[科普中國]-碳勢

碳勢與水勢、電勢一樣，勢差決定了物質(zhì)流動的趨勢。碳勢差決定了碳擴(kuò)散的方向。當(dāng)自由擴(kuò)散時，碳總是從碳勢高的地方向碳勢低的地方擴(kuò)散。

簡介碳勢又稱碳位或碳的化學(xué)位。它是決定碳傳遞方向和限度的強(qiáng)度因素。碳勢反映了碳從一個相轉(zhuǎn)移到另外一個相的能力。

多相平衡時，每一種物質(zhì)在互相平衡的各相中的化學(xué)位相等。根據(jù)這一原理，當(dāng)鋼在某種爐氣中加熱到平衡時，爐氣的碳勢（化學(xué)位μCG）應(yīng)與鋼碳勢（化學(xué)位μCA）相等。因此，在恒溫條件下，與一定成分的爐氣相平衡的奧氏體的含碳量，表示了該狀態(tài)下爐氣的碳勢。

爐氣碳勢可采用一簡單方法測量：將厚度小于0.1 mm的低碳鋼箔置于滲碳爐中，經(jīng)過穿透滲碳后測定其含碳量，即代表爐氣的“碳勢”。

爐氣的碳勢是爐氣滲碳能力的表征，與爐氣成分及溫度有關(guān)，它的高低反映了爐氣滲碳能力的強(qiáng)弱。爐氣碳勢控制是氣體滲碳的關(guān)鍵控制參數(shù)，碳勢控制精度決定了工件表面含碳量的精度。碳勢受很多因素的影響，諸如CO2、H2O、O2、CH4、CO、H2分壓、爐溫、爐內(nèi)總壓力、加熱爐的類型、原料氣的種類等。1

碳勢控制原理傳統(tǒng)的滲碳爐控制系統(tǒng)均比較簡單，主要有控制溫度和碳勢兩個參數(shù)。滲碳過程往往不在控制之列，而且，溫度控制大都采用模擬儀表控制，控溫精度較低，一般為±5～±10℃。碳勢控制一般采用手動控制，比如通過控制煤油滴數(shù)，進(jìn)而定性控制碳勢。顯然，在這種控制系統(tǒng)下進(jìn)行滲碳，氣氛成分波動很大，滲碳質(zhì)量很難得到保證，采用上述方法控制碳勢效果欠佳。

（1）滲碳控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由計算機(jī)控制的滲碳系統(tǒng)可以分為輸入系統(tǒng)、計算機(jī)系統(tǒng)和輸出控制系統(tǒng)。

①輸入系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以完成溫度信號和碳勢信號的采集并放大。溫度信號由熱電偶采集，碳勢信號則由電阻探頭采集，它們在進(jìn)入通道放大器后，均轉(zhuǎn)化為電壓信號。

②計算機(jī)系統(tǒng)。由通道放大器輸出的溫度信號和碳勢信號，先經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，然后進(jìn)入計算機(jī)。計算機(jī)通過執(zhí)行采樣模塊、顯示模塊及打印模塊，可以經(jīng)數(shù)碼管顯示裝置和打印機(jī)實(shí)時地顯示和打印工藝參數(shù)，如溫度、碳勢、時間等。計算機(jī)運(yùn)行控制模塊后，可以分別計算出溫度和碳勢控制量，并經(jīng)PIO口輸出控制量。

③輸出控制系統(tǒng)。計算機(jī)輸出信號首先進(jìn)入光電隔離電路，然后才分別輸送至有關(guān)的控制系統(tǒng)。輸出控制系統(tǒng)包括報警與指示系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和碳勢控制系統(tǒng)。

報警系統(tǒng)可以完成滲碳爐的超溫報警、碳勢超限報警、工藝到時報警、熱電偶斷偶報警以及電阻探頭斷絲報警等。報警以燈光和聲音同時顯現(xiàn)。報警類別不同，燈光閃爍情況將不同，聲音類別亦不同。用戶可以根據(jù)聲光報警的情況，方便地判斷報警原因，并及時地予以處理。指示系統(tǒng)主要用來指示滲碳爐工作狀態(tài)。該系統(tǒng)可以設(shè)置指示燈，以分別指示爐子通電情況、步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)、電磁閥的開啟以及柱塞泵的行程等狀態(tài)。溫度控制系統(tǒng)和碳勢控制系統(tǒng)，則分別用來完成爐溫和爐氣碳勢的控制。在輸出控制系統(tǒng)中，這兩部分是關(guān)鍵。

（2）溫度控制系統(tǒng)

當(dāng)計算機(jī)發(fā)出高電平或一定電壓信號時，輸出信號，觸發(fā)可控硅使其導(dǎo)通，爐子通電。固態(tài)繼電器輸入回路接通，固態(tài)繼電器便有反之，當(dāng)計算機(jī)發(fā)出低電平或0V電壓信號時，固態(tài)繼電器輸入回路不通，無電流，則亦無輸出，可控硅不導(dǎo)通，爐子斷電?？梢姡?jīng)過該觸發(fā)電路，計算機(jī)便可以根據(jù)爐溫情況，控制爐子通電情況，進(jìn)而精確控制爐溫。

在溫控電路中，主要元件為固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器是由集成元件組裝成的無觸點(diǎn)開關(guān)。固態(tài)繼電器內(nèi)部電路復(fù)雜，由于其具有很高的集成度及隔離措施，因此具有很強(qiáng)的抗干擾能力。使用性能穩(wěn)定。所以，采用固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)可控硅過零觸發(fā)，觸發(fā)效果很好，控溫精度可達(dá)±1℃。另外，該觸發(fā)電路還具有原理簡單、接線容易等特點(diǎn)。

（3）碳勢控制系統(tǒng)

現(xiàn)以甲醇、煤油和水作為滲碳介質(zhì)舉例說明滲碳系統(tǒng)工作過程。上述滲碳介質(zhì)中甲醇為載體氣，煤油為富化氣，水為稀釋劑。滲碳時，甲醇以一定速度滴入爐內(nèi)，其滴量是固定的。爐氣碳勢便通過調(diào)節(jié)煤油滴量而控制。煤油由柱塞泵打入爐內(nèi)，煤油滴量由柱塞泵行程控制，而柱塞泵的行程又是由步進(jìn)電機(jī)控制的。步進(jìn)電機(jī)可以正轉(zhuǎn)，也可以反轉(zhuǎn)，即可以按照要求增大或減小柱塞泵的行程。這種方法，可以實(shí)現(xiàn)煤油的連續(xù)滴入，是連續(xù)式控制的方法。若爐氣碳勢超限，可打開供水閥，使水滴入爐內(nèi)，以迅速降低爐內(nèi)碳勢。從這個工作過程可以看出，碳勢控制系統(tǒng)應(yīng)該包含甲醇閥控制電路、供水閥控制電路、柱塞泵啟動電路及其步進(jìn)電機(jī)控制電路。1

碳勢控制可將爐內(nèi)氣氛氣體的碳勢定義為：在特定溫度下與鋼的碳含量平衡的氣氛氣體的碳含量。例如，要在1121℃下燒結(jié)由鐵一石墨混合粉壓制的壓坯和制成的燒結(jié)鋼的碳含量為0.8%，則爐內(nèi)氣氛氣體的碳勢于燒結(jié)溫度1121℃下必須為0.8%C。

傳統(tǒng)的碳勢控制，原則上都是采用控制水蒸氣含量（露點(diǎn)）或CO2含量或氧含量的方法。

控制的原理可用下列平衡反應(yīng)來說明：

2CO═C+CO2

上式的平衡常數(shù)K為：K=αCPCO2/P2CO

式中αC是碳的活度，PCO2和PCO分別為CO2與CO的分壓，該式變形可得出下式：

αC=K/P2CO/PCO2

αC的值與碳勢有關(guān)。式中的K只取決于溫度，而PCO基本上保持為常數(shù)，因此，碳勢可通過改變CO2而得到控制。所以，控制氣氛氣體的CO2含量可作為控制碳勢的一種方法。

通過控制水蒸氣壓力控制碳勢的原理，可用上式來說明。在平衡狀態(tài)下，H2O的分壓與CO2的分壓有關(guān)。2

碳勢圖通常使用碳作為還原劑來判斷各種金屬氧化物的還原難易程度。碳與金屬氧化物MxOy的反應(yīng)式如下：

C + 1/yMxOy—→x/yM + CO △Gθ=A+BT

在高溫條件下，CO為氣體，碳為固態(tài)，而MxOy和M則有可能發(fā)生相變（如金屬鋁的熔點(diǎn)僅為933K）。利用熱力學(xué)數(shù)據(jù)可計算出碳還原各種金屬氧化物的標(biāo)準(zhǔn)吉布斯自由能變化與溫度的關(guān)系，即碳勢圖（見下圖）。3

影響因素影響鋼脫碳的因素有鋼料的化學(xué)成分，加熱溫度，保溫時間和煤氣成分等。

1.鋼料的化學(xué)成分對脫碳的影響

鋼料的化學(xué)成分對脫碳有很大影響。鋼中含碳量愈高脫碳傾向愈大W、Al、Si、Co等元素都使鋼脫碳傾向增加；而 Cr、Mn等元素能阻止鋼脫碳。

2.加熱溫度的影響

隨著加熱溫度的提高，脫碳層的深度不斷增加。一般低于1000℃時，鋼表面的氧化皮阻礙碳的擴(kuò)散，脫碳比氧化慢，但隨著溫度升高，一方面氧化皮形成速度增加；另一方面氧化皮下碳的擴(kuò)散速度也加快，此時氧化皮失去保護(hù)能力，達(dá)到某一溫度后脫碳反而比氧化快。

3.保溫時間和加熱次數(shù)的影響

加熱時間越長，加熱火次愈多，脫碳層愈深，但脫碳層并不與時間成正比增加。例如高速鋼的脫碳層在1000℃加熱0.5h，深度達(dá)0.4mm；加熱4h達(dá)1.0mm；加熱12h后達(dá)1.2mm。

4.爐內(nèi)氣氛對脫碳的影響

在加熱過程中，由于燃料成分，燃燒條件及溫度不同，使燃燒產(chǎn)物中含有不同的氣體，因而構(gòu)成不同的爐內(nèi)氣氛，有氧化性的也有還原性的。他們對鋼的作用是不同的。氧化性氣氛引起鋼的氧化與脫碳，其中脫碳能力最強(qiáng)的介質(zhì)是H2O（汽），其次是CO2與O2，最后是H2；而有些氣氛則使鋼增碳，如 CO和 CH4。爐內(nèi)空氣過剩系數(shù)α大小對脫碳也有重要的影響：當(dāng)α過小時、燃燒產(chǎn)物中出現(xiàn)H2，在潮濕的氫氣內(nèi)的脫碳速度隨著含水量的增加而增大。因此，在煤氣無氧化加熱爐中加熱，當(dāng)爐氣中含H2O較多時，也要引起脫碳；當(dāng)α過大時，由于形成的氧化皮多，阻礙著碳的擴(kuò)散，故可減小脫碳層的深度。在中性介質(zhì)中加熱時，可使脫碳最少。3

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

胡建平 - 副教授 - 西北工業(yè)大學(xué)