应力,使疲劳强度下降。

氧化与脱碳严重地影响着热处理的质量,在加热过程中应引起重视,予以防止。

以空气为加热介质时,防止氧化和脱碳的常用方法有以下几种:

1)喷撒法。炉温到达工作温度后,将工件装入炉中,即向炉内喷射或泼洒QW-F1钢材加热保护剂,也可将工件浸入加热保护剂后再入炉。

2)装箱法。将工件装入铁箱中,再以铸铁屑、木炭或焦炭填充,加盖密封,然后放入炉中加热。

3)浸沾法。将质量分数为6%的硼砂与质量分数为94%的酒精混合后,形成硼砂酒精涂料。将工件浸沾其中后,再装入炉中,可防止氧化。

4)涂料法。用防氧化涂料涂覆于工件表面,使其与炉气隔绝,起到防止氧化和脱碳的作用。常用防氧化涂料主要由硅酸盐(如硅酸钾等)和一定比例的金属氧化物(如氧化铬、氧化铝、氧化硅、氧化铝等)组成,混合后再辅以粘合剂(如水玻璃、树脂、硅溶胶等),再加入稀释剂(如水、丙酮等),最后调成糊状,采用喷涂、涂刷或浸沾等方法使其粘附于工件表面,起到与氧化性气,氛隔离的作用。亦可购买配好的成品,如中温防氧化涂料、高温防氧化涂料、110抗氧化涂料、202抗氧化涂料等。


(2)燃料气体。加热时煤气、煤或油在火焰炉中燃烧所产生的气体称为燃料气体。其主要成分是二氧化碳、一氧化碳和氢等气体以及空气中的氮和氧。其中的氢可以使工件脱碳,二氧化碳及氧既可使工件氧化,也可使工件脱碳。

炉气中氧的体积分数一般控制在2%~4%之间。估计的方法是:将一块边长约20mm的方木块放入炉中,关好炉门,从炉门上的观察孔观察木块的燃烧情况。如果木块没有明火,仅仅是冒烟后炭化,则炉气中氧的体积分数小于1.5%;若木块冒烟且有一闪一闪的蓝色火焰,则氧的体积分数为2.5%~4%;若木块燃烧并呈稳定的黄色火焰,且剩下的炭块一直在闪火,则氧的体积分数在5%或稍高一点。当炉气的氧含量较高时,可以适当减小送风量,以降低炉气的氧化性,减少工件的氧化和脱碳。


(3)保护气氛。在热处理加热过程中,能保护工件,使其免于氧化和脱碳的炉气,称为保护气氛。工件在保护气氛中加热,可以获得无氧化、不脱碳的光亮表面,其外观质量和内在质量都有很大提高。常用的保护气氛有以下几种:

1)可控气氛。可控气氛是指炉气的成分可以控制。通过调节炉气中的某种气体的比例,既可以使炉气实现无氧化加热,也可以进行渗碳或碳氮共渗等。

①  放热式可控气氛。用液化石油气(主要成分为丙烷C3H8及丁烷C4H10)、天然气(主要为甲烷CH4)或城市煤气等原料气与空气按一定比例混合后,通过自身燃烧而获得.由于燃烧时放出大量热量,故称放热式可控气氛。由于放热式气氛中CO2和H2O较多,故不能防止脱碳,多用于中、低碳钢的无氧化加热或允许少量脱碳的无氧化加热。

②吸热式气氛。将原料气(液化石油气、城市煤气或天然气)与空气按一定比例混合后,由外界对其进行加热而制成,由于反应过程需要吸收热量,故称吸热式气氛。吸热式气氛中的CO和H2较多,而CO2和H2O则很少,所以可以有效防止工件氧化和脱碳。为了使钢在加热过程中既不脱碳又不增碳,就要准确地控制炉气成分,使碳原子在炉气与钢之间的交换达到平衡。此时,钢的碳含量即为炉气的碳势。通常,炉气的碳势可通过控制炉气中CO2或H2O的体积分数来控制,这是因为H2O、CO2的体积分数与CO、H2等气体的体积分数有一定的平衡关系。[φ(CO)φ(H2O)]/[φ(CO2)φ(H2)]=常数。在吸热式气氛中,H2和CO大致是恒定的,这样CO2和H2O之间就存在着互相依赖制约的关系,知道其中的一个,就可以确定另一个。炉气中H2O的含量可通过露点的检测。所谓露点即为炉气中水蒸气开始凝结为水的温度。炉气中H2O越多,则露点越高;反之,则露点越低。露点可用露点仪来测量。CO2的含量可通过红外线CO2分析仪检测,并用电子装置进行控制。此外,吸热式气氛还能用于渗碳或碳氮共渗等。

③滴注式可控气氛。将煤油、苯、甲醇等碳氢化合物直接滴入高温炉膛内,使其在高温下裂解,所形成的炉气中含有CO、H2和CH4等还原性气体,可以保护工件不氧化脱碳。甲醇( CH3OH)在高温下裂解(CH3OH→CO+2H2)后的产物是弱碳成分,主要用作稀释剂。而煤油、苯、乙醇、丙酮、醋酸乙酯等有机物,在高温下裂解后会产生大量活性碳原子,作为渗碳剂,以调节炉气的碳势。稀释剂和渗碳剂的滴入量,应根据工件的材料、渗碳的不同阶段、炉膛大小和装炉量等因素确定。

2)氨分解气。氨在高温下分解为氮和氢,可以代替价格较贵的氢气作为保护气氛,使钢在加热时不氧化脱碳,主要用于含铬较高的合金钢的光亮淬火和退火等。但氨分解气中的氢气易燃、易爆,使用中不得与空气混合。


(4)盐浴。将无机盐在高温下熔为液体,用于加热工件,即为盐浴。用盐浴加热时,由于工件与空气隔绝,可以有效地防止工件氧化和脱碳。此外,盐浴加热还有加热速度快、加热均匀、变形小、可局部加热等特点。盐浴加热主要用于工件的淬火加热或预热。

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