氮基气氛热处理

　　N2-CH3OH氮基气氛 

　　N2-CH3OH是最具代表性的氮基气氛，可广泛地应用于保护加热和气体渗碳工艺。热力学上，当温度超过700℃进，甲醇按下式进行：

　　CH3OH－→CO+2H2

　　实际应用时，可根据具体的工艺要求，通过改变N2/CH3OH的比例来调整气氛的基本组成。

　　当按照40/6O的氢气/甲醇裂解气配制气氛时，炉气的基本组成分40/40/20（N2/H2/CO）型，因其与吸热式气氛的基本组成相似，也被称为合成吸热式气氛（Endomix）。其碳势控制方法、渗碳均匀性、参碳速度等方面与吸热式气氛相似。

　　用于制备氮基气氛的氮气纯度除某些特殊工艺要求高纯度外，N2-CH3OH型氮基气氛用于渗碳载气时，95％～99.5（体积分数）的氮气在相同的渗碳时间内，表面碳含量、渗层深度以及内氧化程度与高纯氮的效果是相似的。但在较低的工作温度时，随N2纯度的降低，气氛的恢复时间延长；并由于工作区内较高的甲烷含量，导致产生炭黑的趋势增加，尤其是在气氛流量较大的情况下。另一方面采用较底纯度的氮气时，富化气需要量增加。据报道，在密封箱式炉中渗碳时，当碳势为1％时，采用纯氮气情况下，天然气需要量在标准状态下为0.4m3/h；而采用纯度为95.5％的氮气时，则需要lm3/h的天然气。此外，从安全方面考虑，密封箱式多用炉采用前室和预冷室冲氮时，氮气中氧的体积分数应小于1%。鉴于上述因素，目前生产上采用的氮气纯度多在99.5％以上。

　　1．空气分离制氮技术

　　近20年来空气分离制氮技术取得了十分明显前进步。传统的空分制氮法是利用液氮和液氧具有不同蒸发温度的特点，采用将空气深冷液化，然后再分离的方式获得纯度很高的液氮。

　　变压吸附制氮（PSA）法是空分制氮技术的一大进步，其优点是设备大为减化，能耗明显减少，生产成本明显降低。我国经近十多年的努力，PSA制氮技术水平有了明显提高，但分子筛制造技术有待于进一步研究，以提高其性能和寿命。

　　80年代由美国Dow Chemical Co.开发的膜分离制氮技术问世并获得应用。膜分离系统由几个分离的单元组成，每个单元装填有许多比人的头发还细的聚烯烃空心纤维，其分离原理是利用氧气和氮气不同的渗透性，典型的氮气纯度为95％～99.5％。膜分离技术的优点是能耗低、投资少、结构简单，并可对现有系统增加额外的单元以满足扩大生产的需求。

　　2．甲醇分解的研究

　　从热力学角度，在700℃以上，甲醇将全部分解成H2和CO，但实际情况是900℃以下，甲醇裂解气仍是非平衡气氛。当采用简单的往炉内直接滴入液态甲醇时，一旦滴入器结构或滴入位置不当，极易产生不均匀裂解，导致炭黑产生。尤其是在甲醇需求量较大时和渗碳炉内温度降低时，甚至连及时气化的程度都难以实现，根本无法保证N2和CH3OH的充分混合和气氛的精确控制。

　　国外在密封箱式多用炉上多采用专利结构的喷射器以保证均匀稳定的液体流量，并有利于甲醇的分解。喷射器的安装位置及伸入炉内的深度非常重要，理想的位置是置于靠近炉顶风扇处、伸入50～100mm。 

　　先将甲醇低温蒸发，然后和N2按比例混合，在保持蒸气温度前提下通入箱式退火炉内是LINDBERG公司开发的称为“SATURATORS”的氮基气氛供给系统。该系统如图1所示，在蒸发器内甲醇温度给定时，氮气与甲醇蒸气的比例是一定的，而与通入蒸发器内的氮气流量以及流速无关。当蒸发器温度控制在39℃时，N2与甲醇裂解气的比例为40/60型，炉内气氛基本组成（体积分数）为CO20％、H240％、N240％。蒸发器内温度越高，炉内气氛中CO和H2的含量越高。

　　3．氮基气氛快速渗碳

　　渗碳气氛的碳传递系数与气氛中的pCO和ph2。的乘积成正比，根据这一原理，美国空气和化学公司提出了氮基气氛快速渗碳法。即在强渗期采用几乎100％的甲醇作载气，当工件表面合碳量达到气氛碳势设定值时，载气换以40/60型的N2-CH3OH气氛。据介绍，采用快速渗碳法时，渗碳周期可缩短lh，节约能源17％。