[发明专利]一种吸热式生成一氧化碳和氢气氛的方法

说明书

本发明涉及制造热处理气氛的方法和装置，更具体地说，本发明涉及产生用于对金属、合金以及金属和陶瓷粉进行热处理的气氛的方法及装置。

金属在炉内的热处理需要惰性气氛，通常是氮。氮中要加入还原性气体，例如一氧化碳和氢，以便提供与氧向炉内渗漏相对抗的缓冲物。

进行铁类及非铁金属和合金的热处理、金属的钎焊及金属和陶瓷粉的烧结所需的气氛组合物是工艺上众所周知的。

虽然在热处理温度下氮对于大多数金属和合金基本上是惰性的，但实际上常常必须向气氛组合物中加入诸如一氧化碳和氢(CO和H₂)等还原性成分，以便提供与氧向炉内渗漏相对抗的缓中物。

渗漏到炉内的氧与存在的CO和H₂迅速反应，形成二氧化碳和水(CO₂和H₂O)，而且只要CO/CO₂及H₂/H₂O比处在所要求的范围内，各种热处理过程均可顺利地进行。实际要形成的CO/CO₂及H₂/H₂O比值与所涉及的具体过程(例如钢的不脱碳退火、光亮退火、脱碳退火和受控氧化退火等)有很大关系，这在工艺上是众所周知的。例如，对于钢的光亮退火，图1示出了铁在CO/CO₂及H₂/H₂O混合物中的氧化曲线图。在800℃和CO/CO₂＞1.4、H₂/H₂O＞1.8的气氛下钢不会氧化(点B)；实际上最好是使用CO/CO₂＝5、H₂/H₂O＝6的气氛(图1中的点A)，因为它具有充分的对抗O₂渗漏的缓冲能力。    

制造这类缓冲气氛的已知方法主要有两类。第一类是由吸热型发生器、放热型发生器、氨离解器产生的气氛。这些气氛价格低廉，但是要用到庞大的设备，维修频繁，而且这种气氛常常缺乏恒定性。第二类是由低温氮与氢或甲醇混合制得的气氛。这种气氛的质量高，可控性好，但是很贵。

已知有几种工业上已实施或已提出的为上述应用提供热处理气氛的技术。一种技术采用放热型发生器，在一种具有一或两个燃烧器的耐火材料衬里或直接水冷的燃烧室中产生气氛，由控制比例的泵送设备向燃烧器中送入天然气和空气的混合物。发生器装有一个冷却器，燃烧产物通过冷却器除掉反应中产生的一部分水，然后排放掉。通常用于铁类金属退火的有两类放热型发生器，高比例放热型发生器中空气与燃料之比一般为6左右；燃烧气在冷却和除掉大部分水以后通常含5％CO₂、11％CO、14％H₂和69％N₂。虽然这种气体产生的气氛具有低的CO/CO₂比，而且是脱碳性的，但这种气氛也适合铁类物质的无氧化退火。另一类是纯化的放热型发生器，在该发生器中燃烧气被压缩，利用在分子筛床上的变压吸附法除掉CO₂和H₂O。该气氛适合于铁类物质的不脱碳及无氧化退火。

另一种已知技术使用用氮或放热型气体稀释的吸热型发生器。在吸热型发生器中，空气与天然气之比通常接近完全燃烧时的25％。反应在催化剂床(通常为Ni/高铝砖)上进行，必须供应外热以维持反应。吸热型发生器产生的气体组合物中含约20％H₂、40％CO、其余为N₂。为了用于退火，此气体在炉内用N₂气烯释。N₂气可以来自低温氮源，或是用膜法或变压吸附法(PSA)得到的不纯的N₂。或者，可以用来自放热型发生器的放热型气体将吸热型气体稀释。

还有另一种技术采用氮/甲醇体系，其中将甲醇直接引入到炉内，它在炉温下离解成H₂和CO。每加仑甲醇大约产生75立方英尺CO和150立方英尺H₂。还注入N₂以得到所需要的退火气氛。N₂可以来自低温氮源或是来自膜法或PSA法的不纯的N₂。