碳势控制原理简介

气氛的碳势是表征它在一定温度下改变钢件表面碳含量的能力的参数。通常可用低碳钢箔在气氛中的平衡碳含量来表示，在一定温度下，气氛的碳势可通过调整其成分来控制。

吸热型气体的成分为CO、H₂、N₂、少量CH₄、CO₂和H₂O。这些气体和钢铁发生如下的增碳和脱碳反应：

这些反应是可逆的，其发展方向取决于各反应气体组分的比值，即、、。因此，炉气碳势控制就是控制这些炉气组分间的相对量。在吸热式气氛中，由于燃料和空气的比例实际上只在一个很小的范围内变化，所以H₂、CO量可认为基本不变。要控制炉气碳势，只要改变其中的微量组分φ（CO₂）、φ（H₂O）和φ（CH₄）。

此外，炉气中的CO₂和H₂O含量的关系可由水煤气反应联系起来：

其反应平衡常数

式中的p（CO）、p（H₂）、p（CO₂）、p（H₂）为这些气体组分在炉气中的分压：φ（CO）、φ（H₂）、φ（CO₂）、φ（H₂）为气体的体积分数。所以

平衡常数K只和热力学温度的倒数成指数关系，即

由此可见，在吸热式气氛中，只要控制H₂O或CO₂二者之一的量，即可达到控制碳势的目的。可用露点仪来测量和控制炉气中的H₂O量，或用红外线方法测量和控制CO₂。图10-2所示为用丙烷制备的吸热式气氛的露点与碳势的对应关系，而φ（CO₂）和碳势的关系列于图10-3。

渗碳时单纯用吸热式气氛难以达到较高的碳势，所以一般以（露点不很低的）吸热式气氛作为运载气体，以添加的甲烷或丙烷作为富化气体，根据CH₄+CO₂——→2CO+2H₂的反应来提高炉气碳势。在渗碳炉中调节送入的富化气量来控制炉气的露点或CO₂量，以达到控制炉内碳势的目的。中、低碳钢光棒退火时，可用添加空气的吸热式气氛来保护，靠调节空气量来控制碳势。(www.xing528.com)

往炉中滴入有机液体，靠高温热裂解反应形成的炉气亦可实现碳势控制。用甲醇裂解气作为运载（稀释）气体，用碳当量较高的其他有机液体（乙醇、异丙醇、丙酮、乙酸乙酯、煤油等）裂解气作为富化气，调节裂解富化气的量（滴量）来调整炉气中的H₂O或CO₂，即可达到控制碳势目的。

将吸热式气氛中的CO视为不变的假设，炉温波动，炉内压力变化，添加富化气后炉气中的CH₄的

图10-2 用丙烷制备的吸热式气氛的露点与碳势的关系φ（H₂）、φ（CO）—分别为H₂、CO含量的体积分数

图10-3 用丙烷制备的吸热式气氛的φ（CO₂）和碳势的关系

φ（H₂）、φ（CO）等分别为H₂、CO的体积分数体积分数升高（>1%）都会造成控制碳势的误差。在最不利的情况下，这几种因素造成的误差总和可达到±w（C）0.12%。由此产生了同时考虑这些因素和钢中合金元素的影响，利用计算机进行控制，使碳势波动控制在±0.05%，甚至±0.02%的范围内的方法。但由于控制系统复杂，使用的仪表既多、且贵，因而未普遍应用。

用吸热式气氛进行钢的渗碳时，根据钢和炉气的平衡关系进行碳热控制也会发生误差。因为实际工件（有一定厚度）的表面碳含量，在渗碳过程中和炉气碳势达到平衡往往需要很长时间（见图10-4）。因此，在不可能达到平衡的渗碳时间内，要使钢表面达到所要求的碳含量，必须提高炉气的碳势（见图10-5）。图10-5所示为在0.25m³的炉膛中通入9.5m³/h的吸热式气的条件下制作的。图10-5中的点线一例为表面w（C）0.9%的场合下，经2h渗碳时需控制到φ（CO₂）0.159%，4h渗碳时要控制到φ（CO₂）0.180%。

图10-4 碳钢表面碳含量和渗碳时间的关系w（C）为C的质量分数，φCO₂为CO₂的体积分数（丙烷制备吸热式气φ（CO₂）0.25%，925℃（渗碳）

图10-5 碳钢随渗碳时间的持续得到预定表面碳的φ（CO₂）量和氧势（丙烷制备吸热式气，925℃渗碳）