本申请是1991年7月8日提交的美国专利申请07/727，806的部分继续申请。 本发明涉及制造受控炉膛气氛，用于对金属、合金、陶瓷、复合材料等进行热处理。
自七十年代中期以来，热处理工业已经将氮基气氛常规地用在间歇式或连续式加热炉中。因为露点低和实际上不存在二氧化碳和氧，氮基气体不具有氧化性和脱碳性能，因此适用于许多热处理操作。更具体地说，已经广泛采用氮和氢的混合物对低碳到高碳钢和合金钢退火，以及对有色金属和合金（例如铜和金）退火。氮和烃例如甲烷或丙烷的混合物已经广泛用来对中碳到高碳钢进行中性淬火和不脱碳的退火。已研制出一种氮和甲醇的混合物，用于低碳到中碳钢的渗碳。最后，氮、氢和水汽的一种混合物已用来钎焊金属、烧结金属和陶瓷粉末和将玻璃封接在金属上。
热处理工业使用的大部分氮是在大型低温深冷工厂中用空气分馏法制得的。低温法制得的氮一般很纯和很贵。为了降低氮的成本，近来研制了几种非低温空气分离技术，例如吸附法和渗透法，并已投放市场。这种非低温法制得的氮的成本较低，但是其中含有0.05%到5%的残余氧，使得在某些应用中，即使不是不可能，也很难在连续式退火和热处理炉中用非低温法制得的氮直接代替低温法制得的氮。研究人员曾屡次试图用非低温法制得的氮直接取代低温法制得地氮，但是即使使用过量的还原气，也只得到有限的成功。问题通常是与受热处理的部件在炉子的冷却区和加热区内严重氧化有关，结果造成生锈，起鳞和不合格的冶金性能。因此，非低温法制得的氮被限制在许可表面氧化、生锈和起鳞的场合下使用。例如，非低温法制得的氮成功地用于碳素钢部件的氧化退火，它们通常在热处理后进行机加工。但是，由于氧化皮和锈的生成，它用于抛光的碳素钢的光亮退火不成功。
在本案的母案专种申请中，公开了一种利用非低温法制得的氮和一种还原气例如氢、烃或它们的混合物在连续式炉内产生适合于对黑色和有色金属或合金退火和热处理的廉价气氛的方法。该母案专利申请详细叙述了由非低温法制得的氮和一种还原性气体特别是氢产生热处理气氛的方法。
本发明涉及由非低温法制得的氮就地生成廉价气氛的方法，该气氛适合在连续式加热炉中对黑色和有色金属与合金进行退火和热处理、钎焊金属、烧结金属和陶瓷粉，以及将玻璃封接在金属上。根据此方法，合适的气氛是通过以下步骤产生的：
1）将烃类气体与非低温法制得的最多含5%残余氧的氮混合，
2）将气体混合物以确定的方式或步骤送入连续式加热炉中，炉内有一个在约700℃至约1250℃温度操作的加热区，
3）将残余的氧转化成可接受的形式，例如水汽和二氧化碳的混合物，水汽、氢、一氧化碳和二氧化碳的混合物，或是一氧化碳、水汽和氢的混合物。
这种方法采用上述申请中公开的进气装置，该装置促使进料中存在的残余氧在与要热处理的部件接触之前转化成可接受的形式。该进料装置可以包括多种形式，只要它的用来将气体组分引入到炉内的安置方式能够促进原料气中的氧在与部件接触之前转化成可接受的形式即可以应用。在某些情形下，进气装置可以设计成它不仅有利于进料气中的氧转化成可接受的形式，而且也防止带有未反应氧的进料气直接撞击到部件。
图1是使气氛进入炉内过渡区或冷却区的受控气氛热处理炉的示意图。
图2是使气氛进入炉内加热区的受控气氛热处理炉的示意图。
图3A是根据本发明用来将气氛引入热处理炉的一种开口管装置的示意图。
图3B是根据本发明用来将气氛引入热处理炉的一种开口管和隔挡装置的示意图。
图3C是根据本发明用来将气氛引入热处理炉的一种半多孔装置的示意图。
图3D是根据本发明用来将气氛引入炉内的另一种构型的半多孔装置的示意图。
图3E和3F是根据本发明用来将气氛引入热处理炉的其它半多孔装置的示意图。
图3G是根据本发明用来将气氛引入热处理炉的一种同心多孔装置的示意图。
图3H和3I是根据本发明用来将气氛引入热处理炉的同心多孔装置的示意图。
图4是根据本发明用来试验热处理工艺的加热炉示意图。
图5是热处理温度为750℃的炉内温度与炉的长度作图，表示实验炉的炉温分布。
图6是与图5相似的对热处理温度为950℃的炉子所作的图。
图7是退火温度对于根据本发明将碳钢退火所需天然气作图。
图8是退火温度对于根据本发明将碳钢退火所需天然气作图。
图9是退火温度对于根据本发明将碳钢退火所需丙烷作图。
本发明涉及用非低温法制造的氮气在连续式加热炉内以低成本产生适合于对黑色及有色金属和合金进行退火和热处理的气氛的方法。本发明的方法是以下述的出人意料的发现为基础，即，由非低温法制得的氮出发，将它与一种烃类气体按预定比例混合，混合物经过一个非常规的装置送入到炉内的加热区中，该装置能促使在非低温法制得的氮中残留的氧在与部件接触之前转化成可接受的形式和/或防止进料气直接撞击到部件，从而能在连续式加热炉内部产生适合于将黑色和有色金属及合金热处理、钎焊金属、烧结金属和陶瓷粉末、以及将玻璃封接到金属上的气氛。
利用空气低温分馏制得的氮气已广泛地用于许多退火和热处理操作。低温法产生的氮气实质上不含氧（氧含量一般少于10ppm）并且很贵。因此，尤其是热处理工业，很需要用廉价的方法生产用于热处理的氮气。随着非低温空气分离技术（例如吸附法和渗透法）的出现，现在可以廉价地制造氮气。但是，这种非低温法制得的氮气含有高达5%的残余氧，这对于很多热处理操作是不合需要的。残余氧的存在使得用非低温法制得的氮直接取代用低温法制得的氮十分困难。
试图在连续式加热炉内用非低温法制得的氮代替用低温法制得的氮，即使补充加入过量的烃类气体，也只取得有限的成功。用非低温法制得的氮处理过的金属部件总是起鳞，生锈或被氧化。据信这些问题是由于气态的原料混合物穿过过渡区（或剧变区）内的开口管所致，过渡区位于连续式加热炉的加热区和冷却区之间。将非低温法制得的氮与烃类气体预混并引入到过渡区或冷却区内不能使进料气中存在的残余氧与烃类气体反应，结果造成部件在冷却区内氧化。这是将进料气引入到连续式加热炉中的常规方式并且示于图1中，图中的10代表有入口端12和排气端14的炉体。欲处理的部件16利用一个传送带式运输装置移动穿过炉10。炉10可以装有入口和出口隔板20和22，以帮助保持炉内气氛，这是本领域已知的技术。如图1所示，利用象装置24那样的管子向位于加热区和冷却区之间的过渡区注入气体。
为了提高残余氧和烃类气体之间反应的速度和程度，曾试图用图2所示的常规的开口进料管24直接向连续式加热炉10的加热区注入气体进料混合物。发现用此方法处理的部件起鳞、生锈或不均匀氧化。
根据本发明，以特殊的方式将进料气体混合物送入炉中，使得进料气中残余的氧在与部件接触之前与一种烃类气体反应并且转化成可接受的形式，从而可以防止起鳞，生锈和不均匀氧化。这是通过采用一种装置将气态进料混合物引入炉内加热区而实现的，该装置防止进料气直接撞击到部件，并且/或者有助于进料气中存在的残余的氧在与部件接触之前通过与烃类气体的反应转化成可接受的形式。用来实施本发明方法的装置示于图3A至3I，在上面提到的本申请人的共同未决申请的说明书中有详细说明。
一种在大气压或高于大气压操作并且具有分开的加热区和冷却区的连续式加热炉最适合本发明的方法。这种连续式加热炉可以是网带型、滚底型、推盘型、步进型或转底型炉。
在大气压或高于大气压操作并且具有加热区和一个同炉子成整体的骤冷区的连续式加热炉也适合本发明的方法。这种连续式加热炉可以是网带型、振动型、滚底型、推盘型或转底型炉。
在非低温法制得的氮中，残余氧可以从0.05%到约5%变化，以从约0.05%至约3%为宜，最好是从约0.05%到约1.0%。
烃类气体可以从烃、醇、醚或它们的混合物中选择。此烃类气体可以选自烷烃，例如甲烷、乙烷、丙烷和丁烷;烯烃，例如乙烯、丙烯和丁烯;醇，例如甲醇、乙醇和丙醇;醚，例如二甲醚、乙醚和甲基乙基醚。也可以使用商品原料气作为烃类气体，例如天然气、石油气、炊事用气、焦炉气、城市煤气、放热性气体和吸热性气体。
选自烷烃、烯烃、醚、醇、商品原料气、以及它们的混合物的烃类，可以用在操作温度约为700℃至1250℃的炉中，最好是用在操作温度在800℃至约1250℃的炉中。烃类气体用量的选择取决于处理温度和烃类气体的组成及反应活性。例如，低碳到高碳钢受控氧化退火所需的天然气量在1100℃为化学计量量的1.0倍至不足约5.0倍;而在同样温度对于丙烷则为化学计量量的1.0倍至不足约1.5倍。这是由于丙烷与氧反应的活性比天然气强（丙烷的自燃温度为450℃，天然气为630℃）。化学计量量一词是指为将非低温法制得的氮中存在的氧转化成水汽和二氧化碳的混合物所需的烃类气体的量。对于氧化退火，所需的烃类气体的量随温度降低而增加。例如，在1050℃所需天然气的量为化学计量量的1.0倍至不足约6.0倍。在1050℃所需的丙烷的量为化学计量量的1.0倍至不足约1.7倍。类此，在1000℃、950℃和850℃所需的天然气的量大于化学计量量的1.0倍，但是分别少于约10.0、24.0和40.0倍。同样，在1000℃和950℃丙烷的量大于化学计量量的1.0倍，但是分别小于约1.9倍和3.2倍。
低碳到高碳钢的光亮、无氧化物和部分脱碳的退火在约800℃至1250℃进行。为产生适合于低碳到高碳钢的光亮、无氧化物和部分脱碳的退火的气氛，所需的烃类气体的量取决于炉温和所用烃的反应活性。例如，所需的天然气量在1100℃为化学计量量的约5倍以上;而同样温度丙烷的需要量为化学计量量的约1.5倍以上。进行光亮退火所需的烃类气体的量随温度的降低而增加。例如，在1050℃所需的天然气的量为化学计量量的约6.0倍以上。在1050℃所需丙烷的量为化学计量量的约1.7倍以上。同样，在1000℃、950℃和850℃所需的天然气的量分别为化学计量量的约10.0、24.0和40.0倍以上。类此，在1000℃和950℃所需的丙烷量分别为化学计量量的约1.9和3.2倍以上。
低碳到高碳钢的光亮、无氧化物和部分脱碳、无氧化物和不脱碳、或是无氧化物和部分渗碳的退火，也在约800℃至1250℃进行。为产生适合于低碳到高碳钢的光亮、无氧化物和部分脱碳、无氧化物和不脱碳、或是无氧化物和部分渗碳的退火的气氛，所需的烃类气体的量也取决于炉温和所用烃类的反应活性。例如，在1100℃需要的天然气量为化学计量量的约5.0倍以上;而相同温度丙烷的需要量为化学计量量的约1.5倍以上。所需烃类气体的量也是随温度的降低而增加。例如，在1050℃需要的天然气的量为化学计量量的约6.0倍以上。在1050℃需要的丙烷量为化学计量量的约1.7倍以上。同样，在1000℃、950℃和850℃需要的天然气的量分别为化学计量量的约10.0、24.0和40.0倍以上。类此，在1000℃和950℃需要的丙烷的量分别为化学计量量的约1.9和3.2倍以上。
金属钎焊、玻璃与金属的封接、金属和陶瓷粉末的烧结、或是有色金属合金的退火，在约800℃至1250℃进行。这些操作需要的烃类气体的量取决于炉温和所用烃的反应活性。例如，天然气的需要量在1100℃为化学计量量的约5.0倍以上;而相同温度丙烷需量则为化学计量量的约1.5倍以上。这些操作需要的烃类气体的量随温度降低而增加。例如，在1050℃需要的天然气量为化学计量量的约6.0倍以上。在1050℃需要的丙烷量则为化学计量量的约1.7倍以上。同样，在1000℃、950℃和850℃，所需的天然气的量分别为化学计量量的约10.0、24.0和40.0倍以上。类此，在1000℃和950℃需要的丙烷量分别为化学计量量的约1.9和3.2倍以上。
非低温法制得的氮或非低温法制得的氮与烃类气体原料的混合物可以任选在引入炉内之前预热到接近热处理温度。将氮或氮与烃类气体的混合物预热，可使根据本发明将黑色和有色金属及合金退火、金属钎焊、金属和陶瓷粉末烧结、以及玻璃与金属封接所需的最低温度降低和减少烃的量。进料气可以用外加热器预热，或是使其通过置于炉内的加热管在炉内预热。
在将进料气引入炉内加热区之前，可以任选向非低温法制得的氮与烃类气体的混合物中加入少量的氢，以便进一步扩大用来将黑色和有色金属及合金退火、钎焊金属、烧结金属与陶瓷粉末、以及将玻璃与金属烧结的可操作范围。所加的氢气量可以是为了将非低温法制得的氮中存在的残余氧转化成水汽所需化学计量量的约0.1倍到约5.0倍。氢气可以由气态或液态氢储罐供应。任选，可以利用氨解离成氢和氮的混合物就地生成和供应氢。
能够根据本发明热处理的低碳和高碳钢或合金钢可以从“Metal Handbook”第9版第4卷“Heat Treating”（American Society for Metals出版）中提到的第10XX、11XX、12XX、13XX、15XX、40XX、41XX、43XX、44XX、46XX、47XX、48XX、50XX、51XX、61XX、81XX、86XX、87XX、88XX、92XX、93XX、50XXX、51XXX或52XXX各组中选择。选自AX、DX、OS、MX或SX各组的工具钢;铁镍基合金，如Incoloy;镍合金，如Inconel和Hastalloy;镍铜合金，如Mocel;钴基合金，如Haynes和Stellite，可以根据本发明所公开的方法热处理。
为了实际说明本发明，在能够于高达1150℃温度工作的Watkins-Johnson传送带型炉中进行一系列退火和热处理试验。炉子的加热区由宽8.75英寸、高约4.9英寸、长86英寸的Inconel（铬镍铁合金）601马弗炉膛构成，由外部电阻加热。冷却区由不锈钢制成，宽8.75英寸、高3.5英寸、长90英寸，从外部水冷。用一条支承在炉子底面上的宽8.25英寸的屈挠性传送带把欲热处理的试样送入和穿过炉子的加热区和冷却区。在所有的实验中均采用每分钟约6英寸的固定带速。图4中用60表示的炉子在入口区66和出口区68装有机械隔板62和64以防止空气进入炉子。进料气混合物中含有与烃类气体预混的用非低温法制得的氮，通过开口管引入装置70进入过渡区，或是通过位于炉60的加热区或高温区中不同位置处的引入装置72、74和76之一进入。引入装置72、74和76可以是图3A至3I中所示这类装置中的任何一种。这些高温区进料部位72、74、76分别位于离开过渡区12英寸、30英寸和40英寸处，它们正好处在如图5和图6中炉温分布曲线所示高温区的最热部分之中，该曲线是对于正常操作炉温为750℃和950℃、用流速为350标准立方英尺/小时的纯氮流入炉60而得到的。温度分布曲线显示出当部件移出加热区进入冷却区时被迅速冷却。部件的快速冷却通常用于退火和热处理，以有助于防止部件免遭炉内冷却区中经常存在的高含量水汽和二氧化碳的氧化。在炉子冷却区内存在氧化倾向是很可能的，因为在较低的温度需要较高pH2/pH2O和pCO/pCO2，此时H2和CO的还原性较小，而CO2和H2O的氧化性较高。
选择热处理温度为750℃至1100℃，用来对0.2英寸厚、2英寸宽和约8英寸长的扁平片形低碳钢试样进行热处理。如图4所示，炉60的加热区内存在的气氛组成通过在标为S1和S2的部位处取样测定，在部位S3和S4处取样来测定冷却区的气氛组成。分析样品中的残余氧、水分（露点）、氢、烃、CO和CO2。
使用与主要含甲烷的天然气预混的用非低温法制得的氮，在温度于750℃至1100℃范围内变化情况下，进行几次实验研究碳钢的退火。进料气通过开口直管引入过渡区或加热区，以模拟将气体引入炉内的常规方法。这些试验的结果列在表1中。
表1
实例 1-1 实例 1-2 实例 1-3
热处理温度℃ 1,100 1,100 1,100
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 过渡区 过渡区 过渡区
进气装置类型 开口管 开口管 开口管
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 0.25 0.50 1.00
加热区气氛组成
氧ppm <2 <2 <5
一氧化碳% - 0.50 1.00
二氧化碳% - 0.01 0.00
氢% - 1.30 1.50
甲烷% 0.03 0.11 0.23
露点℃ - -31.0 -31.5
冷却区气氛组成
氧ppm 5,000 5,000 5,000
一氧化碳% 0.00 0.00 0.00
二氧化碳% 0.00 0.00 0.01
氢% 0.00 0.00 0.05
甲烷% 0.25 0.50 0.98
露点℃ -34.0 -31.4 -27.8
热处理后试样品质 不均匀氧化物 不均匀氧化物 不均匀氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表1续
实例 1-4 实例 1-5 实例 1-6A
热处理温度℃ 1,100 1,100 950
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 过渡区 过渡区 过渡区
进气装置类型 开口管 开口管 开口管
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 2.00 3.00 0.25
加热区气氛组成
氧ppm <2 <4 <7
一氧化碳% 0.95 1.00 0.00
二氧化碳% 0.00 0.00 0.19
氢% 3.00 >5.00 0.25
甲烷% 0.42 0.53 0.03
露点℃ -33.9 -44.0 -2.9
冷却区气氛组成
氧ppm 4,500 4,100 4,900
一氧化碳% 0.00 0.00 0.00
二氧化碳% 0.02 0.04 0.00
氢% 0.15 0.20 0.00
甲烷% 1.92 2.96 0.24
露点℃ -21.4 -20.1 -29.0
热处理后试样品质 不均匀氧化物 不均匀氧化物 均匀和致密
堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表1续
实例 1-6B 实例 1-6C 实例 1-7
热处理温度℃ 950 950 950
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 过渡区 过渡区 过渡区
进气装置类型 开口管 开口管 开口管
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 0.50 1.00 2.00
加热区气氛组成
氧ppm <6 <6 <3
一氧化碳% 0.05 0.25 0.90
二氧化碳% 0.12 0.09 0.00
氢% 0.20 0.50 2.90
甲烷% 0.25 0.64 1.10
露点℃ 1.2 - -29.3
冷却区气氛组成
氧ppm 4,900 4,800 4,300
一氧化碳% 0.00 0.00 0.00
二氧化碳% 0.00 0.00 0.01
氢% 0.05 0.10 0.15
甲烷% 0.48 0.98 1.96
露点℃ - -27.0 -18.0
热处理后试样品质 均匀和致密 均匀和致密 不均匀氧化物
堆积氧化物 堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表1续
实例 1-8 实例 1-9A 实例 1-9B
热处理温度℃ 950 850 850
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 过渡区 过渡区 过渡区
进气装置类型 开口管 开口管 开口管
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 3.00 0.35 0.50
加热区气氛组成
氧ppm <4 18 14
一氧化碳% - 0.25 0.25
二氧化碳% 0.00 0.11 0.10
氢% >5.00 0.30 0.35
甲烷% 1.40 0.07 0.20
露点℃ -34.0 -9.3 -10.0
冷却区气氛组成
氧ppm 4,000 4,800 4,800
一氧化碳% 0.00 0.00 0.00
二氧化碳% 0.01 0.01 0.02
氢% 0.20 0.10 0.10
甲烷% 2.96 0.36 0.50
露点℃ -19.0 -33.1 -29.3
热处理后试样品质 不均匀氧化物 均匀和致密 均匀和致密
堆积氧化物 堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表1续
实例 1-9C 实例 1-9D 实例 1-10A
热处理温度℃ 850 850 750
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 过渡区 过渡区 过渡区
进气装置类型 开口管 开口管 开口管
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 1.00 2.00 0.25
加热区气氛组成
氧ppm <10 <6 1,300
一氧化碳% 0.50 0.85 0.00
二氧化碳% 0.06 0.03 0.11
氢% 1.00 2.30 0.10
甲烷% 0.51 1.10 0.16
露点℃ -12.0 -18.4 -13.3
冷却区气氛组成
氧ppm 4,500 4,300 4,800
一氧化碳% 0.00 0.00 0.00
二氧化碳% 0.02 0.03 0.01
氢% 0.40 0.50 0.10
甲烷% 1.00 1.96 0.24
露点℃ -24.6 -22.3 -40.1
热处理后试样品质 均匀和致密 均匀和致密 均匀和致密
堆积氧化物 堆积氧化物 堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表1续
实例 1-10B 实例 1-10C 实例 1-10D
热处理温度℃ 750 750 750
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 过渡区 过渡区 过渡区
进气装置类型 开口管 开口管 开口管
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 0.50 1.00 2.00
加热区气氛组成
氧ppm 600 55 18
一氧化碳% 0.00 0.10 0.35
二氧化碳% 0.15 0.15 0.10
氢% 0.20 0.40 0.15
甲烷% 0.37 0.77 1.58
露点℃ -7.6 -4.1 -9.1
冷却区气氛组成
氧ppm 4,600 4,400 4,100
一氧化碳% 0.00 0.00 0.00
二氧化碳% 0.01 0.02 0.04
氢% 0.15 0.30 0.65
甲烷% 0.48 0.97 1.95
露点℃ -34.3 -32.1 -27.5
热处理后试样品质 均匀和致密 均匀和致密 均匀和致密
堆积氧化物 堆积氧化物 堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表1续
实例 1-11 实例 1-12 实例 1-13
热处理温度℃ 1,100 1,100 1,100
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置74) (位置74) (位置74)
进气装置类型 开口管 开口管 开口管
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 0.25 0.50 1.00
加热区气氛组成
氧ppm <7 <5 <7
一氧化碳% - 0.50 0.90
二氧化碳% 0.20 0.06 0.00
氢% - 0.70 1.70
甲烷% 0.03 0.08 0.17
露点℃ +2.0 -9.4 -25.4
冷却区气氛组成
氧ppm 700 64 55
一氧化碳% 0.00 0.15 0.40
二氧化碳% 0.20 0.12 0.06
氢% 0.00 0.30 1.00
甲烷% 0.03 0.09 0.48
露点℃ 7.1 9.4 5.2
热处理后试样品质 不均匀氧化物 不均匀氧化物 不均匀氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表1续
实例 1-14 实例 1-18
热处理温度℃ 1,100 950
进气流速SCFH 350 350
进气位置 加热区 加热区
(位置74) (位置76)
进气装置类型 开口管 开口管
进料气组成
氮% 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 3.00 0.25
加热区气氛组成
氧ppm <5 <3
一氧化碳% 1.00 0.15
二氧化碳% 0.00 0.12
氢% >5.0 0.30
甲烷% 0.34 0.01
露点℃ -26.0 -8.3
冷却区气氛组成
氧ppm 30 <4
一氧化碳% 1.00 0.10
二氧化碳% 0.01 0.18
氢% ～5.00 0.25
甲烷% 1.90 0.02
露点℃ -23.8 -3.1
热处理后试样品质 光亮和氧化 不均匀氧化物
物的混合
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
由以下对列在表1中的数据总结说明本发明的一个方面。
实施例1-1
将前面所述的碳钢试样在Watkins-Johnson炉内用含有99.5% N2和0.5% O2、流速为350 SCFH（每小时350标准立方英尺，下同）的氮气在1100℃退火。进料氮气的组成与通常用非低温空气分离法制得的相近。将它与主要由甲烷组成的0.25%的天然气混合。这一天然气的量等于为将进料氮气中存在的残余氧完全转化成二氧化碳和水汽混合物所需的化学计量量。将进料气混合物象热处理工业中通常采用的那样经过一根位于过渡区（图4中位置70）的直径3/4英寸的管子通入炉内。一部分进料气混合物穿过过渡区进入加热区并且经由进口隔板62流出。这部分进料混合物有机会受热升温并且引起天然气和残余的氧反应。其余的进料气则穿过冷却区并且通过出口隔板64流出。这部分进料气没有机会受热升温以引起残余氧和天然气反应。进料气混合物通过炉子至少1小时，以便在对试样热处理之前排气置换和调理炉子。
发现本实施例中的热处理过的钢样被不均匀地氧化。在穿过加热区的那部分进料气中存在的残余氧与天然气反应并且转化成二氧化碳和水汽的混合物。由于大量残余氧的存在，试样的表面在冷却区内被不均匀氧化（见表1）。据认为，这种不均匀氧化是由于在加热区内高温条件下未受控制的氧化和/或在冷却区内的高的冷却速度。
因此，将与化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通过一根位于过渡区内的开口管引入到连续式热处理炉内，对于在1100℃钢的氧化退火或光亮退火是一种不合要求的方法。
实施例1-2
重复实施例1-1中所述的碳钢退火实验，采用同样的炉子、温度、试样、进料气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成以及退火步骤，不同之处在于，在进料气中加入0.50%天然气，该天然气的量是为将进料气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水分的混合物所需要的化学计量量的2.0倍。
发现根据此步骤热处理的钢样被不均匀氧化。加热区内高pCO/pCO2（＞2.8）和pH2/pH2O（＞1.3）比的存在可能使试样表面在加热区内还原（见表1），但是试样在冷却区内由于大量残余氧的存在而不均匀地氧化。因此，将与2倍化学计量量的天然气预混的非低温法制得的氮通过位于过渡区内的开口管引入到连续式热处理炉中，对于在1100℃将钢氧化退火或光亮退火是一种不合要求的方法。
实施例1-3至1-5
重复实施例1-2中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，在进料气中加入1.0%、2.0%和3.0%的天然气，该天然气的量分别是为了将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的4.0、8.0和12.0倍。
发现用这些步骤热处理的钢样被不均匀氧化。因此，将与4.0、8.0和12.0倍化学计量量的天然气预混的非低温法制得的氮气通过位于过渡区的开口管引入连续式热处理炉中，对于在1100℃将钢氧化退火或光亮退火是一种不合要求的方法。
实施例1-6A
重复实施例1-1中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成，以及退火步骤，但是温度为950℃。在此实施例中加入的天然气量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量。
根据这一步骤热处理的钢样的表面上具有均匀致密的氧化物层。进料氮气中存在的残余氧在加热区中转化成二氧化碳和水汽的混合物。加热区中低pCO/pCO2（＜2.4）和pH2/pH2O（＜1.6）比的存在可能将试样的表面氧化。试样的表面在冷却区内由于大量残余氧的存在（见表1）而被进一步氧化，结果造成了试样表面的均匀和受控氧化。
因此，将与化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通过位于过渡区的开口管引入连续式加热炉中，是在950℃对钢氧化退火的可以采用的方法。但是，用于在950℃钢的光亮退火还不是合乎要求的方法。
实施例1-6B
重复实施例1-6A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成以及退火步骤，不同之处在于，在进料气中加入0.50%天然气，天然气的量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量的2倍。
根据这一步骤热处理过的钢样的表面上具有均匀致密的氧化物层。因此，将与2倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮气通过位于过渡区内的开口管引入到连续式热处理炉中，对于钢在950℃氧化退火是一种可以采用的方法。
实施例1-6C
重复实施例1-6A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成以及退火步骤，不同之处在于，在进料气中加入1.0%天然气，天然气的量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的4.0倍。
根据这一步骤热处理过的钢样的表面上具有均匀致密的氧化物层。如表1所示，进料氮气中的残余氧在加热区转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物。样品的表面在冷却区内由于大量残余氧的存在（见表1）而均匀氧化，最终造成试样表面的均匀和受控氧化。
因此，将与4倍化学计量量的天然气预混的非低温法制得的氮通过位于过渡区内的开口管引入到连续式热处理炉中，对于钢在950℃氧化退火是一种可以采用的方法。但是，于950℃钢的光亮退火还不是合乎要求的方法。此实施例的结果表明，最好是在加热区内保持pCO/pCO2比低于2.4或是pH2/pH2O比低于1.6，以便在钢样上形成均匀和受控的氧化物表面。
实施例1-7和1-8
重复实施例1-6A中所述的碳钢退火实验两次，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，在进料气中加入2.0%和3.0%的天然气，使天然气的量分别等于为将进料氮气中的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的8.0倍和12.0倍。
结果发现，根据这些步骤热处理过的钢样氧化得不均匀。进料氮气中残余的氧在加热区中转化成一氧化碳和水汽的混合物。加热区中高pCO/pCO2（＞2.4）和pH2/pH2O（＞1.6）的存在可能将试样表面还原，但是试样的表面由于冷却区内大量氧的存在（见表1）而在冷却区内不均匀地氧化。
因此，将与8.0和12.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通过位于过渡区的开口管引入到连续式热处理炉中，对于钢在950℃的氧化物退火或光亮退火是不合要求的方法。这些实验的结果表明，最好是在加热区内保持低的pCO/pCO2比（＜2.4）或pH2/pH2O比（＜1.6），以便在钢样上形成均匀和受控的氧化物表面。
实施例1-9A
重复实施例1-1中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，但是使用0.35%的天然气和850℃的温度。在此实验中加入的天然气量是为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.4倍。
根据这一步骤热处理过的钢样表面上有均匀致密的氧化物层。因此，将与多于化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通过位于过渡区内的开口管引入到连续式热处理炉中，对于钢在850℃的氧化退火是一种可采用的方法。但是，用于在850℃钢的光亮退火还不是合乎要求的方法。
实施例1-9B
重复实施例1-9A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，进料气中加入0.50%天然气，天然气的量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.0倍。
根据本步骤热处理过的钢样表面上具有均匀致密的氧化物层。因此，将由两倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮气通过位于过渡区内的开口管送入连续式热处理炉中，是在850℃将钢氧化退火的可采用的方法。
实施例1-9C
重复实施例1-9A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，进料气中加入1.0%天然气，天然气的量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水分的混合物所需化学计量量的4.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样表面上具有均匀致密的氧化物层。因此，将与4倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮气通过位于过渡区中的开口管引入连续式加热炉中，是在850℃将钢氧化退火的可采用的方法。但是，用于在850℃下钢的光亮退火还不是合乎要求的方法。
实施例1-9D
重复实施例1-9A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，向进料气中加入2.0%天然气，天然气的量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的8.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样表面上具有均匀致密的氧化物层。因此，将与8倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通过位于过渡区的开口管引入到连续式热处理炉中，对于钢在850℃的氧化退火是一种可采用的方法。但是，用于钢在850℃的光亮退火还不是合要求的方法。
实施例1-10A
重复实施例1-1中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，但是温度改为750℃。在此实施例中加入的天然气量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量。
根据这一步骤热处理过的钢样表面上具有均匀致密的氧化物层。因此，将与化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通入位于过渡区内的开口管引入连续式热处理炉中，对于在750℃钢的氧化退火是一种可采用的方法。但是，用于在750℃下钢的光亮退火还不是合要求的方法。
实施例1-10B
重复实施例1-10A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，进料气中加入0.50%天然气，天然气的量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.0倍。
用这一步骤热处理过的钢样表面上具有均匀致密的氧化物层。因此，将与两倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通过位于过渡区内的开口管引入到连续式热处理炉中，对于钢在750℃的氧化退火是一种可采用的方法。
实施例1-10C
重复实施例1-10A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，在进料气中加入1.0%天然气，天然气的量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的4.0倍。
根据这一步骤热处理过的钢样表面上具有均匀致密的氧化物层。因此，将与4倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通过位于过渡区内的开口管引入到连续式热处理炉中，对于钢在750℃的氧化退火是一种可采用的方法。但是，用于钢在750℃下的光亮退火还不是合要求的方法。
实施例1-10D
重复实施例1-10A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，进料中加有2.0%天然气，天然气的量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的8.0倍。
根据这一步骤热处理过的钢样表面上具有均匀致密的氧化物层。因此，将与8倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通过位于过渡区内的开口管引入到连续式加热炉中，对于钢在750℃的氧化退火是一种可采用的方法。但是，用于钢在750℃的光亮退火还不是合乎要求的方法。
实施例1-11
用实施例1-1的方法处理碳钢，不同之处在于，将气体混合物经过一个带有直径3/4英寸肘弯管的直径1/2英寸的钢管送入，肘弯管的开口朝下，即，面对试样，开口进料管穿过冷却区插入炉中，以便将进料气在图4的部位74处引入加热区中。进入炉子加热区的进料气直接撞击到试样品，以模拟进料气经过开口管进入炉子的加热区。所用的天然气的量为进料气的0.25%，这等于为了将进料氮气中存在的残余氧完全转化成二氧化碳和水分的混合物所需的化学计量量。
根据这一步骤热处理过的钢样氧化不均匀。进料氮气中存在的残余氧在加热区中转化成一氧化碳、二氧化碳和水分的混合物。冷却区内大量残余氧的存在和pCO/pCO2及pH2/pH2O之比等于或小于1.0对于试样以受控方式氧化是理想的（见表1）。但是，试样的氧化不均匀。对于炉内流体流动和温度分布的详细分样表明，进料气以高速度进入，没有加热到温度高到足以引起氧和天然气在开口进料管附近完全反应，结果使带有未反应氧的冷氮气直接撞击到试样上，引致氧化不均匀。
因此，用常规的的开口进料管将与化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮引入到连续式热处理炉的加热区，不能制得均匀和受控氧化的钢试样。
实施例1-12至1-14
重复实施例1-11中所述碳钢退火试验三次，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，在进料气中加有0.5、1.0和3.0%的天然气，这分别相当于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳与水的混合物所需化学计量量的2.0、4.0和12.0倍。
根据这些步骤热处理过的钢样氧化不均匀。因此，用常规的开口进料管将与2.0、4.0和12.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮引入连续式热处理炉的加热区，不能得到均匀和受控氧化的钢试样。
实施例1-15
重复实施例1-11中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，在进料气中加有5.0%无然气，天然气的量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的20.0倍。
根据这一步骤热处理过的钢样，其表面光洁度是部分光亮和部分被氧化。因此，用常规的开口进料管将与20倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮引入连续式热处理炉的加热区中，不能制得均匀和受控氧化的或光亮的钢试样。
实施例1-16
重复实施例1-11中所述的碳钢退火试验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，进料气在图4的部位76处进入到炉60的加热区。天然气的用量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量。
根据这一步骤热处理过的钢样氧化不均匀。因此，用常规的开口进料管将与化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮气引入到连续式热处理炉的加热区，同样不能制得均匀和受控氧化的钢试样。
实施例1-17
重复实施例1-16中所述的碳钢退火试验，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进气的流速和类型、以及退火步骤，但是进料气体混合物中加有3.0%的天然气。所用的天然气的量是为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的12.0倍。
根据这一步骤热处理过的钢样氧化不均匀。因此，用常规的开口进料管将与12.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮气送入连续式热处理炉的加热区中，同样不能制得均匀和受控氧化的钢试样。
实施例1-18
重复实施例1-11中所述的碳钢退火实验，使用同样的炉子、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的组成和流速、以及退火步骤，但是如表1所示，温度采用950℃。所加的天然气量等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳与水汽的混合物所需的化学计量量。
根据这一步骤热处理过的钢样氧化不均匀。因此，用常规的开口管将与化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮送入连续式热处理炉的加热区中，不能制得均匀和受控氧化的或光亮的钢试样。
实施例1-19至1-20
重复实施例1-18中所述的碳钢退火试验两次，采用相同的炉子、温度、试样、进气位置、进气装置类型、进料气的流速和组成、以及退火步骤，不同之处在于，在进料气中加入0.5%和1.0%天然气，使天然气量分别等于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽所需化学计量量的2.0倍和4.0倍。
根据这些步骤热处理过的钢样氧化不均匀。因此，用常规的开口进料管将与2.0和4.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮送入连续式加热炉内的加热区中，不能制得均匀和受控氧化的钢试样。
对涉及以上实施例的表1数据的分析表明，不能用位于炉子加热区中的开口直管将与天然气预混的用非低温法制得的氮气送入炉中制备受控氧化和/或光亮的、无氧化物的退火碳钢试样。虽然进料气中存在的氧在炉子的加热区和冷却区中转化成了一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物，但是在进料区域附近没有完全转化成上述气体。这是因为进料气以高速度进入炉内，因此没有时间受热升温使其中残余的氧和天然气反应。这就导致带有未反应氧的进料气撞击到试样，结果发生不受控制的氧化。
表1的数据表明，在某些情况下可以用位于炉子过渡区内的开口直管，使用非低温法制得的氮和天然气的混合物，以受控方式将碳钢氧化退火。但是，它不能用于钢的无氧化物光亮退火。对于钢的受控和均匀氧化退火，可采用的操作范围示于图7。
因为大多数热处理厂家通常要在受控的氧化退火和光亮（无氧化物）退火之间来回变换，所以研制了使用同一炉子在不作重大工艺改变的情形下，通过向炉子加热区中引入进料气体混合物进行碳钢氧化退火和光亮、无氧化物退火的方法，所加工的试样的结果示于表2中。
表2
实例 2-1 实例 2-2 实例 2-3
热处理温度℃ 1,100 1,100 1,100
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置72) (位置74) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 2.00 2.00 2.00
加热区气氛组成
氧ppm <2 <3 <4
一氧化碳% 1.00 1.10 0.95
二氧化碳% 0.00 0.00 0.00
氢% 2.80 3.00 2.50
甲烷% 0.60 0.40 0.55
露点℃ -58.6 -58.8 -58.3
冷却区气氛组成
氧ppm 550 <5 <7
一氧化碳% 0.50 0.90 0.85
二氧化碳% 0.04 0.00 0.00
氢% 1.00 2.60 2.50
甲烷% 1.42 0.71 0.75
露点℃ -9.0 -27.9 -31.8
热处理后试样品质 均匀和致密 均匀光亮 均匀光亮
堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表2续
实例 2-4 实例 2-5A 实例 2-5B
热处理温度℃ 1,100 1,100 1,100
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 2.00 2.00 2.00
加热区气氛组成
氧ppm <2 <3 <4
一氧化碳% 1.00 1.10 0.95
二氧化碳% 0.00 0.00 0.00
氢% 2.80 3.00 2.50
甲烷% 0.60 0.40 0.55
露点℃ -58.6 -58.8 -58.3
冷却区气氛组成
氧ppm 550 <5 <7
一氧化碳% 0.50 0.90 0.85
二氧化碳% 0.04 0.00 0.00
氢% 1.00 2.60 2.50
甲烷% 1.42 0.71 0.75
露点℃ -9.0 -27.9 -31.8
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀光亮 均匀光亮
略带草黄色
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表2续
实例 2-6 实例 2-7A 实例 2-7B
热处理温度℃ 1,100 1,100 1,100
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.20 99.50 99.50
氧% 0.80 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 2.50 0.50 1.00
加热区气氛组成
氧ppm <2 <6 <4
一氧化碳% 1.55 0.40 0.85
二氧化碳% 0.00 0.10 0.05
氢% 3.50 0.50 1.45
甲烷% 1.10 0.04 0.05
露点℃ -58.2 -8.8 -11.3
冷却区气氛组成
氧ppm <7 <9 <7
一氧化碳% 1.35 0.15 0.60
二氧化碳% 0.02 0.35 0.32
氢% 3.05 0.15 0.90
甲烷% 0.96 0.06 0.07
露点℃ -19.6 +6.4 +11.1
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀和致密堆 均匀和致密堆
积氧化物 积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表2续
实例 2-7C 实例 2-8 实例 2-9
热处理温度℃ 1,100 1,050 1,050
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.50 99.75 99.70
氧% 0.50 0.25 0.30
天然气#(甲烷)% 1.50 2.00 2.00
加热区气氛组成
氧ppm <3 <9 <6
一氧化碳% 1.00 0.50 0.60
二氧化碳% 0.01 0.00 0.00
氢% 2.40 2.30 2.30
甲烷% 0.08 0.65 0.70
露点℃ -22.3 -58.3 -58.3
冷却区气氛组成
氧ppm <4 <8 <8
一氧化碳% 1.40 0.50 0.60
二氧化碳% 0.01 0.00 0.00
氢% 2.20 2.30 2.25
甲烷% 0.22 0.57 0.65
露点℃ -3.6 -52.6 -44.4
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀光亮 均匀光亮
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表2续
实例 2-10 实例 2-11 实例 2-12
热处理温度℃ 1,050 1,050 1,050
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.65 99.60 99.60
氧% 0.35 0.40 0.40
天然气#(甲烷)% 2.00 2.00 2.00
加热区气氛组成
氧ppm <6 <6 <4
一氧化碳% 0.60 0.75 0.80
二氧化碳% 0.00 0.00 0.00
氢% 2.10 2.10 2.60
甲烷% 0.80 0.80 0.70
露点℃ -58.3 -58.3 -58.3
冷却区气氛组成
氧ppm <9 <9 <5
一氧化碳% 0.60 0.70 0.75
二氧化碳% 0.00 0.00 0.00
氢% 2.20 2.10 2.60
甲烷% 0.69 0.73 0.78
露点℃ -41.3 -35.9 -41.2
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀光亮 均匀光亮
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表2续
实例 2-13 实例 2-14 实例 2-15
热处理温度℃ 1,050 1,050 1,050
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.55 99.50 99.50
氧% 0.45 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 2.25 2.25 2.00
加热区气氛组成
氧ppm <4 <4 <5
一氧化碳% 0.90 0.95 0.90
二氧化碳% 0.00 0.00 0.00
氢% 2.65 2.70 2.40
甲烷% 0.80 0.90 0.80
露点℃ -58.3 -58.3 -58.4
冷却区气氛组成
氧ppm <5 <7 <6
一氧化碳% 0.85 0.90 0.85
二氧化碳% 0.00 0.00 0.00
氢% 2.70 2.70 2.40
甲烷% 0.86 0.90 0.78
露点℃ -36.9 -33.1 -32.6
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀光亮 均匀光亮
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表2续
实例 2-16 实例 2-17A 实例 2-17B
热处理温度℃ 1,050 1,000 1,000
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.50 99.70 99.70
氧% 0.50 0.30 0.30
天然气#(甲烷)% 1.50 2.00 1.50
加热区气氛组成
氧ppm <5 <3 <6
一氧化碳% 1.00 0.40 0.60
二氧化碳% 0.00 0.00 0.00
氢% 2.15 1.20 1.20
甲烷% 0.40 1.10 0.40
露点℃ -29.4 -57.7 -33.8
冷却区气氛组成
氧ppm <6 <9 <9
一氧化碳% 1.00 0.40 0.60
二氧化碳% 0.01 0.00 0.00
氢% 2.20 1.60 1.20
甲烷% 0.35 1.02 0.37
露点℃ -22.1 -57.7 -29.1
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀光亮 均匀光亮
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表2续
实例 2-17C 实例 2-18 实例 2-19
热处理温度℃ 1,000 1,000 1,000
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.70 99.75 99.80
氧% 0.30 0.25 0.20
天然气#(甲烷)% 1.00 2.00 2.00
加热区气氛组成
氧ppm ～10 <4 <3
一氧化碳% 0.35 0.35 0.30
二氧化碳% 0.01 0.00 0.00
氢% 1.05 1.10 1.05
甲烷% 0.40 1.10 1.10
露点℃ -29.1 -57.9 -57.9
冷却区气氛组成
氧ppm ～11 <7 <6
一氧化碳% 0.35 0.35 0.25
二氧化碳% 0.01 0.00 0.00
氢% 1.00 1.70 1.70
甲烷% 0.33 1.02 1.02
露点℃ -23.6 -57.9 -58.0
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀光亮 均匀光亮
略带草黄色
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表2续
实例 2-20 实例 2-21
热处理温度℃ 1,000 950
进气流速SCFH 350 350
进气位置 加热区 加热区
(位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.85 99.90
氧% 0.15 0.10
天然气#(甲烷)% 2.00 2.00
加热区气氛组成
氧ppm <3 <3
一氧化碳% 0.20 0.10
二氧化碳% 0.00 0.00
氢% 0.9 0.80
甲烷% 1.12 1.32
露点℃ -57.9 -58.1
冷却区气氛组成
氧ppm <8 ～10
一氧化碳% 0.25 0.15
二氧化碳% 0.00 0.00
氢% 1.60 1.30
甲烷% 0.87 1.18
露点℃ -57.9 -58.1
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀光亮
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表2续
实例 2-22 实例 2-23
热处理温度℃ 950 950
进气流速SCFH 350 350
进气位置 加热区 加热区
(位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.925 99.95
氧% 0.075 0.05
天然气#(甲烷)% 1.75 1.25
加热区气氛组成
氧ppm <2 <3
一氧化碳% 0.10 0.10
二氧化碳% 0.00 0.00
氢% 0.50 0.30
甲烷% 1.12 0.60
露点℃ -57.7 -33.8
冷却区气氛组成
氧ppm <87 <7
一氧化碳% 0.10 0.10
二氧化碳% 0.00 0.00
氢% 0.50 0.30
甲烷% 1.10 0.60
露点℃ -57.9 -58.1
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀光亮
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
实施例2-1
重复实施例1-14中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成以及退火步骤，不同之处在于，进料气混合物中加有2.0%天然气，而且进料气混合物由一个改良的多孔扩散器进入炉的加热区（图4中位置72）。安装了一个（示于图3C）一般为圆柱形的扩散器40，它由直径3/4英寸、长6英寸的多孔铬镍铁合金（Inconel）材料构成上一半。这种多孔的Inconel材料每平方英寸上有大约47个直径0.094英寸的小孔。小孔彼此交错排列，两个最近的孔之间的距离约为0.156英寸。这样的孔的数目及排布使得有供气体混合物流过的约33%的开口面积。扩散器40的下一半46是不透气的Inconel材料，扩散器40的一端42封住，另一端43与穿过冷却端炉前室68插入炉60中的直径1/2英寸的不锈钢进料管相连，扩散器40的下一半46安排成与欲处理的部件16′平行，从而将进料气的流动基本上引向高温的炉顶，防止含有未反应氧的进料气直接冲击到试样16′。在此实施例中使用的天然气的量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的8.0倍。
根据这一步骤热处理过的钢样表面上具有均匀致密的氧化物层。进料氮中存在的残余氧在加热区内转化成了一氧化碳和水汽的混合物。高的pCO/pCO2比（＞2.8）和pH2/pH2O（＞1.3）比可能使试样表面在加热区内还原。但是，试样在冷却区内于大量残余氧的存在（见表2）而表面氧化。
因此，将与8.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通过位于加热区（位置72）的改良的多孔扩散器引入连续式热处理炉中，对于钢在1100℃的氧化退火是一种可采用的方法。因为改良的多孔扩散器离冷却区只有12英寸（位置72），所以在进料气中存在的残余氧在进入冷却区之前全都没有和天然气反应。冷却区中残余氧（550ppm）的存在使试样以受控方式氧化，其情形如表2所示。因此，只要所用的天然气或任何其它烃类的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水分的混合物所需的化学计量量，将进料气体混合物经由一个改良的多孔扩散器引入加热区中（位置72）总是产生氧化均匀的试样。
实施例2-2
重复实施例2-1中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和退火步骤，但是进料气混合物由图4的位置74引入到炉子的加热区。此实施例中所用的天然气量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的8.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮的无氧化物的表面。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳和水汽的混合物（＜5ppm）。在加热区和冷却区内都有大量一氧化碳和氢存在或是pCO/pCO2（＞2.8）和pH2/pH2O（＞1.3）比值高，导致试样表面的还原。
因此，将与8.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮通过位于加热区（位置74）的改良的多孔扩散器引入连续式热处理炉中，对于钢在1100℃的光亮和无氧化物退火是一种可采用的方法。
此实施例表明，将混合物引入炉中的方法是关键的工艺步骤。例如，简单地将改良的多孔扩散器由放置在离冷却区仅12英寸远（位置72）处改为30英寸远（位置74）处，可以将进料气中存在的大部分残余氧转化成一氧化碳和水汽。因此，将含有用非低温法制得的氮的进料气混合物经由一个改良的多孔扩散器引入1100℃的加热区中（位置74），总会形成光亮和无氧化物的试样，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为了将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，并且此用量高到足以使加热区和冷却区内的pCO/pCO2比大于2.8、pH2/pH2O比大于1.3，加热区和冷却区内的残余氧含量均小于10ppm。
实施例2-3
重复实施例2-1中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型以及退火步骤，但是进料气体混合物由图4中的位置76引入炉子的加热区中。在此实施例中使用的天然气的量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的8.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮和无氧化物的表面。此实施例再次显示了在炉中放置改良的多孔扩散器的关键作用。例如，简单地将改良的多孔扩散器从离冷却区12英寸（位置72）移至离开40英寸（位置76）处，进料气中存在的大部分残余氧同样可以转化成一氧化碳和水汽的混合物。因此，将非低温法制得的氮经由一个改良的多孔扩散器引入1100℃的加热区总是形成均匀光亮和无氧化物的试样，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且上述用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，在加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
检验进炉的钢材料和经过本实施例热处理过的钢样的脱碳和渗碳程度。进炉钢料的检验表明既没有脱碳也没有渗碳，而在与天然气预混的用非低温法制得的氮气氛中热处理过的钢样，发生约0.006英寸的脱碳作用。钢样的脱碳可能是冷却区中存在的高露点引致的。
实施例2-4
重复实施例2-3中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速、进气装置类型和位置、以及退火步骤，但是使用含99.4% N2和0.6% O2的用非低温法制得的氮。在此实施例中使用的天然气的量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的6.7倍。
根据这一步骤热处理过的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。如表2所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内完全转化成一氧化碳和水汽的混合物（小于8ppm）。
此实施例再次表明，可以利用位于在1100℃操作的炉子加热区内的改良的多孔扩散器，以用非低温法制得的氮对碳钢进行光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量大于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以使加热区和冷却区内的pCO/pCO2都大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
实施例2-5A
重复实施例2-3中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速、进气装置类型和位置以及退火步骤，但是使用含99.25% N2和0.75% O2的用非低温法制得的氮气。此实施例中天然气的用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量的5.3倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮的表面。但是试样的表面略带草黄色，使得表面品质勉强合格。进料氮气中的残余氧在加热区和冷却区中几乎完全转化成一氧化碳和水汽的混在物（约10ppm）。
此实施例再次表明，利用正好位于在1100℃操作的炉子加热区内的一个改良的多孔扩散器，可以使钢在用非低温法制得的氮气中进行光亮和无氧化物的退火，只要所用的天然气或其它任何其它烃的量大于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区中都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。此实施例还表明，为使钢光亮退火，所需的天然气最低量约等于为将进料氮中存在的残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的5.0倍。
实施例2-5B
重复实施例2-5A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气的流速和组成、进气装置的类型和位置、以及退火步骤，但是天然气的用量由2.0%改为2.5%。在此实施例中使用的天然气的量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的6.7倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。各试样的表面也不带草黄色。进料氮气中存在的残余氧几乎完全（小于6ppm）在加热区和冷却区中转化成一氧化碳和水汽的混合物。
此实施例再次表明，用一个正好位于在1100℃操作的炉子加热区内的改良的多孔扩散器，可以使用非低温法制得的氮进行钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或其它任何烃的量大于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且该用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
对进炉材料的检验表明，没有发生渗碳或脱碳，而在本实施例中热处理过的钢样发生约0.007英寸的脱碳。此实施例中热处理试样的脱碳程度高于在实施例2-3中处理的试样，可能是由于冷却区中的露点较高（见表2）。
实施例2-6
重复实施例2-3中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速、进气装置的类型和位置、以及退火步骤，但是使用含99.2% N2和0.8% O2的用非低温法制得的氮。此实施例中使用的天然气量的等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的6.3倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。进料氮气中存在的残余氧几乎完全（少于7ppm）在加热区和冷却区中转化成一氧化碳和水汽的混合物。
此实施例再次表明，利用正好位于在1100℃操作的炉子加热区内的一个改良的多孔扩散器，可以在用非低温法制得的氮气中进行碳钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，加热区和冷却区内的残余氧含量小于10ppm。
实施例2-7A
重复在实施例2-3中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置的类型和位置及退火步骤，但是天然气的用量由2.0%改为5.0%。在此实施例中使用的天然气量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.0倍。
根据这一步骤热处理过的钢样具有均匀致密的氧化物表面层。进料氮气中存在的残余氧在冷却区和加热区内几乎完全转化成（少于8ppm）一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物，如表2所示。试样由于冷却区内低的pCO/pCO2比（＜2.8）和pH2/pH2O比（＜1.3）而被氧化。
此实施例表明，可以利用正好位于在1100℃操作的炉子加热区内的改良的多孔扩散器，在用非低温法制得的氮中实现碳钢的受控氧化退火，只要使用的天然气或其它任何烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以使冷却区内的pCO/pCO2小于2.8，pH2/pH2O小于1.3。
实施例2-7B
重复实施例2-7A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置的类型和位置及退火步骤，但是使用1.0%天然气。此实施例中使用的天然气量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水分的混合物所需化学计量量的4.0倍。
根据这一步骤热处理过的钢样具有均匀致密的氧化物表面层。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全（少于8ppm）转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物，如表2所示。试样由于冷却区内低pCO/pCO2比（＜2.8）和pH2/pH2O比（＜1.3）而被氧化。
此实施例再次表明，利用正好处在于1100℃操作的炉子加热区内的改良的多孔扩散器，可以在用非低温法制得的氮气中将碳钢氧化退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以使冷却区内的pCO/pCO2低于2.8，pH2/pH2O低于1.3。
实施例2-7C
重复实施例2-7A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置及退火步骤，但是使用1.5%天然气。在此实施例中天然气的用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的6.0倍。
根据这一步骤热处理过的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。进料氮气中残余的氧在加热区和冷却区内几乎完全（少于4ppm）转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物，如表2所示。
此实施例表明，利用正好位于在1100℃操作的炉子加热器内的改良的多孔扩散器，可以在用非低温法制得的氮气中实现钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
实施例2-8
重复实施例2-3中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、进气流速、进气装置类型和位置以及退火步骤，不同之处在于，温度为1050℃，使用含99.75% N2和0.25% O2的用非低温法制得的氮。此实施例中使用的天然气的量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的16.0倍。
根据这一步骤热处理过的钢样具有均匀光亮的无氧化物的表面。进料氮中的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成二氧化碳和水汽的混合物（小于9ppm）。
此实施例表明，利用一个正好位于在1050℃操作的炉子加热区内部的改良的多孔扩散器，可以在用非低温法制得的氧气中实现碳钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的氮气或其它任何烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
对进炉材料的检验表明，既无渗碳也无脱碳，而在本实施例中在与天然气预混的用非低温法制得的氮气氛中热处理的钢样，发生很低程度的脱碳，脱碳深度约为0.001英寸。因此，此实施例表明，在与天然气预混的用非低温法制得的氮气氛中热处理的试样，脱碳程度可以通过控制连续式热处理炉的冷却区及加热区的露点来控制。
实施例2-9至2-15
在实施例2-9至2-15中重复实施例2-8中所述的碳钢退火实验7次，采用相同的炉子、试样、进气流速、温度、进气装置类型和位置以及退火步骤，不同之处在于，天然气的用量从2.0%到2.25%变化，使用含99.70%至99.50%的N2和0.30%至0.50% O2的用非低温法制得的氮，如表2所示。在这些实施例中，天然气的用量从为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的8.0倍至13.3倍变化不等。
在这些实施例中热处理过的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳和水汽的混合物（小于9ppm）。
这些实施例再次表明，利用正好位于在1050℃操作的炉子加热区内部的改良的多孔扩散器，可以在用非低温法制得的氮气中实现碳钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，加热区和冷却区内的残余氧含量小于10ppm。
对进炉材料的检验表明没有渗碳或脱碳。实施例2-10是在与天然气预混的用低温法制得的氮气氛中热处理的钢样，在此实施例中也是既无渗碳也无脱碳。因此这一实施例表明，小心地控制连续式热处理炉的加热区和冷却区的露点，可以利用与天然气预混的用非低温法制得的氮气氛进行碳钢的中性淬火。
实施例2-16
重复实施例2-15中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、温度、进气流速和组成、进气装置类型和位置以及退火步骤，但是使用1.5%天然气。此实施例中天然气的用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的6.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮的无氧化物的表面。
此实施例表明，利用正好位于在1050℃操作的炉子加热区内部的改良的多孔扩散器，可以在用非低温法制得的氮气中实现碳钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽所需化学计量量的6.0倍，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
实施例2-17A
重复实施例2-3中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、进气流速、进气装置类型和位置以及退火步骤，不同之处在于，采用100℃的温度和含有99.70% N与0.30% O2的用非低温法制得的氮。此实施例中天然气的用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的13.3倍。
根据此步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成二氧化碳和水汽的混合物（小于9ppm）。
此实施例表明，利用正好位于在1000℃操作的炉子加热区内部的改良的多孔扩散器，可以用以非低温法制得的氮气进行碳钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在冷却区和加热区内都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，加热区和冷却区内的残余氧含量小于10ppm。
实施例2-17B
重复实施例2-17A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置的类型和位置以及退火步骤，但是使用1.5%的天然气。此实施例中天然气的用量等于将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的10.0倍。
根据这一实施例热处理的钢样具有均匀光亮的无氧化物的表面。进料氮中的残余氧在加热区和冷却区中几乎完全转化成二氧化碳和水汽的混合物（小于9ppm）。
这一实施例表明，利用正好位于在1000℃操作的炉子加热区内部的改良的多孔扩散器，可以用以非低温法制得的氮气进行钢的光亮和无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽混合物所需的化学计量量，而且该用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.5，pH2/pH2O大于1.5，加热区和冷却区内的残余氧含量小于10ppm。
实施例2-17C
重复实施例2-17A中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置的类型和位置以及退火步骤，但是使用1.0%的天然气。此实施例中使用的天然气的量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的6.7倍。
根据此步骤热处理的钢样具有均匀光亮的表面。但是，试样的表面略带草黄色，这使得表面品质勉强合格。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物（小于11ppm）。
此实施例表明，利用一个正好位于在1000℃操作的炉子加热区内部的改良的多孔扩散器，可以用非低温法制得的氮进行钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且该用量高到足以使加热区和冷却区内都是pCO/pCO2大于2.5，pH2/pH2O大于1.5，加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
实施例2-18和2-19
重复实施例2-17中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样，进气流速、温度、进气装置类型和位置以及退火步骤，不同之处在于，使用含99.75%和99.80% N2及0.25%和0.20%氧的用非低温法制得的氮，如表2所示。在这些实施例中天然气的用量分别等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的16.0倍和20.0倍。
在这些实施例中热处理的钢样具有均匀光亮的无氧化物的表面。进料氮气中残余的氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成二氧化碳和水汽的混合物（少于7ppm）。
这些实施例表明，利用一个正好位于在1000℃操作的炉子加热区内的改良的多孔扩散器，可以用非低温法制得的氮气进行钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以使加热区和冷却区内都是pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，加热区和冷却区内的残余氧都小于10ppm。
实施例2-20
重复实施例2-17中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、进气流速、温度、进气装置的类型和位置、以及退火步骤，但是使用含99.85% N2和0.15% O2的用非低温法制得的氮，如表2所示。此实施例中天然气的用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的26.7倍。
在这些实施例中热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳和水汽的混合物（少于8ppm）。但是发现传动带和炉子内部开始轻微积炭，表明在此实施例中所用的工艺条件对于长时间热处理是不理想的。更具体地说，试验结果揭示，最好是减少气体进料混合物中使用的天然气量，以防止炉内积炭。
此实施例表明，利用一个正好位于在1000℃操作的炉子加热区内部的改良的多孔扩散器，可以用非低温法制得的氮气进行碳钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，但是并不高到在炉内开始积炭的程度，另外，加热区和冷却区内的残余氧含量都要小于10ppm。
实施例2-21
重复实施例2-3中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、进气流速、进气装置类型和位置以及退火步骤，不同之处在于，使用950℃的温度和含有99.90% N2和0.10% O2的氮气，如表2所示。此实施例中的天然气用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的40.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮的无氧化物的表面。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳和水汽的混合物（约10ppm）。
此实施例表明，利用一个正好位于在950℃操作的炉子加热区内部的改良的多孔型扩散器，可以用非低温法制得的氮气进行钢的光亮、无氧化物退火，只要天然气的用量约等于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的40倍，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.4、pH2/pH2O大于1.6，同时在加热区和冷却区内的残余氧含量少于10ppm。
对进炉材料的检验表明既无渗碳也无脱碳现象。在此实施例中在与天然气预混的用非低温法制得的氮气里热处理的钢样也是既不渗碳也无脱碳发生。因此这一实施例表明，通过小心地控制连续式加热炉的冷却区和加热区内的露点，可以用与天然气预混的用非低温法制得的氮气氛进行碳钢的中性淬火。
实施例2-22
重复实施例2-21中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、温度、进气流速、进气装置类型和位置、退火步骤，不同之处在于，使用含99.925% N2和0.075% O2的用非低温法制得的氮气，并加有1.75%天然气，如表2所示。此实施例中天然气的用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的46.7倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内完全转化成一氧化碳和水汽的混合物。
此实施例表明，利用一个正好位于在950℃操作的炉子加热区内部的改良的多孔扩散器，可以用非低温法制得的氮进行碳钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的40倍，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.4、pH2/pH2O大于1.6，同时加热区和冷却区内的残余氧含量少于10ppm。
对进炉材料的检验表明既无渗碳也无脱碳发生。在此实施例中在与天然气预混的用非低温法制得的氮里热处理过的钢样也是既无脱碳也无渗碳发生。因此，此实施例说明，通过小心地控制连续式热处理炉的冷却区和加热区内的露点，可以用与天然气预混的用非低温法制得的氮气氛进行碳钢的中性淬火。
实施例2-23
重复实施例2-21中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、温度、进料气流速、进气装置类型和位置、退火步骤，但是使用含99.95% N2和0.05% O2并加有1.25%天然气的氮气。此实施例中的天然气用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的50倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮和无氧化物的表面。在进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内完全转化成一氧化碳和水分的混合物。
此实施例表明，可以使用一个正好位于在950℃操作的炉子加热区内的改良的多孔扩散器，用非低温法制得的氮进行碳钢的光亮、无氧化物退火，只要所用的天然气或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水分的混合物所需化学计量量的40倍，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.4、pH2/pH2O大于1.6，另外，加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
对进炉材料的检验表明既无渗碳也无脱碳作用。在此实施例中在与天然气预混的用非低温法制得的氮气氛里热处理的钢样也没有发生脱碳或渗碳。因此，此实施例表明，通过小心地控制连续式热处理炉的加热区和冷却区内的露点，可以用与天然气预混的用非低温法制得的氮气氛进行碳钢的中性淬火。
在950℃进行了一些补充实验，以确定钢的受控氧化退火和光亮、无氧化物退火的操作范围。这些实验的结果列在表3中并且在下面详加讨论。
表3
实例 3-1 实例 3-2 实例 3-3A
热处理温度℃ 950 950 950
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 0.25 1.00 3.00
加热区气氛组成
氧ppm <8 <6 <10
一氧化碳% 0.0 0.45 0.95
二氧化碳% 0.17 0.17 0.00
氢% 0.00 1.40 3.00
甲烷% 0.03 0.23 1.68
露点℃ 1.3 7.7 -22.9
冷却区气氛组成
氧ppm 330 190 140
一氧化碳% 0.00 0.45 0.75
二氧化碳% 0.20 0.03 0.02
氢% 0.00 1.20 3.10
甲烷% 0.03 0.40 2.44
露点℃ 7.7 -2.8 -14.7
热处理后试样品质 均匀和致密 均匀和致密 光亮和氧化
堆积氧化物 堆积氧化物 物的混合
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表3续
实例 3-4 实例 3-5 实例 3-6
热处理温度℃ 950 950 950
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.75 99.75 99.75
氧% 0.25 0.25 0.25
天然气#(甲烷)% 0.25 1.00 3.00
加热区气氛组成
氧ppm <8 <7 <7
一氧化碳% 0.10 0.50 -
二氧化碳% 0.05 0.00 0.00
氢% 0.20 1.50 3.00
甲烷% 0.11 0.28 1.56
露点℃ -24.9 -30.4 -32.8
冷却区气氛组成
氧ppm 300 140 110
一氧化碳% 0.10 0.25 0.45
二氧化碳% 0.06 0.01 0.01
氢% 0.10 1.10 3.40
甲烷% 0.12 0.52 2.40
露点℃ - -15.2 -28.7
热处理后试样品质 均匀和致密 光亮和氧化 光亮和氧化
堆积氧化物 物的混合 物的混合
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表3续
实例 3-7 实例 3-8
热处理温度℃ 950 950
进气流速SCFH 350 350
进气位置 加热区 加热区
(位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.90 99.90
氧% 0.10 0.10
天然气#(甲烷)% 0.25 0.50
加热区气氛组成
氧ppm <6 <3
一氧化碳% 0.00 0.20
二氧化碳% 0.09 0.03
氢% 0.10 0.65
甲烷% 0.16 0.15
露点℃ -12.6 -18.9
冷却区气氛组成
氧ppm 230 110
一氧化碳% 0.00 0.20
二氧化碳% 0.04 0.01
氢% 0.10 0.55
甲烷% 0.13 0.22
露点℃ -12.2 -23.0
热处理后试样品质 均匀和致密 光亮和氧化
堆积氧化物 物的混合
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
实施例3-1
重复实施例2-21中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速、退火步骤，不同之处在于，使用含99.5% N2和0.5% O2的用非低温法制得的氮，在气体进料混合物中加入0.25%天然气，气体进料混合物经由改良的多孔扩散器引入到炉子的加热区（图4中位置76）。安装一个示于图3C的通常为圆柱形的扩散器40，它包括一个直径3/4英寸、长6英寸由烧结的铬镍铁合金（Inconel）材料构成的上一半44，其平均孔径为20微米，开孔率为40%-50%，由Mott Metallurgical公司供应。扩散器40的下一半46是不透气的Inconel材料，扩散器的一端42封住，另一端43连接到直径1/2英寸的不锈钢进料管上，该管经由冷却端炉前室68插入炉60中。扩散器40的下一半46安装成与要处理的部件16′平行，于是将进料气的流动引向基本上朝着炉子的高温顶，防止带有未反应氧的进料气直接冲击到样品16′。此实施例中使用的天然气的量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量。
根据这一步骤热处理的钢样表面上具有均匀致密的氧化物层。进料氮气中存在的残余氧在加热区中转化成二氧化碳和水汽的混合物，如表2所示。低的pCO/pCO2比（＜2.4）和pH2/pH2O比（＜1.6）有助于在加热区内将试样表面氧化。在冷却区内由于大量氧的存在使试样表面进一步氧化（见表3），最终导致试样表面的均匀和受控的氧化。
因此，经由位于加热区内的改良的多孔扩散器（位置76）向连续式热处理炉中引入与化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮气，对于钢在950℃氧化退火是一种可采用的方法。
实施例3-2
重复实施例3-1中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型、退火步骤，但是在气体进料混合物中加入1.0%天然气。此实施例中使用的天然气量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的4.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样在表面上具有均匀致密的氧化物层。如表3所示，进料氮气中存在的残余氧几乎完全在加热区内转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物（少于6ppm）。加热区内的低pH2/pH2O比（＜1.6）对于试样表面的氧化是理想的。试样的表面在冷却区内由于大量残余氧的存在（见表3）而进一步氧化，导致样品表面的均匀受控的氧化。
因此，经由一个位于加热区（位置76）内的改良的多孔扩散器，将与4.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮引入到连续式热处理炉中，可以用来在950℃进行钢的氧化退火。
实施例3-3A
重复实施例3-1中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型、退火步骤，但是在气体进料混合物中加入3.0%天然气。此实施例中天然气的用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的12.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样表面是部分氧化和部分光亮的。如表3所示，在加热区中进料氮气中存在的残余氧在加热区中几乎完全转化成一氧化碳和水汽的混合物（小于10ppm）。加热区和冷却区内气体的成分表明，二者的高pCO/pCO2比（＞2.4）和pH2/pH2O比（＞1.6）对于试样表面的还原是理想的。但是，由于冷却区内大量残余氧的存在，试样表面被部分氧化（见表3）。
因此，经由一个位于加热区内的改良的多孔扩散器（位置76），将与12.0倍化学计量量天然气预混的用非低温法制得的氮引入到连续式热处理炉中，用来在950℃对钢进行氧化和/或光亮退火不是合要求的方法。
实施例3-3B
重复实施例3-1中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型以及退火步骤，但是在进气混合物中加有5.0%天然气。此实施例中天然气的用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的20.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样表面是部分氧化和部分光亮的。因此，经由一个位于加热区（位置76）的改良的多孔扩散器，将与20.0倍化学计量量天然气预混的用非低温法制得的氮引入到连续式热处理炉，用于钢在950℃的氧化和/或光亮退火不是合要求的方法。
实施例3-4
重复实施例3-1中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速、天然气量、进气装置类型及退火步骤，不同之处在于，使用含99.75% N2和0.25% O2的用非低温法制得的氮。此实施例中的天然气用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的2.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样的表面上具有均匀致密的氧化物层。如表3所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区中几乎完全（少于8ppm）转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物。加热区中高pH2/pH2O比（＞1.6）的存在对于试样表面还原是理想的。但是，在冷却区中由于低pCO/pCO2比和大量残余氧的存在（见表3），试样表面氧化，导致试样表面的均匀和受控氧化。
因此，经由一个位于加热区（位置76）的改良的多孔扩散器，将与2.0倍化学计量量天然气预混的用非低温法制得的氮引入连续式热处理炉。对于钢在950℃氧化退火是一种可采用的方法。
实施例3-5
重复实施例3-4中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速、进气装置类型和退火步骤，但是使用1.0%的天然气。此实施例中的天然气用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的8.0倍。
根据此步骤热处理的钢样表面是部分氧化和部分光亮的。因此，经由一个位于加热区（位置76）的改良的多孔扩散器向连续式加热炉中引入与8.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮，用来在950℃对钢进行氧化退火和/或光亮退火不是合要求的方法。
实施例3-6
重复实施例3-4中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型及退火步骤，但是加有3.0%的天然气。此实施例中的天然气用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的24.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样是部分氧化和部分光亮的。因此，经由位于加热区（位置76）的一个改良的多孔扩散器将与24.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮气引入连续式热处理炉中，对于钢在950℃的氧化退火和/或光亮退火，不是合乎要求的方法。
实施例3-7
重复实施例3-4中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速、天然气量、进气装置类型和退火步骤，但是使用含99.9% N2和0.1% O2的用非低温法制得的氮。此实施例中天然气的用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的5.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样在表面上具有均匀致密的氧化物层。进料氮气中存在的残余氧在加热区中几乎完全转化成（少于6ppm）二氧化碳和水汽的混合物。加热区和冷却区内低pCO/pCO2比（＜2.4）和pH2/pH2O比（＜1.6）的存在以及在冷却区内存在大量残余的氧对于试样表面的氧化是理想的（见表3）。
因此，经由一个位于加热区（位置76）的改良的多孔扩散器，将与5.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮引入到连续式热处理炉中，对于钢在950℃氧化退火是一种可采用的方法。
实施例3-8
重复在实施例3-7中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和退火步骤，但是使用0.50%天然气。此实施例中的天然气用量等于将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的10.0倍。
用这一步骤热处理的钢样是表面上部分氧化和部分光亮。因此，经由一个位于加热区（位置76）的改良的多孔扩散器向连续式炉中引入与10.0倍化学计量量的天然气预混的用非低温法制得的氮，用于钢在950℃氧化退火和/或光亮退火不是合乎要求的方法。
实施例2-1到2-7表明，用非低温法制得的氮可以用于钢在1100℃光亮退火，只要使用为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量5.0倍以上的天然气，而且用改良的扩散器将气体进料混合物引入到炉子的加热区。同样，实施例2-8到2-23表明，用非低温法制得的氮可以用于钢在1050℃、1000℃和950℃光亮退火，只要分别使用为将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量约6.0、13.0和40.0倍的天然气。以上的实施例说明，钢的光亮退火所需的天然气的绝对量随进料氮气中的残余氧含量增加而增加。另外，钢光亮退火所需的天然气的绝对量随热处理温度的升高而减少。
实施例3-1到3-8的结果表明，用非低温法制得的氮可以用于钢在950℃氧化退火，只要加到进料氮气中的天然气量处在为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.0倍至7.0倍之间，该结果还说明，加入8.0至24.0倍化学计量量的天然气会导致不合要求的部分氧化和部分光亮的表面。
实施例2-1至2-23和3-1至3-8涉及用改良的多孔扩散器或改良的进气装置进行退火，表明可以用非低温法制得的氮在950℃至1100℃温度范围内对碳钢退火，只要在进料气中加入多于化学计量量的天然气。如图8所示，本发明的方法采用一种将进料气引入炉中的方法（例如用改良的多孔扩散器），使用户能实现碳钢的氧化退火和光亮、无氧化物退火。示于图8的采用本发明方法的操作范围，比用常规的进气装置所提到的要宽得多，这可由图7和图8的比较清楚地看出。因此，以上实施例表明，防止含有未反应氧的进料气直接冲击到部件的重要性。
使用非低温法制得的氮和丙烷的混合物进行了一些碳钢热处理实验。这些实验的结果列在表4中并在下面详加讨论。
表4
实例 4-1 实例 4-2 实例 4-3
热处理温度℃ 1,100 1,100 1,100
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.50 99.30 99.00
氧% 0.50 0.70 1.00
天然气#(甲烷)% 0.20 0.20 0.20
加热区气氛组成
氧ppm <5 <10 <4
一氧化碳% 0.55 0.45 0.20
二氧化碳% 0.00 0.08 0.34
氢% 1.00 0.70 0.40
甲烷% 0.02 0.01 0.00
露点℃ -58.3 -10.0 5.0
冷却区气氛组成
氧ppm <6 <8 <4
一氧化碳% 0.50 0.40 0.15
二氧化碳% 0.00 0.09 0.35
氢% 0.90 0.65 0.30
甲烷% 0.02 0.01 0.00
露点℃ -58.3 -10.0 5.0
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀光亮 均匀和致密
堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表4续
实例 4-4 实例 4-5 实例 4-6
热处理温度℃ 1,100 1,100 1,100
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.00 99.00 99.00
氧% 1.00 1.00 1.00
天然气#(甲烷)% 0.25 0.28 0.40
加热区气氛组成
氧ppm <5 <4 <3
一氧化碳% 0.45 0.65 0.95
二氧化碳% 0.24 0.18 0.11
氢% 0.06 0.95 1.50
甲烷% 0.00 0.01 0.05
露点℃ 5.0 0.5 -4.3
冷却区气氛组成
氧ppm <5 <5 <4
一氧化碳% 0.40 0.60 0.90
二氧化碳% 0.25 0.18 0.12
氢% 0.60 0.90 1.40
甲烷% 0.00 0.01 0.05
露点℃ 5.0 0.50 -4.3
热处理后试样品质 均匀和致密 均匀和致密 均匀光亮
堆积氧化物 堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表4续
实例 4-7 实例 4-8 实例 4-9
热处理温度℃ 1,050 1,050 1,050
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.50 99.25 99.25
氧% 0.50 0.75 0.75
天然气#(甲烷)% 0.20 0.20 0.25
加热区气氛组成
氧ppm <5 <4 <4
一氧化碳% 0.30 0.20 0.40
二氧化碳% 0.05 0.18 0.12
氢% 0.75 0.40 0.80
甲烷% 0.05 0.00 0.01
露点℃ -13.0 -2.2 -4.1
冷却区气氛组成
氧ppm <7 <4 <5
一氧化碳% 0.30 0.20 0.40
二氧化碳% 0.05 0.19 0.12
氢% 0.70 0.40 0.75
甲烷% 0.05 0.00 0.01
露点℃ -13.0 -2.2 -4.1
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀和致密 均匀光亮
堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表4续
实例 4-10 实例 4-11 实例 4-12
热处理温度℃ 1,050 1,050 1,050
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.00 99.00 99.00
氧% 1.00 1.00 1.00
天然气#(甲烷)% 0.25 0.28 0.40
加热区气氛组成
氧ppm <4 <4 <5
一氧化碳% 0.25 0.45 0.80
二氧化碳% 0.29 0.22 0.14
氢% 0.50 0.80 1.40
甲烷% 0.00 0.01 0.04
露点℃ 6.0 6.1 -4.2
冷却区气氛组成
氧ppm <4 <5 <5
一氧化碳% 0.25 0.45 0.80
二氧化碳% 0.29 0.22 0.14
氢% 0.45 0.80 1.40
甲烷% 0.00 0.01 0.04
露点℃ 6.0 6.0 -4.1
热处理后试样品质 均匀和致密 均匀和致密 均匀光亮
堆积氧化物 堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表4续
实例 4-13 实例 4-14 实例 4-15
热处理温度℃ 1,000 1,000 1,000
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.25
氧% 0.50 0.50 0.75
天然气#(甲烷)% 0.20 0.25 0.20
加热区气氛组成
氧ppm <6 <4 <5
一氧化碳% 0.30 0.50 0.20
二氧化碳% 0.09 0.01 0.20
氢% 0.70 1.10 0.45
甲烷% 0.01 0.04 0.00
露点℃ -9.3 -35.0 0.10
冷却区气氛组成
氧ppm <8 <7 <5
一氧化碳% 0.30 0.45 0.20
二氧化碳% 0.07 0.01 0.20
氢% 0.70 1.05 0.40
甲烷% 0.01 0.04 0.01
露点℃ -9.2 -35.2 0.00
热处理后试样品质 均匀光亮 均匀光亮 均匀和致密
堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表4续
实例 4-16 实例 4-17 实例 4-18
热处理温度℃ 1,000 1,000 1,000
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.25 99.25 99.25
氧% 0.75 0.75 0.75
天然气#(甲烷)% 0.25 0.28 0.32
加热区气氛组成
氧ppm <5 <5 <4
一氧化碳% 0.40 0.60 0.75
二氧化碳% 0.14 0.09 0.06
氢% 0.80 1.10 1.45
甲烷% 0.01 0.04 0.05
露点℃ -1.5 -6.1 -15.6
冷却区气氛组成
氧ppm <6 <7 <7
一氧化碳% 0.40 0.60 0.75
二氧化碳% 0.14 0.09 0.06
氢% 0.80 1.10 1.40
甲烷% 0.01 0.03 0.06
露点℃ -1.5 -6.2 -15.0
热处理后试样品质 光亮和氧化 均匀光亮 均匀光亮
物的混合
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表4续
实例 4-19 实例 4-20 实例 4-21
热处理温度℃ 1,000 1,000 1,000
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.00 99.00 99.00
氧% 1.00 1.00 1.00
天然气#(甲烷)% 0.28 0.40 0.55
加热区气氛组成
氧ppm <4 <5 <4
一氧化碳% 0.50 0.85 1.20
二氧化碳% 0.24 0.15 0.07
氢% 0.80 1.40 2.00
甲烷% 0.01 0.06 0.07
露点℃ 5.0 1.0 -9.5
冷却区气氛组成
氧ppm <5 <5 <8
一氧化碳% 0.50 0.80 1.15
二氧化碳% 0.24 0.15 0.08
氢% 0.80 1.40 1.95
甲烷% 0.01 0.05 0.10
露点℃ 5.1 1.5 -9.6
热处理后试样品质 均匀和致密 均匀光亮 均匀光亮
堆积氧化物
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表4续
实例 4-22 实例 4-23 实例 4-24
热处理温度℃ 950 950 950
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.50 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 0.20 0.25 0.32
加热区气氛组成
氧ppm <7 <8 <6
一氧化碳% 0.30 0.50 0.85
二氧化碳% 0.09 0.03 0.00
氢% 0.65 1.00 1.70
甲烷% 0.02 0.05 0.06
露点℃ -6.0 -26.0 -58.3
冷却区气氛组成
氧ppm 11 12 ～10
一氧化碳% 0.30 0.50 0.80
二氧化碳% 0.07 0.02 0.00
氢% 0.65 1.00 1.60
甲烷% 0.02 0.05 0.07
露点℃ -6.5 -26.2 -58.3
热处理后试样品质 均匀和致密 光亮和氧化 均匀光亮
堆积氧化物 物的混合
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表4续
实例 4-25 实例 4-26 实例 4-27
热处理温度℃ 950 950 950
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.25 99.25 99.25
氧% 0.75 0.75 0.75
天然气#(甲烷)% 0.32 0.55 0.63
加热区气氛组成
氧ppm <8 <6 <6
一氧化碳% 0.75 1.25 1.25
二氧化碳% 0.07 0.00 0.00
氢% 1.35 2.20 2.30
甲烷% 0.10 0.13 0.20
露点℃ -15.3 -58.3 -58.3
冷却区气氛组成
氧ppm 15 12 13
一氧化碳% 0.75 1.20 1.20
二氧化碳% 0.07 0.00 0.00
氢% 1.35 2.10 2.20
甲烷% 0.08 0.12 0.15
露点℃ -15.6 -58.0 -58.9
热处理后试样品质 光亮和氧化 均匀光亮, 均匀光亮,
物的混合 略带草黄色 略带草黄色
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
表4续
实例 4-28 实例 4-29
热处理温度℃ 900 900
进气流速SCFH 350 350
进气位置 加热区 加热区
(位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.50 99.50
氧% 0.50 0.50
天然气#(甲烷)% 0.20 0.28
加热区气氛组成
氧ppm <10 11
一氧化碳% 0.25 0.70
二氧化碳% 0.10 0.00
氢% 0.60 1.30
甲烷% 0.02 0.06
露点℃ -9.6 -35.0
冷却区气氛组成
氧ppm 18 18
一氧化碳% 0.25 0.65
二氧化碳% 0.10 0.00
氢% 0.60 1.25
甲烷% 0.03 0.08
露点℃ -10.0 -34.5
热处理后试样品质 不均匀氧化物 光亮和氧化
物的混合
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
实施例4-1
重复实施例2-3中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置以及退火步骤，但是使用0.2%的丙烷代替2.0%的天然气。此实施例中丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的2.0倍。
根据此步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。如表4所示，进料氮中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳和水汽的混合物（少于6ppm）。在加热区和冷却区内高pCO/pCO2比（＞2.8）和pH2/pH2O比（＞1.3）的存在，导致试样表面的还原。
此实施例表明，经由一个改良的多孔扩散器将用非低温法制得的氮引入到1100℃的加热区中，会形成均匀光亮、无氧化物的试样，只要所用的丙烷或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.8，pH2/pH2O大于1.3，同时在加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
对进炉材料的检验表明，既无渗碳也无脱碳现象，而本实施例中在与丙烷预混的用非低温法制得的氮气氛中热处理的钢样，发生很小程度的脱碳，脱碳深度约为0.0038英寸。
实施例4-2
重复实施例4-1中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速、进气装置类型和位置、丙烷量和退火步骤，但是使用含99.3% N2和0.7% O2的用非低温法制得的氮。此实施例中丙烷的用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.5倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物（小于10ppm）。加热区和冷却区内高pCO/pCO2比（＞2.8）和pH2/pH2O比（＞1.3）的存在导致试样表面的还原。
此实施例表明，经由一个改良的多孔扩散器，将非低温法制得的氮引入1100℃的加热区中，会得到均匀光亮、无氧化物的试样，只要所用的丙烷或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以使加热区和冷却区内的pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3。同时在加热区和冷却区内的残余氧含量小于10ppm。
实施例4-3
重复实施例4-1中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速、进气装置类型和位置、丙烷用量及退火步骤，但是使用含99.02% N2和1.0% O2的用非低温法制得的氮。此实施例中使用的丙烷量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需的化学计量量。
根据这一步骤热处理的钢样表面上具有均匀致密的氧化物层。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区中转化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。加热区和冷却区中低pCO/pCO2比（＜2.8）和pH2/pH2O比（＜1.3）的存在导致试样的氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区的改良的多孔扩散器将与化学计量量的丙烷预混的用非低温法制得的氮引入连续式热处理炉中，对于钢在1100℃受控氧化退火是一种可采用的方法。
实施例4-4
重复实施例4-3中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进料气流速和组成、进气装置位置及类型、退火步骤，但是如表4所示，丙烷的用量由0.2%改为0.25%。此实施例中丙烷的用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的1.25倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀致密的表面氧化物层。加热区和冷却区内低pCO/pCO2比（＜2.8）和pH2/pH2O比（＜1.3）的存在导致试样的氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区的改良的多孔扩散器，将与1.25倍化学计量量的丙烷引入连续式处理炉中，对于钢在1100℃受控氧化退火是一种可采用的方法。
实施例4-5
重复实施例4-3中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置及退火步骤，但是如表4所示，丙烷用量由0.2%改为0.28%。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.40倍。
根据这一步骤热处理的钢样同样在表面上具有均匀致密的氧化物层。冷却区和加热区内低pCO/pCO2比（＜2.8）和pH2/pH2O比（＜1.3）的存在导致试样的氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区的改良的多孔扩散器，将与1.40倍化学计量量的丙烷预混的用非低温法制得的氮引入连续式热处理炉中，对于在1100℃钢的受控氧化退火是一种可采用的方法。
实施例4-6
重复实施例4-3中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置、退火步骤，但是丙烷用量由0.2%改为0.40%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的2.0倍。
根据此步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区中几乎完全转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物（小于4ppm）。加热区和冷却区中高pCO/pCO2比（＞2.8）和pH2/pH2O比（＞1.3）的存在，导致试样表面的还原。
此实施例表明，经由一个改良的扩散器将非低温法制得的氮引入1100℃的加热区中，会形成均匀光亮、无氧化物的试样，条件是所用丙烷或其它任何烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区都使pCO/pCO2大于2.8、pH2/pH2O大于1.3，同时在加热区和冷却区内残余氧含量都小于10ppm。
对进炉材料的检验表明，没有渗碳或脱碳，而本实施例中在与丙烷预混的用非低温法制得的氮气氛中热处理的钢样，发生了约0.0055英寸的脱碳。
实施例4-7
重复实施例4-1中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置、退火步骤，但是温度由1100℃改为1050℃。此实施例中丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽所需化学计量量的2.0倍。
根据此步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物（小于7ppm）。加热区和冷却区内高pCO/pCO2比（＞2.6）和pH2/pH2O比（＞1.4）的存在导致试样表面的还原。
此实施例表明，经由一个改良的多孔扩散器，将用非低温法制得的氮引入1050℃的加热区中，会形成均匀光亮、无氧化物的试样，条件是，所用的丙烷或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，同时加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
实施例4-8
重复实施例4-7中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速、进气装置类型和位置、丙烷用量及退火步骤，但是使用含99.25% N2和0.75% O2的用非低温法制得的氮。此实施例中丙烷的用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.33倍。
根据这一步骤热处理的钢样在其表面上具有均匀致密的氧化物层。进料氮中存在的残余氧在加热区和冷却区中转化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。加热区和冷却区内低pCO/pCO2比（＜2.6）和pH2/pH2O比（＜1.4）的存在导致试样的氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区的改良的多孔扩散器，将与1.33倍化学计量量丙烷预混的用非低温法制得的氮引入连续式热处理炉中，对于钢在1050℃下受控氧化退火是一种可采用的方法。
实施例4-9
重复实施例4-8中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置及退火步骤，但是丙烷用量由0.2%改为0.25%，如表4所示。此实施例中丙烷的用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.7倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物（小于5ppm）。加热区和冷却区内的高pCO/pCO2比（＞2.6）和pH2/pH2O比（＞1.4）的存在导致试样表面的还原。
此实施例表明，经由一个改良的多孔扩散器，将用非低温法制得的氮引入到1050℃的加热区中，会产生光亮，无氧化物的试样，条件是，所用的丙烷或任何其它烃的量多于为残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，同时加热区和冷却区内残余氧含量均小于10ppm。
实施例4-10
重复实施例4-9中所述碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速、进气装置类型和位置、丙烷用量及退火步骤，不同之处在于，使用含99.0% N2和1.0% O2的用非低温法制得的氮，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.25倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀效密的表面氧化物层。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内转化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。加热区和冷却区内低pCO/pCO2比（＜2.6）和pH2/pH2O比（＜1.4）的存在导致试样的氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区的改良的多孔扩散器，将与1.25倍化学计量量的丙烷预混的用非低温法制得的氮引入连续式热处理炉中，对于钢在1050℃受控氧化退火是一种可采用的方法。
实施例4-11
重复实施例4-10中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置及退火步骤，但是丙烷用量由0.25%改为0.28%，如表4所示。此实施例中丙烷的用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.40倍。
根据此步骤热处理的钢样其表面上具有均匀致密的氧化物层。因此，经由一个位于加热区内的改良的多孔扩散器，将与1.40倍化学计量量的丙烷预混的用非低温法制得的氮引入到连续式热处理炉中，对于钢在1050℃受控氧化退火是一种可采用的方法。
实施例4-12
重复实施例4-10中所述碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置、退火步骤，但是丙烷用量由0.25%改为0.40%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.0倍。
用这一步骤热处理的钢样具有光亮、无氧化物的表面。如表4所示，进料氮气中残余的氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物（少于5ppm）。加热区和冷却区内高pCO/pCO2比（＞2.6）和pH2/pH2O比（＞1.4）的存在导致试样表面的还原。
此实施例表明，经由一个改良的多孔扩散器将非低温法制得的氮引入1050℃的加热区中，会形成均匀光亮的无氧化物的试样，条件是，所用的丙烷或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.6、pH2/pH2O大于1.4，同时加热区和冷却区内的残余氧含量都小于10ppm。
实施例4-13
重复实施例4-1中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置、退火步骤，但是温度由1100℃改为1000℃，如表4所示。实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物（小于7ppm）。加热区和冷却区内高pCO/pCO2比（＞2.5）和pH2/pH2O比（＞1.5）的存在，导致试样表面的还原。
此实施例表明，经由一个改良的多孔扩散器将用非低温法制得的氮引入到1000℃的加热区中，会形成均匀光亮、无氧化物的试样，条件是，所用的丙烷或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，加热区和冷却区内的残余氧含量均小于10ppm。
实施例4-14
重复实施例4-13中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、温度、进气流速和组成、进气装置的位置和类型以及退火步骤，但是丙烷用量由0.20%改为0.25%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.5倍。
根据此步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。因此，经由一个改良的多孔扩散器，将用非低温法制得的氮引入到1000℃的加热区，会形成均匀光亮、无氧化物的试样，条件是，所用的丙烷或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，同时加热区和冷却区内的残余氧含量均小于10ppm。
实施例4-15
重复实施例4-13中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速，进气装置的类型和位置、丙烷用量及退火步骤，但是使用含99.25% N2和0.75% O2的用非低温法制得的氮。此实施例中丙烷的用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.33倍。
根据这一步骤热处理的钢样在表面上具有均匀致密的氧化物层。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内转化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。在加热区和冷却区内低pCO/pCO2比（＜2.5）和pH2/pH2O比（＜1.5）导致试样的氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区内的改良的多孔扩散器，将与1.33倍化学计量量丙烷预混的用非低温法制得的氮引入到连续式热处理炉中，对于钢在1000℃的受控氧化退火是一种可采用的方法。
实施例4-16
重复实施例4-15中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进料气流速和组成、进气装置类型和位置以及退火步骤，但是丙烷的用量由0.20%改为0.25%，如表4所示。此实施例中丙烷的用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.67倍。
根据这一步骤热处理的钢样，其表面光洁度是部分光亮和部分氧化。进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区中转化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。加热区和冷却区内高pCO/pCO2比（＞2.5）的存在可能是试样被还原的原因。但是，在加热区和冷却区内pH2/pH2O比都接近于1.5，这导致试样的部分氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区内的改良的多孔扩散器将与1.67倍化学计量量的丙烷预混的氮通入连续式热处理炉中，用于钢在1000℃氧化退火或光亮退火不是合乎要求的方法。
实施例4-17
重复实施例4-15中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置、退火步骤，但是丙烷的用量由0.20%改为0.28%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.87倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内几乎完全转化成一氧化碳、二氧化碳和水汽的混合物（小于7ppm）。加热区和冷却区内高pCO/pCO2比（＞2.5）和pH2/pH2O比（＞1.5）导致试样表面的还原。
此实施例表明，经由一个改良的多孔扩散器将用非低温法制得的氮引入到1000℃的加热区中，会形成均匀光亮、无氧化物的试样，条件是，所用的丙烷或任何其它经的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，同时在加热区和冷却区内残余氧含量都小于10ppm。
实施例4-18
重复实施例4-15中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样，进气流速和组成、进气装置类型和位置以及退火步骤，但是丙烷用量由0.20%改为0.32%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的约2.1倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。因此，经由一个改良的多孔扩散器将用非低温法制得的氮引入到1000℃的加热区中，会形成均匀光亮、无氧化物的试样，条件是，所用的丙烷或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，同时在加热区和冷却区内残余氧含量都小于10ppm。
实施例4-19
重复实施例4-17中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速、进气装置类型和位置、丙烷用量和退火步骤，但是使用含有99.0% N2和1.0% O2的用非低温法制得的氮，如表4所示。此实施例中丙烷的用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的1.4倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀致密的表面氧化物层。因此，经由一个位于加热区的改良的多孔扩散器将与1.4倍化学计量量的丙烷预混的用非低温法制得的氮引入连续式热处理炉，对于钢在1000℃的受控氧化退火是一种可采用的方法。
实施例4-20
重复实施例4-19中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类装和位置、退火步骤，但是丙烷用量由0.28%改为0.40%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。因此，经由一个改良的多孔扩散器将用非低温法制得的氮引入1000℃的加热区中，会形成均匀光亮、无氧化物的试样，条件是，使用的丙烷或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区中都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，同时在加热区和冷却区内残余氧含量都小于10ppm。
实施例4-21
重复实施例4-20中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置、退火步骤，但是丙烷用量由0.40%改为0.55%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.75倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀光亮、无氧化物的表面。因此，经由一个改良的多孔扩散器将用非低温法制得的氮引入到1000℃的加热区中，会形成均匀光亮的无氧化物的试样，条件是，所用的丙烷或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽的混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.5、pH2/pH2O大于1.5，同时在加热区和冷却区内残余氧含量都小于10ppm。
实施例4-22
重复实施例4-1中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置、退火步骤，但是温度由1100℃改为950℃，如表4所示。此实施例中丙烷的用量等于为将残余氧转化为二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有均匀致密的表面氧化物层。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内转化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。在加热区和冷却区内pH2/pH2O比都接近于1.6和冷却区内约11ppm氧的存在，导致试样的氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区内的改良的多孔扩散器，将与2.0倍化学计量量丙烷预混的用非低温法制得的氮引入连续式热处理炉中，对于钢在950℃的受控氧化退火是可以采用的方法。
实施例4-23
重复实施例4-22中所述的碳钢退火实验，使用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置、退火步骤，但是丙烷用量由0.20%改为0.25%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.5倍。
根据这一步骤热处理的钢样，其表面是光亮表面与氧化表面的混合。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内转化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。冷却区中约12ppm氧的存在导致试样的部分氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区内的改良的多孔扩散器，将与2.5倍化学计量量的丙烷预混的用非低温法制得的氮引入连续式加热炉中，用于钢在950℃光亮退火不是合乎要求的方法。
实施例4-24
重复实施例4-22中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置以及退火步骤，但是丙烷的用量由0.20%改为0.32%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的3.2倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有光亮和无氧化物的表面层。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区中转化成为一氧化碳和水汽的混合物。加热区和冷却区内都存在高的pCO/pCO2比（＞2.4）和pH2/pH2O比（＞1.6）导致试样表面的还原。
此实施例表明，经由一个改良的多孔扩散器将用非低温法制得的氮引入950℃的加热区中，会形成均匀光亮、无氧化物的试样，条件是，所用的丙烷或任何其它烃的量多于为将残余氧完全转化成二氧化碳和水汽混合物所需的化学计量量，而且此用量高到足以在加热区和冷却区内都使pCO/pCO2大于2.4、pH2/pH2O大于1.6，同时在加热区和冷却区内残余氧含量均小于10ppm。
对进炉材料的检验表明既无渗碳也无脱碳发生，而本实施例在与丙烷预混的用非低温法制得的氮气氛中热处理的钢样，发生约0.0048英寸的脱碳。
实施例4-25
重复实施例4-24中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速、进气装置类型和位置、丙烷用量及退火步骤，但是使用含99.25% N2和0.75% O2的用非低温法制得的氮。此实施例中的丙烷用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.1倍。
根据这一步骤热处理的钢样的表面呈现为光亮和氧化层的混合物。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区转化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。冷却区中存在约15ppm的氧导致试样的部分氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区内的改良的多孔扩散器将与约2.1倍化学计量量的丙烷预混的用非低温法制得的氮送入连续式热处理炉中，用于钢在950℃的氧化退火或光亮退火不是合乎要求的方法。
实施例4-26
重复实施例4-25中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置以及退火步骤，但是丙烷用量由0.32%改为0.55%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的3.7倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有光亮的表面品质。试样的表面看来略带草黄色，使得它们勉强合格。如表4所示，进料氮中的残余氧在加热区和冷却区内转化成二氧化碳和水汽的混合物。加热区和冷却区内的高pCO/pCO2比（＞2.4）和pH2/pH2O比（＞1.6）导致试样表面的还原。但是，冷却区内约12ppm氧的存在使得试样表面略带草黄色。
此实施例表明，经由一个改良的多孔扩散器将用非低温法制得的含0.75%氧的氮气通入950℃的加热区中，形成勉强合格的光亮试样。
实施例4-27
重复实施例4-25中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置以及退火步骤，但是丙烷用量由0.32%改为0.63%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的4.2倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有光亮的表面品质。此试样的表面看起来略有草黄色，使得它们勉强合格。传送带和炉膛有积炭迹象，表明使用这样高的丙烷用量不合乎要求。
此实施例表明，经由一个改良的多孔扩散器将含有0.75%氧的用非低温法制得的氮与0.63%的丙烷一起送入950℃的加热区中，用于试样的光亮退火是不理想的。
实施例4-28
重复实施例4-1中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置以及退火步骤，但是温度由1100℃改为900℃，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的2.0倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有光亮和氧化相混合的表面。如表4所示，进料氮气中存在的残余氧在加热区和冷却区内转化成二氧化碳、一氧化碳和水汽的混合物。冷却区内约18ppm氧的存在导致试样的部分氧化（见表4）。
因此，经由一个位于加热区内的改良的多孔扩散器将与约2.0倍化学计量量丙烷预混的用非低温法制得的氮引入连续式加热炉中，用于钢在900℃的氧化退火或光亮退火不是合乎要求的方法。
实施例4-29
重复实施例4-28中所述的碳钢退火实验，采用相同的炉子、温度、试样、进气流速和组成、进气装置类型和位置以及退火步骤，但是丙烷用量由0.20%改为0.28%，如表4所示。此实施例中的丙烷用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的2.8倍。
根据这一步骤热处理的钢样具有光亮和氧化相混合的表面。如表4所示，进料氮气中的残余氧在加热区和冷却区内转化成一氧化碳和水汽的混合物。加热区和冷却区内10ppm以上氧的存在导致试样部分氧化（见表4）。另外，在传送带上可见到一些积炭，说明在900℃的炉内使用等于或多于0.28%的丙烷是不合要求的。
因此，经由一个位于加热区内的改良的多孔扩散器将与2.8倍化学计量量丙烷预混的用非低温法制得的氮引入到连续式热处理炉中，用于钢在950℃氧化退火或光亮退火不是合乎要求的方法。
讨论
实施例4-1到4-6表明，用非低温法制得的氮可以用于钢在1100℃温度的光亮退火，只要使用为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量1.5倍的丙烷，并且使用改良的扩散器向炉子的加热区引入气体进料混合物。由于丙烷的反应活性比天然气高（丙烷的自燃温度为468℃、天然气为556℃），为使钢光亮退火所需的丙烷的量比天然气少得多。实施例4-7到4-24表明，用非低温法制得的氮可以用于钢在1050℃、1000℃和950℃光亮退火，只要分别使用为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量1.7、1.9和3.2倍的丙烷。以上的实施例表明，钢的光亮退火所需丙烷的绝对量随进料氮气中的残余氧含量的增加而增加。另外，钢的光亮退火所需的丙烷的绝对量随热处理温度的增高而减少。
以上实施例表明，用非低温法制得的氮可以用于在1100、1050、1000和950℃进行钢的氧化退火，只要加到进料氮气中的丙烷的量分别少于为将进料氮气中存在的残余氧转化成二氧化碳和水汽混合物所需化学计量量的1.5、1.7、1.9和3.2倍。利用非低温法制得的氮和丙烷的混合物对低碳钢进行氧化退火和光亮、无氧化物退火的操作范围示于图9。
使用以非低温法制得的氮和天然气的混合物进行了青铜对碳钢的钎焊实验。下面详细讨论这些实验的结果。
表5
实例 5-1 实例 5-2 实例 5-3
热处理温度℃ 1,000 1,000 1,000
进气流速SCFH 350 350 350
进气位置 加热区 加热区 加热区
(位置76) (位置76) (位置76)
进气装置类型 改良的多孔扩 改良的多孔扩 改良的多孔扩
散器(图3C) 散器(图3C) 散器(图3C)
进料气组成
氮% 99.70 99.70 99.60
氧% 0.30 0.30 0.40
天然气#(甲烷)% 2.00 2.00 2.50
加热区气氛组成
氧ppm <3 <3 <3
一氧化碳% 0.50 0.50 0.70
二氧化碳% 0.00 0.00 0.01
氢% 2.00 2.00 2.50
甲烷% 0.70 0.73 0.80
露点℃ -57.7 -57.5 -57.3
冷却区气氛组成
氧ppm <9 <9 ～10
一氧化碳% 0.45 0.50 0.55
二氧化碳% 0.00 0.00 0.01
氢% 2.00 2.00 2.50
甲烷% 0.70 0.75 0.94
露点℃ -38.4 -37.9 -36.7
钎焊的试样品质 良好 良好 良好
＊天然气与氮混合，按非低温法制得的氮总量的百分数加入。
实施例5-1
按照实施例2-17A中所述的热处理步骤，使用相同的炉子、进料气流速和组成、温度、进气装置类型和位置，用铜预制件进行青铜对碳钢的钎焊。如表5所示，在此实施例中使用的用非低温法制得的氮含有99.70%氮和0.30%残余氧。天然气的加入量为2.0%。它约等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的13.3倍。
在此实施例中将碳钢与青铜部件成功地钎焊在一起，钎焊料流动良好。压力交变吸附法（PSA）氮气-天然气气氛提供了最佳的钎焊铺展和角焊缝形成。另外，在钎焊接头处看不到有空隙形成。最后，钎焊的碳钢和青铜部件具有光亮、无氧化物的表面层。
此实施例表明，可以用与烃类气体预混的用非低温法制得的氮进行青铜与碳钢的钎焊。
实施例5-2
重复实施例5-1中所述的钎焊实验，使用相同的炉子、进气流速和组成、温度、进气装置类型和位置，结果如表5所示。
此实施例中将碳钢与青铜部件成功地钎焊到一起，钎焊料流动良好。PSA氮气-天然气气氛提供了最佳的钎焊铺展和角焊缝形成。另外，钎焊接头处看不到有空隙形成。最后，钎焊的碳钢和青铜部件具有光亮、无氧化物的表面层。
此实施例再一次表明，可以用与烃类气体预混的用非低温法制得的氮进行青铜与碳钢的钎焊。
实施例5-3
重复实施例5-1中所述的钎焊实验，采用相同的炉子、进气流速、温度、进气装置类型和位置，但是使用含99.60%氮和0.40%氧的用非低温法制得的氮并加有2.5%天然气，如表5所示。天然气的用量等于为将残余氧转化成二氧化碳和水汽的混合物所需化学计量量的12.5倍。
在此实施例中将碳钢和青铜部件成功地钎焊到一起，钎焊料流动良好。PSA氮气-天然气气氛提供了最佳的钎焊铺展和角焊缝形成。另外，钎焊接头处看不到有空隙形成。最后，钎焊的碳钢和青铜部件具有光亮、无氧化物的表面层。
此实施例表明，可以用与烃类气体预混的用非低温法制得的氮进行青铜与碳钢的钎焊。
如上说明了申请人的发明之后，在所附的权利要求中陈述了希望由专利证书保护的内容。