大家知道，目前國內(nèi)外常用的可控氣氛滲碳主要有三種方法，這三種滲碳方法各有其優(yōu)缺點(diǎn)，尤其在實際生產(chǎn)中，更為關(guān)注的是效率和效益。下面結(jié)合生產(chǎn)實踐分別對三種可控氣氛滲碳方法做一介紹，重點(diǎn)介紹了超級滲碳技術(shù)的優(yōu)勢和成本分析。
1.當(dāng)前國內(nèi)外所采用的三種可控氣氛滲碳方法
（1）發(fā)生器式吸熱性保護(hù)氣可控氣氛滲碳方法 二次大戰(zhàn)以后，發(fā)生器式吸熱性保護(hù)氣可控氣氛滲碳方法首先是在美國發(fā)展起來的，改變了以往傳統(tǒng)的各種滲碳方法如固體、液體和氣體滲碳，實現(xiàn)了滲碳過程爐氣碳勢的自動控制，使?jié)B碳零件的質(zhì)量有了很大的提高。因而在世界工業(yè)先進(jìn)國家得到廣泛的推廣和應(yīng)用。該滲碳方法采用吸熱性平衡氣氛，爐氣成分穩(wěn)定，碳勢控制精度高，適用的工藝溫度較為寬廣。因而直至如今，在大規(guī)模的連續(xù)式生產(chǎn)作業(yè)線上仍得到廣泛采用。
（2）滴注式可控氣氛滲碳法 滴注式可控氣氛滲碳是瑞士提出的滲碳方法，國際上稱為卡博－瑪格法，該工藝的實質(zhì)就是在整個滲碳周期內(nèi)，同時向爐內(nèi)滴進(jìn)兩種碳當(dāng)量不同的有機(jī)介質(zhì)。一種介質(zhì)在高溫下能產(chǎn)生相當(dāng)于稀釋氣體；另一種產(chǎn)生滲碳?xì)夥铡Ｕ{(diào)節(jié)兩者的配比，以實現(xiàn)爐氣碳勢的自動控制。
該方法的優(yōu)點(diǎn)在于，吸熱性保護(hù)氣由直接滴入的介質(zhì)產(chǎn)生，不需要專門的發(fā)生器，可大大節(jié)省能源。它兼有傳統(tǒng)的滴注法和發(fā)生器式控制氣氛滲碳的優(yōu)點(diǎn)，既經(jīng)濟(jì)簡單，爐氣碳勢又可控。
（3）超級滲碳（Supercarb GA法） Supercarb GA超級滲碳，是將碳?xì)浠衔镏苯油ㄈ霠t內(nèi)產(chǎn)生的滲碳?xì)夥眨此^的直生式氣氛。其氣氛碳勢可控，得益于當(dāng)代氣氛監(jiān)控裝置和計算機(jī)控制技術(shù)在熱處理領(lǐng)域的飛速發(fā)展。直生式氣氛比發(fā)生器制備的吸熱式氣氛，可以節(jié)省大量能源。因為采用發(fā)生器制備的吸熱性氣氛滲碳，相當(dāng)于兩臺爐子同時工作。另外發(fā)生器啟動需要一個過程，滲碳爐和發(fā)生器在一段相當(dāng)長的時間內(nèi)，往往難于同步。滲碳爐對發(fā)生器的等待或發(fā)生器氣氛的放空，都是設(shè)備空運(yùn)轉(zhuǎn)，這又是一筆能源消耗或浪費(fèi)。除此之外，超級滲碳原料氣的用量僅為發(fā)生器式滲碳法的1/4~1/5。加上超級滲碳法具有管路流程簡單（外圍設(shè)施簡單）、操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。因而法國等西歐先進(jìn)國家自20世紀(jì)90年代，就按Ipsen公司的基本設(shè)想，向爐內(nèi)直接通入天然氣/空氣、丙烷/空氣、丙酮/空氣或異丙醇/空氣，并直接生成CO、H2、和N2混合氣，代替N2—甲醇分解氣。
2.什么叫超級滲碳（Supercarb GA法）
GA兩個字母，G是GAS英文的縮寫，意指燃?xì)饣蛱細(xì)浠衔铮珹是AIR英文的縮寫，表示空氣。GA法就是將碳?xì)浠衔铮缂淄榛虮椋涂諝庵苯油ㄈ霠t內(nèi)進(jìn)行滲碳。Supercarb，英文直譯為漢語，意指過量的碳或超量的碳，因而中國的熱處理專家將SupercarbGA法譯為超級滲碳。德國易普森國際有限公司研究開發(fā)的超級滲碳技術(shù)，就是采用天然氣（甲烷）、丙烷或丙酮作原料，在爐內(nèi)與空氣直接制成吸熱式氣氛和滲碳?xì)夥眨此^直生式氣氛。它不僅省去了發(fā)生器而且比普通的吸熱式氣氛節(jié)省原料氣。其原料氣僅為普通方法的1/4~1/5。與此同時還具有爐氣恢復(fù)快、改變爐氣碳勢快、爐氣活度大、滲速穩(wěn)定和快的特點(diǎn)。我公司自2004年開始采用Ipsen公司的超級滲碳技術(shù)及其Carb-o-prof專家控制系統(tǒng)，參與易普森公司TQF-17-ERM和RTQF-17-ERM等爐型的超級滲碳的生產(chǎn)實踐活動，并先后與德國Ipsen上海分公司調(diào)試工程師一起進(jìn)行調(diào)試工作。比較我們原來采用的井式爐滴注式氣體滲碳和豐東多用爐滴注式可控氣氛滲碳，認(rèn)為當(dāng)今采用的超級滲碳技術(shù)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢和成本優(yōu)勢。
3.超級滲碳技術(shù)的優(yōu)勢
（1）超級滲碳使用的原料氣比其他滲碳方法少得多 可以從如下三個方面得到解釋：
第一，排空量大為減少。大家知道，可控氣氛滲碳用的原料氣主要有兩個用途。其一，是與空氣混合產(chǎn)生吸熱性保護(hù)氣；其二，是提供滲碳介質(zhì)的富化氣。爐氣中的碳元素，一部分為爐料（零件）、爐膛和掛具所吸收；另一部分作為滲碳系統(tǒng)平衡而排空的。因為排空是密封系統(tǒng)的滲碳反應(yīng)要進(jìn)行到底所必要的。排空系統(tǒng)所消耗的碳分依爐子的密封性不同而有很大差別。目前，Ipsen公司生產(chǎn)的多用爐，其排氣孔直徑僅有8~10mm，是當(dāng)前世界各種同類爐型中最小的。排空量極小，因而總的原料氣消耗就少。
第二，充分利用大氣中的N2作為保護(hù)氣資源。眾所周知，吸熱性保護(hù)氣主要由CO、H2和N2組成。發(fā)生器式保護(hù)氣就是由天然氣或丙、丁烷與空氣混合送入裝有觸媒的高溫反應(yīng)罐中產(chǎn)生出來的。氮—甲醇保護(hù)氣則是由制氮機(jī)產(chǎn)生的N2，加上甲醇的分解氣。制備這些混合氣均需要輔加特殊設(shè)備。直生式氣氛的N2則直接取自大氣，大氣中79%是N2。充分利用大氣中的N2作為保護(hù)氣資源，既經(jīng)濟(jì)，又方便。
第三，避免出裝爐操作時因空氣倒灌引起爐氣爆炸而輔加的天然氣和空氣通入制度。為確保多用爐的安全操作，對通入爐內(nèi)保護(hù)氣的量均有一定要求，即通入量是滲碳爐容積的若干倍，即所謂換氣次數(shù)。Ipsen多用爐工藝運(yùn)行用氣量小，為臨時增加出裝爐時的爐氣產(chǎn)量，Ipsen爐在出裝爐時瞬時通入大量氮?dú)猓ǔ鲅b淬火室和加熱室），為的是減少爐內(nèi)負(fù)壓或負(fù)壓的維持時間，從而大大提高爐子安全操作系數(shù)。這樣的設(shè)計，在保證減少工藝運(yùn)行用氣的前提下，又保證了爐子的安全操作。
（2）超級滲碳的爐氣碳勢恢復(fù)快，活度大 發(fā)生器式可控氣體滲碳和滴注式可控氣氛滲碳法，在爐氣恢復(fù)階段只通入稀釋氣體。稀釋氣體主要由CO、H2和N2（甲醇裂解氣僅含CO和H2）組成。這樣的爐氣只具有還原性和弱滲碳性。而超級滲碳開始就通入天然氣（CH4）或丙烷、丁烷，它們的存在，首先抵消爐氣中CO2和H2O的不良作用，爐氣很快由氧化性、脫碳性變成還原性、弱滲碳性。剩余的CH4將繼續(xù)提供碳分，使?fàn)t氣碳勢迅速提高。合理的工藝制度，可以做到滲碳溫度和強(qiáng)滲階段碳勢同步到達(dá)，而前兩種工藝碳勢比爐溫將滯后20~45min，甚至更長。
超級滲碳非平衡氣氛何以活度大呢？
碳在鋼奧氏體中的活度定義為：平衡時鋼件表面含碳量/γ-Fe中飽和含碳量。超級滲碳?xì)夥蘸小俺康奶肌薄?/span>CH4。據(jù)資料介紹，一份CH4提供的碳份相當(dāng)于27.5份CO提供的碳份。由于超級滲碳?xì)夥?/span>CH4含量偏高，平衡時鋼件表面含碳量就高，因而爐氣具有更大的活性。
（3）超級滲碳改變爐氣碳勢快，滲速大 超級滲碳碳勢的二次調(diào)節(jié)是通過改變空氣量實現(xiàn)的，而發(fā)生器式滲碳和滴注式可控氣氛滲碳法則是通過改變富化氣量實現(xiàn)的。眾所周知，空氣的變化對爐氣碳勢的影響遠(yuǎn)比富化氣大得多，前者幾乎瞬時便可實現(xiàn)，碳勢變化曲線幾乎接近垂直線，而后者對碳勢調(diào)節(jié)變化要慢得多。
爐氣碳勢變化迅速利于加速整個滲碳過程。因為它便于對碳勢進(jìn)行臺階式控制。即在滲碳初期采用高碳勢氣氛，以不出現(xiàn)碳黑為度。隨著滲碳時間的延長，在以后的幾個階段逐漸降低爐氣碳勢，直至表面碳濃度達(dá)到技術(shù)要求。
例如，對滲層為0.8~1.2mm或1.0~1.4mm的滲碳零件，在930℃滲碳溫度下，可以全部編程為1.2%C碳勢的強(qiáng)滲階段。在0.8%C左右碳勢的擴(kuò)散階段，移至后期降溫及淬火保持階段，其滲層淬火金相組織的殘余奧氏體完全符合技術(shù)要求。同樣的編程方法，若用發(fā)生器式保護(hù)氣滲碳或滴注式可控氣氛滲碳法，滲層淬火組織中殘余奧氏體量偏高。因為它們的后期碳勢二次調(diào)節(jié)慢而降不下來。這樣，務(wù)必提前結(jié)束強(qiáng)滲階段，即降低強(qiáng)滲階段對擴(kuò)散階段的比例。強(qiáng)滲階段爐氣碳勢高，利于碳原子向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，加速滲碳過程，即提高滲速。
4.超級滲碳技術(shù)與滴注式可控氣氛滲碳技術(shù)的成本分析
目前我公司主要采用兩種滲碳技術(shù)即：Ipsen爐的超級滲碳技術(shù)和豐東爐的滴注式可控氣氛滲碳技術(shù)。
（1）電量的消耗對比。以重卡齒輪的熱處理為例進(jìn)行對比分析，Ipsen爐主爐功率230kW，裝爐量為1000kg，熱處理時間為11.5h，則每公斤齒輪消耗電量為：230×11.5÷1000=2.645度/kg，而豐東爐的主爐功率128kW，裝爐量為400 kg，熱處理時間為13 h，則每公斤齒輪消耗電量為：128×13÷400=4.16度/ kg，以現(xiàn)有的齒輪產(chǎn)量每月按（2×6+0.8×2）×28=380噸計算，則每月可節(jié)約電量：（4.16－2.645）×380×1000=57.57萬度，電費(fèi)按0.7元/度計算，則每月可節(jié)約電費(fèi)：0.7元/度×57.57萬度=40.299萬元，那么每年可節(jié)約電費(fèi)：40.299萬元×12=483.588萬元。
（2）熱處理用原料的消耗對比。兩者相比，滴注式可控氣氛滲碳技術(shù)使用的介質(zhì)是甲醇和丙烷，而超級滲碳技術(shù)使用的介質(zhì)是丙烷和空氣，兩種爐型均用天然氣作為封門氣體，就節(jié)省的甲醇用量來算，據(jù)生產(chǎn)車間統(tǒng)計，每臺爐子每周使用兩罐甲醇，而每罐甲醇的價格為4元/kg×170kg =680元。則每臺爐子每周消耗甲醇費(fèi)用為1360元。每臺爐子每年消耗甲醇費(fèi)用為360÷7×1360=6.9942857萬元≈7萬元，那么6臺Ipsen熱處理爐每年僅甲醇的費(fèi)用就節(jié)約42萬元。
5.結(jié)語
綜上分析，超級滲碳技術(shù)確有其獨(dú)特的技術(shù)和成本優(yōu)勢，不但具有可觀的顯形效益，同時由于該技術(shù)的特有優(yōu)勢提高了生產(chǎn)效率，而產(chǎn)生了隱形效益。今后我們要結(jié)合生產(chǎn)實踐和產(chǎn)品要求進(jìn)一步優(yōu)化工藝參數(shù)，發(fā)揮該技術(shù)更大的效能。
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