工艺可靠性对生产出高质量的热处理金属部件至关重要。

谨慎操作有助于提高可靠性，而快速响应排除故障能够延长设备使用寿命，使热处理企业能够更好地应对市场需求。

能够促进传热和气氛与材料间反应的新的气氛混合技术将为一些热处理炉带来福音，使它们缩短处理周期，提高产能，并且改善工艺和部件质量。

新的气氛混合技术还能取消炉用风机，从而进一步提高工艺可靠性。

一般方法虽然热处理工艺比较复杂，但我们可以通过研究金属在炉内加热时通常都会发生的两种表面变化而简化可靠性分析。

第一种是氧化/还原，第二种是渗碳/脱碳(即因为气体与金属表面发生反应而使基体碳含量增加或降低)。

脱碳往往会使材料发生不希望的性能变化，而氧化/还原反应则影响着金属部件的表面形态。

如果部件经过了硬化处理，脱碳将会降低材料的表面硬度，使其在磨损条件下缩短使用寿命。

不希望出现的炉内氧化是炉况和气氛未能得到优化控制，以至于发生了气体反应的结果。

而且，这两种不希望出现的情况之间也有关联。

这些问题可以通过控制热处理炉、工艺和相关设备的参数而加以解决。

这需要改善对炉内气氛反应的控制以及对为满足工艺需要而使用的气体的控制。

采用先进的气氛控制技术能够优化炉况，提高可靠性。

可靠性一个热处理工艺有100多个不同的参数，而操作人员能够主动控制的可能只有10个左右。

不受控制的参数会造成工艺波动，使工艺结果产生偏差。

幸运的是，大多数主要的热化学反应都可以采用先进的气氛控制方法进行分析，从而能够对工艺结果进行预测，达到提高工艺重现性和可靠性的目的。

大多数现代热处理企业都采用许多有效的工具，比如模型、分析仪和计算机设备，以保证连续对工艺进行闭环控制。

这样，任何预料之中和之外的问题都能被发现。

在理想情况下，控制系统能够及时作出响应，从而纠正或消除问题，至少也能降低它们的影响。

总的来说，这些控制系统都是为了提高工艺可靠性而设计的。

炉内气氛对于在气氛炉和真空炉内进行的热处理工艺起着重要的作用。

虽然真空工艺不使用气体，但在科学上和实践上都不可能获得没有任何气体成分的绝对真空。

气体分子总是会同被处理的金属表面发生符合气体-固体扩散规律的相互作用或反应。

这是因为，金属表面的气体和气氛中存在的自由气体之间要达到质量平衡，不同气体之间的反应也是同样。

炉内气氛采样是工艺控制的主要手段。

在实际操作中，气体样品是从在气氛条件下运行的炉内采集的。

但是，它只代表了气体探头周围的情况，并不一定能够完整和准确地反映出炉内气氛的真实条件。

考虑到气氛和金属之间存在着很多反应，远离部件表面处和靠近部件表面处的气氛条件会有很大的不同。

其他空间内的气体流量和反应也会不同，比如存在着气体与炉体构件、耐材或隔焰罩之间的反应的那些区域。

因此，为了改善炉内气氛的控制，提高工艺可靠性，应当采取气氛循环措施。

在没有气氛循环机制的情况下，气体样品可以作为参考以帮助发现问题，比如氧含量增加表明发生了空气泄漏，露点读数升高表明发生了漏水。

不过，数量有限的气体样品不能被用来确定还原、氧化、渗碳或脱碳等重要反应的反应速率。

气氛循环对大多数热处理炉来说，循环主要有三个作用，包括：通过对流有效地传热，通过更新部件表面附近的气体成分而增大气氛和表面之间的反应速率，以及以一种均匀一致的方式发挥前两方面的作用。

大多数气氛循环风机难以同时发挥所有这些作用。

对于配备了大型风机的热处理炉，比如用于铝制部件退火的车底式炉，循环产生的剧烈湍流无法保证均匀性，使炉内存在停滞区。

在这种情况下，尽管对流作用能够将大量热能传递给铝合金材料，但会产生表面质量问题。

而在气体渗碳炉中，循环风机提供了气氛混合能力，但也不能保证均匀性。

这会使部件因表面层深度不均匀而达不到质量要求。

均匀性是热处理的一个关键词。

如果没有均匀的冶金性能，几乎不可能获得均匀的机械性能，这就根本达不到热处理的目的。

在某些情况下，表面质量(比如氧化状态)不均匀可以通过酸洗、喷砂或其他人工清理方法进行弥补。

但是，热化学工艺(比如渗碳)的波动会造成表面层深度不均匀，甚至对金属基体产生不可修复的冶金影响，从而使废品率增加。

有些炉型能够通过采用气体喷射技术而受益，比如Messer开发的高速气体喷射(HSGI)专利技术。

它使用特殊设计的喷嘴喷吹气氛气体，以产生超音速射流。

HSGI通常单独采用。

HSGI气氛混合技术能够取代循环风机的使用。

后者容易受高温影响，经常需要维修和更换在配备循环风机的炉型中，HSGI能够完全取代风机，或者在某些情况下提供补充循环。

通过对炉内多只喷嘴的使用和布置进行模拟，能够达到与任何现有风机同样甚至更好的效果。

HSGI的优点是能够使整个炉膛内的气氛达到更均匀的分布。

在完全取代的情况下，喷嘴的使用能够避免风机的维修和运行成本。

改善均匀性能够提高炉膛各处气体采样结果的稳定性，因为在这种情况下任何一处的气体成分都应当非常接近。

这是气氛控制技术提高控制的有效性和可靠性的证据。

提高气氛均匀性还有助于改善控制系统的响应性。

控制系统如果能够很快探测到不希望出现的异常情况，就能及时采取纠正措施改变气体成分，从而迅速消除这些异常情况。

举例来说，只要一探测到加热区的氧浓度升高，就能立刻增大炉膛入口处的气体流量。

而在退火工艺中，只要发现露点读数高于正常值就能马上调高氮氢气氛中的氢含量，或者在炉膛某处可能出现泄漏时增大总流量。

通过增大总流量而应对泄漏的方法也能提高控制系统的可靠性。

很显然，保持气氛的均匀性有助于弥补由于延迟发现问题而造成产品报废。

新建或现有热处理炉都可以安装高速气体喷射器，炉内不需要任何活动部件在风机主要用于炉内气氛循环以促进气体反应的情况下，HSGI能够完全取代风机。

风机被取代后，所有的相关成本都能避免，而气氛均匀性能够显著改善。

这当然能够提高效率和产品质量。

由于缩短了补偿不均匀表面反应需要的时间，均匀性的改善能够使效率提高25%之多。

特别是井式炉渗碳的周期时间能够缩短。

另外，由于取消了炉膛内部的风机支承结构，有效工作空间也能增大。

如果风机的主要功能是加强对流，HSGI也能取代风机或者起到补充作用。

只要使用足够数量的HSGI喷嘴，就能达到同样的对流效果。

在任何情况下，气氛均匀性对热处理工艺都至关重要。

因此，HSGI还可以专门安装在认为存在气氛停滞的特定区域。

比如，在铝卷退火时，改善带卷周围的气体循环能够帮助去除润滑剂以避免边缘变色，还有利于缩短周期时间。

通过模拟能够优化系统设计，从而改善气氛混合和对流效果。

这些使用FLUENT计算流体动力学(CFD)软件模拟得到的图像展示的是一台热处理炉采用MesserHSGI技术之前(左)和之后(右)带卷周围的气流速度。

高速气体喷射(HSGI)技术能够显著改善热处理炉内的气氛混合效果，从而提高产品质量和缩短(10–15%)工艺周期。

HSGI专利技术在许多热处理工艺和炉型中得到了成功应用，能够通过改善均匀性而提高气氛控制的可靠性，从而提高热处理工艺的效率和可靠性。

提高工艺可靠性的一种有效作法是，首先对现有气氛和炉型进行模拟，然后有针对性地设计能够获得期望结果的气氛控制系统。

采用现代技术，比如HSGI、氧传感器和先进的分析方法，能够帮助最大限度提高工艺效率和可靠性。