氮甲醇气氛炉气体流量的控制
上海汽车变速器有限公司 热处理 工程师 朱永新
前言
氮甲醇气氛渗碳是以氮气为载体添加富化气的一种渗碳方法。相对于其他形式的可控气氛而言，氮甲醇渗碳具有碳势控制更稳定，产品质量更好，操作更安全等显著的优点。其缺点是设备需要消耗大量的氮气和甲醇，生产成本和碳排放量较高。
通入过多的氮气和甲醇不仅会造成资源浪费，同时会造成大量的CO2气体排放影响环境。在不影响渗碳质量和速度的前提下，我厂经过一年多来的生产实践，大幅降低设备指导耗气量30%以上，取得了良好的效果。
1 介质比例的设定
我厂使用的Aichlin多用炉，是典型的氮气+甲醇+丙烷的氮甲醇渗碳气氛，经高温裂解后主要产生CO,H2,N2等气体。热力学上，当温度超过700℃时，其主要介质甲醇按下式进行：裂解
方程式为：CH3OH－→CO+2H2，每L液态甲醇产气量为1.66m3。40/60配比是最常用的氮甲醇气氛，实际应用时可以通过调节N2和CH3OH的比例来调整气氛的组成。设备厂家的指导流量：4.2+0.5L/h甲醇，4.5+1m3/h氮气比例，也是基于这一原则。
根据这一气体组成，我们可以计算出炉膛内CO/H2/N2所占的比例：
CH3OH    －→  CO    +    2H2
        4.2*1.66/3    2*4.2*1.66/3
N2:4.5（氮气不参与还向反应）
即：CO:H2:N2=2.3:4.6:4.5,气体主要成分组成接近为：20% CO+ 40% H2+ 40%N2。
氧探头作为可控气氛在线碳势控制的主要手段，是通过测量炉内的氧分压高低，间接反映碳势的高低，CO↔［C］+1/2O2。在气氛中的CO值恒定的前提下，若测出炉气中的可变氧量，可测定出炉气碳势，然后通过加入丙烷或空气的追加，达到控制碳势的目的。
氮-甲醇气氛中，氮气与甲醇的比例不同，co的值也不同。因此，控制氮气与甲醇的比例，
保证co的值的恒定是稳定碳势的前提。设备上一般氮气以m3、甲醇以L为单位的流量计，只要保证氮气与甲醇的 1.1：1的关系，就可以方便设定氮气与甲醇的比例关系，从而得到CO为20%基础的氮甲醇气氛。在甲醇质量(特别是含水量)可靠的情况下,气氛中含量在一个很小的范围(一般18%一22%)内波动。
在此理论基础上，我们将流量调整为：3.0+0.5L/h甲醇，3.5+0.5m3/h氮气的设定值。
2 介质流量的确定
碳原子在炉内时间长会失去活性，应适当补充换新。介质流量的确定，是根据炉膛的容积，多用炉按每小时3-5次的换气率，测算出氮气和甲醇的设定量。Aichlin多用炉的炉膛体积为：1600*1300*1200=2.5m3，按照体积我们得出以下的换气数据：
1）按4.2L/h甲醇，4.5m3/h氮气，换气次数为：（4.2*1.66+4.5）/2.5=4.5次/h
2）按3.0L/h甲醇，3.5m3/h氮气,换气次数为：（3*1.66+3.5）/2.5=3.4次/h
需要说明的是，上述炉膛体积是按照空炉的体积测算，在装炉后的实际炉膛体积更小，因
此实际的换气次数更高。并且是以传统的渗碳介质计算方式，是建立在老式渗碳炉（滴注煤油式、无碳势自动控制、密封性不好）所以要求换气次数较大一般大于3次/小时，目前的设备可能还有一定的下降空间。
3 跟踪试验情况
3.1渗碳工艺的过程跟踪
在确定氮气和甲醇下降量后，在Aichlin多用炉进行了跟踪试验。在同一炉子，流量更改前后，针对渗碳过程的升温、保温、降温等不同阶段，分别对炉压，碳势的波动情况作了详细的跟踪记录，见表1炉压、碳势记录表：
汽车改甲醇
降低流量前
降低流量后
升温
保温
降温
升温
保温
降温
炉压
+40pa
+50pa
+40pa
炉压
+20pa
+30pa
+30pa
碳势波动量
不控制
±0.05
±0.05
碳势波动量
不控制
±0.05
±0.05
碳势到达时间
5-10min
碳势到达时间
5-10min
表1炉压、碳势记录表
    从数据及现场的曲线监控看，碳势的波动值和碳势到达时间基本无变化，渗碳总的工艺时间未受到影响。炉压略有降低，在调整排气口的阀门后，可以恢复原来的状态。同时应当注意的是，降低流量对正常渗碳时碳势影响不大。但是炉膛若进行过开门检修等操作后，在气氛完全破坏的情况下，需要适当考虑增加预渗的时间，否则将影响预渗效果。
3.2试验结果测试情况
在产品进行满炉试制的同时，根据不同的装炉位置进行了9点金相，表面碳含量的光谱检测等理化测试，所有检测指标合格，见表2金相检测记录表：
试验产品名称：02T 311 169  行星齿  材料：TL4521 
序号
表面硬度
680-780
表面含碳量
0.7-0.9
心部硬度
400-500
硬化层深
0.5-0.8
K
A
M
非M
结论
1
720
0.83
440
0.65
2
2
2
0.015
合格
2
683
0.84
435
0.60
2
3
3
0.015
合格
3
694
0.81
436
0.63
1
2
3
0.010
合格
4
695
0.84
442
0.66
1
3
3
0.015
合格
5
686
0.84
435
0.63
1
2
2
0.015
合格
6
689
0.82
430
0.64
2
3
3
0.015
合格
7
705
0.83
441
0.63
2
2
2
0.015
合格
8
685
0.81
433
0.64
1
3
3
0.015
合格
9
708
0.80
439
0.64
1
3
2
0.015
合格
表2金相检测记录表
该方法在我厂的连续炉、转底炉等不同类型的氮甲醇渗碳炉上，进行了试验和推广，同样取得了良好的效果。设备耗气量比原来减少了30%以上，为企业节约大量的资金，节能减排大有潜力可以挖掘。
5 结论
1）适当的降低氮气甲醇的流量，不影响渗碳的速度和产品质量。
2）氮气和甲醇的通入必须按一定的比例执行，改变两者的比例会影响碳势的测量。
参考文献：
1、樊东黎，热处理技术数据手册，机械工业出版社，2000.9
2、黄晓明，工程材料与热处理，机械工业出版社，2009.2
3、陈永勇，可控气氛热处理，冶金工业出版社，2008.7
4、阎承沛，真空与可控气氛热处理，化学工业出版社，2006.7