可控气氛是指成分控制在预定范围内的炉中气体混合物。采用可控气氛的目的是有效地进行渗碳、碳氮共渗等化学热处理以及防止钢件加热时的氧化脱碳。近年来，保护气氛热处理在大批量生产的热处理车间得到了广泛应用。

可控气氛根据气氛的种类分为以下几种：

1.吸热式气氛

吸热式气氛是在吸热型发生器内通过不完全燃烧反应形成的气体。原料气与空气按氧碳原子比为1∶1混合后经鼓风机加压送入发生炉的反应罐内，加热到950～1050℃，在催化剂的的作用下进行化学反应。这样的气氛在制备时，通过反应发生炉时要吸收大量的热，故称为吸热式气氛。气氛的成分中含有CO（体积分数为20%～40%）、H₂（体积分数为30%～40%）、N₂（体积分数为38%～45%）及微量的H₂O、CO₂、CH₄等气体。因为CO、H₂、N₂的含量基本稳定，所以可通过H₂O（露点）或CO₂含量的调节来控制气氛的碳势。

吸热式气氛发生装置如图6-8所示。发生炉的热源可以采用电能、气体或液体燃料。发生炉的功率和结构与产气量有关。发生炉的炉温与催化剂的种类有关，一般为1000～1050℃。使用催化剂可以使碳氢化合物接近完全裂解，制取吸热式气氛时一般使用CN—1、CN—2、CN—8型和其他种类的镍基催化剂。催化剂在使用过程中会逐渐沉积炭黑，使活性降低。为防止沉积炭黑和确保完全反应，应不断稍许提高反应温度，在发生炉每使用一定时间（通常是一周）后，在800～850℃向反应炉内通入原料气和空气混合气，在900～950℃加热，使NiO还原为金属镍，恢复其催化性能。

图6-8 吸热式气氛发生装置

1—空气过滤器 2—空气流量计 3—混合器 4—零压阀 5—原料气过滤器 6—电磁阀 7—减压阀 8—压力计 9—原料气流量计 10—U形压差计 11—二次空气电动阀 12—罗茨鼓风机 13—循环阀 14—放散阀 15—单向阀 16—防回火截止阀 17—防爆头 18—反应罐 19—冷却器 20—三通阀 21—引燃嘴

20世纪80年代中期，炉内设置吸热式气氛发生装置问世，主要由发生炉、气体调节柜和安全保护装置三部分组成。这主要应归功于新型催化剂的研制，使产气量更大，而产气温度降至800～950℃，与热处理工艺温度相适应，从而使发生器小型化，并可与热处理炉联成一体。其产气消耗的热量仅为传统发生炉的1/5，能够显著节约能源。图6-9为炉内设置式发生器示意图。图6-10是炉内设置吸热式气氛发生器在可控气氛多用炉上的应用示意图。

吸热式可控气氛在热处理中主要用于各种碳素钢的光亮热处理（正火、淬火、退火），用作渗碳、碳氮共渗的载体气，但不宜用作含铬量高的加热保护气体。其在温度低于750℃时与空气混合有爆炸的危险，因而不能用于回火。

图6-9 炉内设置式发生器示意图

图6-10 炉内设置吸热式气氛发生器

在密封箱式炉上的应用示意图

1—混合气体 2—反应罐 3—吸热式气氛 4—气体分析仪 5—送风机 6—空气流量计 7—原料气流量计 8—原料气 9—控制柜

2.放热式气氛

放热式气氛是将燃料气（如天然气、甲烷、丙烷等）与空气按一定比例混合后，经放热反应而制成的气氛。燃烧反应释放的热量足以维持反应的进行，无需另外供热，故称为放热式气氛。

根据混合方式的不同，放热式气氛发生炉分为预先混合式和烧嘴混合式两种，其流程图如图6-11所示。

图6-11 放热式气氛发生炉流程图

a）预先混合式

1—安全切断阀 2—调节阀 3、5—流量计 4—鼓风机 6—空气过滤器 7—流量控制阀 8—水冷套 9—燃烧室 10—冷却器 11—比例控制阀 12—调压阀

b）烧嘴混合式

1—安全切断阀 2、5—流量计 3—调压阀 4—空气过滤器 6—压缩机 7—燃烧室 8—逆止阀 9—比例控制阀

空气与原料气（如丙烷）的混合比可在（12～24）∶1的范围内变化，因此放热式气氛又分为浓型和淡型两种。浓型放热式气氛反应生成的CO₂与CO的体积比为0.58～0.625，H₂O与H₂的体积比为0.13～0.57；淡型放热式气氛生成的CO₂与CO的体积比为4.2～10，H₂O与H₂的体积比为0.4～0.8。因为，此类气氛的CO₂与CO的体积比与防止脱碳的要求值（0.04）相差不多，所以放热式气氛仅能作为防止氧化保护气氛，而不能作为防止脱碳的气氛。放热式气氛是可控气氛中最廉价的一种，主要用于防止金属氧化。其发生装置结构简单，无需外界热源，气氛制备方便，产气量大，原料气消耗量小。

3.氨分解气氛(www.daowen.com)

吸热式和放热式气氛都含有二氧化碳、水和一氧化碳气体。对高铬钢来说，气氛中的水和二氧化碳会使钢中的铬氧化。氨分解气氛由氢和氮组成，在此气氛下对高铬钢的光亮退火具有良好的效果。氨分解气氛以液体氨为原料，将液氨减压汽化后在催化剂的作用下，加热到一定的温度后分解获得H₂和N₂的气氛。

制备氨分解气氛的原料是液态氨，汽化后在一定的温度下发生如下反应：

由式（6-1）可知，氨分解反应是吸热反应，并且反应是可逆的。升高温度或降低压力将有助于反应向氨分解的方向进行。在600～700℃时，氨的分解率达到99.88%～99.95%。为了缩短反应时间，必须采用催化剂。常用的催化剂有铁镍催化剂、镍基催化剂等。

氨分解装置产气流程如图6-12所示。其主要部件为分解炉、催化剂、蒸发器和干燥器。

图6-12 氨分解装置产气流程

分解炉内的反应管装有催化剂。将气态氨通入加热的催化剂后分解产生氢气和氮气。氨分解气氛主要用于低碳钢的钎焊、不锈钢中高铬钢的光亮热处理。

4.有机液体裂解气氛

有机液体裂解气氛是将甲醇、乙醇、丙酮、煤油、甲酰胺、三乙醇胺等液体有机化合物直接滴入热处理炉内而产生的气氛，或将由上述液体先滴入裂解炉后产生出的气体通入热处理炉内。气氛的成分和碳势可通过选择不同的有机物配比来改变。这种气氛的制备方式简单，易实施，在中小零件的光亮淬火和渗碳及碳氮共渗上应用较为广泛。

5.氮基气氛

氮是一种中性气体，以氮气作保护气体的气氛叫做氮基气氛。氮基气氛的制备方法有两种：空气与燃料气混合燃烧生成的气氛除去二氧化碳和水蒸气后制取的气氛叫做制备氮基气氛；由工业氮气添加其他气体制备的气氛称为工业氮基气氛。

（1）氮基气氛的制备 图6-13是净化放热式气氛制备氮基气氛流程图。原料可采用煤气、天然气、丙烷等，按不同混合比与空气混合后不完全燃烧，不完全燃烧的产物在转换器内铁-铬催化剂的作用下，使CO转变为CO₂。冷却后除去水蒸气，并通过分子筛吸附柱除去CO₂和残留的水分，制备成H₂体积分数为0.5%～15%，CO体积分数为小于1%，CO₂体积分数小于0.001%，其余为N₂，露点小于-70℃的气体。

图6-13 净化放热式气氛制备氮基气氛流程图

图6-14所示为多气源氮基气氛发生器工艺流程。其工作原理是：碳氢化合物与空气按一定的比例混合燃烧，燃烧气喷冷至室温，经气体压缩机加压至600～700kPa，再经除油器和干燥塔后进入吸附塔，塔内的分子筛吸附燃烧气中的CO₂和H₂O，产品氮气流入储气塔。两台吸附塔轮流吸附与再生，这种发生器可以多种碳氢化合物为原料，也可以空气为原料。

图6-14 多气源氮基气氛发生器工艺流程

1—空气过滤器 2—燃烧系统 3—气体压缩机 4—储气除油器 5、6、14、15—干燥塔 7、16—二位四通阀 8—调压阀 9、10—吸附塔 11—加氢混合器 12—除氧塔 13—冷却除水器 17—储气塔 18—真空泵 19—空气入口 20—碳氢化合物入口

（2）工业氮基气氛的制备 工业氮基气氛是利用空气分离设备深冷后成为液态（温度在-196℃以下），在分馏塔内精馏后，制取的氧气和氮气的混合气。目前制备的氮气纯度可达99.99%。

近年来利用分子筛变压吸附的方法和薄膜空气制氮法制备工业氮气的技术进展很快。图6-15是薄膜制氮及净化装置流程图。

图6-15 薄膜制氮及净化装置流程图

a）流程图 b）薄膜制氮器结构示意图

1、6—端板 2、7—环氧树脂片 3—中心分配管 4—塑料网 5—带压外壳 8—空心纤维 9—O形环