專利名稱：用非低溫法所制氮與烴類氣體混合物就地生產(chǎn)熱處理氣氛的制作方法
本申請是1991年7月8日提交的美國專利申請07/727，806的部分繼續(xù)申請。
本發(fā)明涉及制造受控爐膛氣氛，用于對金屬、合金、陶瓷、復合材料等進行熱處理。
自七十年代中期以來，熱處理工業(yè)已經(jīng)將氮基氣氛常規(guī)地用在間歇式或連續(xù)式加熱爐中。因為露點低和實際上不存在二氧化碳和氧，氮基氣體不具有氧化性和脫碳性能，因此適用于許多熱處理操作。更具體地說，已經(jīng)廣泛采用氮和氫的混合物對低碳到高碳鋼和合金鋼退火，以及對有色金屬和合金(例如銅和金)退火。氮和烴例如甲烷或丙烷的混合物已經(jīng)廣泛用來對中碳到高碳鋼進行中性淬火和不脫碳的退火。已研制出一種氮和甲醇的混合物，用于低碳到中碳鋼的滲碳。最后，氮、氫和水汽的一種混合物已用來釬焊金屬、燒結金屬和陶瓷粉末和將玻璃封接在金屬上。
熱處理工業(yè)使用的大部分氮是在大型低溫深冷工廠中用空氣分餾法制得的。低溫法制得的氮一般很純和很貴。為了降低氮的成本，近來研制了幾種非低溫空氣分離技術，例如吸附法和滲透法，并已投放市場。這種非低溫法制得的氮的成本較低，但是其中含有0.05%到5%的殘余氧，使得在某些應用中，即使不是不可能，也很難在連續(xù)式退火和熱處理爐中用非低溫法制得的氮直接代替低溫法制得的氮。研究人員曾屢次試圖用非低溫法制得的氮直接取代低溫法制得的氮，但是即使使用過量的還原氣，也只得到有限的成功。問題通常是與受熱處理的部件在爐子的冷卻區(qū)和加熱區(qū)內(nèi)嚴重氧化有關，結果造成生銹，起鱗和不合格的冶金性能。因此，非低溫法制得的氮被限制在許可表面氧化、生銹和起鱗的場合下使用。例如，非低溫法制得的氮成功地用于碳素鋼部件的氧化退火，它們通常在熱處理后進行機加工。但是，由于氧化皮和銹的生成，它用于拋光的碳素鋼的光亮退火不成功。
在本案的母案專種申請中，公開了一種利用非低溫法制得的氮和一種還原氣例如氫、烴或它們的混合物在連續(xù)式爐內(nèi)產(chǎn)生適合于對黑色和有色金屬或合金退火和熱處理的廉價氣氛的方法。該母案專利申請詳細敘述了由非低溫法制得的氮和一種還原性氣體特別是氫產(chǎn)生熱處理氣氛的方法。
本發(fā)明涉及由非低溫法制得的氮就地生成廉價氣氛的方法，該氣氛適合在連續(xù)式加熱爐中對黑色和有色金屬與合金進行退火和熱處理、釬焊金屬、燒結金屬和陶瓷粉，以及將玻璃封接在金屬上。根據(jù)此方法，合適的氣氛是通過以下步驟產(chǎn)生的1)將烴類氣體與非低溫法制得的最多含5%殘余氧的氮混合，2)將氣體混合物以確定的方式或步驟送入連續(xù)式加熱爐中，爐內(nèi)有一個在約700℃至約1250℃溫度操作的加熱區(qū)，3)將殘余的氧轉化成可接受的形式，例如水汽和二氧化碳的混合物，水汽、氫、一氧化碳和二氧化碳的混合物，或是一氧化碳、水汽和氫的混合物。
這種方法采用上述申請中公開的進氣裝置，該裝置促使進料中存在的殘余氧在與要熱處理的部件接觸之前轉化成可接受的形式。該進料裝置可以包括多種形式，只要它的用來將氣體組分引入到爐內(nèi)的安置方式能夠促進原料氣中的氧在與部件接觸之前轉化成可接受的形式即可以應用。在某些情形下，進氣裝置可以設計成它不僅有利于進料氣中的氧轉化成可接受的形式，而且也防止帶有未反應氧的進料氣直接撞擊到部件。


圖1是使氣氛進入爐內(nèi)過渡區(qū)或冷卻區(qū)的受控氣氛熱處理爐的示意圖。
圖2是使氣氛進入爐內(nèi)加熱區(qū)的受控氣氛熱處理爐的示意圖。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明用來將氣氛引入熱處理爐的一種開口管裝置的示意圖。
圖3B是根據(jù)本發(fā)明用來將氣氛引入熱處理爐的一種開口管和隔擋裝置的示意圖。
圖3C是根據(jù)本發(fā)明用來將氣氛引入熱處理爐的一種半多孔裝置的示意圖。
圖3D是根據(jù)本發(fā)明用來將氣氛引入爐內(nèi)的另一種構型的半多孔裝置的示意圖。
圖3E和3F是根據(jù)本發(fā)明用來將氣氛引入熱處理爐的其它半多孔裝置的示意圖。
圖3G是根據(jù)本發(fā)明用來將氣氛引入熱處理爐的一種同心多孔裝置的示意圖。
圖3H和3I是根據(jù)本發(fā)明用來將氣氛引入熱處理爐的同心多孔裝置的示意圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明用來試驗熱處理工藝的加熱爐示意圖。
圖5是熱處理溫度為750℃的爐內(nèi)溫度與爐的長度作圖，表示實驗爐的爐溫分布。
圖6是與圖5相似的對熱處理溫度為950℃的爐子所作的圖。
圖7是退火溫度對于根據(jù)本發(fā)明將碳鋼退火所需天然氣作圖。
圖8是退火溫度對于根據(jù)本發(fā)明將碳鋼退火所需天然氣作圖。
圖9是退火溫度對于根據(jù)本發(fā)明將碳鋼退火所需丙烷作圖。
本發(fā)明涉及用非低溫法制造的氮氣在連續(xù)式加熱爐內(nèi)以低成本產(chǎn)生適合于對黑色及有色金屬和合金進行退火和熱處理的氣氛的方法。本發(fā)明的方法是以下述的出人意料的發(fā)現(xiàn)為基礎，即，由非低溫法制得的氮出發(fā)，將它與一種烴類氣體按預定比例混合，混合物經(jīng)過一個非常規(guī)的裝置送入到爐內(nèi)的加熱區(qū)中，該裝置能促使在非低溫法制得的氮中殘留的氧在與部件接觸之前轉化成可接受的形式和/或防止進料氣直接撞擊到部件，從而能在連續(xù)式加熱爐內(nèi)部產(chǎn)生適合于將黑色和有色金屬及合金熱處理、釬焊金屬、燒結金屬和陶瓷粉末、以及將玻璃封接到金屬上的氣氛。
利用空氣低溫分餾制得的氮氣已廣泛地用于許多退火和熱處理操作。低溫法產(chǎn)生的氮氣實質(zhì)上不含氧(氧含量一般少于10ppm)并且很貴。因此，尤其是熱處理工業(yè)，很需要用廉價的方法生產(chǎn)用于熱處理的氮氣。隨著非低溫空氣分離技術(例如吸附法和滲透法)的出現(xiàn)，現(xiàn)在可以廉價地制造氮氣。但是，這種非低溫法制得的氮氣含有高達5%的殘余氧，這對于很多熱處理操作是不合需要的。殘余氧的存在使得用非低溫法制得的氮直接取代用低溫法制得的氮十分困難。
試圖在連續(xù)式加熱爐內(nèi)用非低溫法制得的氮代替用低溫法制得的氮，即使補充加入過量的烴類氣體，也只取得有限的成功。用非低溫法制得的氮處理過的金屬部件總是起鱗，生銹或被氧化。據(jù)信這些問題是由于氣態(tài)的原料混合物穿過過渡區(qū)(或劇變區(qū))內(nèi)的開口管所致，過渡區(qū)位于連續(xù)式加熱爐的加熱區(qū)和冷卻區(qū)之間。將非低溫法制得的氮與烴類氣體預混并引入到過渡區(qū)或冷卻區(qū)內(nèi)不能使進料氣中存在的殘余氧與烴類氣體反應，結果造成部件在冷卻區(qū)內(nèi)氧化。這是將進料氣引入到連續(xù)式加熱爐中的常規(guī)方式并且示于圖1中，圖中的10代表有入口端12和排氣端14的爐體。欲處理的部件16利用一個傳送帶式運輸裝置移動穿過爐10。爐10可以裝有入口和出口隔板20和22，以幫助保持爐內(nèi)氣氛，這是本領域已知的技術。如圖1所示，利用象裝置24那樣的管子向位于加熱區(qū)和冷卻區(qū)之間的過渡區(qū)注入氣體。
為了提高殘余氧和烴類氣體之間反應的速度和程度，曾試圖用圖2所示的常規(guī)的開口進料管24直接向連續(xù)式加熱爐10的加熱區(qū)注入氣體進料混合物。發(fā)現(xiàn)用此方法處理的部件起鱗、生銹或不均勻氧化。
根據(jù)本發(fā)明，以特殊的方式將進料氣體混合物送入爐中，使得進料氣中殘余的氧在與部件接觸之前與一種烴類氣體反應并且轉化成可接受的形式，從而可以防止起鱗，生銹和不均勻氧化。這是通過采用一種裝置將氣態(tài)進料混合物引入爐內(nèi)加熱區(qū)而實現(xiàn)的，該裝置防止進料氣直接撞擊到部件，并且/或者有助于進料氣中存在的殘余的氧在與部件接觸之前通過與烴類氣體的反應轉化成可接受的形式。用來實施本發(fā)明方法的裝置示于圖3A至3I，在上面提到的本申請人的共同未決申請的說明書中有詳細說明。
一種在大氣壓或高于大氣壓操作并且具有分開的加熱區(qū)和冷卻區(qū)的連續(xù)式加熱爐最適合本發(fā)明的方法。這種連續(xù)式加熱爐可以是網(wǎng)帶型、滾底型、推盤型、步進型或轉底型爐。
在大氣壓或高于大氣壓操作并且具有加熱區(qū)和一個同爐子成整體的驟冷區(qū)的連續(xù)式加熱爐也適合本發(fā)明的方法。這種連續(xù)式加熱爐可以是網(wǎng)帶型、振動型、滾底型、推盤型或轉底型爐。
在非低溫法制得的氮中，殘余氧可以從0.05%到約5%變化，以從約0.05%至約3%為宜，最好是從約0.05%到約1.0%。
烴類氣體可以從烴、醇、醚或它們的混合物中選擇。此烴類氣體可以選自烷烴，例如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷;烯烴，例如乙烯、丙烯和丁烯;醇，例如甲醇、乙醇和丙醇;醚，例如二甲醚、乙醚和甲基乙基醚。也可以使用商品原料氣作為烴類氣體，例如天然氣、石油氣、炊事用氣、焦爐氣、城市煤氣、放熱性氣體和吸熱性氣體。
選自烷烴、烯烴、醚、醇、商品原料氣、以及它們的混合物的烴類，可以用在操作溫度約為700℃至1250℃的爐中，最好是用在操作溫度在800℃至約1250℃的爐中。烴類氣體用量的選擇取決于處理溫度和烴類氣體的組成及反應活性。例如，低碳到高碳鋼受控氧化退火所需的天然氣量在1100℃為化學計量量的1.0倍至不足約5.0倍;而在同樣溫度對于丙烷則為化學計量量的1.0倍至不足約1.5倍。這是由于丙烷與氧反應的活性比天然氣強(丙烷的自燃溫度為450℃，天然氣為630℃)?；瘜W計量量一詞是指為將非低溫法制得的氮中存在的氧轉化成水汽和二氧化碳的混合物所需的烴類氣體的量。對于氧化退火，所需的烴類氣體的量隨溫度降低而增加。例如，在1050℃所需天然氣的量為化學計量量的1.0倍至不足約6.0倍。在1050℃所需的丙烷的量為化學計量量的1.0倍至不足約1.7倍。類此，在1000℃、950℃和850℃所需的天然氣的量大于化學計量量的1.0倍，但是分別少于約10.0、24.0和40.0倍。同樣，在1000℃和950℃丙烷的量大于化學計量量的1.0倍，但是分別小于約1.9倍和3.2倍。
低碳到高碳鋼的光亮、無氧化物和部分脫碳的退火在約800℃至1250℃進行。為產(chǎn)生適合于低碳到高碳鋼的光亮、無氧化物和部分脫碳的退火的氣氛，所需的烴類氣體的量取決于爐溫和所用烴的反應活性。例如，所需的天然氣量在1100℃為化學計量量的約5倍以上;而同樣溫度丙烷的需要量為化學計量量的約1.5倍以上。進行光亮退火所需的烴類氣體的量隨溫度的降低而增加。例如，在1050℃所需的天然氣的量為化學計量量的約6.0倍以上。在1050℃所需丙烷的量為化學計量量的約1.7倍以上。同樣，在1000℃、950℃和850℃所需的天然氣的量分別為化學計量量的約10.0、24.0和40.0倍以上。類此，在1000℃和950℃所需的丙烷量分別為化學計量量的約1.9和3.2倍以上。
低碳到高碳鋼的光亮、無氧化物和部分脫碳、無氧化物和不脫碳、或是無氧化物和部分滲碳的退火，也在約800℃至1250℃進行。為產(chǎn)生適合于低碳到高碳鋼的光亮、無氧化物和部分脫碳、無氧化物和不脫碳、或是無氧化物和部分滲碳的退火的氣氛，所需的烴類氣體的量也取決于爐溫和所用烴類的反應活性。例如，在1100℃需要的天然氣量為化學計量量的約5.0倍以上;而相同溫度丙烷的需要量為化學計量量的約1.5倍以上。所需烴類氣體的量也是隨溫度的降低而增加。例如，在1050℃需要的天然氣的量為化學計量量的約6.0倍以上。在1050℃需要的丙烷量為化學計量量的約1.7倍以上。同樣，在1000℃、950℃和850℃需要的天然氣的量分別為化學計量量的約10.0、24.0和40.0倍以上。類此，在1000℃和950℃需要的丙烷的量分別為化學計量量的約1.9和3.2倍以上。
金屬釬焊、玻璃與金屬的封接、金屬和陶瓷粉末的燒結、或是有色金屬合金的退火，在約800℃至1250℃進行。這些操作需要的烴類氣體的量取決于爐溫和所用烴的反應活性。例如，天然氣的需要量在1100℃為化學計量量的約5.0倍以上;而相同溫度丙烷需量則為化學計量量的約1.5倍以上。這些操作需要的烴類氣體的量隨溫度降低而增加。例如，在1050℃需要的天然氣量為化學計量量的約6.0倍以上。在1050℃需要的丙烷量則為化學計量量的約1.7倍以上。同樣，在1000℃、950℃和850℃，所需的天然氣的量分別為化學計量量的約10.0、24.0和40.0倍以上。類此，在1000℃和950℃需要的丙烷量分別為化學計量量的約1.9和3.2倍以上。
非低溫法制得的氮或非低溫法制得的氮與烴類氣體原料的混合物可以任選在引入爐內(nèi)之前預熱到接近熱處理溫度。將氮或氮與烴類氣體的混合物預熱，可使根據(jù)本發(fā)明將黑色和有色金屬及合金退火、金屬釬焊、金屬和陶瓷粉末燒結、以及玻璃與金屬封接所需的最低溫度降低和減少烴的量。進料氣可以用外加熱器預熱，或是使其通過置于爐內(nèi)的加熱管在爐內(nèi)預熱。
在將進料氣引入爐內(nèi)加熱區(qū)之前，可以任選向非低溫法制得的氮與烴類氣體的混合物中加入少量的氫，以便進一步擴大用來將黑色和有色金屬及合金退火、釬焊金屬、燒結金屬與陶瓷粉末、以及將玻璃與金屬燒結的可操作范圍。所加的氫氣量可以是為了將非低溫法制得的氮中存在的殘余氧轉化成水汽所需化學計量量的約0.1倍到約5.0倍。氫氣可以由氣態(tài)或液態(tài)氫儲罐供應。任選，可以利用氨解離成氫和氮的混合物就地生成和供應氫。
能夠根據(jù)本發(fā)明熱處理的低碳和高碳鋼或合金鋼可以從“Metal Handbook”第9版第4卷“Heat Treating”(American Society for Metals出版)中提到的第10XX、11XX、12XX、13XX、15XX、40XX、41XX、43XX、44XX、46XX、47XX、48XX、50XX、51XX、61XX、81XX、86XX、87XX、88XX、92XX、93XX、50XXX、51XXX或52XXX各組中選擇。選自AX、DX、OS、MX或SX各組的工具鋼;鐵鎳基合金，如Incoloy;鎳合金，如Inconel和Hastalloy;鎳銅合金，如Mocel;鈷基合金，如Haynes和Stellite，可以根據(jù)本發(fā)明所公開的方法熱處理。
為了實際說明本發(fā)明，在能夠于高達1150℃溫度工作的Watkins-Johnson傳送帶型爐中進行一系列退火和熱處理試驗。爐子的加熱區(qū)由寬22.2cm、高約12.5cm、長218cm的Inconel(鉻鎳鐵合金)601馬弗爐膛構成，由外部電阻加熱。冷卻區(qū)由不銹鋼制成，寬22.2cm、高8.9cm、長229cm，從外部水冷。用一條支承在爐子底面上的寬21cm的屈撓性傳送帶把欲熱處理的試樣送入和穿過爐子的加熱區(qū)和冷卻區(qū)。在所有的實驗中均采用每分鐘約15.2cm的固定帶速。圖4中用60表示的爐子在入口區(qū)66和出口區(qū)68裝有機械隔板62和64以防止空氣進入爐子。進料氣混合物中含有與烴類氣體預混的用非低溫法制得的氮，通過開口管引入裝置70進入過渡區(qū)，或是通過位于爐60的加熱區(qū)或高溫區(qū)中不同位置處的引入裝置72、74和76之一進入。引入裝置72、74和76可以是圖3A至3I中所示這類裝置中的任何一種。這些高溫區(qū)進料部位72、74、76分別位于離開過渡區(qū)30.5cm、76cm和102cm處，它們正好處在如圖5和圖6中爐溫分布曲線所示高溫區(qū)的最熱部分之中，該曲線是對于正常操作爐溫為750℃和950℃、用流速為350×0.0283標準立方米/小時的純氮流入爐60而得到的。溫度分布曲線顯示出當部件移出加熱區(qū)進入冷卻區(qū)時被迅速冷卻。部件的快速冷卻通常用于退火和熱處理，以有助于防止部件免遭爐內(nèi)冷卻區(qū)中經(jīng)常存在的高含量水汽和二氧化碳的氧化。在爐子冷卻區(qū)內(nèi)存在氧化傾向是很可能的，因為在較低的溫度需要較高pH2/pH2O和pCO/pCO2，此時H2和CO的還原性較小，而CO2和H2O的氧化性較高。
選擇熱處理溫度為750℃至1100℃，用來對5.1mm厚、5.1cm寬和約20.3cm長的扁平片形低碳鋼試樣進行熱處理。如圖4所示，爐60的加熱區(qū)內(nèi)存在的氣氛組成通過在標為S1和S2的部位處取樣測定，在部位S3和S4處取樣來測定冷卻區(qū)的氣氛組成。分析樣品中的殘余氧、水分(露點)、氫、烴、CO和CO2。
使用與主要含甲烷的天然氣預混的用非低溫法制得的氮，在溫度于750℃至1100℃范圍內(nèi)變化情況下，進行幾次實驗研究碳鋼的退火。進料氣通過開口直管引入過渡區(qū)或加熱區(qū)，以模擬將氣體引入爐內(nèi)的常規(guī)方法。這些試驗的結果列在表1中。
表1實例 1-1 實例 1-2 實例 1-3熱處理溫度℃ 1,100 1,100 1,100進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 過渡區(qū) 過渡區(qū) 過渡區(qū)進氣裝置類型 開口管 開口管 開口管進料氣組成氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 0.25 0.50 1.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <2 <2 <5一氧化碳% - 0.50 1.00二氧化碳% - 0.01 0.00氫% - 1.30 1.50甲烷% 0.03 0.11 0.23露點℃ - -31.0 -31.5冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 5,000 5,000 5,000一氧化碳% 0.00 0.00 0.00二氧化碳% 0.00 0.00 0.01氫% 0.00 0.00 0.05甲烷% 0.25 0.50 0.98露點℃ -34.0 -31.4 -27.8熱處理后試樣品質(zhì) 不均勻氧化物 不均勻氧化物 不均勻氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表1續(xù)實例 1-4 實例 1-5 實例 1-6A熱處理溫度℃ 1,100 1,100 950進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 過渡區(qū) 過渡區(qū) 過渡區(qū)進氣裝置類型 開口管 開口管 開口管進料氣組成氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 2.00 3.00 0.25加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <2 <4 <7一氧化碳% 0.95 1.00 0.00二氧化碳% 0.00 0.00 0.19氫% 3.00 >5.00 0.25甲烷% 0.42 0.53 0.03露點℃ -33.9 -44.0 -2.9冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 4,500 4,100 4,900一氧化碳% 0.00 0.00 0.00二氧化碳% 0.02 0.04 0.00氫% 0.15 0.20 0.00甲烷% 1.92 2.96 0.24露點℃ -21.4 -20.1 -29.0熱處理后試樣品質(zhì) 不均勻氧化物 不均勻氧化物 均勻和致密堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表1續(xù)實例 1-6B 實例 1-6C 實例 1-7熱處理溫度℃ 950 950 950進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 過渡區(qū) 過渡區(qū) 過渡區(qū)進氣裝置類型 開口管 開口管 開口管進料氣組成氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 0.50 1.00 2.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <6 <6 <3一氧化碳% 0.05 0.25 0.90二氧化碳% 0.12 0.09 0.00氫% 0.20 0.50 2.90甲烷% 0.25 0.64 1.10露點℃ 1.2 - -29.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 4,900 4,800 4,300一氧化碳% 0.00 0.00 0.00二氧化碳% 0.00 0.00 0.01氫% 0.05 0.10 0.15甲烷% 0.48 0.98 1.96露點℃ - -27.0 -18.0熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 均勻和致密 不均勻氧化物堆積氧化物 堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表1續(xù)實例 1-8 實例 1-9A 實例 1-9B熱處理溫度℃ 950 850 850進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 過渡區(qū) 過渡區(qū) 過渡區(qū)進氣裝置類型 開口管 開口管 開口管進料氣組成氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 3.00 0.35 0.50加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <4 18 14一氧化碳% - 0.25 0.25二氧化碳% 0.00 0.11 0.10氫% >5.00 0.30 0.35甲烷% 1.40 0.07 0.20露點℃ -34.0 -9.3 -10.0冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 4,000 4,800 4,800一氧化碳% 0.00 0.00 0.00二氧化碳% 0.01 0.01 0.02氫% 0.20 0.10 0.10甲烷% 2.96 0.36 0.50露點℃ -19.0 -33.1 -29.3熱處理后試樣品質(zhì) 不均勻氧化物 均勻和致密 均勻和致密堆積氧化物 堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表1續(xù)實例 1-9C 實例 1-9D 實例 1-10A熱處理溫度℃ 850 850 750進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 過渡區(qū) 過渡區(qū) 過渡區(qū)進氣裝置類型 開口管 開口管 開口管進料氣組成氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 1.00 2.00 0.25加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <10 <6 1,300一氧化碳% 0.50 0.85 0.00二氧化碳% 0.06 0.03 0.11氫% 1.00 2.30 0.10甲烷% 0.51 1.10 0.16露點℃ -12.0 -18.4 -13.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 4,500 4,300 4,800一氧化碳% 0.00 0.00 0.00二氧化碳% 0.02 0.03 0.01氫% 0.40 0.50 0.10甲烷% 1.00 1.96 0.24露點℃ -24.6 -22.3 -40.1熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 均勻和致密 均勻和致密堆積氧化物 堆積氧化物 堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表1續(xù)實例 1-10B 實例 1-10C 實例 1-10D熱處理溫度℃ 750 750 750進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 過渡區(qū) 過渡區(qū) 過渡區(qū)進氣裝置類型 開口管 開口管 開口管進料氣組成氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 0.50 1.00 2.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm 600 55 18一氧化碳% 0.00 0.10 0.35二氧化碳% 0.15 0.15 0.10氫% 0.20 0.40 0.15甲烷% 0.37 0.77 1.58露點℃ -7.6 -4.1 -9.1冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 4,600 4,400 4,100一氧化碳% 0.00 0.00 0.00二氧化碳% 0.01 0.02 0.04氫% 0.15 0.30 0.65甲烷% 0.48 0.97 1.95露點℃ -34.3 -32.1 -27.5熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 均勻和致密 均勻和致密堆積氧化物 堆積氧化物 堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表1續(xù)實例 1-11 實例 1-12 實例 1-13熱處理溫度℃ 1,100 1,100 1,100進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置74) (位置74) (位置74)進氣裝置類型 開口管 開口管 開口管進料氣組成氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 0.25 0.50 1.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <7 <5 <7一氧化碳% - 0.50 0.90二氧化碳% 0.20 0.06 0.00氫% - 0.70 1.70甲烷% 0.03 0.08 0.17露點℃ +2.0 -9.4 -25.4冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 700 64 55一氧化碳% 0.00 0.15 0.40二氧化碳% 0.20 0.12 0.06氫% 0.00 0.30 1.00甲烷% 0.03 0.09 0.48露點℃ 7.1 9.4 5.2熱處理后試樣品質(zhì) 不均勻氧化物 不均勻氧化物 不均勻氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表1續(xù)實例 1-14 實例 1-18熱處理溫度℃ 1,100 950進氣流速SCMH×0.0283 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置74) (位置76)進氣裝置類型 開口管 開口管進料氣組成氮% 99.50 99.50氧% 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 3.00 0.25加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <5 <3一氧化碳% 1.00 0.15二氧化碳% 0.00 0.12氫% >5.0 0.30甲烷% 0.34 0.01露點℃ -26.0 -8.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 30 <4一氧化碳% 1.00 0.10二氧化碳% 0.01 0.18氫% ～5.00 0.25甲烷% 1.90 0.02露點℃ -23.8 -3.1熱處理后試樣品質(zhì) 光亮和氧化 不均勻氧化物物的混合*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
由以下對列在表1中的數(shù)據(jù)總結說明本發(fā)明的一個方面。
實施例1-1將前面所述的碳鋼試樣在Watkins-Johnson爐內(nèi)用含有99.5%N2和0.5%O2、流速為350 SCFH(每小時350×0.0283標準立方米，SCMH)的氮氣在1100℃退火。進料氮氣的組成與通常用非低溫空氣分離法制得的相近。將它與主要由甲烷組成的0.25%的天然氣混合。這一天然氣的量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽混合物所需的化學計量量。將進料氣混合物象熱處理工業(yè)中通常采用的那樣經(jīng)過一根位于過渡區(qū)(圖4中位置70)的直徑1.9cm的管子通入爐內(nèi)。一部分進料氣混合物穿過過渡區(qū)進入加熱區(qū)并且經(jīng)由進口隔板62流出。這部分進料混合物有機會受熱升溫并且引起天然氣和殘余的氧反應。其余的進料氣則穿過冷卻區(qū)并且通過出口隔板64流出。這部分進料氣沒有機會受熱升溫以引起殘余氧和天然氣反應。進料氣混合物通過爐子至少1小時，以便在對試樣熱處理之前排氣置換和調(diào)理爐子。
發(fā)現(xiàn)本實施例中的熱處理過的鋼樣被不均勻地氧化。在穿過加熱區(qū)的那部分進料氣中存在的殘余氧與天然氣反應并且轉化成二氧化碳和水汽的混合物。由于大量殘余氧的存在，試樣的表面在冷卻區(qū)內(nèi)被不均勻氧化(見表1)。據(jù)認為，這種不均勻氧化是由于在加熱區(qū)內(nèi)高溫條件下未受控制的氧化和/或在冷卻區(qū)內(nèi)的高的冷卻速度。
因此，將與化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通過一根位于過渡區(qū)內(nèi)的開口管引入到連續(xù)式熱處理爐內(nèi)，對于在1100℃鋼的氧化退火或光亮退火是一種不合要求的方法。
實施例1-2重復實施例1-1中所述的碳鋼退火實驗，采用同樣的爐子、溫度、試樣、進料氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成以及退火步驟，不同之處在于，在進料氣中加入0.50%天然氣，該天然氣的量是為將進料氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水分的混合物所需要的化學計量量的2.0倍。
發(fā)現(xiàn)根據(jù)此步驟熱處理的鋼樣被不均勻氧化。加熱區(qū)內(nèi)高pCO/pCO2(＞2.8)和pH2/pH2O(＞1.3)比的存在可能使試樣表面在加熱區(qū)內(nèi)還原(見表1)，但是試樣在冷卻區(qū)內(nèi)由于大量殘余氧的存在而不均勻地氧化。因此，將與2倍化學計量量的天然氣預混的非低溫法制得的氮通過位于過渡區(qū)內(nèi)的開口管引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于在1100℃將鋼氧化退火或光亮退火是一種不合要求的方法。
實施例1-3至1-5重復實施例1-2中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，在進料氣中加入1.0%、2.0%和3.0%的天然氣，該天然氣的量分別是為了將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的4.0、8.0和12.0倍。
發(fā)現(xiàn)用這些步驟熱處理的鋼樣被不均勻氧化。因此，將與4.0、8.0和12.0倍化學計量量的天然氣預混的非低溫法制得的氮氣通過位于過渡區(qū)的開口管引入連續(xù)式熱處理爐中，對于在1100℃將鋼氧化退火或光亮退火是一種不合要求的方法。
實施例1-6A重復實施例1-1中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成，以及退火步驟，但是溫度為950℃。在此實施例中加入的天然氣量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣的表面上具有均勻致密的氧化物層。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)中轉化成二氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)中低pCO/pCO2(＜2.4)和pH2/pH2O(＜1.6)比的存在可能將試樣的表面氧化。試樣的表面在冷卻區(qū)內(nèi)由于大量殘余氧的存在(見表1)而被進一步氧化，結果造成了試樣表面的均勻和受控氧化。
因此，將與化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通過位于過渡區(qū)的開口管引入連續(xù)式加熱爐中，是在950℃對鋼氧化退火的可以采用的方法。但是，用于在950℃對鋼的光亮退火還不是合乎要求的方法。
實施例1-6B重復實施例1-6A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成以及退火步驟，不同之處在于，在進料氣中加入0.50%天然氣，天然氣的量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量的2倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣的表面上具有均勻致密的氧化物層。因此，將與2倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣通過位于過渡區(qū)內(nèi)的開口管引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在950℃氧化退火是一種可以采用的方法。
實施例1-6C重復實施例1-6A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成以及退火步驟，不同之處在于，在進料氣中加入1.0%天然氣，天然氣的量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的4.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣的表面上具有均勻致密的氧化物層。如表1所示，進料氮氣中的殘余氧在加熱區(qū)轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物。樣品的表面在冷卻區(qū)內(nèi)由于大量殘余氧的存在(見表1)而均勻氧化，最終造成試樣表面的均勻和受控氧化。
因此，將與4倍化學計量量的天然氣預混的非低溫法制得的氮通過位于過渡區(qū)內(nèi)的開口管引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在950℃氧化退火是一種可以采用的方法。但是，于950℃鋼的光亮退火還不是合乎要求的方法。此實施例的結果表明，最好是在加熱區(qū)內(nèi)保持pCO/pCO2比低于2.4或是pH2/pH2O比低于1.6，以便在鋼樣上形成均勻和受控的氧化物表面。
實施例1-7和1-8重復實施例1-6A中所述的碳鋼退火實驗兩次，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，在進料氣中加入2.0%和3.0%的天然氣，使天然氣的量分別等于為將進料氮氣中的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的8.0倍和12.0倍。
結果發(fā)現(xiàn)，根據(jù)這些步驟熱處理過的鋼樣氧化得不均勻。進料氮氣中殘余的氧在加熱區(qū)中轉化成一氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)中高pCO/pCO2(＞2.4)和pH2/pH2O(＞1.6)的存在可能將試樣表面還原，但是試樣的表面由于冷卻區(qū)內(nèi)大量氧的存在(見表1)而在冷卻區(qū)內(nèi)不均勻地氧化。
因此，將與8.0和12.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通過位于過渡區(qū)的開口管引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在950℃的氧化物退火或光亮退火是不合要求的方法。這些實驗的結果表明，最好是在加熱區(qū)內(nèi)保持低的pCO/pCO2比(＜2.4)或pH2/pH2O比(＜1.6)，以便在鋼樣上形成均勻和受控的氧化物表面。
實施例1-9A重復實施例1-1中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，但是使用0.35%的天然氣和850℃的溫度。在此實驗中加入的天然氣量是為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.4倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣表面上有均勻致密的氧化物層。因此，將與多于化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通過位于過渡區(qū)內(nèi)的開口管引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在850℃的氧化退火是一種可采用的方法。但是，用于在850℃鋼的光亮退火還不是合乎要求的方法。
實施例1-9B重復實施例1-9A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，進料氣中加入0.50%天然氣，天然氣的量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.0倍。
根據(jù)本步驟熱處理過的鋼樣表面上具有均勻致密的氧化物層。因此，將由兩倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣通過位于過渡區(qū)內(nèi)的開口管送入連續(xù)式熱處理爐中，是在850℃將鋼氧化退火的可采用的方法。
實施例1-9C重復實施例1-9A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，進料氣中加入1.0%天然氣，天然氣的量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水分的混合物所需化學計量量的4.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣表面上具有均勻致密的氧化物層。因此，將與4倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣通過位于過渡區(qū)中的開口管引入連續(xù)式加熱爐中，是在850℃將鋼氧化退火的可采用的方法。但是，用于在850℃下鋼的光亮退火還不是合乎要求的方法。
實施例1-9D重復實施例1-9A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，向進料氣中加入2.0%天然氣，天然氣的量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的8.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣表面上具有均勻致密的氧化物層。因此，將與8倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通過位于過渡區(qū)的開口管引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在850℃的氧化退火是一種可采用的方法。但是，用于鋼在850℃的光亮退火還不是合要求的方法。
實施例1-10A重復實施例1-1中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，但是溫度改為750℃。在此實施例中加入的天然氣量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣表面上具有均勻致密的氧化物層。因此，將與化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通入位于過渡區(qū)內(nèi)的開口管引入連續(xù)式熱處理爐中，對于在750℃鋼的氧化退火是一種可采用的方法。但是，用于在750℃下鋼的光亮退火還不是合要求的方法。
實施例1-10B重復實施例1-10A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，進料氣中加入0.50%天然氣，天然氣的量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.0倍。
用這一步驟熱處理過的鋼樣表面上具有均勻致密的氧化物層。因此，將與兩倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通過位于過渡區(qū)內(nèi)的開口管引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在750℃的氧化退火是一種可采用的方法。
實施例1-10C重復實施例1-10A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，在進料氣中加入1.0%天然氣，天然氣的量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的4.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣表面上具有均勻致密的氧化物層。因此，將與4倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通過位于過渡區(qū)內(nèi)的開口管引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在750℃的氧化退火是一種可采用的方法。但是，用于鋼在750℃下的光亮退火還不是合要求的方法。
實施例1-10D重復實施例1-10A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，進料中加有2.0%天然氣，天然氣的量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的8.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣表面上具有均勻致密的氧化物層。因此，將與8倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通過位于過渡區(qū)內(nèi)的開口管引入到連續(xù)式加熱爐中，對于鋼在750℃的氧化退火是一種可采用的方法。但是，用于鋼在750℃的光亮退火還不是合乎要求的方法。
實施例1-11用實施例1-1的方法處理碳鋼，不同之處在于，將氣體混合物經(jīng)過一個帶有直徑1.9cm肘彎管的直徑1.3cm的鋼管送入，肘彎管的開口朝下，即，面對試樣，開口進料管穿過冷卻區(qū)插入爐中，以便將進料氣在圖4的部位74處引入加熱區(qū)中。進入爐子加熱區(qū)的進料氣直接撞擊到試樣品，以模擬進料氣經(jīng)過開口管進入爐子的加熱區(qū)。所用的天然氣的量為進料氣的0.25%，這等于為了將進料氮氣中存在的殘余氧完全轉化成二氧化碳和水分的混合物所需的化學計量量。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣氧化不均勻。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)中轉化成一氧化碳、二氧化碳和水分的混合物。冷卻區(qū)內(nèi)大量殘余氧的存在和pCO/pCO2及pH2/pH2O之比等于或小于1.0對于試樣以受控方式氧化是理想的(見表1)。但是，試樣的氧化不均勻。對于爐內(nèi)流體流動和溫度分布的詳細分樣表明，進料氣以高速度進入，沒有加熱到溫度高到足以引起氧和天然氣在開口進料管附近完全反應，結果使帶有未反應氧的冷氮氣直接撞擊到試樣上，引致氧化不均勻。
因此，用常規(guī)的開口進料管將與化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮引入到連續(xù)式熱處理爐的加熱區(qū)，不能制得均勻和受控氧化的鋼試樣。
實施例1-12至1-14重復實施例1-11中所述碳鋼退火試驗三次，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，在進料氣中加有0.5、1.0和3.0%的天然氣，這分別相當于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳與水的混合物所需化學計量量的2.0、4.0和12.0倍。
根據(jù)這些步驟熱處理過的鋼樣氧化不均勻。因此，用常規(guī)的開口進料管將與2.0、4.0和12.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式熱處理爐的加熱區(qū)，不能得到均勻和受控氧化的鋼試樣。
實施例1-15重復實施例1-11中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，在進料氣中加有5.0%無然氣，天然氣的量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的20.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣，其表面光潔度是部分光亮和部分被氧化。因此，用常規(guī)的開口進料管將與20倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式熱處理爐的加熱區(qū)中，不能制得均勻和受控氧化的或光亮的鋼試樣。
實施例1-16重復實施例1-11中所述的碳鋼退火試驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，進料氣在圖4的部位76處進入到爐60的加熱區(qū)。天然氣的用量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣氧化不均勻。因此，用常規(guī)的開口進料管將與化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣引入到連續(xù)式熱處理爐的加熱區(qū)，同樣不能制得均勻和受控氧化的鋼試樣。
實施例1-17重復實施例1-16中所述的碳鋼退火試驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進氣的流速和類型、以及退火步驟，但是進料氣體混合物中加有3.0%的天然氣。所用的天然氣的量是為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的12.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣氧化不均勻。因此，用常規(guī)的開口進料管將與12.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣送入連續(xù)式熱處理爐的加熱區(qū)中，同樣不能制得均勻和受控氧化的鋼試樣。
實施例1-18重復實施例1-11中所述的碳鋼退火實驗，使用同樣的爐子、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的組成和流速、以及退火步驟，但是如表1所示，溫度采用950℃。所加的天然氣量等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳與水汽的混合物所需的化學計量量。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣氧化不均勻。因此，用常規(guī)的開口管將與化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮送入連續(xù)式熱處理爐的加熱區(qū)中，不能制得均勻和受控氧化的或光亮的鋼試樣。
實施例1-19至1-20重復實施例1-18中所述的碳鋼退火試驗兩次，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣位置、進氣裝置類型、進料氣的流速和組成、以及退火步驟，不同之處在于，在進料氣中加入0.5%和1.0%天然氣，使天然氣量分別等于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽所需化學計量量的2.0倍和4.0倍。
根據(jù)這些步驟熱處理過的鋼樣氧化不均勻。因此，用常規(guī)的開口進料管將與2.0和4.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮送入連續(xù)式加熱爐內(nèi)的加熱區(qū)中，不能制得均勻和受控氧化的鋼試樣。
對涉及以上實施例的表1數(shù)據(jù)的分析表明，不能用位于爐子加熱區(qū)中的開口直管將與天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣送入爐中制備受控氧化和/或光亮的、無氧化物的退火碳鋼試樣。雖然進料氣中存在的氧在爐子的加熱區(qū)和冷卻區(qū)中轉化成了一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物，但是在進料區(qū)域附近沒有完全轉化成上述氣體。這是因為進料氣以高速度進入爐內(nèi)，因此沒有時間受熱升溫使其中殘余的氧和天然氣反應。這就導致帶有未反應氧的進料氣撞擊到試樣，結果發(fā)生不受控制的氧化。
表1的數(shù)據(jù)表明，在某些情況下可以用位于爐子過渡區(qū)內(nèi)的開口直管，使用非低溫法制得的氮和天然氣的混合物，以受控方式將碳鋼氧化退火。但是，它不能用于鋼的無氧化物光亮退火。對于鋼的受控和均勻氧化退火，可采用的操作范圍示于圖7。
因為大多數(shù)熱處理廠家通常要在受控的氧化退火和光亮(無氧化物)退火之間來回變換，所以研制了使用同一爐子在不作重大工藝改變的情形下，通過向爐子加熱區(qū)中引入進料氣體混合物進行碳鋼氧化退火和光亮、無氧化物退火的方法，所加工的試樣的結果示于表2中。
表2實例 2-1 實例 2-2 實例 2-3熱處理溫度℃ 1,100 1,100 1,100進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置72) (位置74) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 2.00 2.00 2.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <2 <3 <4一氧化碳% 1.00 1.10 0.95二氧化碳% 0.00 0.00 0.00氫% 2.80 3.00 2.50甲烷% 0.60 0.40 0.55露點℃ -58.6 -58.8 -58.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 550 <5 <7一氧化碳% 0.50 0.90 0.85二氧化碳% 0.04 0.00 0.00氫% 1.00 2.60 2.50甲烷% 1.42 0.71 0.75露點℃ -9.0 -27.9 -31.8熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 均勻光亮 均勻光亮堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表2續(xù)實例 2-4 實例 2-5A 實例 2-5B熱處理溫度℃ 1,100 1,100 1,100進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 2.00 2.00 2.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <2 <3 <4一氧化碳% 1.00 1.10 0.95二氧化碳% 0.00 0.00 0.00氫% 2.80 3.00 2.50甲烷% 0.60 0.40 0.55露點℃ -58.6 -58.8 -58.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 550 <5 <7一氧化碳% 0.50 0.90 0.85二氧化碳% 0.04 0.00 0.00氫% 1.00 2.60 2.50甲烷% 1.42 0.71 0.75露點℃ -9.0 -27.9 -31.8熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻光亮 均勻光亮略帶草黃色*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表2續(xù)實例 2-6 實例 2-7A 實例 2-7B熱處理溫度℃ 1,100 1,100 1,100進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.20 99.50 99.50氧% 0.80 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 2.50 0.50 1.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <2 <6 <4一氧化碳% 1.55 0.40 0.85二氧化碳% 0.00 0.10 0.05氫% 3.50 0.50 1.45甲烷% 1.10 0.04 0.05露點℃ -58.2 -8.8 -11.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <7 <9 <7一氧化碳% 1.35 0.15 0.60二氧化碳% 0.02 0.35 0.32氫% 3.05 0.15 0.90甲烷% 0.96 0.06 0.07露點℃ -19.6 +6.4 +11.1熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻和致密堆 均勻和致密堆積氧化物 積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表2續(xù)實例 2-7C 實例 2-8 實例 2-9熱處理溫度℃ 1,100 1,050 1,050進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.50 99.75 99.70氧% 0.50 0.25 0.30天然氣*(甲烷)% 1.50 2.00 2.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <3 <9 <6一氧化碳% 1.00 0.50 0.60二氧化碳% 0.01 0.00 0.00氫% 2.40 2.30 2.30甲烷% 0.08 0.65 0.70露點℃ -22.3 -58.3 -58.5冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <4 <8 <8一氧化碳% 1.40 0.50 0.60二氧化碳% 0.01 0.00 0.00氫% 2.20 2.30 2.25甲烷% 0.22 0.57 0.65露點℃ -3.6 -52.6 -44.4熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻光亮 均勻光亮*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表2續(xù)實例 2-10 實例 2-11 實例 2-12熱處理溫度℃ 1,050 1,050 1,050進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.65 99.60 99.60氧% 0.35 0.40 0.40天然氣*(甲烷)% 2.00 2.00 2.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <6 <6 <4一氧化碳% 0.60 0.75 0.80二氧化碳% 0.00 0.00 0.00氫% 2.10 2.10 2.60甲烷% 0.80 0.80 0.70露點℃ -58.3 -58.3 -58.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <9 <9 <5一氧化碳% 0.60 0.70 0.75二氧化碳% 0.00 0.00 0.00氫% 2.20 2.10 2.60甲烷% 0.69 0.73 0.78露點℃ -41.3 -35.9 -41.2熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻光亮 均勻光亮*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表2續(xù)實例 2-13 實例 2-14 實例 2-15熱處理溫度℃ 1,050 1,050 1,050進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.55 99.50 99.50氧% 0.45 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 2.25 2.25 2.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <4 <4 <5一氧化碳% 0.90 0.95 0.90二氧化碳% 0.00 0.00 0.00氫% 2.65 2.70 2.40甲烷% 0.80 0.90 0.80露點℃ -58.3 -58.3 -58.4冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <5 <7 <6一氧化碳% 0.85 0.90 0.85二氧化碳% 0.00 0.00 0.00氫% 2.70 2.70 2.40甲烷% 0.86 0.90 0.78露點℃ -36.9 -33.1 -32.6熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻光亮 均勻光亮*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表2續(xù)實例 2-16 實例 2-17A 實例 2-17B熱處理溫度℃ 1,050 1,000 1,000進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.50 99.70 99.70氧% 0.50 0.30 0.30天然氣*(甲烷)% 1.50 2.00 1.50加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <5 <3 <6一氧化碳% 1.00 0.40 0.60二氧化碳% 0.00 0.00 0.00氫% 2.15 1.20 1.20甲烷% 0.40 1.10 0.40露點℃ -29.4 -57.7 -33.8冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <6 <9 <9一氧化碳% 1.00 0.40 0.60二氧化碳% 0.01 0.00 0.00氫% 2.20 1.60 1.20甲烷% 0.35 1.02 0.37露點℃ -22.1 -57.7 -29.1熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻光亮 均勻光亮*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表2續(xù)實例 2-17C 實例 2-18 實例 2-19熱處理溫度℃ 1,000 1,000 1,000進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.70 99.75 99.80氧% 0.30 0.25 0.20天然氣*(甲烷)% 1.00 2.00 2.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm ～10 <4 <3一氧化碳% 0.35 0.35 0.30二氧化碳% 0.01 0.00 0.00氫% 1.05 1.10 1.05甲烷% 0.40 1.10 1.10露點℃ -29.1 -57.9 -57.9冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm ～11 <7 <6一氧化碳% 0.35 0.35 0.25二氧化碳% 0.01 0.00 0.00氫% 1.00 1.70 1.70甲烷% 0.33 1.02 1.02露點℃ -23.6 -57.9 -58.0熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮, 均勻光亮 均勻光亮略帶草黃色*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表2續(xù)實例 2-20 實例 2-21熱處理溫度℃ 1,000 950進氣流速SCMH×0.0283 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.85 99.90氧% 0.15 0.10天然氣*(甲烷)% 2.00 2.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <3 <3一氧化碳% 0.20 0.10二氧化碳% 0.00 0.00氫% 0.9 0.80甲烷% 1.12 1.32露點℃ -57.9 -58.1冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <8 ～10一氧化碳% 0.25 0.15二氧化碳% 0.00 0.00氫% 1.60 1.30甲烷% 0.87 1.18露點℃ -57.9 -58.1熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻光亮*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表2續(xù)實例 2-22 實例 2-23熱處理溫度℃ 950 950進氣流速SCMH×0.0283 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.925 99.95氧% 0.075 0.05天然氣*(甲烷)% 1.75 1.25加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <2 <3一氧化碳% 0.10 0.10二氧化碳% 0.00 0.00氫% 0.50 0.30甲烷% 1.12 0.60露點℃ -57.7 -33.8冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <87 <7一氧化碳% 0.10 0.10二氧化碳% 0.00 0.00氫% 0.50 0.30甲烷% 1.10 0.60露點℃ -57.9 -58.1熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻光亮*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
實施例2-1重復實施例1-14中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成以及退火步驟，不同之處在于，進料氣混合物中加有2.0%天然氣，而且進料氣混合物由一個改良的多孔擴散器進入爐的加熱區(qū)(圖4中位置72)。安裝了一個(示于圖3C)一般為圓柱形的擴散器40，它由直徑1.9cm、長15.2cm的多孔鉻鎳鐵合金(Inconel)材料構成上一半。這種多孔的Inconel材料每平方英寸上有大約47個直徑2.4mm寸的小孔。小孔彼此交錯排列，兩個最近的孔之間的距離約為4mm。這樣的孔的數(shù)目及排布使得有供氣體混合物流過的約33%的開口面積。擴散器40的下一半46是不透氣的Inconel材料，擴散器40的一端42封住，另一端43與穿過冷卻端爐前室68插入爐60中的直徑1.3cm的不銹鋼進料管相連，擴散器40的下一半46安排成與欲處理的部件16′平行，從而將進料氣的流動基本上引向高溫的爐頂，防止含有未反應氧的進料氣直接沖擊到試樣16′。在此實施例中使用的天然氣的量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的8.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣表面上具有均勻致密的氧化物層。進料氮中存在的殘余氧在加熱區(qū)內(nèi)轉化成了一氧化碳和水汽的混合物。高的pCO/pCO2比(＞2.8)和pH2/pH2O(＞1.3)比可能使試樣表面在加熱區(qū)內(nèi)還原。但是，試樣在冷卻區(qū)內(nèi)于大量殘余氧的存在(見表2)而表面氧化。
因此，將與8.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通過位于加熱區(qū)(位置72)的改良的多孔擴散器引入連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在1100℃的氧化退火是一種可采用的方法。因為改良的多孔擴散器離冷卻區(qū)只有30.5cm(位置72)，所以在進料氣中存在的殘余氧在進入冷卻區(qū)之前全都沒有和天然氣反應。冷卻區(qū)中殘余氧(550ppm)的存在使試樣以受控方式氧化，其情形如表2所示。因此，只要所用的天然氣或任何其它烴類的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水分的混合物所需的化學計量量，將進料氣體混合物經(jīng)由一個改良的多孔擴散器引入加熱區(qū)中(位置72)總是產(chǎn)生氧化均勻的試樣。
實施例2-2重復實施例2-1中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和退火步驟，但是進料氣混合物由圖4的位置74引入到爐子的加熱區(qū)。此實施例中所用的天然氣量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的8.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮的無氧化物的表面。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳和水汽的混合物(＜5ppm)。在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都有大量一氧化碳和氫存在或是pCO/pCO2(＞2.8)和pH2/pH2O(＞1.3)比值高，導致試樣表面的還原。
因此，將與8.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮通過位于加熱區(qū)(位置74)的改良的多孔擴散器引入連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在1100℃的光亮和無氧化物退火是一種可采用的方法。
此實施例表明，將混合物引入爐中的方法是關鍵的工藝步驟。例如，簡單地將改良的多孔擴散器由放置在離冷卻區(qū)僅30.5cm遠(位置72)處改為76cm遠(位置74)處，可以將進料氣中存在的大部分殘余氧轉化成一氧化碳和水汽。因此，將含有用非低溫法制得的氮的進料氣混合物經(jīng)由一個改良的多孔擴散器引入1100℃的加熱區(qū)中(位置74)，總會形成光亮和無氧化物的試樣，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為了將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，并且此用量高到足以使加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的pCO/pCO2比大于2.8、pH2/pH2O比大于1.3，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量均小于10ppm。
實施例2-3重復實施例2-1中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型以及退火步驟，但是進料氣體混合物由圖4中的位置76引入爐子的加熱區(qū)中。在此實施例中使用的天然氣的量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的8.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮和無氧化物的表面。此實施例再次顯示了在爐中放置改良的多孔擴散器的關鍵作用。例如，簡單地將改良的多孔擴散器從離冷卻區(qū)30.5cm(位置72)移至離開102cm(位置76)處，進料氣中存在的大部分殘余氧同樣可以轉化成一氧化碳和水汽的混合物。因此，將非低溫法制得的氮經(jīng)由一個改良的多孔擴散器引入1100℃的加熱區(qū)總是形成均勻光亮和無氧化物的試樣，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且上述用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
檢驗進爐的鋼材料和經(jīng)過本實施例熱處理過的鋼樣的脫碳和滲碳程度。進爐鋼料的檢驗表明既沒有脫碳也沒有滲碳，而在與天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣氛中熱處理過的鋼樣，發(fā)生約0.006英寸的脫碳作用。鋼樣的脫碳可能是冷卻區(qū)中存在的高露點引致的。
實施例2-4重復實施例2-3中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置、以及退火步驟，但是使用含99.4% N2和0.6% O2的用非低溫法制得的氮。在此實施例中使用的天然氣的量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的6.7倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。如表2所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)完全轉化成一氧化碳和水汽的混合物(小于8ppm)。
此實施例再次表明，可以利用位于在1100℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器，以用非低溫法制得的氮對碳鋼進行光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量大于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以使加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的pCO/pCO2都大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
實施例2-5A重復實施例2-3中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，但是使用含99.25% N2和0.75% O2的用非低溫法制得的氮氣。此實施例中天然氣的用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量的5.3倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮的表面。但是試樣的表面略帶草黃色，使得表面品質(zhì)勉強合格。進料氮氣中的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)中幾乎完全轉化成一氧化碳和水汽的混在物(約10ppm)。
此實施例再次表明，利用正好位于在1100℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)的一個改良的多孔擴散器，可以使鋼在用非低溫法制得的氮氣中進行光亮和無氧化物的退火，只要所用的天然氣或其它任何其它烴的量大于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)中都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。此實施例還表明，為使鋼光亮退火，所需的天然氣最低量約等于為將進料氮中存在的殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的5.0倍。
實施例2-5B重復實施例2-5A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣的流速和組成、進氣裝置的類型和位置、以及退火步驟，但是天然氣的用量由2.0%改為2.5%。在此實施例中使用的天然氣的量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的6.7倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。各試樣的表面也不帶草黃色。進料氮氣中存在的殘余氧幾乎完全(小于6ppm)在加熱區(qū)和冷卻區(qū)中轉化成一氧化碳和水汽的混合物。
此實施例再次表明，用一個正好位于在1100℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器，可以使用非低溫法制得的氮進行鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或其它任何烴的量大于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且該用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
對進爐材料的檢驗表明，沒有發(fā)生滲碳或脫碳，而在本實施例中熱處理過的鋼樣發(fā)生約0.18mm的脫碳。此實施例中熱處理試樣的脫碳程度高于在實施例2-3中處理的試樣，可能是由于冷卻區(qū)中的露點較高(見表2)。
實施例2-6重復實施例2-3中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、進氣裝置的類型和位置、以及退火步驟，但是使用含99.2% N2和0.8% O2的用非低溫法制得的氮。此實施例中使用的天然氣量的等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的6.3倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。進料氮氣中存在的殘余氧幾乎完全(少于7ppm)在加熱區(qū)和冷卻區(qū)中轉化成一氧化碳和水汽的混合物。
此實施例再次表明，利用正好位于在1100℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)的一個改良的多孔擴散器，可以在用非低溫法制得的氮氣中進行碳鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量小于10ppm。
實施例2-7A重復在實施例2-3中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置的類型和位置及退火步驟，但是天然氣的用量由2.0%改為5.0%。在此實施例中使用的天然氣量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣具有均勻致密的氧化物表面層。進料氮氣中存在的殘余氧在冷卻區(qū)和加熱區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成(少于8ppm)一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物，如表2所示。試樣由于冷卻區(qū)內(nèi)低的pCO/pCO2比(＜2.8)和pH2/pH2O比(＜1.3)而被氧化。
此實施例表明，可以利用正好位于在1100℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器，在用非低溫法制得的氮中實現(xiàn)碳鋼的受控氧化退火，只要使用的天然氣或其它任何烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以使冷卻區(qū)內(nèi)的pCO/pCO2小于2.8、pH2/pH2O小于1.3。
實施例2-7B重復實施例2-7A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置的類型和位置及退火步驟，但是使用1.0%天然氣。此實施例中使用的天然氣量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水分的混合物所需化學計量量的4.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣具有均勻致密的氧化物表面層。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全(少于8ppm)轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物，如表2所示。試樣由于冷卻區(qū)內(nèi)低pCO/pCO2比(＜2.8)和pH2/pH2O比(＜1.3)而被氧化。
此實施例再次表明，利用正好處在于1100℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器，可以在用非低溫法制得的氮氣中將碳鋼氧化退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以使冷卻區(qū)內(nèi)的pCO/pCO2低于2.8，pH2/pH2O低于1.3。
實施例2-7C重復實施例2-7A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置及退火步驟，但是使用1.5%天然氣。在此實施例中天然氣的用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的6.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。進料氮氣中殘余的氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全(少于4ppm)轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物，如表2所示。
此實施例表明，利用正好位于在1100℃操作的爐子加熱器內(nèi)的改良的多孔擴散器，可以在用非低溫法制得的氮氣中實現(xiàn)鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
實施例2-8重復實施例2-3中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，不同之處在于，溫度為1050℃，使用含99.75% N2和0.25% O2的用非低溫法制得的氮。此實施例中使用的天然氣的量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的16.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理過的鋼樣具有均勻光亮的無氧化物的表面。進料氮中的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物(小于9ppm)。
此實施例表明，利用一個正好位于在1050℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)部的改良的多孔擴散器，可以在用非低溫法制得的氧氣中實現(xiàn)碳鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的氮氣或其它任何烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
對進爐材料的檢驗表明，既無滲碳也無脫碳，而在本實施例中在與天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣氛中熱處理的鋼樣，發(fā)生很低程度的脫碳，脫碳深度約為0.025mm。因此，此實施例表明，在與天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣氛中熱處理的試樣，脫碳程度可以通過控制連續(xù)式熱處理爐的冷卻區(qū)及加熱區(qū)的露點來控制。
實施例2-9至2-15在實施例2-9至2-15中重復實施例2-8中所述的碳鋼退火實驗7次，采用相同的爐子、試樣、進氣流速、溫度、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，不同之處在于，天然氣的用量從2.0%到2.25%變化，使用含99.70%至99.50%的N2和0.30%至0.50% O2的用非低溫法制得的氮，如表2所示。在這些實施例中，天然氣的用量從為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的8.0倍至13.3倍變化不等。
在這些實施例中熱處理過的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳和水汽的混合物(小于9ppm)。
這些實施例再次表明，利用正好位于在1050℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)部的改良的多孔擴散器，可以在用非低溫法制得的氮氣中實現(xiàn)碳鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量小于10ppm。
對進爐材料的檢驗表明沒有滲碳或脫碳。實施例2-10是在與天然氣預混的用低溫法制得的氮氣氛中熱處理的鋼樣，在此實施例中也是既無滲碳也無脫碳。因此這一實施例表明，小心地控制連續(xù)式熱處理爐的加熱區(qū)和冷卻區(qū)的露點，可以利用與天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣氛進行碳鋼的中性淬火。
實施例2-16重復實施例2-15中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、溫度、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，但是使用1.5%天然氣。此實施例中天然氣的用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的6.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮的無氧化物的表面。
此實施例表明，利用正好位于在1050℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)部的改良的多孔擴散器，可以在用非低溫法制得的氮氣中實現(xiàn)碳鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽所需化學計量量的6.0倍，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
實施例2-17A重復實施例2-3中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，不同之處在于，采用100℃的溫度和含有99.70% N與0.30% O2的用非低溫法制得的氮。此實施例中天然氣的用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的13.3倍。
根據(jù)此步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物(小于9ppm)。
此實施例表明，利用正好位于在1000℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)部的改良的多孔擴散器，可以用以非低溫法制得的氮氣進行碳鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在冷卻區(qū)和加熱區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量小于10ppm。
實施例2-17B重復實施例2-17A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置的類型和位置以及退火步驟，但是使用1.5%的天然氣。此實施例中天然氣的用量等于將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量的10.0倍。
根據(jù)這一實施例熱處理的鋼樣具有均勻光亮的無氧化物的表面。進料氮中的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)中幾乎完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物(小于9ppm)。
這一實施例表明，利用正好位于在1000℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)部的改良的多孔擴散器，可以用以非低溫法制得的氮氣進行鋼的光亮和無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽混合物所需的化學計量量，而且該用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量小于10ppm。
實施例2-17C重復實施例2-17A中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置的類型和位置以及退火步驟，但是使用1.0%的天然氣。此實施例中使用的天然氣的量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的6.7倍。
根據(jù)此步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮的表面。但是，試樣的表面略帶草黃色，這使得表面品質(zhì)勉強合格。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物(小于11ppm)。
此實施例表明，利用一個正好位于在1000℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)部的改良的多孔擴散器，可以用非低溫法制得的氮進行鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且該用量高到足以使加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都是pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
實施例2-18和2-19重復實施例2-17中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、進氣流速、溫度、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，不同之處在于，使用含99.75%和99.80% N2及0.25%和0.20%氧的用非低溫法制得的氮，如表2所示。在這些實施例中天然氣的用量分別等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的16.0倍和20.0倍。
在這些實施例中熱處理的鋼樣具有均勻光亮的無氧化物的表面。進料氮氣中殘余的氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物(少于7ppm)。
這些實施例表明，利用一個正好位于在1000℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器，可以用非低溫法制得的氮氣進行鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以使加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都是pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧都小于10ppm。
實施例2-20重復實施例2-17中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、進氣流速、溫度、進氣裝置的類型和位置、以及退火步驟，但是使用含99.85% N2和0.15% O2的用非低溫法制得的氮，如表2所示。此實施例中天然氣的用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的26.7倍。
在這些實施例中熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳和水汽的混合物(少于8ppm)。但是發(fā)現(xiàn)傳動帶和爐子內(nèi)部開始輕微積炭，表明在此實施例中所用的工藝條件對于長時間熱處理是不理想的。更具體地說，試驗結果揭示，最好是減少氣體進料混合物中使用的天然氣量，以防止爐內(nèi)積炭。
此實施例表明，利用一個正好位于在1000℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)部的改良的多孔擴散器，可以用非低溫法制得的氮氣進行碳鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，但是并不高到在爐內(nèi)開始積炭的程度，另外，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都要小于10ppm。
實施例2-21重復實施例2-3中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，不同之處在于，使用950℃的溫度和含有99.90% N2和0.10% O2的氮氣，如表2所示。此實施例中的天然氣用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量的40.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮的無氧化物的表面。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳和水汽的混合物(約10ppm)。
此實施例表明，利用一個正好位于在950℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)部的改良的多孔型擴散器，可以用非低溫法制得的氮氣進行鋼的光亮、無氧化物退火，只要天然氣的用量約等于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量的40倍，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.4、pH2/pH2O大于1.6，同時在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量少于10ppm。
對進爐材料的檢驗表明既無滲碳也無脫碳現(xiàn)象。在此實施例中在與天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣里熱處理的鋼樣也是既不滲碳也無脫碳發(fā)生。因此這一實施例表明，通過小心地控制連續(xù)式加熱爐的冷卻區(qū)和加熱區(qū)內(nèi)的露點，可以用與天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣氛進行碳鋼的中性淬火。
實施例2-22重復實施例2-21中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、溫度、進氣流速、進氣裝置類型和位置、退火步驟，不同之處在于，使用含99.925% N2和0.075% O2的用非低溫法制得的氮氣，并加有1.75%天然氣，如表2所示。此實施例中天然氣的用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的46.7倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)完全轉化成一氧化碳和水汽的混合物。
此實施例表明，利用一個正好位于在950℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)部的改良的多孔擴散器，可以用非低溫法制得的氮進行碳鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的40倍，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.4、pH2/pH2O大于1.6，同時加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量少于10ppm。
對進爐材料的檢驗表明既無滲碳也無脫碳發(fā)生。在此實施例中在與天然氣預混的用非低溫法制得的氮里熱處理過的鋼樣也是既無脫碳也無滲碳發(fā)生。因此，此實施例說明，通過小心地控制連續(xù)式熱處理爐的冷卻區(qū)和加熱區(qū)內(nèi)的露點，可以用與天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣氛進行碳鋼的中性淬火。
實施例2-23重復實施例2-21中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、溫度、進料氣流速、進氣裝置類型和位置、退火步驟，但是使用含99.95% N2和0.05% O2并加有1.25%天然氣的氮氣。此實施例中的天然氣用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的50倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮和無氧化物的表面。在進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)完全轉化成一氧化碳和水分的混合物。
此實施例表明，可以使用一個正好位于在950℃操作的爐子加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器，用非低溫法制得的氮進行碳鋼的光亮、無氧化物退火，只要所用的天然氣或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水分的混合物所需化學計量量的40倍，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.4、pH2/pH2O大于1.6，另外，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
對進爐材料的檢驗表明既無滲碳也無脫碳作用。在此實施例中在與天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣氛里熱處理的鋼樣也沒有發(fā)生脫碳或滲碳。因此，此實施例表明，通過小心地控制連續(xù)式熱處理爐的加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的露點，可以用與天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣氛進行碳鋼的中性淬火。
在950℃進行了一些補充實驗，以確定鋼的受控氧化退火和光亮、無氧化物退火的操作范圍。這些實驗的結果列在表3中并且在下面詳加討論。
表3實例 3-1 實例 3-2 實例 3-3A熱處理溫度℃ 950 950 950進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 0.25 1.00 3.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <8 <6 <10一氧化碳% 0.0 0.45 0.95二氧化碳% 0.17 0.17 0.00氫% 0.00 1.40 3.00甲烷% 0.03 0.23 1.68露點℃ 1.3 7.7 -22.9冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 330 190 140一氧化碳% 0.00 0.45 0.75二氧化碳% 0.20 0.03 0.02氫% 0.00 1.20 3.10甲烷% 0.03 0.40 2.44露點℃ 7.7 -2.8 -14.7熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 均勻和致密 光亮和氧化堆積氧化物 堆積氧化物 物的混合*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表3續(xù)實例 3-4 實例 3-5 實例 3-6熱處理溫度℃ 950 950 950進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.75 99.75 99.75氧% 0.25 0.25 0.25天然氣*(甲烷)% 0.25 1.00 3.00加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <8 <7 <7一氧化碳% 0.10 0.50 -二氧化碳% 0.05 0.00 0.00氫% 0.20 1.50 3.00甲烷% 0.11 0.28 1.56露點℃ -24.9 -30.4 -32.8冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 300 140 110一氧化碳% 0.10 0.25 0.45二氧化碳% 0.06 0.01 0.01氫% 0.10 1.10 3.40甲烷% 0.12 0.52 2.40露點℃ - -15.2 -28.7熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 光亮和氧化 光亮和氧化堆積氧化物 物的混合 物的混合*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表3續(xù)實例 3-7 實例 3-8熱處理溫度℃ 950 950進氣流速SCMH×0.0283 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.90 99.90氧% 0.10 0.10天然氣*(甲烷)% 0.25 0.50加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <6 <3一氧化碳% 0.00 0.20二氧化碳% 0.09 0.03氫% 0.10 0.65甲烷% 0.16 0.15露點℃ -12.6 -18.9冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 230 110一氧化碳% 0.00 0.20二氧化碳% 0.04 0.01氫% 0.10 0.55甲烷% 0.13 0.22露點℃ -12.2 -23.0熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 光亮和氧化堆積氧化物 物的混合*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
實施例3-1重復實施例2-21中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、退火步驟，不同之處在于，使用含99.5% N2和0.5% O2的用非低溫法制得的氮，在氣體進料混合物中加入0.25%天然氣，氣體進料混合物經(jīng)由改良的多孔擴散器引入到爐子的加熱區(qū)(圖4中位置76)。安裝一個示于圖3C的通常為圓柱形的擴散器40，它包括一個直徑1.9cm、長15.2cm由燒結的鉻鎳鐵合金(Inconel)材料構成的上一半44，其平均孔徑為20微米，開孔率為40%-50%，由Mott Metallurgical公司供應。擴散器40的下一半46是不透氣的Inconel材料，擴散器的一端42封住，另一端43連接到直徑1.3cm的不銹鋼進料管上，該管經(jīng)由冷卻端爐前室68插入爐60中。擴散器40的下一半46安裝成與要處理的部件16′平行，于是將進料氣的流動引向基本上朝著爐子的高溫頂，防止帶有未反應氧的進料氣直接沖擊到樣品16′。此實施例中使用的天然氣的量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣表面上具有均勻致密的氧化物層。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)中轉化成二氧化碳和水汽的混合物，如表2所示。低的pCO/pCO2比(＜2.4)和pH2/pH2O比(＜1.6)有助于在加熱區(qū)內(nèi)將試樣表面氧化。在冷卻區(qū)內(nèi)由于大量氧的存在使試樣表面進一步氧化(見表3)，最終導致試樣表面的均勻和受控的氧化。
因此，經(jīng)由位于加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器(位置76)向連續(xù)式熱處理爐中引入與化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣，對于鋼在950℃氧化退火是一種可采用的方法。
實施例3-2重復實施例3-1中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型、退火步驟，但是在氣體進料混合物中加入1.0%天然氣。此實施例中使用的天然氣量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的4.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣在表面上具有均勻致密的氧化物層。如表3所示，進料氮氣中存在的殘余氧幾乎完全在加熱區(qū)內(nèi)轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物(少于6ppm)。加熱區(qū)內(nèi)的低pH2/pH2O比(＜1.6)對于試樣表面的氧化是理想的。試樣的表面在冷卻區(qū)內(nèi)由于大量殘余氧的存在(見表3)而進一步氧化，導致樣品表面的均勻受控的氧化。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)(位置76)內(nèi)的改良的多孔擴散器，將與4.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮引入到連續(xù)式熱處理爐中，可以用來在950℃進行鋼的氧化退火。
實施例3-3A重復實施例3-1中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型、退火步驟，但是在氣體進料混合物中加入3.0%天然氣。此實施例中天然氣的用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的12.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣表面是部分氧化和部分光亮的。如表3所示，在加熱區(qū)中進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)中幾乎完全轉化成一氧化碳和水汽的混合物(小于10ppm)。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)氣體的成分表明，二者的高pCO/pCO2比(＞2.4)和pH2/pH2O比(＞1.6)對于試樣表面的還原是理想的。但是，由于冷卻區(qū)內(nèi)大量殘余氧的存在，試樣表面被部分氧化(見表3)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器(位置76)，將與12.0倍化學計量量天然氣預混的用非低溫法制得的氮引入到連續(xù)式熱處理爐中，用來在950℃對鋼進行氧化和/或光亮退火不是合要求的方法。
實施例3-3B重復實施例3-1中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型以及退火步驟，但是在進氣混合物中加有5.0%天然氣。此實施例中天然氣的用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的20.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣表面是部分氧化和部分光亮的。因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)(位置76)的改良的多孔擴散器，將與20.0倍化學計量量天然氣預混的用非低溫法制得的氮引入到連續(xù)式熱處理爐，用于鋼在950℃的氧化和/或光亮退火不是合要求的方法。
實施例3-4重復實施例3-1中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、天然氣量、進氣裝置類型及退火步驟，不同之處在于，使用含99.75% N2和0.25% O2的用非低溫法制得的氮。此實施例中的天然氣用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量的2.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣的表面上具有均勻致密的氧化物層。如表3所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)中幾乎完全(少于8ppm)轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)中高pH2/pH2O比(＞1.6)的存在對于試樣表面還原是理想的。但是，在冷卻區(qū)中由于低pCO/pCO2比和大量殘余氧的存在(見表3)，試樣表面氧化，導致試樣表面的均勻和受控氧化。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)(位置76)的改良的多孔擴散器，將與2.0倍化學計量量天然氣預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式熱處理爐。對于鋼在950℃氧化退火是一種可采用的方法。
實施例3-5重復實施例3-4中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和退火步驟，但是使用1.0%的天然氣。此實施例中的天然氣用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的8.0倍。
根據(jù)此步驟熱處理的鋼樣表面是部分氧化和部分光亮的。因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)(位置76)的改良的多孔擴散器向連續(xù)式加熱爐中引入與8.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮，用來在950℃對鋼進行氧化退火和/或光亮退火不是合要求的方法。
實施例3-6重復實施例3-4中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型及退火步驟，但是加有3.0%的天然氣。此實施例中的天然氣用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的24.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣是部分氧化和部分光亮的。因此，經(jīng)由位于加熱區(qū)(位置76)的一個改良的多孔擴散器將與24.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮氣引入連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在950℃的氧化退火和/或光亮退火，不是合乎要求的方法。
實施例3-7重復實施例3-4中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、天然氣量、進氣裝置類型和退火步驟，但是使用含99.9% N2和0.1% O2的用非低溫法制得的氮。此實施例中天然氣的用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的5.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣在表面上具有均勻致密的氧化物層。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)中幾乎完全轉化成(少于6ppm)二氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)低pCO/pCO2比(＜2.4)和pH2/pH2O比(＜1.6)的存在以及在冷卻區(qū)內(nèi)存在大量殘余的氧對于試樣表面的氧化是理想的(見表3)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)(位置76)的改良的多孔擴散器，將與5.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在950℃氧化退火是一種可采用的方法。
實施例3-8重復在實施例3-7中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和退火步驟，但是使用0.50%天然氣。此實施例中的天然氣用量等于將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量的10.0倍。
用這一步驟熱處理的鋼樣是表面上部分氧化和部分光亮。因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)(位置76)的改良的多孔擴散器向連續(xù)式爐中引入與10.0倍化學計量量的天然氣預混的用非低溫法制得的氮，用于鋼在950℃氧化退火和/或光亮退火不是合乎要求的方法。
實施例2-1到2-7表明，用非低溫法制得的氮可以用于鋼在1100℃光亮退火，只要使用為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量5.0倍以上的天然氣，而且用改良的擴散器將氣體進料混合物引入到爐子的加熱區(qū)。同樣，實施例2-8到2-23表明，用非低溫法制得的氮可以用于鋼在1050℃、1000℃和950℃光亮退火，只要分別使用為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量約6.0、13.0和40.0倍的天然氣。以上的實施例說明，鋼的光亮退火所需的天然氣的絕對量隨進料氮氣中的殘余氧含量增加而增加。另外，鋼光亮退火所需的天然氣的絕對量隨熱處理溫度的升高而減少。
實施例3-1到3-8的結果表明，用非低溫法制得的氮可以用于鋼在950℃氧化退火，只要加到進料氮氣中的天然氣量處在為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.0倍至7.0倍之間，該結果還說明，加入8.0至24.0倍化學計量量的天然氣會導致不合要求的部分氧化和部分光亮的表面。
實施例2-1至2-23和3-1至3-8涉及用改良的多孔擴散器或改良的進氣裝置進行退火，表明可以用非低溫法制得的氮在950℃至1100℃溫度范圍內(nèi)對碳鋼退火，只要在進料氣中加入多于化學計量量的天然氣。如圖8所示，本發(fā)明的方法采用一種將進料氣引入爐中的方法(例如用改良的多孔擴散器)，使用戶能實現(xiàn)碳鋼的氧化退火和光亮、無氧化物退火。示于圖8的采用本發(fā)明方法的操作范圍，比用常規(guī)的進氣裝置所提到的要寬得多，這可由圖7和圖8的比較清楚地看出。因此，以上實施例表明，防止含有未反應氧的進料氣直接沖擊到部件的重要性。
使用非低溫法制得的氮和丙烷的混合物進行了一些碳鋼熱處理實驗。這些實驗的結果列在表4中并在下面詳加討論。
表4實例 4-1 實例 4-2 實例 4-3熱處理溫度℃ 1,100 1,100 1,100進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.50 99.30 99.00氧% 0.50 0.70 1.00天然氣*(甲烷)% 0.20 0.20 0.20加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <5 <10 <4一氧化碳% 0.55 0.45 0.20二氧化碳% 0.00 0.08 0.34氫% 1.00 0.70 0.40甲烷% 0.02 0.01 0.00露點℃ -58.3 -10.0 5.0冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <6 <8 <4一氧化碳% 0.50 0.40 0.15二氧化碳% 0.00 0.09 0.35氫% 0.90 0.65 0.30甲烷% 0.02 0.01 0.00露點℃ -58.3 -10.0 5.0熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻光亮 均勻和致密堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表4續(xù)實例 4-4 實例 4-5 實例 4-6熱處理溫度℃ 1,100 1,100 1,100進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.00 99.00 99.00氧% 1.00 1.00 1.00天然氣*(甲烷)% 0.25 0.28 0.40加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <5 <4 <3一氧化碳% 0.45 0.65 0.95二氧化碳% 0.24 0.18 0.11氫% 0.06 0.95 1.50甲烷% 0.00 0.01 0.05露點℃ 5.0 0.5 -4.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <5 <5 <4一氧化碳% 0.40 0.60 0.90二氧化碳% 0.25 0.18 0.12氫% 0.60 0.90 1.40甲烷% 0.00 0.01 0.05露點℃ 5.0 0.50 -4.3熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 均勻和致密 均勻光亮堆積氧化物 堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表4續(xù)實例 4-7 實例 4-8 實例 4-9熱處理溫度℃ 1,050 1,050 1,050進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.50 99.25 99.25氧% 0.50 0.75 0.75天然氣*(甲烷)% 0.20 0.20 0.25加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <5 <4 <4一氧化碳% 0.30 0.20 0.40二氧化碳% 0.05 0.18 0.12氫% 0.75 0.40 0.80甲烷% 0.05 0.00 0.01露點℃ -13.0 -2.2 -4.1冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <7 <4 <5一氧化碳% 0.30 0.20 0.40二氧化碳% 0.05 0.19 0.12氫% 0.70 0.40 0.75甲烷% 0.05 0.00 0.01露點℃ -13.0 -2.2 -4.1熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻和致密 均勻光亮堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表4續(xù)實例 4-10 實例 4-11 實例 4-12熱處理溫度℃ 1,050 1,050 1,050進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.00 99.00 99.00氧% 1.00 1.00 1.00天然氣*(甲烷)% 0.25 0.28 0.40加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <4 <4 <5一氧化碳% 0.25 0.45 0.80二氧化碳% 0.29 0.22 0.14氫% 0.50 0.80 1.40甲烷% 0.00 0.01 0.04露點℃ 6.0 6.1 -4.2冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <4 <5 <5一氧化碳% 0.25 0.45 0.80二氧化碳% 0.29 0.22 0.14氫% 0.45 0.80 1.40甲烷% 0.00 0.01 0.04露點℃ 6.0 6.0 -4.1熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 均勻和致密 均勻光亮堆積氧化物 堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表4續(xù)實例 4-13 實例 4-14 實例 4-15熱處理溫度℃ 1,000 1,000 1,000進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.50 99.50 99.25氧% 0.50 0.50 0.75天然氣*(甲烷)% 0.20 0.25 0.20加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <6 <4 <5一氧化碳% 0.30 0.50 0.20二氧化碳% 0.09 0.01 0.20氫% 0.70 1.10 0.45甲烷% 0.01 0.04 0.00露點℃ -9.3 -35.0 0.10冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <8 <7 <5一氧化碳% 0.30 0.45 0.20二氧化碳% 0.07 0.01 0.20氫% 0.70 1.05 0.40甲烷% 0.01 0.04 0.01露點℃ -9.2 -35.2 0.00熱處理后試樣品質(zhì) 均勻光亮 均勻光亮 均勻和致密堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表4續(xù)實例 4-16 實例 4-17 實例 4-18熱處理溫度℃ 1,000 1,000 1,000進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.25 99.25 99.25氧% 0.75 0.75 0.75天然氣*(甲烷)% 0.25 0.28 0.32加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <5 <5 <4一氧化碳% 0.40 0.60 0.75二氧化碳% 0.14 0.09 0.06氫% 0.80 1.10 1.45甲烷% 0.01 0.04 0.05露點℃ -1.5 -6.1 -15.6冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <6 <7 <7一氧化碳% 0.40 0.60 0.75二氧化碳% 0.14 0.09 0.06氫% 0.80 1.10 1.40甲烷% 0.01 0.03 0.06露點℃ -1.5 -6.2 -15.0熱處理后試樣品質(zhì) 光亮和氧化 均勻光亮 均勻光亮物的混合*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表4續(xù)實例 4-19 實例 4-20 實例 4-21熱處理溫度℃ 1,000 1,000 1,000進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.00 99.00 99.00氧% 1.00 1.00 1.00天然氣*(甲烷)% 0.28 0.40 0.55加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <4 <5 <4一氧化碳% 0.50 0.85 1.20二氧化碳% 0.24 0.15 0.07氫% 0.80 1.40 2.00甲烷% 0.01 0.06 0.07露點℃ 5.0 1.0 -9.5冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <5 <5 <8一氧化碳% 0.50 0.80 1.15二氧化碳% 0.24 0.15 0.08氫% 0.80 1.40 1.95甲烷% 0.01 0.05 0.10露點℃ 5.1 1.5 -9.6熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 均勻光亮 均勻光亮堆積氧化物*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表4續(xù)實例 4-22 實例 4-23 實例 4-24熱處理溫度℃ 950 950 950進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.50 99.50 99.50氧% 0.50 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 0.20 0.25 0.32加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <7 <8 <6一氧化碳% 0.30 0.50 0.85二氧化碳% 0.09 0.03 0.00氫% 0.65 1.00 1.70甲烷% 0.02 0.05 0.06露點℃ -6.0 -26.0 -58.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 11 12 ～10一氧化碳% 0.30 0.50 0.80二氧化碳% 0.07 0.02 0.00氫% 0.65 1.00 1.60甲烷% 0.02 0.05 0.07露點℃ -6.5 -26.2 -58.3熱處理后試樣品質(zhì) 均勻和致密 光亮和氧化 均勻光亮堆積氧化物 物的混合*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表4續(xù)實例 4-25 實例 4-26 實例 4-27熱處理溫度℃ 950 950 950進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.25 99.25 99.25氧% 0.75 0.75 0.75天然氣*(甲烷)% 0.32 0.55 0.63加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <8 <6 <6一氧化碳% 0.75 1.25 1.25二氧化碳% 0.07 0.00 0.00氫% 1.35 2.20 2.30甲烷% 0.10 0.13 0.20露點℃ -15.3 -58.3 -58.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 15 12 13一氧化碳% 0.75 1.20 1.20二氧化碳% 0.07 0.00 0.00氫% 1.35 2.10 2.20甲烷% 0.08 0.12 0.15露點℃ -15.6 -58.0 -58.9熱處理后試樣品質(zhì) 光亮和氧化 均勻光亮, 均勻光亮,物的混合 略帶草黃色 略帶草黃色*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
表4續(xù)實例 4-28 實例 4-29熱處理溫度℃ 900 900進氣流速SCMH×0.0283 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.50 99.50氧% 0.50 0.50天然氣*(甲烷)% 0.20 0.28加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <10 11一氧化碳% 0.25 0.70二氧化碳% 0.10 0.00氫% 0.60 1.30甲烷% 0.02 0.06露點℃ -9.6 -35.0冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm 18 18一氧化碳% 0.25 0.65二氧化碳% 0.10 0.00氫% 0.60 1.25甲烷% 0.03 0.08露點℃ -10.0 -34.5熱處理后試樣品質(zhì) 不均勻氧化物 光亮和氧化物的混合*天然氣與氮混合,按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
實施例4-1重復實施例2-3中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，但是使用0.2%的丙烷代替2.0%的天然氣。此實施例中丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量的2.0倍。
根據(jù)此步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。如表4所示，進料氮中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳和水汽的混合物(少于6ppm)。在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)高pCO/pCO2比(＞2.8)和pH2/pH2O比(＞1.3)的存在，導致試樣表面的還原。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器將用非低溫法制得的氮引入到1100℃的加熱區(qū)中，會形成均勻光亮、無氧化物的試樣，只要所用的丙烷或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.8，pH2/pH2O大于1.3，同時在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
對進爐材料的檢驗表明，既無滲碳也無脫碳現(xiàn)象，而本實施例中在與丙烷預混的用非低溫法制得的氮氣氛中熱處理的鋼樣，發(fā)生很小程度的脫碳，脫碳深度約為0.097mm。
實施例4-2重復實施例4-1中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置、丙烷量和退火步驟，但是使用含99.3% N2和0.7% O2的用非低溫法制得的氮。此實施例中丙烷的用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.5倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物(小于10ppm)。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)高pCO/pCO2比(＞2.8)和pH2/pH2O比(＞1.3)的存在導致試樣表面的還原。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器，將非低溫法制得的氮引入1100℃的加熱區(qū)中，會得到均勻光亮、無氧化物的試樣，只要所用的丙烷或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以使加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3。同時在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量小于10ppm。
實施例4-3重復實施例4-1中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置、丙烷用量及退火步驟，但是使用含99.02% N2和1.0% O2的用非低溫法制得的氮。此實施例中使用的丙烷量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需的化學計量量。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣表面上具有均勻致密的氧化物層。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)中轉化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)和冷卻區(qū)中低pCO/pCO2比(＜2.8)和pH2/pH2O比(＜1.3)的存在導致試樣的氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)的改良的多孔擴散器將與化學計量量的丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在1100℃受控氧化退火是一種可采用的方法。
實施例4-4重復實施例4-3中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進料氣流速和組成、進氣裝置位置及類型、退火步驟，但是如表4所示，丙烷的用量由0.2%改為0.25%。此實施例中丙烷的用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量的1.25倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻致密的表面氧化物層。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)低pCO/pCO2比(＜2.8)和pH2/pH2O比(＜1.3)的存在導致試樣的氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)的改良的多孔擴散器，將與1.25倍化學計量量的丙烷引入連續(xù)式處理爐中，對于鋼在1100℃受控氧化退火是一種可采用的方法。
實施例4-5重復實施例4-3中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置及退火步驟，但是如表4所示，丙烷用量由0.2%改為0.28%。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.40倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣同樣在表面上具有均勻致密的氧化物層。冷卻區(qū)和加熱區(qū)內(nèi)低pCO/pCO2比(＜2.8)和pH2/pH2O比(＜1.3)的存在導致試樣的氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)的改良的多孔擴散器，將與1.40倍化學計量量的丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式熱處理爐中，對于在1100℃鋼的受控氧化退火是一種可采用的方法。
實施例4-6重復實施例4-3中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置、退火步驟，但是丙烷用量由0.2%改為0.40%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量的2.0倍。
根據(jù)此步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)中幾乎完全轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物(小于4ppm)。加熱區(qū)和冷卻區(qū)中高pCO/pCO2比(＞2.8)和pH2/pH2O比(＞1.3)的存在，導致試樣表面的還原。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的擴散器將非低溫法制得的氮引入1100℃的加熱區(qū)中，會形成均勻光亮、無氧化物的試樣，條件是所用丙烷或其它任何烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，同時在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)殘余氧含量都小于10ppm。
對進爐材料的檢驗表明，沒有滲碳或脫碳，而本實施例中在與丙烷預混的用非低溫法制得的氮氣氛中熱處理的鋼樣，發(fā)生了約0.0055英寸的脫碳。
實施例4-7重復實施例4-1中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置、退火步驟，但是溫度由1100℃改為1050℃。此實施例中丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽所需化學計量量的2.0倍。
根據(jù)此步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物(小于7ppm)。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)高pCO/pCO2比(＞2.6)和pH2/pH2O比(＞1.4)的存在導致試樣表面的還原。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器，將用非低溫法制得的氮引入1050℃的加熱區(qū)中，會形成均勻光亮、無氧化物的試樣，條件是，所用的丙烷或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，同時加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
實施例4-8重復實施例4-7中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置、丙烷用量及退火步驟，但是使用含99.25% N2和0.75% O2的用非低溫法制得的氮。此實施例中丙烷的用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.33倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣在其表面上具有均勻致密的氧化物層。進料氮中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)中轉化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)低pCO/pCO2比(＜2.6)和pH2/pH2O比(＜1.4)的存在導致試樣的氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)的改良的多孔擴散器，將與1.33倍化學計量量丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在1050℃下受控氧化退火是一種可采用的方法。
實施例4-9重復實施例4-8中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置及退火步驟，但是丙烷用量由0.2%改為0.25%，如表4所示。此實施例中丙烷的用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.7倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物(小于5ppm)。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的高pCO/pCO2比(＞2.6)和pH2/pH2O比(＞1.4)的存在導致試樣表面的還原。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器，將用非低溫法制得的氮引入到1050℃的加熱區(qū)中，會產(chǎn)生光亮，無氧化物的試樣，條件是，所用的丙烷或任何其它烴的量多于為殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，同時加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)殘余氧含量均小于10ppm。
實施例4-10重復實施4-9中所述碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置、丙烷用量及退火步驟，不同之處在于，使用含99.0% N2和1.0% O2的用非低溫法制得的氮，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.25倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻效密的表面氧化物層。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)轉化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)低pCO/pCO2比(＜2.6)和pH2/pH2O比(＜1.4)的存在導致試樣的氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)的改良的多孔擴散器，將與1.25倍化學計量量的丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在1050℃受控氧化退火是一種可采用的方法。
實施例4-11重復實施例4-10中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置及退火步驟，但是丙烷用量由0.25%改為0.28%，如表4所示。此實施例中丙烷的用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.40倍。
根據(jù)此步驟熱處理的鋼樣其表面上具有均勻致密的氧化物層。因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器，將與1.40倍化學計量量的丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在1050℃受控氧化退火是一種可采用的方法。
實施例4-12重復實施例4-10中所述碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置、退火步驟，但是丙烷用量由0.25%改為0.40%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.0倍。
用這一步驟熱處理的鋼樣具有光亮、無氧化物的表面。如表4所示，進料氮氣中殘余的氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物(小于5ppm)。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)高pCO/pCO2比(＞2.6)和pH2/pH2O比(＞1.4)的存在導致試樣表面的還原。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器將非低溫法制得的氮引入1050℃的加熱區(qū)中，會形成均勻光亮的無氧化物的試樣，條件是，所用的丙烷或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，同時加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量都小于10ppm。
實施例4-13重復實施例4-1中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置、退火步驟，但是溫度由1100℃改為1000℃，如表4所示。實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物(小于7ppm)。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)高pCO/pCO2比(＞2.5)和pH2/pH2O比(＞1.5)的存在，導致試樣表面的還原。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器將用非低溫法制得的氮引入到1000℃的加熱區(qū)中，會形成均勻光亮、無氧化物的試樣，條件是，所用的丙烷或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量均小于10ppm。
實施例4-14重復實施例4-13中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、溫度、進氣流速和組成、進氣裝置的位置和類型以及退火步驟，但是丙烷用量由0.20%改為0.25%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.5倍。
根據(jù)此步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。因此，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器，將用非低溫法制得的氮引入到1000℃的加熱區(qū)，會形成均勻光亮、無氧化物的試樣，條件是，所用的丙烷或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，同時加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的殘余氧含量均小于10ppm。
實施例4-15重復實施例4-13中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速，進氣裝置的類型和位置、丙烷用量及退火步驟，但是使用含99.25% N2和0.75% O2的用非低溫法制得的氮。此實施例中丙烷的用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.33倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣在表面上具有均勻致密的氧化物層。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)轉化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)低pCO/pCO2比(＜2.5)和pH2/pH2O比(＜1.5)導致試樣的氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器，將與1.33倍化學計量量丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入到連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在1000℃的受控氧化退火是一種可采用的方法。
實施例4-16重復實施例4-15中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進料氣流速和組成、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，但是丙烷的用量由0.20%改為0.25%，如表4所示。此實施例中丙烷的用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.67倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣，其表面光潔度是部分光亮和部分氧化。進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)中轉化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)高pCO/pCO2比(＞2.5)的存在可能是試樣被還原的原因。但是，在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)pH2/pH2O比都接近于1.5，這導致試樣的部分氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器將與1.67倍化學計量量的丙烷預混的氮通入連續(xù)式熱處理爐中，用于鋼在1000℃氧化退火或光亮退火不是合乎要求的方法。
實施例4-17重復實施例4-15中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置、退火步驟，但是丙烷的用量由0.20%改為0.28%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.87倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)幾乎完全轉化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物(小于7ppm)。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)高pCO/pCO2比(＞2.5)和pH2/pH2O比(＞1.5)導致試樣表面的還原。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器將用非低溫法制得的氮引入到1000℃的加熱區(qū)中，會形成均勻光亮、無氧化物的試樣，條件是，所用的丙烷或任何其它經(jīng)的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，同時在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)殘余氧含量都小于10ppm。
實施例4-18重復實施例4-15中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣，進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，但是丙烷用量由0.20%改為0.32%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的約2.1倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。因此，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器將用非低溫法制得的氮引入到1000℃的加熱區(qū)中，會形成均勻光亮、無氧化物的試樣，條件是，所用的丙烷或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，同時在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)殘余氧含量都小于10ppm。
實施例4-19重復實施例4-17中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置、丙烷用量和退火步驟，但是使用含有99.0% N2和1.0% O2的用非低溫法制得的氮，如表4所示。此實施例中丙烷的用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的1.4倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻致密的表面氧化物層。因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)的改良的多孔擴散器將與1.4倍化學計量量的丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式熱處理爐，對于鋼在1000℃的受控氧化退火是一種可采用的方法。
實施例4-20重復實施例4-19中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類裝和位置、退火步驟，但是丙烷用量由0.28%改為0.40%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。因此，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器將用非低溫法制得的氮引入1000℃的加熱區(qū)中，會形成均勻光亮、無氧化物的試樣，條件是，使用的丙烷或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)中都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，同時在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)殘余氧含量都小于10ppm。
實施例4-21重復實施例4-20中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置、退火步驟，但是丙烷用量由0.40%改為0.55%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.75倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻光亮、無氧化物的表面。因此，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器將用非低溫法制得的氮引入到1000℃的加熱區(qū)中，會形成均勻光亮的無氧化物的試樣，條件是，所用的丙烷或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，同時在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)殘余氧含量都小于10ppm。
實施例4-22重復實施例4-1中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置、退火步驟，但是溫度由1100℃改為950℃，如表4所示。此實施例中丙烷的用量等于為將殘余氧轉化為二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有均勻致密的表面氧化物層。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)轉化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)pH2/pH2O比都接近于1.6和冷卻區(qū)內(nèi)約11ppm氧的存在，導致試樣的氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器，將與2.0倍化學計量量丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式熱處理爐中，對于鋼在950℃的受控氧化退火是可以采用的方法。
實施例4-23重復實施例4-22中所述的碳鋼退火實驗，使用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置、退火步驟，但是丙烷用量由0.20%改為0.25%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.5倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣，其表面是光亮表面與氧化表面的混合。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)轉化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。冷卻區(qū)中約12ppm氧的存在導致試樣的部分氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器，將與2.5倍化學計量量的丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式加熱爐中，用于鋼在950℃光亮退火不是合乎要求的方法。
實施例4-24重復實施例4-22中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，但是丙烷的用量由0.20%改為0.32%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的3.2倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有光亮和無氧化物的表面層。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)中轉化成為一氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都存在高的pCO/pCO2比(＞2.4)和pH2/pH2O比(＞1.6)導致試樣表面的還原。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器將用非低溫法制得的氮引入950℃的加熱區(qū)中，會形成均勻光亮、無氧化物的試樣，條件是，所用的丙烷或任何其它烴的量多于為將殘余氧完全轉化成二氧化碳和水汽混合物所需的化學計量量，而且此用量高到足以在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)都使pCO/pCO2大于2.4、pH2/pH2O大于1.6，同時在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)殘余氧含量均小于10ppm。
對進爐材料的檢驗表明既無滲碳也無脫碳發(fā)生，而本實施例在與丙烷預混的用非低溫法制得的氮氣氛中熱處理的鋼樣，發(fā)生約0.0048英寸的脫碳。
實施例4-25重復實施例4-24中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速、進氣裝置類型和位置、丙烷用量及退火步驟，但是使用含99.25% N2和0.75% O2的用非低溫法制得的氮。此實施例中的丙烷用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.1倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣的表面呈現(xiàn)為光亮和氧化層的混合物。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)轉化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。冷卻區(qū)中存在約15ppm的氧導致試樣的部分氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器將與約2.1倍化學計量量的丙烷預混的用非低溫法制得的氮送入連續(xù)式熱處理爐中，用于鋼在950℃的氧化退火或光亮退火不是合乎要求的方法。
實施例4-26重復實施例4-25中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，但是丙烷用量由0.32%改為0.55%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的3.7倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有光亮的表面品質(zhì)。試樣的表面看來略帶草黃色，使得它們勉強合格。如表4所示，進料氮中的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)轉化成二氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)的高pCO/pCO2比(＞2.4)和pH2/pH2O比(＞1.6)導致試樣表面的還原。但是，冷卻區(qū)內(nèi)約12ppm氧的存在使得試樣表面略帶草黃色。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器將用非低溫法制得的含0.75%氧的氮氣通入950℃的加熱區(qū)中，形成勉強合格的光亮試樣。
實施例4-27重復實施例4-25中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，但是丙烷用量由0.32%改為0.63%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的4.2倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有光亮的表面品質(zhì)。此試樣的表面看起來略有草黃色，使得它們勉強合格。傳送帶和爐膛有積炭跡象，表明使用這樣高的丙烷用量不合乎要求。
此實施例表明，經(jīng)由一個改良的多孔擴散器將含有0.75%氧的用非低溫法制得的氮與0.63%的丙烷一起送入950℃的加熱區(qū)中，用于試樣的光亮退火是不理想的。
實施例4-28重復實施例4-1中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，但是溫度由1100℃改為900℃，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的2.0倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有光亮和氧化相混合的表面。如表4所示，進料氮氣中存在的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)轉化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。冷卻區(qū)內(nèi)約18ppm氧的存在導致試樣的部分氧化(見表4)。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器將與約2.0倍化學計量量丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入連續(xù)式加熱爐中，用于鋼在900℃的氧化退火或光亮退火不是合乎要求的方法。
實施例4-29重復實施例4-28中所述的碳鋼退火實驗，采用相同的爐子、溫度、試樣、進氣流速和組成、進氣裝置類型和位置以及退火步驟，但是丙烷用量由0.20%改為0.28%，如表4所示。此實施例中的丙烷用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量的2.8倍。
根據(jù)這一步驟熱處理的鋼樣具有光亮和氧化相混合的表面。如表4所示，進料氮氣中的殘余氧在加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)轉化成一氧化碳和水汽的混合物。加熱區(qū)和冷卻區(qū)內(nèi)10ppm以上氧的存在導致試樣部分氧化(見表4)。另外，在傳送帶上可見到一些積炭，說明在900℃的爐內(nèi)使用等于或多于0.28%的丙烷是不合要求的。
因此，經(jīng)由一個位于加熱區(qū)內(nèi)的改良的多孔擴散器將與2.8倍化學計量量丙烷預混的用非低溫法制得的氮引入到連續(xù)式熱處理爐中，用于鋼在950℃氧化退火或光亮退火不是合乎要求的方法。
討論實施例4-1到4-6表明，用非低溫法制得的氮可以用于鋼在1100℃溫度的光亮退火，只要使用為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量1.5倍的丙烷，并且使用改良的擴散器向爐子的加熱區(qū)引入氣體進料混合物。由于丙烷的反應活性比天然氣高(丙烷的自燃溫度為468℃、天然氣為556℃)，為使鋼光亮退火所需的丙烷的量比天然氣少得多。實施例4-7到4-24表明，用非低溫法制得的氮可以用于鋼在1050℃、1000℃和950℃光亮退火，只要分別使用為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量1.7、1.9和3.2倍的丙烷。以上的實施例表明，鋼的光亮退火所需丙烷的絕對量隨進料氮氣中的殘余氧含量的增加而增加。另外，鋼的光亮退火所需的丙烷的絕對量隨熱處理溫度的增高而減少。
以上實施例表明，用非低溫法制得的氮可以用于在1100、1050、1000和950℃進行鋼的氧化退火，只要加到進料氮氣中的丙烷的量分別少于為將進料氮氣中存在的殘余氧轉化成二氧化碳和水汽混合物所需化學計量量的1.5、1.7、1.9和3.2倍。利用非低溫法制得的氮和丙烷的混合物對低碳鋼進行氧化退火和光亮、無氧化物退火的操作范圍示于圖9。
使用以非低溫法制得的氮和天然氣的混合物進行了青銅對碳鋼的釬焊實驗。下面詳細討論這些實驗的結果。
表5實例 5-1 實例 5-2 實例 5-3熱處理溫度℃ 1,000 1,000 1,000進氣流速SCMH×0.0283 350 350 350進氣位置 加熱區(qū) 加熱區(qū) 加熱區(qū)(位置76) (位置76) (位置76)進氣裝置類型 改良的多孔擴 改良的多孔擴 改良的多孔擴進料氣組成 散器(圖3C) 散器(圖3C) 散器(圖3C)氮% 99.70 99.70 99.60氧% 0.30 0.30 0.40天然氣*(甲烷)% 2.00 2.00 2.50加熱區(qū)氣氛組成氧ppm <3 <3 <3一氧化碳% 0.50 0.50 0.70二氧化碳% 0.00 0.00 0.01氫% 2.00 2.00 2.50甲烷% 0.70 0.73 0.80露點℃ -57.7 -57.5 -57.3冷卻區(qū)氣氛組成氧ppm <9 <9 ～10一氧化碳% 0.45 0.50 0.55二氧化碳% 0.00 0.00 0.01氫% 2.00 2.00 2.50甲烷% 0.70 0.75 0.94露點℃ -38.4 -37.9 -36.7釬焊的試樣品質(zhì) 良好 良好 良好＊天然氣與氮混合，按非低溫法制得的氮總量的百分數(shù)加入。
實施例5-1按照實施例2-17A中所述的熱處理步驟，使用相同的爐子、進料氣流速和組成、溫度、進氣裝置類型和位置，用銅預制件進行青銅對碳鋼的釬焊。如表5所示，在此實施例中使用的用非低溫法制得的氮含有99.70%氮和0.30%殘余氧。天然氣的加入量為2.0%。它約等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的13.3倍。
在此實施例中將碳鋼與青銅部件成功地釬焊在一起，釬焊料流動良好。壓力交變吸附法(PSA)氮氣-天然氣氣氛提供了最佳的釬焊鋪展和角焊縫形成。另外，在釬焊接頭處看不到有空隙形成。最后，釬焊的碳鋼和青銅部件具有光亮、無氧化物的表面層。
此實施例表明，可以用與烴類氣體預混的用非低溫法制得的氮進行青銅與碳鋼的釬焊。
實施例5-2重復實施例5-1中所述的釬焊實驗，使用相同的爐子、進氣流速和組成、溫度、進氣裝置類型和位置，結果如表5所示。
此實施例中將碳鋼與青銅部件成功地釬焊到一起，釬焊料流動良好。PSA氮氣-天然氣氣氛提供了最佳的釬焊鋪展和角焊縫形成。另外，釬焊接頭處看不到有空隙形成。最后，釬焊的碳鋼和青銅部件具有光亮、無氧化物的表面層。
此實施例再一次表明，可以用與烴類氣體預混的用非低溫法制得的氮進行青銅與碳鋼的釬焊。
實施例5-3重復實施例5-1中所述的釬焊實驗，采用相同的爐子、進氣流速、溫度、進氣裝置類型和位置，但是使用含99.60%氮和0.40%氧的用非低溫法制得的氮并加有2.5%天然氣，如表5所示。天然氣的用量等于為將殘余氧轉化成二氧化碳和水汽的混合物所需化學計量量的12.5倍。
在此實施例中將碳鋼和青銅部件成功地釬焊到一起，釬焊料流動良好。PSA氮氣-天然氣氣氛提供了最佳的釬焊鋪展和角焊縫形成。另外，釬焊接頭處看不到有空隙形成。最后，釬焊的碳鋼和青銅部件具有光亮、無氧化物的表面層。
此實施例表明，可以用與烴類氣體預混的用非低溫法制得的氮進行青銅與碳鋼的釬焊。
如上說明了申請人的發(fā)明之后，在所附的權利要求中陳述了希望由專利證書保護的內(nèi)容。
權利要求
1.一種就地產(chǎn)生爐內(nèi)氣氛的方法，該氣氛適用于進行金屬釬焊、玻璃對金屬的封接、金屬和陶瓷粉末的燒結、或是有色金屬和合金的退火加工，該方法包括以下步驟將爐子加熱到700℃以上；向爐子的高溫區(qū)注入含有最高達5%(體積)氧的氮氣及與之混合的烴類氣體，該烴類氣體以為將氧完全轉化成水汽和二氧化碳的混合物所需化學計量量的約1.5倍以上的流速注入，氣體的注入方式使得在該混合氣接觸進行指定處理的部件之前，氧和烴類氣體已實質(zhì)上反應完全；將所述部件在所述溫度及氣氛下暴露足以完成該過程的一段時間。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中殘余氧是轉化成水汽和一氧化碳的混合物。
3.根據(jù)權利要求1的方法，其中殘余氧是轉化成二氧化碳、水汽、一氧化碳或它們的混合物。
4.根據(jù)權利要求1的方法，其中氮是用非低溫法產(chǎn)生的。
5.根據(jù)權利要求4的方法，其中用非低溫法產(chǎn)生的氮含有最高達5.0%(體積)的氧。
6.根據(jù)權利要求4的方法，其中用非低溫法產(chǎn)生的氮含有最高達1.0%(體積)的氧。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其中爐子是加熱區(qū)和冷卻區(qū)構成整體的連續(xù)式爐。
8.根據(jù)權利要求1的方法，其中爐子是帶有加熱區(qū)和驟冷區(qū)的連續(xù)式爐。
9.根據(jù)權利要求1的方法，其中烴類氣體選自烷烴，包括甲烷、乙烷、丙烷和丁烷;烯烴，包括乙烯、丙烯和丁烯;醇，包括甲醇、乙醇和丙醇;醚，包括二甲醚、乙醚和甲基乙基醚;和商品原料氣，包括天然氣、石油氣、炊事用氣、焦爐氣、城市煤氣、放熱性氣體和吸熱性氣體。
10.根據(jù)權利要求9的方法，其中烴是天然氣或甲烷，以多于為將殘余氧轉化成水汽和二氧化碳的混合物所需化學計量量5.0倍至約40.0倍以上的量注入。
11.根據(jù)權利要求9的方法，其中烴是丙烷，以多于為將殘余氧轉化成水汽和二氧化碳的混合物所需化學計量量1.5倍至3.2倍以上的量注入。
12.根據(jù)權利要求1的方法，其中爐子是加熱到700℃和1250℃之間的溫度。
全文摘要
由含殘余氧達5％用非低溫法制得的氮在連續(xù)式爐內(nèi)就地產(chǎn)生廉價氣氛的方法，該氣氛適于黑色和有色金屬及合金退火和熱處理、金屬釬焊、玻璃與金屬封接和金屬與陶瓷粉的燒結。是將含有殘余氧的氮氣和預定量的烴類氣體混合，將混合氣經(jīng)由非常規(guī)裝置送入連續(xù)熱處理爐的高溫區(qū)，殘余的氧轉化成可接受的形式，如水汽和二氧化碳混合物，水汽、氫、一氧化碳和二氧化碳混合物，或一氧化碳、水汽和氫混合物，將這樣的混合氣用于上列用途中。
文檔編號B22F3/00GK1112961SQ9510298
公開日1995年12月6日 申請日期1995年3月27日 優(yōu)先權日1991年11月5日
發(fā)明者B·B·邦納, D·加格, D·P·艾塞爾保格, D·J·包 申請人:氣體產(chǎn)品與化學公司