CN205062128U - 一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置 - Google Patents
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Abstract
一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置，包括氮气存贮装置、CO2存贮装置，氮气存贮装置通过氮气压力变换器出口端分为两路氮气分支，一支路为大流量，另一路为小流量，CO2存贮装置通过CO2压力变换器连接气体发生炉，气体发生炉连接CO压力变换器，CO压力变换器出口端分两路气体分支，一支路为大流量，另一路为小流量，调节通入炉内的N2和CO与CO2混合气的流量和比例，使钢件在热处理的加热及保温过程中处于无氢环境，使气氛的碳势与炉内工件的碳含量始终保持相等，性能稳定，从而实现工件长时间在高温下停留而不会脱碳或增碳，实现无氢环境的钢的完全保护。
Description
技术领域
本实用新型涉及热处理气体制备装置技术领域，具体涉及一种可以使钢制零件在热处理的加热及保温过程中处于无氢环境，且完全无脱碳现象的保护气氛的制备装置。
背景技术
在对钢制零件热处理过程中，为了防止工件在高温下脱碳和氧化，一般都采用真空热处理或者使用保护气氛在密封的气氛炉中处理。常用的保护气氛有惰性气氛（如氮气、氩气等）、氮-甲醇气氛、甲醇裂解气、RX气、氮基气氛等。
惰性气体在高温下与工件材料不会发生化学反应，但是通常惰性气体中难免含有其他杂质气体，如O2、CO2、H2O等。在实践中，即使惰性气体达到非常高的纯度（杂质气体在5ppm以下），应用这样的惰性气体，在高温下对钢制工件的保护也是很有限的。比如30CrMnSi材料的工件在900℃保温1小时，用99.9997%的高纯氮气作为保护气，工件表面的氧化层大于0.1mm，脱碳层更是超过0.5mm。因此高温下单纯使用惰性气体的保护效果不佳。
氮-甲醇气氛和RX气通常是作为渗碳气氛的基础气氛，其组分大概为CO：20-25%；H2:35-45%,少量H2O和CO2（2%以下），其余为N2。这种保护气氛通常还加入丙酮、丙烷、甲烷等作为富化气来提高碳势，必要时也加入空气来降低碳势，从而实现工艺所需要的碳势。这两种保护气氛可以作为优良的渗碳气氛，当然也可以作为钢的保护气氛。因为这种碳势控制技术非常成熟和可靠，所以工件在此保护气氛下可以实现完全无脱碳和氧化的保护，即完全的保护。其他的渗碳气氛也都具备同样的性质。但是因为渗碳气氛的设备成本和运行成本稍高，通常都是用于渗碳工艺，应用在保护气氛工艺的不多。
氮基气氛是以高纯的N2为基础的一种保护气氛。为了提高N2的保护能力，在N2中加入少量的还原性气体，如丙烷、甲烷、CO等。丙烷、甲烷或甲醇进入炉内在高温下分解，产生强还原性气体H2和CO。氮基气氛中还原气体的体积比一般在5%以下，最大也不会超过8%。在高温下工件在此这气氛中可以防止氧化，但是有一定程度的脱碳。30CrMnSi材料的工件在900℃保温1小时，用99.9997%的高纯氮气与5%的CO混合气作为保护气，工件表面基本无氧化，但是有0.2～0.3mm脱碳层。若对工件表面的脱碳层要求不高，氮基气氛的确是很理想的保护气氛。另外氮基气氛比较渗碳气氛的设备成本和运行成本都要低一些，气氛中含的还原气体也少一些，安全性更高，气氛控制简单，所以在钢制工件的气氛保护工艺中，氮基气氛应用更为广泛。
航空和航天领域常用的高强度钢和超高强度钢，如30CrMnSiA、40CrNiMo、30CrMnSiNi2A等，由于对氢脆敏感，所以要求保护气氛中不能含有氢气。这样，氮-甲醇气氛、RX气以及其他的渗碳气氛，都因为其中含有大量的氢气而不能使用。为了避免氢脆和脱碳，目前，对于尺寸不太大的高强钢或超高强度钢制成的零件，一般都采用真空热处理，要求脱碳层不大于0.075mm。当然脱碳层越小越好。但是，在航空航天领域，有的工件尺寸超出了常用的真空炉的使用范围。而真空炉随着尺寸的增大，不仅因容积的增大承受的总压力越来越大，要求更厚更强的炉壁，而且获得所需的真空度越来困难，所以真空炉随着尺寸的增大不仅设备成本越来越高，呈指数增长，也难于达到所需的真空度。所以，航天领域的超大型零件（如火箭壳体），一般没有保护措施，即只能在空气炉中热处理，任其脱碳。在热处理后，采用吹砂去除氧化脱碳层。对于超大尺寸的航空航天零件，吹砂去除脱碳层不仅很困难，去除脱碳层的深浅难于控制。脱碳层可能造成工件表面拉应力，而且脱碳层硬度低，材料强度显著下降，零件的强度及尺寸精度都会受到明显影响，使得零件的质量风险增加。
近年来，有厂家尝试使用含有5%的CO的氮基气氛作为保护气氛，来处理航空和航天领域的大尺寸零件。这种气氛内不含氢气，CO的通入量为恒量，它对此类零件的保护也有一定作用，但是，其对工件的保护效果正如上面所述，其对氧化的防护还好，但是脱碳的防护不是很理想，一般脱碳层深度都在0.2～0.3mm，而且脱碳层内的碳元素损失严重，硬度和强度下降显著，我们最熟悉的渗碳气氛中，都是尽量使CO含量为常量，通过加入富化气来调节CO2的含量来控制碳势，由于CO2含量一般都在0.1-1%之间，其含量少，所以其碳势调节速度快，碳势易波动。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置，在炉内建立无氢气氛，通过调节通入炉内的N2和CO与CO2混合气的流量和比例，使气氛的碳势与炉内工件的碳含量始终保持相等，性能稳定，从而实现工件长时间在高温下停留而不会脱碳或增碳，解决航空航天领域由高强钢和超高强度钢制成的大型和超大型工件的热处理时的脱碳问题，实现无氢环境的钢的完全保护。
为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：
一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置，包括氮气存贮装置、CO2存贮装置，氮气存贮装置、氮气压力变换器出口端分两支路，一支路由手阀A、大量程氮气流量计、手阀B、大流量氮气电磁阀依次连接后与密封气氛炉连接，另一支路由手阀C、小量程氮气流量计、手阀D、小流量电磁阀依次连接后与密封气氛炉连接；CO2存贮装置通过CO2压力变换器连接气体发生炉，气体发生炉连接CO压力变换器，CO压力变换器出口端分两支路，一支路由手阀E、大量程CO流量计、手阀F、大流量电磁阀依次连接后与密封气氛炉连接，另一支路由手阀J、小量程CO流量计、手阀H、CO小流量电磁阀依次连接后与密封气氛炉连接。
所述的氮气压力变换器出口端所分两个支路流量比为10:1～2:1之间，最有选为4:1。
所述的CO压力变换器出口端所分两个支路流量比为10:1到2:1之间，最有选为4:1。
所述的气体发生炉设有热电偶，炉内填充活性炭。
所述的密封的气氛炉设有热电偶、氧探头、气体分析仪、L-探头，内部放置待热处理的工件。
所述L-探头采用Measa公司的朗姆达探头。
本实用新型的有益效果是：
1）本实用新型的气氛的控制，是以碳势作为控制变量，以改变CO含量作为调节手段；
2）气氛中重要的组分CO的制备是采用CO2通入850-1000℃活性炭发生化学反应后获得，最佳值反应温度为工件的热处理温度+30℃。
3）气氛碳势控制的设定值为工件的材料的名义含碳量。采用此规则处理的工件，其表面含碳量会逐渐向气氛碳势接近，也就是说无论工件材料的实际含碳量是多少，经过此工艺过程后，工件表面的含碳量会趋近与该材料国标规定的名义含碳量。例如工件材料为30CrMnSiA，气氛碳势的设定点为0.30%，处理的工件的表面含碳量也将是0.30%；
4）本方案的保护气氛组分中不含氢气，避免了氢脆的发生，适合高强钢和超高强度钢的热处理气氛保护的最基本要求。
5）本方案的氮气及CO的控制均采用大流量和小流量双支路的控制方案。偏差较大时，用大流量控制；偏差较小时，用小流量控制。使得气氛控制不仅反应速度快（大流量控制），而且控制平稳不过冲（小流量控制）。所以本方案的保护气氛碳势比较渗碳气氛更加稳定。
6）本方案的保护气氛非常适合用于高强钢和超高强度钢的热处理防脱碳和氧化工艺，当然也可以用于其他钢制零件的热处理防氧化脱碳保护，为钢的热处理防护提供了一种新方法。
7）本方案的采用了密封的气氛炉作为处理工件的设备，气氛炉基本不受尺寸限制，可以按照工件的尺寸订做，所以对大型和超大型的航空航天零件均可以处理，彻底解决了目前这类零件无法防护任其脱碳氧化的现状，对于航空航天零件的减重和提高安全系数有重大意义。
8）本方案的使用的设备成本投资低，经济效益可观，由于等容积的真空炉的价格往往是密封的气氛炉的数倍，所以采用本实用新型，设备投资成本显著下降。
9）本方案的对脱碳的防护效果比真空炉更好。真空炉的防护效果与真空度有关。在目前技术条件下获得的真空度，其防护效果可以使钢的脱碳层不大于0.075mm。而本实用新型采用等碳势的原理，可以做到完全无脱碳。
10）本方案的的保护气氛，其对钢在热处理时的防护效果远好于氮基气氛。
附图说明
图1为本实用新型的制备装置结构示意图。
其中，1为氮气存贮装置；2为CO2存贮装置；3为L-探头；4为气体分析仪；5为炉内气氛；6为待热处理的工件；7为热电偶；8为氧探头；9为密封的气氛炉；10为大流量氮气电磁阀；11为手阀B；12为大量程氮气流量计；13为手阀A；14为小流量氮气电磁阀；15为手阀D；16为小量程氮气流量计；17为手阀C；18为大流量CO电磁阀；19为手阀F；20为大量程CO流量计；21为手阀E；22为小流量CO电磁阀；23为手阀H；24为小量程CO流量计；25为手阀J；26为CO压力变换器；27为热电偶；28为活性炭；29为气体发生炉；30为CO2压力变换器；31为氮气压力变换器。
具体实施方式
以下结合实施例对本实用新型进一步叙述。
如图1所示，一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置，包括氮气存贮装置1、CO2存贮装置2，氮气存贮装置1、氮气压力变换器31出口端分两支路，一支路由手阀A13、大量程氮气流量计12、手阀B11、大流量氮气电磁阀10依次连接后与密封气氛炉9连接，另一支路由手阀C17、小量程氮气流量计16、手阀D15、小流量电磁阀14依次连接后与密封气氛炉9连接；CO2存贮装置2通过CO2压力变换器30连接气体发生炉29，气体发生炉29连接CO压力变换器26，CO压力变换器26出口端分两支路，一支路由手阀E21、大量程CO流量计20、手阀F19、大流量电磁阀18依次连接后与密封气氛炉9连接，另一支路由手阀J25、小量程CO流量计24、手阀H23、CO小流量电磁阀22依次连接后与密封气氛炉9连接。
所述的氮气压力变换器31出口端所分两个支路流量比为10:1～2:1之间，最有选为4:1。
所述的CO压力变换器26出口端所分两个支路流量比为10:1到2:1之间，最有选为4:1。
所述的气体发生炉29设有热电偶27，炉内填充活性炭28。
所述的密封的气氛炉9设有热电偶7、氧探头8、气体分析仪4、L-探头3，内部放置待热处理工件6。
所述L-探头3采用Measa公司的朗姆达探头。
本实用新型的工作原理是：
1）原料为固体活性炭（颗粒状）、CO2气体和N2，将CO2和N2分别存储在CO2存贮装置和氮气存贮装置内，活性炭装在气体发生炉内；
2）原料气CO2从CO2存贮装置流出，经过压力变换器减压至0.01～0.2MPa后送入气体发生炉与活性炭反应，活性炭的温度由热电偶检测后，控制系统将活性炭的温度控制在850-1000℃，从气体发生炉出来的气体为生成物CO与少量未反应的CO2混合气体；
3）步骤2的混合气体进入密封的气氛炉，并通过CO压力变换器压力变化后经过CO电磁阀控制其流量大小或通断；
4）气氛数据采集，由密封的气氛炉上的热电偶、氧探头、及气体分析仪分别获得当前气氛的温度(℃)、氧势（mV)、CO及CO2的含量（%）；
5）根据炉内的温度(℃)、氧势（mV)、CO及CO2的含量（%），由碳控仪的碳控模块，或者由电脑安装专用的碳势计算软件，就可以获得气氛的理论碳势；
6）按照渗碳工艺中碳势校准普遍采用的定碳方法对理论获得的碳势进行校准，获得保护气氛的碳势的测量值；依据工件的含碳量选取保护气氛的碳势的设定值，碳势设定值选择工件材料的名义含碳量，碳量可作相应的微调；比如30CrMnSi，碳势设定点就选择0.3%c即可，通常采用这种方法就能满足要求，若不能满足要求，则需要对设定点稍作调整，比如40CrNiMo若选择0.4%c作为气氛碳势的设定点，工件表面会轻微增碳，调整为0.36%c后，工件表面无增碳和脱碳现象。
7）通过比较气氛碳势的设定值和测量值，将原料气N2由氮气存贮装置流出，通入密封的气氛炉内稀释CO与CO2的混合气，经过氮气压力变换器压力变换后，由氮气电磁阀控制其流量大小或通断，控制氮气电磁阀10或者14和CO电磁阀18或者22来调节气体发生炉内CO的含量。当碳势实际值高于设定值时，打开或增大氮气电磁阀10或者14，减小或关闭CO电磁阀18或者22，当实际碳势值低于设定值时，减小或关闭氮气电磁阀10或者14，打开或增大CO电磁阀18或者22，使得保护气氛的碳势的测量值始终保持与碳势的设定值一致，此时密封的气氛炉内调节好混合比例的CO、CO2、N2为本方案的保护气氛。
8）气氛碳势的测量值与设定值偏差大时，操作大流量电磁阀；偏差小时，操作小流量电磁阀。这样就可以快速调节气氛碳势到设定值而不过冲，获得本方案的稳定的保护气氛。
Claims (6)
1.一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置，包括氮气存贮装置（1）、CO2存贮装置（2），其特征在于，氮气存贮装置（1）、氮气压力变换器（31）出口端分两支路，一支路由手阀A（13）、大量程氮气流量计（12）、手阀B（11）、大流量氮气电磁阀（10）依次连接后与密封气氛炉（9）连接，另一支路由手阀C（17）、小量程氮气流量计（16）、手阀D（15）、小流量电磁阀（14）依次连接后与密封气氛炉（9）连接；CO2存贮装置（2）通过CO2压力变换器（30）连接气体发生炉（29），气体发生炉（29）连接CO压力变换器（26），CO压力变换器（26）出口端分两支路，一支路由手阀E（21）、大量程CO流量计（20）、手阀F（19）、大流量电磁阀（18）依次连接后与密封气氛炉（9）连接，另一支路由手阀J（25）、小量程CO流量计（24）、手阀H（23）、CO小流量电磁阀（22）依次连接后与密封气氛炉（9）连接。
2.根据权利要求1所述的一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置，其特征在于，所述的氮气压力变换器（31）出口端所分两个支路流量比为10:1～2:1之间。
3.根据权利要求1所述的一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置，其特征在于，所述的CO压力变换器（26）出口端所分两个支路流量比为10:1到2:1之间。
4.根据权利要求1所述的一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置，其特征在于，所述的气体发生炉（29）设有热电偶（27），炉内填充活性炭(28)。
5.根据权利要求1所述的一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置，其特征在于，所述的密封的气氛炉（9）设有热电偶（7）、氧探头（8）、气体分析仪（4）、L-探头（3），内部放置待热处理工件（6）。
6.根据权利要求5所述的一种热处理无氢完全保护气氛的制备装置，其特征在于，所述L-探头（3）采用Measa公司的朗姆达探头。
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