可控氣氛安全技術(shù)-防止爆炸的措施

可控氣氛安全技術(shù)-防止爆炸的措施

"可燃氣體與空氣(或氧氣)以混合方式存在"是可燃氣體爆炸的、個必要條件。此外可

燃氣體爆炸還有一個必要條件"可燃氣體與空氣的混合比例處于爆炸極限之內(nèi)"。如果我們采

用各種技術(shù)措施，確?？扇細怏w與空氣不發(fā)生混合，從根本上防止形成易爆的混合氣體，由

于不具備這個必要條件，也就能夠有效地防止可燃氣體爆炸。

例如，在低于安全溫度(750℃)以下的爐內(nèi)充滿了可燃氣體的情況下，為了防止它發(fā)

生爆炸，可采取以下措施：

①立即關(guān)斷向爐內(nèi)輸送可燃氣體，并將殘留在爐內(nèi)的可燃氣體燃燒掉；

②用不可燃氣體，例如N2將原可燃氣體沖洗、置換出爐膛；

③繼續(xù)向爐內(nèi)輸送可燃氣體，使爐子具有一定正壓，確保外界空氣無法侵入。

以上都是從根本上消除了導(dǎo)致爆炸的物質(zhì)條件以及這些物質(zhì)的數(shù)量和空間分布條件，所

以能夠防止可燃氣體爆炸。

"具有足夠溫度的著火源”是可燃氣體爆炸的另一個必要條件，但它同時也是可燃氣體進

行穩(wěn)定燃燒的必要條件。

在設(shè)備和工藝允許的情況下，可以預(yù)先將整體環(huán)境溫度(即爐膛溫度)提高到或保持在

安全溫度(750℃)以上，從而使可燃氣體通過擴散燃燒的方式，有控制地進行燃燒。因此

能夠防止可燃氣體的爆炸。

現(xiàn)在，讓我們來討論，什么情況下在爐膛內(nèi)會形成易爆的混合氣體。由于正常的作業(yè)過

程或運行故障，總會出現(xiàn)爐內(nèi)溫度突然或連續(xù)降低的現(xiàn)象，因爐內(nèi)氣體隨之冷卻、收縮，與

外界大氣壓相比，爐氣壓力可能會降低為零壓甚至負壓。由于出現(xiàn)了真空現(xiàn)象，外界空氣將

通過廢氣排放口或密封較差的部位被吸入爐膛。這些外來的空氣與爐內(nèi)的可燃氣體混合，極

有可能形成易爆的混合氣體。所以必須采取措施防止爐壓降低，例如，及時向爐內(nèi)添加氮氣

或其他不可燃氣體，以填補爐內(nèi)形成的真空。一旦出現(xiàn)了負壓，就要及時地采取有效措施防

止空氣被直接吸入爐內(nèi)，例如，在進爐之前先燒掉外來空氣中的氧氣，避免在爐內(nèi)形成易爆

的混合氣體。

另一方面，當爐內(nèi)可能會形成易爆的混合氣體時，如果能提前或及時將爐內(nèi)氣氛改換為

另一種不會爆炸的氣氛，同樣可以防止爐子內(nèi)部的氣體爆炸?；谶@一思路，在安全生產(chǎn)中

常常采用幾種不同的“爐氣置換法"。

綜合以上討論結(jié)果，從安全運行和安全操作的角度考慮，防止可燃氣體爆炸的措施可以

有以下幾個方面.

①當爐內(nèi)不需要可燃氣體的情況下，要嚴格、可靠地關(guān)斷可燃氣體輸入管路，徹底堵

絕可燃氣體向爐內(nèi)泄漏，從根本上消除導(dǎo)致爆炸的物質(zhì)條件。

②安全溫度法：條件允許時，把爐膛溫度提高到或保持在安全溫度(750℃)之上。

③防止爐內(nèi)直接吸入空氣：首先要防止爐內(nèi)出現(xiàn)負壓。如出現(xiàn)負壓，則要及時地防止

空氣被直接吸入爐內(nèi)。

④燃燒置換法：即采用燃燒的方法，先燒盡爐內(nèi)氣氛，然后根據(jù)嚴格的程序和步驟，

再用所要求的氣體將燃燒產(chǎn)物置換到爐外。

⑤充氣置換法：充氣法換氣，將不可燃氣體如N2沖洗爐子，使爐內(nèi)全部置換為無爆炸

危險的沖洗氣體。

⑥抽空置換法：抽空法換氣，即先抽空爐內(nèi)氣氛，再充以所需要的、無爆炸危險的氣

氛等。

注意，用不可燃氣體如N2沖洗爐子，即上述的充氣置換法，在各種場合下均可進行；

但用燃燒法換氣或抽空法換氣，則需要滿足一定的條件和要求。

下面將對防止可燃氣體爆炸的各種措施及原理分別進行敘述。

1.將爐膛溫度保持或提高到安全溫度之上

“具有足夠溫度的著火源"是可燃氣體爆炸的一個必要條件。各種形式的"著火源"，對于

大多數(shù)熱處理作業(yè)過程是難以避免的或是防不勝防的。因此在可控氣氛熱處理爐內(nèi)，通過消

除"著火源”的途徑來防止爆炸是不可行的。但是以反向思維的角度考慮：如果我們先將環(huán)境

溫度即爐膛溫度提高到安全溫度以上，然后再通入可燃氣體，與爐內(nèi)原有的空氣或氧氣發(fā)生

擴散、混合和穩(wěn)定的燃燒反應(yīng)，從而可以完全避免爆炸；總之，在保持或超過安全溫度的條

件下，可燃氣體與空氣以任何比例進行混合，都不會發(fā)生爆炸。根本的原因在于：此時不具

備發(fā)生可燃氣體爆炸的空間分布條件和環(huán)境條件，即可燃氣體與空氣，在它們接觸著火溫度

或著火能量之前，并沒有相互混合，更無從達到一定的體積比例范圍(爆炸極限以內(nèi))，也

就不可能發(fā)生爆炸。

所以，針對著火源而言，出現(xiàn)了一個反其道而行之的方法。該方法的關(guān)鍵在于：通入可

燃氣體之前，把爐膛溫度提高到或保持在安全溫度以上，徹底擺脫了局部區(qū)域存在“著火源"

的"禁忌"。

當然提高爐溫是需要一定時間的，而且在預(yù)料到有可能形成爆炸性的混合氣體之前，就

應(yīng)當把爐膛溫度提高到安全溫度(750℃)以上。換言之，不能將可燃氣體通入含有空氣的、

正在加熱、升溫但溫度低于750℃的冷爐室內(nèi)，反而應(yīng)該在通入可燃氣體之前，先將爐膛加

熱到安全溫度750℃之上。

很顯然，不具備加熱能力的冷爐室，或者設(shè)備和工藝上限制使用750℃以上的溫度，這

種方法是不適用的?

2.防止爐內(nèi)負壓造成爆炸

如果爐內(nèi)出現(xiàn)了負壓，則要及時地防止空氣被直接吸入爐內(nèi)。這里的負壓，是指爐內(nèi)氣

體的壓強低于周圍環(huán)境的大氣壓強。負壓是因為爐膛內(nèi)形成了真空而造成的。在可控氣氛熱

處理爐的運行中，爐門的升降、熾熱工件的轉(zhuǎn)移、冷工件的進入或著爐子機組的故障等原因，

將使爐室內(nèi)原有爐氣的溫度降低，其體積也隨著收縮并減少，從而使爐內(nèi)氣體壓強低于周圍

環(huán)境的大氣壓強。于是，爐內(nèi)便形成了"真空"或"負壓"。從原理上講，這里的爐膛類似于我

國民間治病用的"拔火罐"，在點火后的“拔火罐"里，燃燒后的氣體先膨脹，當罐口在人體上

扣嚴之后，罐內(nèi)氣體隨著溫度降低便開始收縮，這樣就使"拔火罐”里能保持相當長時間的真

空（或負壓）而被吸附在人體上。

（1）導(dǎo)致爐室內(nèi)出現(xiàn)負壓（真空）的原因

①爐子漏氣。

②裝、卸料作業(yè)或工件的輸送過程會引起爐氣體積和爐溫的劇烈改變。例如，當具有

火簾保護的外爐門打開時，除火簾自身的燃燒外，還引燃了爐內(nèi)的可燃氣體，大量的燃燒熱

量使爐壁受熱，而且使爐內(nèi)的氣體升溫并膨脹；當外爐門關(guān)閉后，因火焰消失及爐壁熱量的

散失，使爐內(nèi)氣體迅速地冷卻、降溫并導(dǎo)致其體積收縮，從而在爐室內(nèi)造成真空。爐門開啟

后燃燒的火焰愈大，密封爐膛及爐內(nèi)氣體受熱后的溫度愈高，則外爐門關(guān)閉后的真空度將會

愈大。

與上述類似，當中間內(nèi)爐門打開時，高溫爐膛通過熱輻射以及爐氣的對流，將大量的熱

量傳遞給相鄰的冷爐室，使之受熱升溫。當內(nèi)爐門關(guān)閉后，隔離了熱源的冷爐室又再次冷卻

下來，使爐內(nèi)氣體的體積顯著收縮，從而產(chǎn)生真空。

當熾熱的工件從低溫爐膛移去之后，使該爐壁和爐內(nèi)氣體的溫度迅速下降，導(dǎo)致爐內(nèi)氣

體的體積收縮并造成真空。例如，當熾熱的工件從淬火室升降臺浸入淬火油槽后，油槽上方

原先受熱的氣氛隨之冷卻下來，使氣體的體積收縮，從而在淬火室內(nèi)造成真空。

③當熾熱的爐氣被循環(huán)系統(tǒng)強烈地冷卻或大量油蒸汽在低溫器壁上冷凝，同樣會導(dǎo)致

爐內(nèi)氣體的體積縮小并造成真空。

④當爐子出現(xiàn)故障或處于不正常運行狀態(tài)時，也可能發(fā)生類似于上述的現(xiàn)象和過程，

所以也可能導(dǎo)致真空。

總之，真空的產(chǎn)生取決于爐子的類型和特定的工藝過程。而爐子或機組本身的故障，也

會產(chǎn)生真空或者加劇已經(jīng)存在的真空。

（2）負壓（真空）現(xiàn)象的危害

可控氣氛熱處理爐中，真空會使爐內(nèi)形成爆炸性氣氛。若爐子溫度低于750℃且有引火

源時，便會引起爆燃或者爆炸。這種情況可能發(fā)生在爐子的局部區(qū)域，如在密閉爐膛、冷卻

區(qū)以及觀察孔處。

假如出現(xiàn)了真空，外界空氣便從爐子的泄漏處或密封不好的部位，諸如爐門、軸套類部

件的活動連接處、各種伸縮套、密封面或者法蘭盤連接處進入爐中。

當冷卻介質(zhì)（例如淬火油）的供應(yīng)管道與爐腔直接連通且未采取關(guān)斷措施時，真空可導(dǎo)

致溢流管內(nèi)的冷卻介質(zhì)被吸干,從而使外部空氣直接進入爐內(nèi)。發(fā)生這種情況是十分危險的。

（3）避免或減少負壓（真空）危害的措施

①要嚴格密封爐子，確保不發(fā)生任何意外的氣體泄漏。

②在即將達到臨界真空之前，壓力補償系統(tǒng)可根據(jù)爐壓測量值立即將氮氣輸入爐內(nèi)，

也可同時切斷燃料氣體進入爐子。一直到壓力穩(wěn)定后才停止動作。為此需要配備相應(yīng)的安全

裝置。

③由爐外提供燃料和空氣，經(jīng)過專門的燒嘴或燃燒裝置進行比較充分地燃燒，并使燃

燒所得的混合氣體進入爐內(nèi)，顯著地減少了被吸入爐內(nèi)的氧含量,需要配備相應(yīng)的安全裝置。

④向爐內(nèi)引入大量保護氣，也應(yīng)配備相應(yīng)的安全裝置。

⑤為防止爐內(nèi)急劇降溫，可緩慢關(guān)閉高溫爐膛的爐門。

注意：當爐內(nèi)存在真空時，不可打開相關(guān)的爐門，特別是有可能進入空氣的密封外爐門。

（4）防止負壓產(chǎn)生爆炸的安全裝置

對具有密封冷爐室或內(nèi)置淬火油槽的爐子，當其內(nèi)部以較快速度降溫時，將不可避免地

產(chǎn)生真空。應(yīng)根據(jù)出現(xiàn)真空（負壓）的程度和現(xiàn)場的條件，有選擇地使用以下安全裝置。

①爐內(nèi)氣氛壓力監(jiān)測器及控制開關(guān)：當爐壓低于壓力監(jiān)測器設(shè)定的下限值，爐壓監(jiān)測

開關(guān)即發(fā)出信號并打開安全氮氣或其他保護氣體的控制電磁閥，使這些氣體自動進入爐內(nèi)以

彌補爐壓的降低。當爐壓恢復(fù)正常時，爐壓監(jiān)測開關(guān)將自動關(guān)斷氮氣供應(yīng)電磁閥。

②保壓閥和高壓氮氣補償系統(tǒng)：保壓閥亦可稱為爐氣排放穩(wěn)壓閥，它被安裝在廢氣排

放管的出口處，其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。當爐內(nèi)壓力升高或降低時，通過氣流的作用自動調(diào)整

閥板與閥座間的環(huán)形氣隙大小，從而使爐壓朝相反方向減少或增大。它最大的優(yōu)點是：當事

先調(diào)整好配重祛碼后，即使氣體流量或爐溫有微小變動，仍可使爐壓維持穩(wěn)定；另外當爐壓

很低甚至成為負壓時，閥板落下會擋住外界空氣從此進入。

圖2-2爐氣保壓閥的示意圖

]一附片,2-閥座,3-閥桿,[―可城*的核用

如果爐內(nèi)出現(xiàn)真空，上述的壓力監(jiān)測開關(guān)可使高壓氮氣（4?6atm）立即通入爐內(nèi)，數(shù)

秒鐘內(nèi)就能讓爐壓恢復(fù)正常。使用這套安全系統(tǒng)的前提是：要有足夠數(shù)量的高壓氮氣儲備。

③可調(diào)節(jié)通氣量的電動碟閥和環(huán)形燃燒器：該套裝置適用于缺乏充足氮氣供應(yīng)的情況,

它安裝在廢氣排放管的末端（見圖2-3）。

圖2-3電動碟閥和環(huán)形燃燒器

1一帶有電子打火和火焰監(jiān)測報警裝置的點火燒?I，2-環(huán)形燃燒器?3廢氣排放

管,4一與氣流間夾角可喝節(jié)的閥片，5—電破閥?6一可燃原料氣的供氣電磁閥

電動碟閥的閥片安裝在廢氣排放管的管路上，該閥片與氣流間的夾角可以設(shè)定成兩個位

置。一個位置是爐子正常排放廢氣時用來調(diào)整爐壓平衡的；另一個位置是當爐內(nèi)真空將原料

氣與外界空氣的燃燒氣流吸入時，用來控制該氣流的進入量。

當爐內(nèi)將要出現(xiàn)真空時，向環(huán)形燃燒器供應(yīng)原料氣的電磁閥自動打開，這時原料氣與外

界空氣在環(huán)形燃燒器端口處被點燃，當爐內(nèi)出現(xiàn)負壓時，形成的燃燒火炬或燃燒產(chǎn)物被吸入

管口內(nèi)。與此同時，電動碟閥的閥片改變?yōu)槿紵龤膺M入時的位置。如果燃燒得比較充分，進

入爐中的燃燒產(chǎn)物主要由外部空氣中的氮氣、部分的二氧化碳和水蒸氣等氣體組成，它們將

有效地填補爐內(nèi)真空，經(jīng)過數(shù)分鐘或更長時間后，爐壓將逐漸恢復(fù)正常，環(huán)形燃燒器端口處

的燃燒火炬亦開始向外冒出，在規(guī)定的燃燒時間以后，環(huán)形燃燒器上的原料氣電磁閥關(guān)閉，

同時電動碟閥的閥片也立刻回復(fù)到正常排氣時的原始位置。此后，爐內(nèi)壓力和廢氣燃燒情況

將完全恢復(fù)到正常運行狀態(tài)。

④出現(xiàn)負壓時，能及時增大保護氣流量（即按比例、同時增加原料氣和空氣流量）的

自動供氣系統(tǒng)。

此套系統(tǒng)一般安裝在爐溫高于750℃的加熱室的進氣管道上，增大了流量的保護氣一般

也屬于吸熱式氣氛（當然也可用氮氣或放熱式氣氛），進入高溫爐之后通過內(nèi)爐門的氣體導(dǎo)

通孔向冷爐室加壓。它適于爐內(nèi)真空不很嚴重的情況。

⑤安裝在冷爐室內(nèi)，由爐外分別按比例供給燃氣和空氣、具有壓力平衡調(diào)節(jié)和火焰自

動監(jiān)測系統(tǒng)的專用燃燒器（燒嘴）等。

該系統(tǒng)的實質(zhì)是：在非?？煽康陌踩O(jiān)測保護下，在冷爐室內(nèi)安裝一個或多個永不熄滅

的引燃燒嘴，并由此燒嘴提供放熱式燃燒氣體。從減少真空，防止爆炸的目的出發(fā)，與通入

氮氣的方法比較，安全效果相差不多，但監(jiān)測、保障系統(tǒng)較為復(fù)雜，投入成本較高。

3.燃燒法換氣

眾所周知，一般情況下可控氣氛熱處理爐中總是單獨存在著3種氣體：空氣、可燃氣體

和氨氣（或其他不可燃氣體）。從安全觀點出發(fā)，前兩種氣體要么單獨存在，要么與氮氣混

合存在，都是安全的；但空氣與可燃氣體不能混合存在，否則是危險的。工藝和程序步驟往

往要求將內(nèi)的空氣轉(zhuǎn)換為可燃氣體，或者將可燃氣體轉(zhuǎn)換為空氣，燃燒法換氣就是安全地實

現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換的最簡單、最快捷的措施和手段。

所謂燃燒法換氣，經(jīng)常采用兩種方式。

第一種方式，是打開爐門，利用外界的自然空氣將爐內(nèi)原有的可燃氣體燒掉并改換為空

氣；與熱處理現(xiàn)場操作中的“開門放氣"一樣，結(jié)合其用途，可稱為“燃燒-放氣法"。

第二種方式，是引入可燃氣體與爐內(nèi)原有的空氣燃燒使含氧量減少，繼續(xù)輸入可燃氣體

并將爐內(nèi)全部改換為可燃氣體。顯然，第二種方式一般應(yīng)關(guān)閉爐門，在爐內(nèi)早期要有燃燒火

焰，而且還要有排氣口，以便排出所置換的爐氣。這種方式要達到的目的，就是要逐步將充

滿爐內(nèi)的空氣"燒盡"或"趕走"，并代之以可燃氣體，也就是向含有空氣的爐膛如何安全地輸

送可燃氣體，結(jié)合其用途，故可稱之為“燃燒-送氣法”。

進行爐氣置換，不僅是工藝的需要，而且是安全防爆的需要.無論用哪種燃燒法置換爐

氣，因為置換時爐溫有可能是高于750℃的，也有可能是低于750°（:的，在爐溫高于750℃

的爐室中，可以比較安全的實現(xiàn)爐氣置換；而對爐溫低于750℃的冷爐室，會存在空氣與可

燃氣體發(fā)生混合、爆炸的潛在危險；所以，在此強調(diào)：在爐溫低于750℃的冷爐室的情況下,

無論用"燃燒-放氣法"，還是用"燃燒-送氣法"，為了安全地完成爐氣置換，都必須依靠特定

的設(shè)備條件和嚴格的操作程序來保證。

由于箱式多用爐既有爐溫低于750℃的前室（即冷爐室），又有爐溫高于750℃的加熱

室，所以通過這種典型結(jié)構(gòu)可以全面地了解各種燃燒法換氣的具體應(yīng)用。

3.1燃燒-放氣法

"燃燒-放氣法"是將可控氣氛熱處理爐內(nèi)原有的可燃氣體改換成空氣的一種簡單、實用

的爐氣置換方法。以多用爐為代表，它在熱處理工序中得到了廣泛的應(yīng)用.

(1)多用爐"停止供氣"和"燒炭黑"工序中的"開門放氣"操作

對于爐內(nèi)充滿了可燃氣體、加熱室溫度高于安全溫度(750℃)的箱式多用爐，當需要

停止可燃氣體供應(yīng)時：

①先打開前室的外爐門，該爐門下方的火簾將立刻自動點燃，并利用外界空氣先燒盡

前室內(nèi)的可燃氣體，為了確保及時點火，必須在外爐門口的下方安裝一套與爐門動作聯(lián)鎖的

火簾自動燃燒裝置。即只有火簾燃燒后，外爐門才能打開。

②待大火燃盡后，即可關(guān)斷通入加熱室的可燃氣體的供應(yīng)。

③接著部分或全部打開中間爐門，在數(shù)分鐘內(nèi)便可燒盡加熱室內(nèi)的可燃氣體。

④然后關(guān)閉中間爐門等待自然降溫。

如果要順便進行燒炭黑工序，僅僅是需要把打開中間爐門的時間適當延長即可。打開中

爐門的時間，可根據(jù)炭黑的多少而定。在燒炭黑的過程中，要密切注意爐膛溫度是否急劇上

升，若有升溫到900℃以上的趨勢，則應(yīng)立即關(guān)閉中間爐門，待降溫后再重復(fù)進行以上操作。

因此，"燃燒一放氣法"也常用于停爐前的"自然通風燒炭黑"工序。

(2)多用爐在裝、卸工件之前的“開門放氣"操作

在裝、卸料之前，多用爐的前爐門和中爐門均關(guān)閉，前室的廢氣排放口具有穩(wěn)定的燃燒

火焰。為了裝、卸工件，需要打開進料端或出料端的前室爐門。由于爐門口下方的火簾自動

點火裝置，在爐門開啟后，爐內(nèi)的可燃氣體立即被火簾點燃。當爐氣被引燃且爐門完全開啟

后，可通過動力裝置將工件裝入或拉出前室。若前爐門仍繼續(xù)開啟，爐內(nèi)的氣體燃燒產(chǎn)物將

逐漸被后來進入的空氣所代替。若完成工件的裝或卸之后關(guān)上外爐門，將開始進行"前室排

空程序"(在“燃燒-送氣法"的應(yīng)用中介紹)。

(3)緊急故障情況下的"開門放氣"操作

正在運行的可控氣氛多用爐，若突遇供電、供氣故障，又沒有充足的氮氣的情況下，為

了安全，一般要立即打開冷爐室的外爐門，燒盡前室的爐氣，即進行“開門放氣"操作。

由于電源、氣源或相關(guān)動力供應(yīng)的中斷，引燃爐氣和打開爐門的操作只能靠人工進行。

操作人員必須嚴格執(zhí)行在故障狀態(tài)下"點火、開門”的安全操作規(guī)程。

（4）多用爐"開門-燃燒-放氣”過程中爐內(nèi)氣氛的變化

我們來討論，在上述過程中爐內(nèi)氣氛的變化情況。

假設(shè)多用爐仍處于裝、卸料工序之前的狀態(tài)：加熱室溫度在750℃以上并正常供氣；內(nèi)

爐門、外爐門處于關(guān)閉狀態(tài)；前室的廢氣排放口上有穩(wěn)定的燃燒火焰（即相當于上一次前室

換氣結(jié)束時的狀態(tài)）。

裝、卸料工序的過程如下：首先打開外爐門，因外爐門開啟與火簾燃燒系統(tǒng)是互鎖的，

即外爐門打開前火簾已被點燃，一旦打開外爐門，前室內(nèi)的可燃氣體即被引燃；因其溫度和

壓力都高于爐外大氣，燃燒氣體密度低且具有升力，所以在爐門口形成的大火先向外噴出并

隨即向上方飄移。

這就是前邊講過的、用空氣燒盡前室內(nèi)可燃氣體的“燃燒法”（在外爐門開啟后，操作者

用裝卸料設(shè)備將工件從前室拉出或是裝入新的工件）。在爐子門口，這些火焰的燃燒界面，

也就是正在燃燒的爐氣與大氣壓力相平衡的"零壓面"。從"零壓面"的移動變化，可以生動地

顯示出燃燒爐氣和侵入空氣在前室內(nèi)空間位置的變動情況。一開始燃燒氣體沖向爐門外正前

方，如圖2-4中①所示。隨著燃燒氣體的上升和冷空氣的補充，該燃燒氣體與冷空氣之間

的所謂"零壓面"，從爐外向前室內(nèi)的下方傾斜，如圖2-4中②所示；并逐漸向前室內(nèi)側(cè)和頂

部退縮，如圖2-4中③所示?！傲銐好?的下方，即為隨之跟進到爐內(nèi)的冷空氣。

圖2-4正常運行的多用爐在剛打開外爐門后

燃燒爐氣和流入空氣在前室空間內(nèi)的變動情況

在完成了工件的裝卸之后，就可以關(guān)上外爐門。因為有部分空氣已經(jīng)進入了前室，此時

就應(yīng)采用如前所述的“燃燒-送氣法"，即用內(nèi)爐門下方的火焰，盡可能地消耗這些空氣并將

其置換出去。對可控氣氛熱處理爐，這一操作過程常被稱為"前室排空程序”。

關(guān)于"前室排空程序"中的爐氣變化情況和安全注意事項，在下一節(jié)的“燃燒-送氣法”的應(yīng)

用中介紹。

(5)應(yīng)用"燃燒-放氣法"時的注意事項

①對溫度低于750℃的冷爐室，其前爐門下方必須具備一開門就能將爐氣引燃的安全

裝置。之所以這樣要求，是因為一打開爐門，前室內(nèi)的可燃氣體將向外逸散，接著空氣就會

侵入并與它混合，如果開門時未能及時點火，意味著先讓空氣與爐氣混合，然后再讓某個“著

火源"來引爆，這顯然是很危險的。所以，必須要在它們有可能發(fā)生混合之前(即開門時)，

先引燃爐氣。

因此，用"燃燒-放氣法"燒盡爐氣時，為了保證一打開外爐門就能立即引燃爐內(nèi)的可燃

氣體，應(yīng)在外爐門口的下方安裝一套與爐門動作聯(lián)鎖的火簾自動燃燒裝置。即只有火簾燃燒

后，外爐門才能打開；當爐門打開后，火簾已經(jīng)將爐氣引燃。在平時.，一定要確保該系統(tǒng)功

能完好，運行正常。

②一定要充分認識到在進行"點火開門"和"人工引燃爐氣”的操作時的危險性。很多的慘

痛教訓(xùn)告訴我們：在操作“引燃爐氣"和"點火開門"的時候，絕對不能掉以輕心。"點火開門"

雖然輕而易舉，但不意味永遠是絕對安全的。操作者必須明白：現(xiàn)在的情況與此前相比，爐

子有沒有發(fā)生異常，在什么情況下的爐氣才可以點燃以及用怎樣的方法點燃。

首先要清醒地知道，從封閉的爐內(nèi)溢出的、能夠安全點燃的氣體應(yīng)該是具有微正壓的可

燃氣體或者是它與不可燃氣體的混合氣體，但絕對不能是可燃氣體與空氣的混合氣體。特別

是爐內(nèi)雖有可燃氣體，但此前由于各種原因卻滲入了空氣，在操作者不知情且又未作自身安

全保護的情況下去點燃爐氣，爆炸災(zāi)難就會瞬間發(fā)生。在“開門放氣”之前，要確保爐子的供

氣狀況正常，應(yīng)該注意使爐內(nèi)氣氛保持微正壓（200?300Pa左右）。其根本的目的，是要

求打開爐門之前，爐內(nèi)不得進入空氣。若確認爐內(nèi)可能進入了空氣，最好用氮氣進行沖洗置

換。

無論是何種情況，在進行“開門放氣"操作時，所有人員必須避開爐門正前方。對于具備

安全裝置和動力設(shè)施的請況下，以上所說的"點火"和"開門"，僅用按鈕操作即可完成。但是

在發(fā)生動力和燃氣供應(yīng)故障時，一切都要靠手工完成。應(yīng)在前爐門打開之前，先將"帶有長

柄的人工引燃火炬"點燃，操作者在稍遠處將其放在爐門口的下方，然后打開爐門使溢出的

爐氣燒盡。這些操作的關(guān)鍵點是先"點火"、后"開門"和"人遠離"。

（6）用燃燒法燒盡爐氣的安全裝置

①在廢氣排放口處應(yīng)安裝不允許熄滅、可監(jiān)測報警的點火燒嘴。該裝置由帶防風罩的

點火燒嘴、點火變壓器、供氣電磁閥和火焰監(jiān)測器組成。當檢測不到火焰時，該裝置具有關(guān)

斷電磁閥供氣并發(fā)出報警的功能（見圖2-3所示）。

圖2-5密封外爐門的火簾燃燒系統(tǒng)

1帶有電子打火和火焰監(jiān)測報警裝置的點火燒噴?2密封外爐ih3火簾燃燒

監(jiān)測探針，4火簾燃燒器?5一可燃原料氣的供氣電磁閥

②應(yīng)在外爐門口的下方安裝火簾燃燒裝置。

火簾燃燒裝置由火簾燃燒器、火簾燃燒監(jiān)測系統(tǒng)以及與上述相同的點火燒嘴等整套裝置

組成（見圖2-5所示）?；鸷熑紵到y(tǒng)與爐門開關(guān)的機械動作是互鎖的。控制系統(tǒng)要求：當

爐門口的點火燒嘴引燃后，向火簾供氣的電磁閥才能打開，只有當火簾已經(jīng)燃燒并被檢測探

針感知后，外爐門才能打開；否則外爐門不能打開。在爐門開啟后，爐內(nèi)的可燃氣體立即被

火簾點燃。當外爐門在開啟后又重新閉合時，火簾燃燒器和點火燒嘴將自動熄火。

3.2燃燒-送氣法

如前所述，"燃燒-送氣法”是將可控氣氛熱處理爐內(nèi)原有空氣改換成可燃氣體的一種簡

單、易行的爐氣置換方法。在以多用爐為代表的“開爐送氣"和"前室排空"等工序上，得到了

廣泛的應(yīng)用。

（1）"燃燒-送氣法"在密封多用爐的"開爐送氣"程序中的應(yīng)用及爐氣變化過程

向加熱室內(nèi)通入可燃氣體之前，多用爐必須具備以下條件。

加熱室爐溫己在750℃以上（此為允許通入可燃氣體的最低溫度，般設(shè)定在850℃以上），

外爐門開啟，內(nèi)爐門關(guān)閉，爐內(nèi)均為空氣。

各部件功能完好，運行狀態(tài)正常；

廢氣排放口的點火燒嘴和外爐門下方的火簾均已點燃；

所有安全裝置運行良好，不在報警狀態(tài)下；

有充足的N2供應(yīng)；

可燃氣體輸入管路上的安全彎管被拆下；

以上條件若滿足，并決定向爐內(nèi)通入可燃氣體時，可以重新安裝好安全彎管。然后按以

下操作步驟進行.

①向加熱室通入規(guī)定流量的可燃保護氣體。由于加熱室溫度在安全溫度之上，開始時

又充滿空氣，所以進入加熱室的可燃保護氣可以穩(wěn)定地燃燒。剛開始燃燒火焰呈"煙云"形狀,

隨著燃燒范圍的擴大和加熱室內(nèi)空氣的逐漸減少，燃燒火焰漸不明顯，甚至熄滅。這時爐內(nèi)

充滿了燃燒產(chǎn)物和陸續(xù)進入的可燃氣體的混合物。繼續(xù)通入的可燃氣體將以“趕氣”方式稀

釋、排擠那些已經(jīng)燃燒過的氣體產(chǎn)物，最終將占據(jù)整個加熱室空間。大約經(jīng)過0.5?lh后，

當持續(xù)通入的可燃氣體從內(nèi)爐門下方的兩個通孔（或內(nèi)爐門下方的氣體通道）溢出與前室的

空氣匯合并穩(wěn)定燃燒時，表示加熱室的原有空氣幾乎全部改變?yōu)榭扇細怏w了，而且使燃燒火

焰從高溫爐膛內(nèi)部轉(zhuǎn)移到了內(nèi)爐門下方的通氣孔處。

②當內(nèi)爐門下方的兩個通孔（或內(nèi)爐門下方的氣體通道）都能向外連續(xù)地冒出穩(wěn)定燃

燒的火焰時，關(guān)上外爐門。

從兩個通孔（或通道）出來的爐氣與前室空氣結(jié)合而產(chǎn)生燃燒火焰，燃燒過的氣體產(chǎn)物

（以82、H2。蒸氣和N2為主）因溫度高且密度低，而且又靠近溫度較高的內(nèi)爐門，具有

較大升力，它們將沿著內(nèi)爐門的外側(cè)向前室頂部空間上升、轉(zhuǎn)移，并逐漸占據(jù)前室的上方空

間；冷卻后的、溫度較低的氣體將沿著外爐門里側(cè)向下流動，并進而補充內(nèi)爐門通孔處燃燒

氣體上升后留下的空間。這種冷熱氣體循環(huán)流動的過程，也就是前室殘余空氣在內(nèi)爐門通孔

（或氣體通道）處被燃燒或消耗的過程。當然也會有少量的未經(jīng)燃燒的空氣會直接從廢氣排

燃燒后的熱爐氣

殘余的空氣和燃燒后冷卻的爐氣

圖2-6帶密封前室的多用爐在“燃燒-送氣法”

換氣時的爐氣變化過程

放口排出（參見圖2-6所示）。

隨著前室殘余空氣逐漸被消耗，內(nèi)爐門通孔外邊的燃燒火焰將熄滅。從內(nèi)爐門通孔處溢

出的可燃保護氣體將與前室內(nèi)經(jīng)過燃燒的氣體產(chǎn)物混合，并通過前室的廢氣排放口排出。因

內(nèi)爐門通孔處的火焰剛剛熄滅后，前室內(nèi)基本上是以燃燒產(chǎn)物為主，一開始在廢氣排放口放

散的爐氣是不能被引燃的。只有當前室中未引燃的可燃保護氣所占的比例較大時，從廢氣排

放口出來的爐氣才能被點燃；直到前室已完全充滿了可燃保護氣時，廢氣排放口處才有穩(wěn)定

的燃燒火焰。至此，燃燒火焰又從內(nèi)爐門下方的通氣孔處最終轉(zhuǎn)移到了爐子外面的廢氣排放

口上。

③當可燃保護氣從前室廢氣排放口處被點燃，并形成穩(wěn)定的燃燒火焰時，表示用"燃燒

-送氣法"向多用爐通入可燃保護氣的操作過程已經(jīng)完成。

讓我們來討論在前爐門關(guān)閉后內(nèi)爐門上的燃燒火焰，能起到怎樣的安全作用。首先，由

于內(nèi)爐門下方的氣體通道是可燃氣體進入前室的唯一出口，此處的溫度又高于安全溫度，所

以來自加熱室的可燃氣體，幾乎只能在這里與前室空氣一邊混合、一邊穩(wěn)定地燃燒；由于不

會發(fā)生先混合、后燃燒的現(xiàn)象，也就不可能有爆炸危險。另一方面，隨著前室的空氣被消耗

到不再能維持燃燒時（即前室空氣已少于爆炸上限所對應(yīng)的空氣含量時），該氣體通道上的

燃燒火焰將漸熄滅。此后由于氧氣含量不足，又沒有新的空氣補充，亦不會有爆炸危險:但

是如果前室空氣含量足夠多（即明顯超過了爆炸上限所對應(yīng)的空氣含量）的時候，由于意外干

擾使燃燒火焰提前熄滅，將會立即形成易爆的混合氣體，隨時都具有爆炸危險。燃燒火焰受

到干擾而提前熄滅得越早，危險程度越大。所以，在足夠的時間里能保持正常燃燒，使得前

室空氣能被最大程度地耗竭，等于是排除了可能發(fā)生爆炸的條件或因素。由此看來，內(nèi)爐門

上燃燒火焰所起的作用，對于確保前室換氣過程的防爆安全是至關(guān)重要的。

對以上用“燃燒送氣法”置換爐內(nèi)空氣的過程，可歸納如下。

通入爐內(nèi)的可燃氣體（可燃保護氣或可燃液體的裂解氣），以擴散燃燒的方式，分別將加

熱室和前室內(nèi)的空氣逐漸燒盡，然后再將燃燒產(chǎn)物置換為可燃氣體（可燃保護氣或可燃液體

的裂解氣）。前者是化學(xué)反應(yīng)（燃燒）過程，后者是物理（置換）過程;因此將這種爐氣置換法稱

為“燃燒-送氣法”。在“燃燒-送氣法”中，爐內(nèi)空氣與燒盡的氣體產(chǎn)物以及沖洗氣體積百

分比的變化過程可參見圖2-7所示。

以及沖洗氣體的體積變化

(2)應(yīng)用“燃燒-送氣法”向多用爐輸入可燃保護氣體的安全注意事項

①在通人可燃保護氣的全過程中，加熱室的溫度必須在750。C以上；

②只有內(nèi)爐門通孔上的火焰穩(wěn)定地燃燒時，才能關(guān)閉外爐門；

③關(guān)閉外爐門后，不得停止可燃氣體供應(yīng)，不得使爐膛降溫，更要防止意外因素使內(nèi)爐門下

方的火焰被撲滅(即非自然地被提前熄滅)，如打開了前室氣體循環(huán)風扇等錯誤操作；

④關(guān)閉外爐門后，前室的換氣過程需要一定的時間才能完成。一般為15~20min,與前室

空間的大小和供氣流量有關(guān)。在前室換氣結(jié)束之前，不得打開內(nèi)爐門。若因故提前打開了外

爐門，則在其關(guān)閉后應(yīng)按規(guī)定的時間重新執(zhí)行換氣過程；

⑤為了安全，應(yīng)當設(shè)計專門的控制電路，以保證按規(guī)定的條件和時間執(zhí)行相應(yīng)的程序，避免

誤操作。

(3)“燃燒-送氣法”在多用爐“前室排空”程序中的應(yīng)用

爐門關(guān)閉，正常供氣的多用爐，在打開前爐門之后，前室內(nèi)的可燃氣體即被燃燒并向外放散,

部分空氣也會乘機進人前室。在執(zhí)行完裝、卸料工序后，關(guān)閉前爐門，以便將進入的空氣排

出，這就是“前室排空”程序。由于前室爐氣燒盡時，在內(nèi)爐門下方通道仍會形成穩(wěn)定的燃

燒火焰，若關(guān)閉前爐門以后，將會重復(fù)上節(jié)所述的前室爐氣的變化過程，也就是繼續(xù)用“燃

燒一送氣法”，最終將前室殘留空氣置換出爐外。

(4)關(guān)于用“燃燒-送氣法”向密封冷爐室輸送可燃氣體的討論

這里的密封冷爐室是指爐溫低于安全溫度(750℃),具有密封爐門(或爐蓋、爐罩等)且廢

氣排放口安裝在爐子上方的單室爐。

用“燃燒-送氣法”向多用爐輸送可燃氣體時，前室爐氣的變化過程給我們提供了一個

啟示：“燃燒-送氣法”也可用于向密封冷爐室輸送可燃氣體，以置換爐內(nèi)原有的空氣。但是

必須在安全裝置和操作程序方面滿足以下安全條件：

①一開始進人爐內(nèi)的可燃氣體就能可靠、穩(wěn)定地燃燒；

②在輸入的可燃氣體能夠穩(wěn)定燃燒的前提下，才可以關(guān)閉外爐門：

③確保爐內(nèi)不再有空氣進入，沒有任何導(dǎo)致?lián)錅缁鹧娴囊馔飧蓴_時，直到燃饒火焰因含領(lǐng)量

不足而自然熄滅。熄滅之后，仍繼續(xù)向爐內(nèi)輸人可燃氣體；

④當從廢氣排放口溢出的爐氣被“常明火”點燃，并能穩(wěn)定燃燒時，表明向冷爐室輸送可燃

氣體的換氣過程已經(jīng)完成。

以上各項中，如何通過儀表檢測來判斷燃燒火焰是否為自然熄滅尚有某些困難，雖然也可以

在冷爐室內(nèi)安裝一只由外部提供燃氣和空氣、具有自動壓力調(diào)節(jié)和火焰監(jiān)測的專用燃燒器，

不受時限地來引燃輸送到爐內(nèi)的可燃氣體，但存在配置復(fù)雜、投入較大的問題。一般情況下,

上述各項要求是通過設(shè)備、基本安全裝置和嚴格的操作程序(其中包括操作人員對進行過程

是否正常的觀察、檢查和判斷)來達到的。

但是應(yīng)該認識到:對于爐膛結(jié)構(gòu)復(fù)雜，爐體較長、截面變化較大，爐內(nèi)存在死角或者可能有

強烈的干擾氣流以及密封性能差的低溫爐室，也不適宜用“燃燒-送氣法”換氣;特別是工藝

過程中爐內(nèi)可能出現(xiàn)強大“負壓”的情況下，建議采取以下的安全防爆措施。

①安全溫度法:在向冷爐室輸送可燃氣體前，將爐溫提高到安全溫度（750℃）以上，然

后向爐內(nèi)輸人可燃氣體并在廢氣排放口穩(wěn)定燃燒，再根據(jù)工資規(guī)定把爐溫降至需要溫度。

②氮氣沖洗置換法:先用氮氣沖洗爐膛，“趕走”爐內(nèi)空氣后，再向爐內(nèi)輸人規(guī)定流量

的可燃氣體，它是最安全、常用的換氣方法。

③以上任何一種方法都可解決向冷爐室輸入可燃氣體的安全問題。但為了克服或避免“負

壓”帶來危險，還應(yīng)配備相應(yīng)的壓力補償裝置（見2.3.2防止爐內(nèi)負壓造成爆炸）。

（5）“燃燒-送氣法”換氣在前爐門不密封的多用爐中的應(yīng)用

對于前爐門不密封的箱式多用爐，也就是利用其前爐門下方的推、拉料鉤通道作為廢氣排放

口的爐子（見圖2-8）,由于此結(jié)構(gòu)的特殊性，用以換氣的操作步驟應(yīng)與上述爐型有所不同。

讓我們分析一下，這種爐型在應(yīng)用“燃燒-送氣法”換氣時，前室爐氣的變化過程。

（E）保護氣入口

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圖2-8前爐門不密封的箱式多用爐的示意圖

1一前室防爆盜（卸壓閥）；2—內(nèi)爐門下方的推拉料鉤通道；

3一前爐門下方的推拉料鉤通道，亦用作廢氣排放口t4一廢氣

排放口的點火燒嘴（常明火5-前爐門下方的燃氣火南懺

假設(shè)達到安全溫度以上的加熱室，在此前已經(jīng)輸入了可燃介質(zhì)，從內(nèi)爐門下方溢出的可燃氣

體正在進行穩(wěn)定地燃燒，前爐門完全開啟，如圖2-9所示。隨著燃燒產(chǎn)物不斷增加并具有升

力，這些熱爐氣將飄升到前室

圖2-9前門不密封的多用爐前室的爐氣變化示意圖

H?一前爐門口下沿與零壓面的距離?Hz—前爐門的下沿與零壓面的距閨

爐頂并從前爐門口的上部溢出，而冷空氣必然要從前爐門口的下方流入前室，當排出的

熱爐氣與進入的冷空氣在流量上大致平衡時，二者就會在前爐門口中部形成一個分界面，這

個分界面稱之為零壓面。零壓面以下的空間，其靜壓力比同一水平的爐外的冷空氣要低，在

此負壓的作用下，外部冷空氣就會流入前室下方:而零壓面之上的空間，其靜壓力比同一水

平面的爐外的冷空氣要高，在此正壓作用下，熱爐氣要從前爐門口的上方溢出。圖中曲線1、

2表示熱爐氣大致的流動方向，而曲線3表示被吸入的冷空氣的流向。

如果此時快速關(guān)閉前爐門，將對前室爐氣原有的流動狀態(tài)造成一次干擾和破壞，即會打亂冷、

熱爐氣各自形成的流動方向，也可能會撲滅中爐門下方的燃燒火焰，也有可能將存留在死角

的、未經(jīng)燃燒的可燃氣體與進入前室的空氣混合，這兩種情況都有可能導(dǎo)致前室立即發(fā)生威

力不同的爆炸。

若此時將前爐門落下一半，將會使熱爐氣滯留在前室上方的空間增大，也就是使熱爐氣

處于正壓的空間范圍擴大了，與此相反，處于負壓的冷空氣的空間則會相應(yīng)的縮小。因此爐

圖2-10前門不密封的多用爐前室的爐氣變化示意圖

H】一前爐門口下沿與零壓面的距離］—前爐門的下沿與零壓面的距離

門口的零壓面也必然隨之下移，如圖2-10所示。圖中曲線1、曲線2表示熱爐氣大致的流

動方向，而曲線3表示被吸人入的冷空氣的流向。

從前室爐氣的這些變化可以看出，當前爐門向下關(guān)閉時，爐門口處的零壓面將隨之向

下移動，使進入的冷空氣減少，這顯然有利于前室換氣過程的。

從上述的分析可以知道，當前爐門完全關(guān)閉之后，零壓面將會轉(zhuǎn)移至爐膛底部。如圖2-11

所示，此時從前爐門下方的通道口排出的已全部是燃燒后的爐氣以及部分未能燃燒的可燃氣

圖2-H前門不密封的多用爐前室的爐氣變化示意圖

Hz-前爐門排氣口上沿與零壓面的距離

前爐門正常關(guān)閉時，零壓面已轉(zhuǎn)移至爐底部

體，用曲線1、曲線2表示。前室開始處于微正壓狀態(tài)。經(jīng)過一段時間后，從前爐門通道口

溢出的爐氣將全部變成可燃氣體并在此穩(wěn)定燃燒。至此，應(yīng)用“燃燒-送氣法”在前室的換

氣過程已經(jīng)完成。

因此，對于前爐門不密封的箱式多用爐，在首次開爐送氣工序中，應(yīng)按照如下操作步驟

進行。

在加熱室內(nèi)通入規(guī)定流量的可燃保護氣體之后，當內(nèi)爐門下方的料鉤通道（或看作氣體

通道）能向外連續(xù)地冒出穩(wěn)定燃燒的火焰時，再分步關(guān)閉前爐門。即將前爐門的關(guān)閉分成

幾次，每次停止落下的間隔時間為數(shù)分鐘，逐次完成外爐門的關(guān)閉。例如每次將前爐門落下

其剩余高度的1/2,每次停留的時間為3min,將前爐門最后一次停留在尚有100多毫米的

剩余高度上，直到滿足以下兩個條件時，方可將前爐門最后落下。

①內(nèi)爐門下方氣體通道口的燃燒火焰已經(jīng)自然熄滅（可通過料鉤通道向爐內(nèi)觀察判斷，

亦可對提前插入到內(nèi)爐門前下方的人工引火棒是否燃燒進行觀察判斷）；

②當前爐門口火簾燃燒的火苗向爐外漂移時（它意味前室內(nèi)的爐氣已經(jīng)達到了正壓，并向外

溢出）；或者前爐門排氣口溢出的爐氣已經(jīng)開始被引燃時.

當前爐門排氣口溢出的爐氣穩(wěn)定燃燒時，表示此多用爐的“開爐送氣”程序已經(jīng)完成。

在此需要特別提醒的是:對于前爐門不密封的箱式多用爐，當前爐門剛被關(guān)閉不久，尤其是

在首次開爐送氣中剛剛將前爐門全部或大部分關(guān)閉時，一定要小心點火燒嘴不要被風吹滅。

如果發(fā)現(xiàn)已被吹滅，只要當時排氣口溢出的爐氣沒有引燃,最好立即關(guān)閉點火燒嘴供氣閥門，

并迅速將前爐門升起，把前室的爐氣燒盡，然后重新按照上述步驟分段關(guān)閉前爐門。在以上

操作過程中操作者都要盡量避開爐門前方。之所以這樣做，是因為當點火燒嘴的火焰被風吹

滅，此類點火燒嘴往往不具備報警并自動切斷燃氣供應(yīng)的功能，從點火燒嘴泄漏出來的燃氣

有可能隨外界空氣進入前室而引起爆炸。

3.4充氣法換氣

當爐內(nèi)氣氛有可能會形成易爆的混合氣體時，或者工藝需要將爐內(nèi)氣氛從一種氣氛安全地改

換為另一種氣氛時，可以采用充氣法來置換爐內(nèi)氣氛，以防止爐內(nèi)形成爆炸性氣氛。這是一

種常用的、安全和易行的方法。

用充氣法來置換爐內(nèi)氣氛，就是在一個有廢氣排放口的密閉爐膛內(nèi)，向爐內(nèi)連續(xù)地通入一種

與爐內(nèi)殘留氣氛混合后不致爆炸的氣體（常被稱為沖洗氣體，是一些不與爐內(nèi)殘留氣氛發(fā)生

化學(xué)反應(yīng)的不可燃氣體，例如N2、0）2等中性氣體），經(jīng)過一段時間之后，當進入爐內(nèi)的沖

洗氣體的體積達到一定的數(shù)量后，使爐內(nèi)殘留的氣體不斷被稀釋、排出，因而越來越少，最

終使爐內(nèi)基本上全部改變成沖洗氣體的換氣過程。充氣法換氣又被稱為氣體沖洗法換氣，就

像在生活中我們用清水去漂洗那些用洗衣粉洗滌過的衣服一樣。在用清水涮洗的過程中，是

用清水沖洗掉臟物并將臟水稀釋，大約經(jīng)過幾次漂洗后，衣服基本上就干凈了。用充氣法置

換爐氣的過程是類似的，只是把漂洗用的清水變?yōu)闅怏w而已，若將爐內(nèi)原始的殘留氣體當作

臟水，而充入爐內(nèi)的沖洗氣體就相當于是清水了。

當爐內(nèi)氣氛有可能朝著易爆的混合氣體的方向轉(zhuǎn)變時，最安全的辦法，就是用不可燃氣

體（例如氮氣）來沖洗爐膛，將爐內(nèi)原有的氣氛置換為無爆炸危險的不可燃氣體。

如果在爐子的作業(yè)過程中，需要將爐內(nèi)氣氛從空氣改換為可燃氣體，或是從可燃氣體改換為

空氣時，為了從根本上避免這兩種氣體在直接交換時形成易爆的混合氣體，干脆就不讓它們

直接接觸，而是采用一種中間氣體（即中性的不可燃氣體，例如氮氣）作為過渡介質(zhì)，分別進

行兩次氣體置換。第一次置換中，氮氣作為第一次的沖洗氣體，在置換過程快要結(jié)束時.，

爐內(nèi)兒乎全部充滿了氮氣并暫時被留在爐膛內(nèi)；在第二次換氣過程中，作為沖洗氣體的將是

爐內(nèi)最終需要得到的氣體（工作介質(zhì)），而又把爐膛內(nèi)的氮氣作為殘留氣體終將被置換出爐

外。

從以上可以看出，用不可燃氣體（如N2）來沖洗爐子，在各種場合下均可進行。包括上

述可以使用燃燒法換氣的情況下。與燃燒法所不同的是:不再需要打開爐門而是關(guān)上爐門，

排出的氣體將通過廢氣排放口點燃放散。而且氮氣作為一種過渡介質(zhì)，有效地解決了空氣與

可燃氣體在爐內(nèi)置換的安全問題，因此，人們將具有一定純度的氮氣（這里主要是限制其含

氧量）稱為安全氣體。這種安全氮氣，在可控氣氛熱處理爐的安全措施中得到了廣泛的應(yīng)用。

（1）充氣法換氣時沖洗時間和沖洗氣體流量的數(shù)學(xué)計算

從實際應(yīng)用中還可以看到，用充氣法置換爐氣，幾乎只涉及氮氣與空氣，或者與可燃氣

體之間的交換。也就是說，這些中性氣體與相互置換的氣體之間并不發(fā)生燃燒等化學(xué)反應(yīng)，

只是相互的混合。如果認為它們在很短的時間內(nèi)就能均勻混合，即在爐內(nèi)各處的氣氛基本上

是均勻的，在此前提條件下，通過計算可得到充氣（沖洗）時間t、充氣（沖洗）氣體流量Q以

及t時刻爐內(nèi)殘留氣體雜質(zhì)濃度的數(shù)學(xué)關(guān)系表達式：

式中Vo——爐子容積，m3；

t——充氣（沖洗）時間，h；

Q一—含有雜質(zhì)氣體的體積百分比濃度為Kc的沖洗氣的流量，m3/h;

K——t時刻爐內(nèi)氣氛中殘留雜質(zhì)氣體的體積百分比濃度，即t時刻爐內(nèi)氣氛不純度，%;

Ko--充氣前爐內(nèi)氣氛所含雜質(zhì)氣體的體積百分比濃度，即充氣前爐內(nèi)氣氛不純度，%；

Kc——沖洗氣中所含雜質(zhì)氣體的體積百分比濃度，即沖洗氣不純度，％。

應(yīng)當說明，在公式中所涉及的雜質(zhì)氣體的濃度，即充氣之前的爐氣的雜質(zhì)濃度K。、

充氣t時刻的爐氣的雜質(zhì)濃度K,以及充入氣體本身所含雜質(zhì)氣體的濃度（不純度）即Kc,都

是針對同樣一種雜質(zhì)氣體而言。為了使公式右邊Kt-Kc/K「Kc之值大于0且分母不為0,應(yīng)

要求Ko>Kt>Kc;即使在無限長時間充氣后（即t=8時），Kt只能趨近于Kc,而不可能小于Kc

以上6個參量中只要知道了其中的5個，就可求出剩下的1個參量。一般當爐子及充氣條件

確定后，將V。、Ko、Kc可視為常量，式（2-1）即為充氣時間t和流量Q,與當時爐內(nèi)雜質(zhì)氣

體的體積百分比濃度Kt的關(guān)系表達式。

即

Kt=（Ko-Kc）e<Hlt/v>>+Kc（2-2）

通常將充氣體積Q,爐膛體積V。之比，即Q/V。稱之為換氣次數(shù)。該公式也可看作沖洗氣

在t時刻的換氣次數(shù)Q/V。與當時爐內(nèi)氣氛不純度K,的關(guān)系表達式。

或其他可控氣氛等全都當作雜質(zhì)，即K。=100%；而又將沖洗氣N2當作不含這些雜質(zhì)

（即空氣或其他可燃氣體等）的純凈氣體，故Kc=0。

我們考慮用沖洗N2來置換爐內(nèi)原有空氣或可燃氣體時的情況。如果先假定換氣次數(shù)Qt

/V。=5,經(jīng)式（2-2）計算可知，當經(jīng)過5次換氣后的結(jié)束時刻:

Kt=0.67%（即小于1%）

這說明：當沖洗N2量達到爐膛體積的5倍時，爐內(nèi)殘留的空氣或可燃保護氣的體積比

例將小于1%。這一濃度遠低于前面講過的安全極限，不會有形成爆炸性氣氛的危險。在安

全極限中規(guī)定的氧濃度的最高允許值是1%,而這里殘留的空氣含量還不到1%,相應(yīng)的氧

含量應(yīng)該是小于（1%X21%=0.21%）這個數(shù)值；另外，安全極限中易燃成分（以C0+H2

+maxl%CH4的形式）的最高允許濃度是5%,而經(jīng)過沖洗后，現(xiàn)在殘留在爐內(nèi)的可燃氣體

的含量也還不到1%?？纱致哉J為，經(jīng)5倍以上爐膛體積的N2沖洗后，最終的氧氣或可燃

氣體的預(yù)期含量在理論上大約為各自安全極限的1/5

總歸來看，為了使原始爐氣（空氣或可燃氣體）在爐膛內(nèi)的體積比例減少到＜1%,要

采用5倍以上爐膛體積的N2（或其他中性的不可燃氣體）總量來置換爐氣。

為什么要采用5倍以上爐膛體積的沖洗氣總量并選擇比安全極限更低的允許濃度呢？

首先是考慮到實際置換過程與理論計算的偏差。因為理論計算的前提條件是：沖洗氣體和殘

余的原始爐氣應(yīng)該是隨時隨地在爐內(nèi)進行均勻混合的，而實際上這是做不到的。沖洗流量越

大，越容易在爐膛內(nèi)形成“短路”或是造成沖洗氣不能達到的“死角”。因此，之所以采用

5倍以上爐膛體積的沖洗氣總量，是考慮到最終的殘余氣體的實際含量要大于理論計算的結(jié)

果，盡管該含量將會增大，但仍可在規(guī)定的安全極限以內(nèi)。其次，為了獲得較好的沖洗效果,

沖洗氣的流量不可過大，但沖洗時間要盡可能長，它意味著需要更多的清洗氣總量。實際上

在生產(chǎn)現(xiàn)場，長時間的沖洗爐膛不僅是為了保證沖洗效果，往往還用來給下道工序或其他緊

急措施提供足夠的準備時間，其實也是現(xiàn)場安全的需要。所以，用以置換爐氣的沖洗氣總量

至少應(yīng)是爐膛體積的5倍以上，這是一個得到普遍公認的安全用量，它在防止爐氣爆炸的沖

洗工程上得到了廣泛的應(yīng)用。

（3）利用可燃氣體安全極限進行的爐氣置換

正如前述，安全極限是指在保護氣氛中的氧或易燃氣體的最高允許濃度。氧濃度的最高

允許值是1%,在保護氣氛中易燃成分（以C0+II2+maxl%CH4的形式）的最高允許濃度是

5%。只要氧氣和易燃氣體二者中的一種濃度在其安全極限之下，該保護氣氛就不會有爆炸

危險。利用這一點可以適當節(jié)省沖洗時間和沖洗氣的資源。但應(yīng)注意這里的可燃氣體的組分

只限于CO、H2和最大比例為1%的CH4三種形式，最值得重視的是：實際置換情況總會與

理論計算存在偏差，最終的殘余氣體的實際含量要大于理論計算的結(jié)果，不增大換氣次數(shù)或

修正換氣規(guī)程，是達不到預(yù)期的安全極限的。因此，所有以安全極限為目標的爐氣置換的運

行參數(shù)和操作規(guī)程，必須經(jīng)過現(xiàn)場實際運行和檢測，通過科學(xué)的驗證和考核，報經(jīng)安全生產(chǎn)

監(jiān)督部門批準后，方可執(zhí)行。

①用N2沖洗置換爐內(nèi)空氣的情況。因爐內(nèi)原有空氣的氧濃度約為21%,若把空氣中的

氧氣看作雜質(zhì)，則K。=21%,因氧濃度的安全極限為1%,故Kl=l%,若使用的氮氣為

工業(yè)II類1級，即氮氣中的氧含量小于0.5%,則Kc=l-99.5%=0.5%,經(jīng)過式（2-3）

計算可得

Qi/V0=ln（Ko-Kc/Kl-Kc）=ln（21-0.5/1-0.5）=3.71

即當使用純度為99.5%的N2為沖洗氣體時，為使最終爐氣中的氧含量為1%,即Kl=

1%,其換氣次數(shù)%）應(yīng)為3.71次。與前述常規(guī)換氣時換氣次數(shù)為5次的情況比較，可以看到:

在保持沖洗氣流量不變的前提下，當考慮到爐內(nèi)殘余氧氣的安全極限后，可以節(jié)省1/4的

N2資源以及1/4的充氣時間。但這僅僅是理論計算的結(jié)果而已。與上述同樣的理由，只有

適當提高換氣次數(shù)，并修改換氣規(guī)程，才能使最終爐氣中的氧含量等于或低于1%。當然，

這些修改過的運行參數(shù)和操作規(guī)程，必須經(jīng)過現(xiàn)場實際運行和檢測，通過驗證和考核，報經(jīng)

安全生產(chǎn)監(jiān)督部門批準后，方可執(zhí)行。

②用N2沖洗置換爐內(nèi)原有的可燃氣體。假設(shè)爐內(nèi)原有的可燃氣體中，其易燃組分的比

例為100%（實際上大多數(shù)可燃保護氣中易燃組分的比例不超過70%,這樣假設(shè)是有意增加

安全保險程度并便于計算）,故K。=100%。正如前述，易燃組分的安全極限為5%,所以,

K,=5%o如仍使用純度為99.5%的N2為沖洗氣體時，即Kc=『99.5%=0.5%。

將上述K。、K,和Kc的數(shù)值分別代入下式：

Qc/Vo=ln(Ko-Kc/Kl-Kc)=ln(100-0.5/5-0.5)=3.1

知，為使爐內(nèi)殘余的易燃組分含量降低到5%,當使用純度為99.5%的N2為沖洗氣體

時，所需要的換氣次數(shù)為3.1次。

與首例中換氣次數(shù)為5次時，使得殘余爐氣的含量改變?yōu)榇蠹s1%的情況比較，在考慮

了易燃組分的安全極限后，理論上可以節(jié)省2/5的N2資源以及2/5的充氣時間。但這僅

僅是理論計算的結(jié)果而已。與上述同樣的理由，只有適當提高換氣次數(shù)，并修改換氣規(guī)程，

才能使最終爐氣中的易燃組分的含量等于或低于5%。當然，這些修改過的運行參數(shù)和操作

規(guī)程，必須經(jīng)過現(xiàn)場實際運行和檢測，報經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)督部門批準后，方可執(zhí)行。

(4)利用可燃氣體爆炸極限進行的爐氣置換

由前述可知，可燃氣體與空氣形成混合物，而且混合的比例處于一定范圍時，在點火源

的作用下就會產(chǎn)生燃燒和爆炸。當該混合比例或是可燃氣體的濃度低于某一最低極限或高于

某一最高極限時，火焰便不能蔓延，當然也不能爆炸。對于能使火焰蔓延的可燃氣體的最低

濃度，稱為該可燃氣體爆炸極限的下限，對能使火焰蔓延的可燃氣體的最高濃度，稱為該可

燃氣體爆炸極限的上限。當混合物中可燃氣體的濃度低于爆炸下限時，由于可燃氣體的含量

太少以及過量空氣的冷卻作用，阻止了火焰的蔓延；而可燃氣體濃度高于爆炸上限時，因過

多的可燃氣體使對應(yīng)的空氣及其氧含量太少，火焰也不能蔓延。以上兩種情況下混合氣體均

不能爆炸。由此可歸納出能夠避免爆炸的兩個相對安全的濃度：一是低于爆炸下限時的可燃

氣體的濃度。任何情況下，混合爐氣中的可燃氣體的濃度只要低于該濃度，就不會發(fā)生爆炸;

二是可燃氣體濃度高于爆炸上限時，所對應(yīng)的空氣中的氧含量。任何情況下，混合爐氣中的

氧含量只要低于爆炸上限所對應(yīng)的氧含量，也不會發(fā)生爆炸。

對于每一種可燃氣體都有其特定的爆炸極限，當用N2(或其他中性的不可燃氣體)置

換爐內(nèi)可控氣氛時，將低于爆炸下限對應(yīng)的可燃氣體的濃度作為沖洗結(jié)束時預(yù)期的殘留可燃

氣體的安全含量，同理，當用N,（或其他中性的不可燃氣體）置換爐內(nèi)的空氣時，將爆炸

上限所對應(yīng)的氧含量作為沖洗結(jié)束時預(yù)期的殘留氧氣的安全含量，就可分別代入式（2-3）

中的K,,從而計算出理論上各自需要的沖洗N2的總量。在這里，爆炸上限的含氧量與以

前統(tǒng)一規(guī)定的含氧量的安全極限1%相比，約擴大了數(shù)倍之多。由式（2-3）的右邊可看出，

當K,增大時，其值變小，即換氣次數(shù)減少。因此，為了置換爐內(nèi)的空氣，在考慮了爆炸上

限所對應(yīng)的氧含量以后，理論上可以節(jié)省較多的N2（或其他中性的不可燃氣體）用量和沖

洗時間。

利用可燃氣體爆炸極限進行的爐氣置換時，必須注意以下問題。

①每一種可燃氣體都有其特定的爆炸極限，也就是說不一樣的可燃氣體，爆炸極限對應(yīng)

的可燃氣體濃度或氧含量，是各不相同的。自然，相應(yīng)的換氣操作規(guī)程也就不勝繁雜了。另

外，如果要求在置換爐氣之前必須確認有哪些組分，是有困難的。尤其是遇到緊急情況時，

非常不便于現(xiàn)場的安全操作。

前面已經(jīng)講過，可燃氣體的爆炸極限是隨很多外界因素而變化的。在可控氣氛熱處理過

程中，特別是發(fā)生設(shè)備故障時，爐氣成分常常會發(fā)生變化。因此爆炸極限對應(yīng)的可燃氣體濃

度或氧含量也要相應(yīng)地改變，這將直接影響到換氣操作規(guī)程的可操作性以及安全可靠性。

②使用充氣法換氣時，實際置換效果總是不如理論計算得那么理想，最終的殘余氣體的

實際含量總要大于理論計算的結(jié)果。尤其對以爆炸極限的安全含量為目標的爐氣置換，現(xiàn)場

使用的運行參數(shù)和操作規(guī)程，必須在實地經(jīng)過多次檢測、驗證和考核，報經(jīng)安全生產(chǎn)監(jiān)督部

門批準后，方可執(zhí)行。

③鑒于以上原因，用可燃氣體爆炸極限進行爐氣置換的實際應(yīng)用并不多見，僅限于理論

計算而己。爆炸極限所對應(yīng)的安全含量與前述安全極限相比，更接近于爆炸危險。所以，以

爆炸極限的安全含量為目標的爐氣置換，也許可以節(jié)省N2的用量和沖洗時間，但安全可靠

性也必然是較差的。必須明確：無論如何，安全總是第一位的，而經(jīng)濟利益應(yīng)該退其次。這

恐怕是此種爐氣置換法在實際中很少應(yīng)用的根本原因。

表2-2是根據(jù)爆炸極限對應(yīng)的安全濃度，用N2（或C02）置換爐內(nèi)空氣或可燃氣氛時，

所需要的最小沖洗體積的計算實例。因為沒有說明各可燃氣體爆炸下限所對應(yīng)的安全濃度，

?2-2?換爐內(nèi)空氣或可燃氣嬴時，，或CO,■小用■的理論計.實例

置倏爐內(nèi)第有空氣??模爐內(nèi)源有可控氣

爐氣中允氨沖院過程結(jié)束時

可燃氣體或置換爐氣的沖洗過程結(jié)束時?

許的含H殘余含氯M沖洗弋用量1殘余可控氣

可控氣氛中性沖洗氣沖洗氣用*

*極限（R

種類體的林類（爐膊體積（計算值逐（爐總休?黑氛，計算值＞,

ffift)1/%

借教）/%

—

氟氧混合,

中H?含*

75%4?41.64.22.84.6

60%*31.64.22.64.5

40%4.7氨氣1.54.72?2I1.4

20%5.41.45.21.54.5

▲VzG751.17.00.84.5

3.114?5

量氣4.4氯氣1.64.2

6.9二氧化碳1.26.32.67.4

1.911€9

一H化碳5.6氮氣1.45.2

—--------

8.4二氧化碳1.07.71.4|24.7

放熱型氣濃5.51.45.21.9114.9

型（。=0?50?氮氣

0.65)?放熱型氣

0?3I74.1

款型（?！?1（淡型?！?.611.5

0.80~0.95港0.90)1_____________________

吸熱整/:4.81.54.73.014.98

7.6二氧化碳1.0772.0

①。為燃境系數(shù).

?原文未注明該吸熱型氣的組分?

③殘余含■依K,-（KKi）eFKe.式中K。為爐內(nèi)原有空氣的我含IL故

氏=21％,在此假設(shè)沖洗氣的雜質(zhì)含岫8-0,,止是以爐脫體租借取來我小的沖洸.

的用■,所以殘余?（含?可由K,nK“u廿算出?

④同理,殘留可I?氣氛含垃K,=eY，與上不同的是?此處已設(shè)定爐內(nèi)早有可控.

扒的含依K0=1OO%-1.

也為提供其爆炸上限，所對應(yīng)的氧含量極限值得來源依據(jù)，故僅供參考

(5)對高溫爐膛充氣的爐氣置換

當沖洗氣體進入高溫爐膛并被加熱后，其體積隨之膨脹。根據(jù)理想氣體的氣態(tài)方程，如

果爐壓變化不大，則體積(或流量)與其絕對溫度成正比。設(shè)室溫溫度為2