大家知道，目前國(guó)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(shí)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(shí)踐分別對(duì)三種可控氣氛滲碳方法做一介紹，重點(diǎn)介紹了超級(jí)滲碳技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和成本分析。
1.當(dāng)前國(guó)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(guó)發(fā)展起來(lái)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(shí)現(xiàn)了滲碳過(guò)程爐氣碳勢(shì)的自動(dòng)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(guó)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(shì)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(guó)際上稱為卡博－瑪格法，該工藝的實(shí)質(zhì)就是在整個(gè)滲碳周期內(nèi)，同時(shí)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(shí)現(xiàn)爐氣碳勢(shì)的自動(dòng)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(jiǎn)單，爐氣碳勢(shì)又可控。
（3）超級(jí)滲碳（Supercarb GA法） Supercarb GA超級(jí)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(shì)可控，得益于當(dāng)代氣氛監(jiān)控裝置和計(jì)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?yàn)椴捎冒l(fā)生器制備的吸熱性氣氛滲碳，相當(dāng)于兩臺(tái)爐子同時(shí)工作。另外發(fā)生器啟動(dòng)需要一個(gè)過(guò)程，滲碳爐和發(fā)生器在一段相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，往往難于同步。滲碳爐對(duì)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(jí)滲碳原料氣的用量?jī)H為發(fā)生器式滲碳法的1/4~1/5。加上超級(jí)滲碳法具有管路流程簡(jiǎn)單（外圍設(shè)施簡(jiǎn)單）、操作方便等諸多優(yōu)點(diǎn)。因而法國(guó)等西歐先進(jìn)國(guó)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(jí)滲碳（Supercarb GA法）
GA兩個(gè)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(yǔ)，意指過(guò)量的碳或超量的碳，因而中國(guó)的熱處理專家將SupercarbGA法譯為超級(jí)滲碳。德國(guó)易普森國(guó)際有限公司研究開(kāi)發(fā)的超級(jí)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(shí)還具有爐氣恢復(fù)快、改變爐氣碳勢(shì)快、爐氣活度大、滲速穩(wěn)定和快的特點(diǎn)。我公司自2004年開(kāi)始采用Ipsen公司的超級(jí)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(jí)滲碳的生產(chǎn)實(shí)踐活動(dòng)，并先后與德國(guó)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?cè)瓉?lái)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(jí)滲碳技術(shù)，具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和成本優(yōu)勢(shì)。
3.超級(jí)滲碳技術(shù)的優(yōu)勢(shì)
（1）超級(jí)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(gè)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(gè)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?yàn)榕趴帐敲芊庀到y(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(lái)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(shí)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(duì)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(shí)增加出裝爐時(shí)的爐氣產(chǎn)量，Ipsen爐在出裝爐時(shí)瞬時(shí)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(shí)間，從而大大提高爐子安全操作系數(shù)。這樣的設(shè)計(jì)，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(jí)滲碳的爐氣碳勢(shì)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(jí)滲碳開(kāi)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(shì)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(shì)同步到達(dá)，而前兩種工藝碳勢(shì)比爐溫將滯后20~45min，甚至更長(zhǎng)。
超級(jí)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(shí)鋼件表面含碳量/γ-Fe中飽和含碳量。超級(jí)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(jí)滲碳?xì)夥?/span>CH4含量偏高，平衡時(shí)鋼件表面含碳量就高，因而爐氣具有更大的活性。
（3）超級(jí)滲碳改變爐氣碳勢(shì)快，滲速大 超級(jí)滲碳碳勢(shì)的二次調(diào)節(jié)是通過(guò)改變空氣量實(shí)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(guò)改變富化氣量實(shí)現(xiàn)的。眾所周知，空氣的變化對(duì)爐氣碳勢(shì)的影響遠(yuǎn)比富化氣大得多，前者幾乎瞬時(shí)便可實(shí)現(xiàn)，碳勢(shì)變化曲線幾乎接近垂直線，而后者對(duì)碳勢(shì)調(diào)節(jié)變化要慢得多。
爐氣碳勢(shì)變化迅速利于加速整個(gè)滲碳過(guò)程。因?yàn)樗阌趯?duì)碳勢(shì)進(jìn)行臺(tái)階式控制。即在滲碳初期采用高碳勢(shì)氣氛，以不出現(xiàn)碳黑為度。隨著滲碳時(shí)間的延長(zhǎng)，在以后的幾個(gè)階段逐漸降低爐氣碳勢(shì)，直至表面碳濃度達(dá)到技術(shù)要求。
例如，對(duì)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(shì)的強(qiáng)滲階段。在0.8%C左右碳勢(shì)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?yàn)樗鼈兊暮笃谔紕?shì)二次調(diào)節(jié)慢而降不下來(lái)。這樣，務(wù)必提前結(jié)束強(qiáng)滲階段，即降低強(qiáng)滲階段對(duì)擴(kuò)散階段的比例。強(qiáng)滲階段爐氣碳勢(shì)高，利于碳原子向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，加速滲碳過(guò)程，即提高滲速。
4.超級(jí)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(jí)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(duì)比。以重卡齒輪的熱處理為例進(jìn)行對(duì)比分析，Ipsen爐主爐功率230kW，裝爐量為1000kg，熱處理時(shí)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(shí)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(jì)算，則每月可節(jié)約電量：（4.16－2.645）×380×1000=57.57萬(wàn)度，電費(fèi)按0.7元/度計(jì)算，則每月可節(jié)約電費(fèi)：0.7元/度×57.57萬(wàn)度=40.299萬(wàn)元，那么每年可節(jié)約電費(fèi)：40.299萬(wàn)元×12=483.588萬(wàn)元。
（2）熱處理用原料的消耗對(duì)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(jí)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(lái)算，據(jù)生產(chǎn)車間統(tǒng)計(jì)，每臺(tái)爐子每周使用兩罐甲醇，而每罐甲醇的價(jià)格為4元/kg×170kg =680元。則每臺(tái)爐子每周消耗甲醇費(fèi)用為1360元。每臺(tái)爐子每年消耗甲醇費(fèi)用為360÷7×1360=6.9942857萬(wàn)元≈7萬(wàn)元，那么6臺(tái)Ipsen熱處理爐每年僅甲醇的費(fèi)用就節(jié)約42萬(wàn)元。
5.結(jié)語(yǔ)
綜上分析，超級(jí)滲碳技術(shù)確有其獨(dú)特的技術(shù)和成本優(yōu)勢(shì)，不但具有可觀的顯形效益，同時(shí)由于該技術(shù)的特有優(yōu)勢(shì)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(shí)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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