渗碳气体反应

在气相渗碳法中，利用富含烃气的低碳承载气体来提高和控制气氛的碳有效率，例如丙烷或甲烷（天然气体）。载体气体通常是吸热型气体，这类气体是由烃类和空气组成的低当量混合气，在催化剂作用以及温度逐渐升高的环境中产生。吸热型气体的生产一般都是在外部气体发生器中进行的。或者，将氮－甲醇混合物注入熔炉，也可产生合成吸热型气体。根据使用的烃类类型和混合比率，载体气体的典型化学组成是：
 

CO 15-25%，H2 35-45%，其余的是 N2，

外加少量的 CO2、H20、CH4

CO 和 CH4 是渗碳的，H2、H2O 和 CO2 是

脱碳的。为了控制气氛的碳有效率
－碳势，用来浓缩载体气体的气态烃
，根据反应减少 H2O（露点）：

CH4 + H2O CO + 3 H2   . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (2)

并根据反应减少 CO2：

CH4 + CO2 2 CO + 2 H2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (3)

并允许发生下列渗碳反应：

CH4 CFe + 2 H2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (4)

除了反应 (4) 之外，另一个 CO 中主要的渗碳反应－
 
CO2 – H2 – H2O – CH4 气氛是：

CO + H2 CFe + H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (5)

2 CO CFe +CO2  .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (6)

（在所述的气体反应中，CFe 是来自气氛的有效碳，用于扩散到钢表面）
 
反应 (5) 和反应 (6) 是碳转移到钢表面的基本方法的总平衡反应。假设渗碳是气氛中存在 CO 成分的直接后果。但是，氧探头无法测量 CO 百分比。因此碳势控制器中必须以工艺要素或 CO 因子的形式（参见下文）采用固定值。而且，熔炉中几个小时之内都不存在平衡状态－实际 CO 百分比将会比预期值低很多。
 
已经证明，反应 (5) 比反应 (4) 和反应 (6) 快 10 到 100 倍，因此是速度决定的。
 
在大部分系统中，气态烃的附加物可用于碳势的控制，例如甲烷。如果所有甲烷都被反应 (2) 和反应 (3)“裂解”，则气氛将保持平衡，并且预期的碳势将是顺向的。令人遗憾的是，这些反应都以非常慢的速度发生，只能接近催化表面，而无法达到平衡。
 
在自由甲烷水平较高的气氛中，
按照反应 (4) 会发生一些渗碳，但是未反应甲烷水平的提高将导致 CO 浓度稀释。由于碳计算中没有计量和包含自由甲烷的作用，因此无法得知气氛的真实势能。

使用氧探头的碳势计算

气体的平衡组成由“水－气”反应决定：

H2 + CO2 CO + H2O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (7)

混合反应 (5) 和 (7)：

2 CO CFe +CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .(6)

通过对上述反应使用热化学平衡常数，可以计算气氛的碳活度：

ac = p CO2 K6  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (8)

        p  CO2

由于 K6 仅随温度而变化，可知碳活度可由 CO 和 CO2 计算得到，并且由于 CO 相对固定，因此只能使用 CO2。

我们已经知道，氧探头利用下列反应得到的 CO 和 CO2 来测量平衡状态中的少量氧。

2 CO + O2 2 CO2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (9)

混合反应 (6) 和 (9)，并使用平衡常数计算碳活度，

ac = p CO K10  . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (10)

        p O2  0.5

因此氧探头可用来确定气氛的碳活度，碳势可由碳活度 (ac)、温度和钢成份 (q) 的函数表示。

因此：

Cp = f (T, V, CO, q) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (11)

其中

Cp 是碳势 (%)                 T 是温度 (K)    

V 是探头电压 (v)             CO 是一氧化碳 (%)

q 是合金钢因数

更稳定的碳化物，即 Cr、Mo，但强度小于前面的 Ni、Si ，有效碳势减少。

用来确定气氛碳势所必需的复杂数学计算已被嵌入大部分控制器内。探头电压 (mV) 和温度直接被输入到仪器，同时将 CO 和合金因数结合成一个常数，用于给定的称之为“工艺因数”（PROCESS FACTOR，RF）或 CO 因数的负荷状态，这里：

29 (PF) + 400 = 945.7 q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . (12)

利用上面的等式可以计算，对于普通碳钢 (q=1) 来说，由甲烷生成吸热型气体 (CO = 20)，则工艺因数将为 147。但是，实践经验已经证明，在这个条件下工艺因数会根据炉况在 150 到 250 之间变化。由于
已经证明 20 个小时之后，钢表面仍无法在气体气氛中与达到平衡，因此在确定工艺因数时，一个重要的因素是循环时间。如果碳势控制在 0.8%，则钢表面在 4 个小时之后只能达到 0.7%。

对于不平衡气氛或在循环期间 CO 为常数时，可以通过辅助输入，从红外分析器输入 CO 值。

对于绝对碳控制准确度来说，可以根据由 3 种气体（CO、CO2、CH4）的 ULTRACARB 1000 红外系统计算得到的碳势连续更新工艺因数。该系统给出了 3 气体碳计算的绝对精度，以及氧探头控制的响应速度。