为了在不同气氛下运行，炉子通过一个称为吹扫的过程，系统地置换环境空气。这涉及到使用专用的气体入口向密封加热室注入特定的气体或混合气体，将原有空气通过出口或排气口排出。目的是创建一个受控环境，使其不含空气中的活性元素，主要是氧气和水蒸气。
核心挑战不仅仅是向炉室中填充新气体，而是确保这种新气氛足够纯净，以防止在高温下与工件发生不必要的化学反应。有效的空气置换是实现所需材料性能的关键过程控制变量。
气氛控制为何至关重要
在室温下，空气相对无害。然而，在炉内发现的高温下，空气中的氧气和水分会变得高度活跃，从根本上改变正在加工的材料。
防止氧化和污染
置换室内空气最常见的原因是防止氧化。当受热时，大多数金属会很容易与氧气反应，在其表面形成一层氧化物（水垢或锈蚀）。这会破坏表面光洁度，改变尺寸，并损害材料的结构完整性。
促进特定的表面反应
反之，有些工艺需要特定且高度受控的反应气氛。例如，在渗碳中，引入富碳气体以将碳扩散到钢的表面，从而使其硬化。置换空气是引入这种精确气体混合物的第一步。
确保材料纯度
对于用于电子或医疗应用中的敏感材料，即使是微量的污染也可能有害。使用高纯度惰性气体进行吹扫可确保在加热周期中不会将任何意外元素引入材料中。
空气置换的机制
吹扫过程是一种有意的工程控制，旨在确保炉膛内彻底且安全的气体交换。
气流路径：入口和出口
设计用于气氛控制的炉子至少有一个气体入口和一个出口。吹扫气体通过入口引入，并控制其流量以系统地“推”出炉室中较轻的空气，通常通过上部排气口或出口。
保持正压
在运行期间，通常会保持连续的、小流量的所需气体。这会在炉内产生轻微的正压，确保如果门密封存在任何微小泄漏，工艺气体将向外流出，而不是允许室内空气进入。
吹扫体积和循环
一次快速的吹扫通常不足以达到效果。一个常见的经验法则是用相当于炉室体积三到五倍的气体进行吹扫。这确保了被困的空气囊被完全置换，并且气氛达到所需的纯度水平。
常见的炉气氛及其用途
气体的选择完全取决于工艺目标。参考文献中提到的气体分为两大类。
惰性气氛：防止所有反应
像氩气 (Ar) 和氮气 (N2) 这样的气体是化学惰性的。当目标只是在不与周围环境发生反应的情况下加热材料时，就会使用它们。氮气对许多应用来说是一种经济实惠的选择，而氩气则用于反应性更强的金属（如钛），因为氮气可能会形成氮化物。
反应性气氛：强制反应
反应性气氛用于有意地改变工件。例如，氢气 (H2) 混合物是一种还原剂，可用于去除金属表面的氧化物。如前所述，碳基气体用于渗碳，而受控量的氧气 (O2) 可用于特定的氧化过程。
了解权衡和安全问题
虽然至关重要，但创建受控气氛会带来复杂性、成本和必须管理的重要安全风险。
气体成本和纯度
高纯度气体，尤其是氩气，可能很昂贵。气体成本以及有效吹扫所需的体积可能是一项重要的运营开支。使用较低纯度的气体来节省资金可能会因引入污染物而损害整个工艺。
易燃性和爆炸风险
氢气具有高度易燃性，与空气混合时可能发生爆炸。使用氢气的炉子必须具有强大的安全联锁装置。这包括在引入氢气之前，先用惰性气体（如氮气）进行初始吹扫，以去除所有氧气。
窒息危险
氮气和氩气等惰性气体是无声的威胁。它们不仅置换炉中的氧气，而且在发生重大泄漏时也会置换周围房间中的氧气。这会给人员造成严重的窒息危险，需要工作场所适当通风和氧气监测。
为您的目标做出正确的选择
选择正确的气氛取决于您的材料和您想要的结果。使用上述原则指导您的决策。
- 如果您的主要重点是在退火过程中防止钢材表面结垢： 使用像氮气这样经济实惠的惰性气氛来置换氧气。
- 如果您的主要重点是钎焊钛等活性金属： 使用像氩气这样的高纯度惰性气体，以防止氧化物和氮化物的形成。
- 如果您的主要重点是钢部件的表面硬化： 在首先用惰性气体吹扫所有空气后，使用反应性渗碳气氛。
- 如果您的主要重点是从铜部件中清除氧化物： 使用含有氢气的还原气氛，确保严格遵守所有易燃性安全协议。
掌握气氛控制将炉子从一个简单的加热器转变为一个用于材料工程的精密仪器。
总结表：
| 方面 | 关键细节 |
|---|---|
| 目的 | 置换空气以防止氧化，促进反应，确保材料纯度 |
| 过程 | 通过入口/出口用气体吹扫，保持正压，3-5倍炉膛体积循环 |
| 常见气氛 | 惰性（例如，氮气、氩气）用于预防；反应性（例如，氢气、碳气体）用于特定反应 |
| 安全隐患 | 易燃风险（例如，氢气），惰性气体造成的窒息危险，气体成本和纯度之间的权衡 |
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