聊聊常用的渗碳气氛

aaron01 · 发表于 2014-1-20 18:09:46

本帖最后由 aaron01 于 2019-5-31 19:06 编辑

目前国内用的最多的载气类型，要数氮甲醇气氛了，其反应方式是CH3OH---CO+2H2，所以如果是纯甲醇气氛（不加氮气）的话，在甲醇充分分解的情况下，产生的载气成分大约是33%的CO，66%的H2，再加少量的其他气体，其他气体里包括氧化性气氛CO2、H2O、O2，还原性气氛CH4。
加入一定量的N2后，可以调节CO的比例，最常见的是20%CO，40%H2，接近40%的N2，再加少量其他气体，其他气体还是CH4、H2O、CO2、O2等。
可以用这样的方程来描述： CH3OH+2N2----CO+2H2+2N2

搬运工 · 发表于 2014-1-20 19:24:28

大家可以随意谈谈氮甲醇气氛作为载气的优缺点？

weibo · 发表于 2014-1-20 20:50:20

甲醇分解产生的碳势好像最高只有0.35吧

weibo · 发表于 2014-1-20 20:52:27

有没有人能给我一个清楚的解释啊

aaron01 · 发表于 2014-1-20 21:03:14

weibo 发表于 2014-1-20 20:50
甲醇分解产生的碳势好像最高只有0.35吧

讨论载气的碳势没有什么实际意义，通常载气占气体总量的90%以上，但是气氛碳势主要是由富化气的通入量所决定的！常用的富化气有丙烷、丙酮、天然气（主要成分是甲烷）。

aaron01 · 发表于 2014-1-20 21:11:11

可能有的朋友会问，甲醇分解出的CO不是也有渗碳效应吗？为什么要那么复杂，再添加另外的富化气来进行碳势控制呢？
嘿嘿，大家想想，先不忙着我一个人说单口相声{:soso_e120:}

weibo · 发表于 2014-1-20 21:51:47

应该就是要提高碳势吧

aaron01 · 发表于 2014-1-21 08:27:28

weibo 发表于 2014-1-20 21:51
应该就是要提高碳势吧

提高碳势只是一个方面，最主要的原因是和你问的第一个问题有关的，单单甲醇裂解，碳势会达到多少？
你的这个问题是没有准确答案的，因为，甲醇的分解程度和分解产物是和温度，流量，炉况等很多因素有关的。
CH3OH-CO+H2，是完全裂解情况下的反应，如果温度很低，会有其他富碳的烷类或烯类气体产物，这些富碳气体会使得炉内碳势逐渐升高。
另外，甲醇滴入量也会影响碳势，甲醇滴入量过大，液体甲醇来不及汽化，分解更不完全，会有很多高碳的产物产生，这种情况下，当然是通的时间越长，碳势越高的。

aaron01 · 发表于 2014-1-21 08:29:21

而我们对碳控的要求是稳定地控制在一个设定值，围绕设定值只能有很小的波动，要完成这个控制目标，单单通载气能行吗？

wanfeifei · 发表于 2014-1-21 09:13:03

aaron01 发表于 2014-1-21 08:27
提高碳势只是一个方面，最主要的原因是和你问的第一个问题有关的，单单甲醇裂解，碳势会达到多少？
你的 ...

老师。这我就有点不太懂了，照您这样说富化气的作用变成了稳定碳势为主，而不是起到渗碳的作用。

aaron01 · 发表于 2014-1-21 09:15:21

wanfeifei 发表于 2014-1-21 09:13
老师。这我就有点不太懂了，照您这样说富化气的作用变成了稳定碳势为主，而不是起到渗碳的作用。 ...

你想连续3个小时得到稳定的0.9%碳势，
下一时刻你想连续2小时得到稳定的0.3%碳势，
想想看，没有富化气行吗？
载气怎么实现这个控制目标呢？
能吗？

wanfeifei · 发表于 2014-1-21 09:16:19

这是我们老板说得，不知道对不对。载气的作用：再升温段、起气氛保护防氧化与排气作用。强渗与扩散段、稳定碳势作用。降温与保温段、主要是稀释工件表面的碳浓度作用。

aaron01 · 发表于 2014-1-21 09:20:59

wanfeifei 发表于 2014-1-21 09:16
这是我们老板说得，不知道对不对。载气的作用：再升温段、起气氛保护防氧化与排气作用。强渗与扩散段、稳定 ...

说得大部分是对的，载气是稀释剂，不用载气的话，富化气的渗碳能力太强了，很容易将工件表面渗过头。
载气的目的是得到一个CO%稳定的基础气氛，使得只要加入少量的富化气或空气，就可以很容易地得到持续稳定的，碳势波动很小的渗碳气氛。
想想，为什么这里要说CO%稳定呢？（其实你老板说的稳定，指的是这个意思）

wanfeifei · 发表于 2014-1-21 09:31:50

aaron01 发表于 2014-1-21 09:15
你想连续3个小时得到稳定的0.9%碳势，
下一时刻你想连续2小时得到稳定的0.3%碳势，
想想看，没有富化气行 ...

0.9%的碳势需要富化气。但如果是稳定在0.3%的碳势只通载气就行吧

aaron01 · 发表于 2014-1-21 09:34:07

wanfeifei 发表于 2014-1-21 09:31
0.9%的碳势需要富化气。但如果是稳定在0.3%的碳势只通载气就行吧

错，光通载气是不可能长期稳定地获得0.3%碳势的，看起来还得上个碳势控制原理图上来。
大叔那里有没有啊？

wanfeifei · 发表于 2014-1-21 09:36:32

期待上传。。。

aaron01 · 发表于 2014-1-21 09:36:41

如果是要求控制到0.45%的碳势呢？
如果我要求控制到0.15%的碳势呢？
应该怎么办？

wanfeifei · 发表于 2014-1-21 09:40:42

aaron01 发表于 2014-1-21 09:36
如果是要求控制到0.45%的碳势呢？
如果我要求控制到0.15%的碳势呢？
应该怎么办？ ...

0.45可否减少载气与富化气通入量，来达到。0.15貌似太低了，光通甲醇可能都不行，难道要加入氮气

aaron01 · 发表于 2014-1-21 09:44:29

找到了一个图，先上了：
氮甲醇碳控.jpg

cnszgong · 发表于 2014-1-21 10:02:46

wanfeifei 发表于 2014-1-21 09:40
0.45可否减少载气与富化气通入量，来达到。0.15貌似太低了，光通甲醇可能都不行，难道要加入氮气 ...

这个加不加氮气要看设备使用什么气氛类型的。氮甲醇气氛下氮气和甲醇的流量比例是固定的。
纯甲醇气氛下不使用氮气。

心情 · 发表于 2014-1-21 10:36:59

氧探头是单参数测量碳势，所以要保证载气中CO保持定值，假如用三气分析仪就不需要使CO保持定值了........

aaron01 · 发表于 2014-1-21 11:04:53

本帖最后由 aaron01 于 2014-1-21 11:30 编辑

19楼的这个图画得有错误，主要错在空气管路方面，还是我先用文字来说吧，再纠正错误。
碳势控制系统是怎么工作，拿这个图来举例，
1，工艺人员在碳控仪里设定碳势设定值；
2，在气氛里的氧探头连续动态测量炉内碳势，并将这个测量值反馈给碳控仪
3，碳控仪将碳势测量值与设定值进行比较，计算出气氛输出变量Y，Y的范围是从-100到+100
4，PLC 根据Y值来控制丙烷和工艺空气的电磁阀，-100代表在100毫秒的时间里，空气电磁阀打开100毫秒，+100代表在100毫秒时间里，丙烷电磁阀打开100毫秒

也就是说，炉内碳势高了，控制系统会发出给空气的指令去降碳势，碳势低了，控制系统会控制丙烷电磁阀打开，加丙烷。
这样的系统，保证了你设定碳势，炉内气氛就可以很稳定地长期控制在设定值附近很小的范围内波动。

aaron01 · 发表于 2014-1-21 11:15:00

本帖最后由 aaron01 于 2014-1-21 11:32 编辑

上面讲的碳控原理，有点扯远，在这个碳控里面，可以说载气几乎没有起到作用，因为载气是固定流量通入炉内的，既不会有时通有时停，也不会有时通得多有时通得少，而富化气就不一样，有的时候通丙烷升碳势，有的时候通空气去降碳势，有的瞬间丙烷通得多（时间长），有的瞬间丙烷通得少。
所以说，碳势控制主要是靠调节富化气来实现，而载气是恒定流量的，起到一个基础气氛的作用，在这种基础气氛条件下，稍稍变化一下富化气，就可以很方便地进行碳势的调节。
以上就是载气和富化气的关系，可以说对气体渗碳而言，两者都是必不可少，缺一不可的。

cnszgong · 发表于 2014-1-21 11:18:45

2，在气氛里的氧探头连续动态测量炉内碳势，并将这个测量值反馈给碳控仪
有点不太准确，这样写比较合适：在气氛里的氧探头连续动态测量炉内氧电势（毫伏值），并将这个测量值反馈给碳控仪。

aaron01 · 发表于 2014-1-21 11:27:03

本帖最后由 aaron01 于 2014-1-21 11:32 编辑

这个帖子本来是讨论各种载气的基础知识的，不过碳控原理说一下也好，如果朋友们对碳控没有更多问题的话，后面我会将话题重新转回载气类型和载气基础知识上去。
暂时和富化气说拜拜{:soso_e120:}

weibo · 发表于 2014-1-21 11:59:37

我感觉网带炉用甲醇和富化气渗碳好麻烦，还是易普生的连续炉只用丙烷就可以了，而且还好控制

weibo · 发表于 2014-1-21 12:01:17

我感觉网带炉升碳势好慢

aaron01 · 发表于 2014-1-21 12:21:22

本帖最后由 aaron01 于 2014-1-21 12:31 编辑

weibo 发表于 2014-1-21 11:59
我感觉网带炉用甲醇和富化气渗碳好麻烦，还是易普生的连续炉只用丙烷就可以了，而且还好控制 ...

如果你网带炉上的产品只要求某一个碳势设定值，
对碳势控制精度要求也不高的话，
温度也没有变化，一直是在850C以上的某个温度固定不变的话，
或许你说的方法也行。但是只要有一个条件变了，恐怕就会出问题，比如温度，影响甲醇的裂解程度，温度越低，甲醇越不容易裂解，富碳的中间产物越多，碳势越高。

连续炉上不用工艺空气，相当于碳势控制变量从0-100范围波动，这样的控制方法，在需要降碳势的时候会反应慢一些，其他也没什么问题。

weibo · 发表于 2014-1-21 12:35:17

l连续炉也用空气的，我认为主要是它的密封性好

aaron01 · 发表于 2014-1-21 12:42:42

本帖最后由 aaron01 于 2014-1-21 12:43 编辑

weibo 发表于 2014-1-21 12:35
l连续炉也用空气的，我认为主要是它的密封性好

你前面说的连续炉只用丙烷？是什么意思？没有载气吗？
还是说的易普森特有的超级渗碳气氛？那是我后面要说的另外一种载气方式。

weibo · 发表于 2014-1-21 12:45:24

我们这里的易普生的炉子没有用载气

aaron01 · 发表于 2014-1-21 12:50:48

在说易普森的超级渗碳气氛（也称直生式气氛）之前，还是应该先说下第二种常用的载气，发生气，也称吸热式气氛，英文缩写ENDO GAS

weibo · 发表于 2014-1-21 12:59:39

那个就不懂了，只好旁观受教啦

aaron01 · 发表于 2014-1-21 13:06:06

本帖最后由 aaron01 于 2014-1-21 13:10 编辑

在发生器中，把天然气或液化石油气（丙烷、丁烷等）等气体与一定比例的空气混合（当空气量较少时，混合气体先部分燃烧），再通过加热到高温（1000℃以上）的催化剂，使混合气体的未燃部分热裂解（吸热反应）而制得。吸热式气是一种应用最广的可控气氛。把它作为运载气体，将适量的富化气（甲烷或丙烷）带入加热炉内，就可以使低碳钢件表面渗碳，使碳含量达到规定的要求。
以天然气做气源来制备的发生气，其反应可以写成： 2CH4+O2+4N2---2CO+4H2+4N2
看到了吗，这个反应后产生的气氛其组分和氮甲醇气氛是一致的，其实，最早得到应用的是发生气，也是到目前为止应用最广泛的，只不过在后期，由于某些地区不能很方便地得到便宜又优质的天然气，才发展出了氮甲醇气氛这个替代品。

aaron01 · 发表于 2014-1-21 13:16:32

发生气和氮甲醇（20:40:40比例的）气氛，组分基本是完全一致的，不过氮甲醇气氛还受甲醇裂解温度，气化和裂解是否充分，氮气量比例等其他因素影响，而发生气完全不受炉内气氛影响，其组分从发生炉产生后就是这个比例，通到高温的渗碳炉内还是这个比例，因此，比氮甲醇气氛更稳定。
过去我们国家天然气工业不发达，所以这个气氛用的人家很少，现在西气东输工程带来了很大的便利，越来越多的厂家开始使用这种既便宜又稳定的气体来做渗碳载气。

aaron01 · 发表于 2014-1-21 13:30:33

下面，开始谈第三种常见的气氛类型，易普森的超级渗碳气氛，也叫直生式气氛。
为什么叫直生式气氛呢，这个直生说的是直接产生的意思，对比的对象是吸热式发生气。发生气是在发生炉内完成原料气和空气的反应，直生式自然说的是跳过发生炉，在没有发生炉的情况下，将原料气和空气按一定的比例混合后，直接通入炉内，在炉内进行反应。
1. 直生式气氛特性
（1）燃料种类工业上应用的燃料包括气体和液体，典型的有以下几种：
①天然气；②丙烷；③丙酮；④异丙醇。
（2）气体成分直生式气氛的组成与燃料种类、燃料与空气的比例以及炉内温度等有关。
表1分别为 950℃、1.15％碳势和850℃、0.90％碳势时的气氛组成。

表 1 直生式气氛组成(体积分数)
直生式气氛.JPG

   直式生气氛中含有较高的CH4，气氛组成尤其是CH4含量受温度影响较大。天然气/空气类型的直生式气氛由于过高的CH4含量，在850℃以下已无法获得实际应用。
（3）碳传递系数950℃不同类型气氛中CO和H2含量以及碳传递系数（β）如表2所示。

表 2  气氛中CO和H2含量以及碳传递系数

直生式气氛.jpg

aaron01 · 发表于 2014-1-21 15:13:00

举丙烷作原料气，加空气进行反应的这种直生式气氛来说，这个反应进行的程度和温度有很大的关系，所以直生式气氛的组分（包括CO%、H2%、CH4%等）在不同温度下是变化非常大的，在前面3种渗碳气氛里，要算是最不稳定的一种气氛了。
优点是便宜啊，少了发生炉的投资，也只需要很少的原料气，另外，碳传递系数β也比前两种气氛高，意味着同样情况下，渗碳速度要高于前2种气氛。

weibo · 发表于 2014-1-21 21:09:01

真的受教了

Jasen · 发表于 2014-1-21 21:40:32

wanfeifei 发表于 2014-1-21 09:40
0.45可否减少载气与富化气通入量，来达到。0.15貌似太低了，光通甲醇可能都不行，难道要加入氮气 ...

载气是不可以随意减少的，炉压及气氛的换气率是通过加入固定流量的载气来保证的。

wanfeifei · 发表于 2014-1-22 08:33:23

Jasen 发表于 2014-1-21 21:40
载气是不可以随意减少的，炉压及气氛的换气率是通过加入固定流量的载气来保证的。 ...

嗯。有次遇到故障载气滴注管堵住了，富化气还是正常滴注；后面出来的产品好像渗碳效果不好，您感觉这是什么原因造成的？
是因为炉压不够还是其他？

Jasen · 发表于 2014-1-22 08:47:20

wanfeifei 发表于 2014-1-22 08:33
嗯。有次遇到故障载气滴注管堵住了，富化气还是正常滴注；后面出来的产品好像渗碳效果不好，您感觉这是什 ...

炉压不够和不稳定对渗碳是有影响的，这只是渗碳效果不好的一个原因。其主要原因还是前面艾伦讲到的：载气的目的是得到一个CO%稳定的基础气氛。这种情况下，CO含量已经发生了变化，碳控仪计算和控制的碳势并非是炉内的实际碳势，就是通常所说的假碳势。

wanfeifei · 发表于 2014-1-22 08:52:41

Jasen 发表于 2014-1-22 08:47
炉压不够和不稳定对渗碳是有影响的，这只是渗碳效果不好的一个原因。其主要原因还是前面艾伦讲到的：载气 ...

老师，忘记说明一个信息了。我们使用网带炉做渗碳，没有探空仪。

aaron01 · 发表于 2014-1-22 08:54:50

这个问题不得不说说氧探头碳势测量和计算了，前面龚工就提到的，氧探头测到的是氧分压，而不是碳势。
其实探头就是个电位差计，炉内气氛中的氧含量极低，空气里的氧含量是21%，这个氧浓度差会形成电位差，这就是氧探头测到的氧势差（毫伏数）。
那么碳势是怎么计算出来的呢？碳势是温度、氧势、CO%三个因子的函数，任何一个变化都会引起碳势的变化。
所以我们通常希望在具有相对稳定的CO比例的气氛里进行渗碳，这样的话，碳势计算和控制都比较方便。

aaron01 · 发表于 2014-1-22 09:06:55

本帖最后由 aaron01 于 2014-1-22 09:15 编辑

wanfeifei 发表于 2014-1-22 08:52
老师，忘记说明一个信息了。我们使用网带炉做渗碳，没有探空仪。

呵呵，前面说过的，炉内气氛里90%以上是载气，如果没有载气了，会怎么样？炉压就维持不住了，网带炉前门那里就有空气进入了。
再看看碳势的计算方法，碳势是氧含量的函数，氧含量越高，碳势自然越低了

Jasen · 发表于 2014-1-22 09:09:18

wanfeifei 发表于 2014-1-22 08:52
老师，忘记说明一个信息了。我们使用网带炉做渗碳，没有探空仪。

道理是一样的，尽管你的设备没有碳控仪，在设备调试和工艺试验时已经根据载气的滴量和富化气的滴量确定了一个基本固定的碳势。也就是一定流量的载气和富化气对应于一个碳势值。如果此时载气的流量发生的变化，其实质是CO含量发生了变化，炉内的实际碳势就不是按固定流量配置所得到了碳势了。
等艾伦讲解完碳势计算和控制中CO含量必须准确设置的重要性，你就能更容易理解了。

wanfeifei · 发表于 2014-1-23 08:10:27

Jasen 发表于 2014-1-22 09:09
道理是一样的，尽管你的设备没有碳控仪，在设备调试和工艺试验时已经根据载气的滴量和富化气的滴量确定了 ...

谢谢两位老师的解读，感觉瞬间成长了许多

aaron01 · 发表于 2014-1-29 12:37:03

氧探头工作原理与结构：

氧探头.JPG

氧探头的结构如图1所示。低温时氧化锆内阻可以认为是无穷大，探头开路，仪表上显示的数据无意义。当温度超过650°C时，氧化锆成为固体电介质电池，由于锆头内外侧氧分压不同，在内外电极上产生浓差电势E。
E的大小符合Nernst方程：
E=0.215*T*Ln(P01/P02)=0.2１5*T*Ln(0.2095/P02)————（1）
其中： E为浓差电势（mv）； T为氧化锆温度（K°）；
P01为参比气（空气）中的氧分压（0.2095）；
P02为炉内气氛中的氧分压；
根据炉气中的CO平衡方程式：
CO←—→（1/2）02+[C]————————————————（2）
当炉气中的CO分压不变时，炉内氧含量越低，高活性碳原子含量越高，即碳势越高。由公式（1）（2）可以得到以下结论：
1．当炉温不变，炉内CO分压不变时，则探头上的氧电势越高炉内的碳势也越高。（单因素控制）
2．当炉温不变，探头上的氧电势不变时，则炉内的CO分压越高炉内碳势也越高。
由此可见，炉内碳势是温度、氧电势及炉内CO分压的函数。
C%=f (T,E,PCO)————————————————————（3）
氧探头的碳势与氧势、温度、一氧化碳含量对应关系可参考氧势表。在许多实际生产条件下，只要采取适当措施，可以做到炉内CO含量基本不变并保持炉温恒定，在这种情况下用氧探头进行碳势单因素控制即可满足绝大多数现场生产的需要。但要对炉内碳势进行精确控制则必需用微机对温度、CO含量、探头氧电势进行综合控制（称多因素控制），当然代价就要高得多。

逗逗你 · 发表于 2014-12-3 12:17:57

版主：你好
你们RX气体空燃比在多少的？CO2含量呢？露点在多少？

aaron01 · 发表于 2014-12-3 12:54:08

逗逗你发表于 2014-12-3 12:17
版主：你好
你们RX气体空燃比在多少的？CO2含量呢？露点在多少？

露点设定值是6C，比例阀根据露点检测情况，自动微调空气和天然气比例，实现自动控制。
CO2记不清，大概在0.2-0.3%范围吧。

欧阳磊 · 发表于 2014-12-3 13:45:38

我发个资料，不知道对你们讨论RX气体的露点和成分有没有帮助。

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