滲碳時用天然氣代替丙酮,怎麼做?

2020-11-22 騰訊網

熱處理滲碳連續爐生產線、多用爐生產線多採用丙酮作為富化氣滲碳，但丙酮價格高，原料普及性不強，生產成本較高。從動錐齒輪熱處理壓淬過程，頻繁打開保溫室壓淬門，爐氣恢復較慢，產品表面脫碳現象明顯。因此，迫切需要一種廉價、高效的富化氣代替丙酮滲碳降低生產成本，改善表面脫碳。

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氣體滲碳富化氣的選擇

（1）滴注式氮-甲醇保護氣氛控制原理 可控氣氛（controlled atmosphere）：加熱金屬時為了保護金屬表面和調節金屬表面化學成分而使用的成分可以控制的氣體。可控氣氛用於保護氣體滲碳主要有吸熱式氣（RX氣）、滴注分解氣。20世紀60年代初期提出的卡博馬格法原理是：往爐中滴入兩種有機液體，在爐中發生熱裂解，以一種液體（如甲醇）的熱裂解氣作為運載氣體，以另一種（如醋酸乙酯、丙酮、煤油）的熱裂解氣作為富化氣體來實現鋼的滲碳，並靠調節第二種液體的滴入量來達到控制爐氣碳勢的目的。公司採用氮氣-甲醇（CH3OH）的裂解氣作為載體氣，丙酮（CH3COCH3）作為滲碳富化氣。甲醇作用為保持爐膛正壓，稀釋富化氣使之分布均勻及輸送傳遞活性滲碳介質。碳勢控制的氧化鋯探頭將測得氣氛中的氧分壓轉化成電信號，經數學模型計算得出氣氛碳勢值。40%N2+60%甲醇裂解氣（20%CO，40%H2）為最佳組分，此時CO為20%，反應原理如下：

CH3OH+2N2CO+2H2+2N2

相應的分子量CH3OH：2N2為32：56，體積比CO：2H2：2N2為20：40: 40

經計算1L甲醇（790g）裂解需要氮氣1382.5g。已知氮氣密度1250g/m3，則1382.5g氮氣換算成體積為1.1m3。即保證氮-甲醇組分穩定性的載氣配比為1L甲醇配1.1m3/h的氮氣。

（2）幾種常見滲碳富化氣滲碳綜合效率比較（見表1） 滲碳常用的富化氣主要有甲烷、丙烷、丙酮等，富化氣的滲碳能力與其碳當量有關，就是產生1mol碳（12g）所需的物質重量。碳當量越大，該物質的滲碳能力越弱，碳當量越小，則它的滲碳能力越強。

表1幾種常見滲碳富化氣滲碳綜合效率比較

丙酮滲碳裂解原理如下：

CH3COCH33[C]+O+3H2

天然氣（CH4）滲碳裂解原理如下：

CH4[C]+2H2

CH4+O2CO+2H2

2COCO2+[C]

從表1得知，三種滲碳介質中丙烷滲碳能力最強，丙酮最弱。丙烷氣是處理天然氣或精煉原油得到的副產物，工業丙烷價格高，普及性不強。相比之下，天然氣碳當量較丙酮小，同等物質重量的天然氣是丙酮滲碳效率的1.2倍，是一種高效、廉價的滲碳介質。

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設備改造及天然氣淨化

天然氣滲碳淬火改造原理如圖1所示。

天然氣中除含無機硫H2S外，還含有大量的有機硫、硫醇（如CH3SH，C2H5SH等）及少量的CH3S、CS2等約26種。天然氣滲碳必須對原料氣淨化脫硫，若天然氣中硫含量高，則腐蝕設備、使催化劑中毒，而且汙染環境。天然氣淨化後的指標為：有機硫≤3mg/m3，無機硫≤lmg/m3，總含硫量≤6mg/m3，水分≤-60℃(露點）。

表1淨化後天然氣成分（體積分數）（%)

在使用天然氣的過程中，要與滲碳爐輔料接口進行詳細對接，匹配設備所需要的流量及壓力。由於城市天然氣使用的是中壓（0.02～0.07MPa），而滲碳爐上使用的壓力僅為5～10kPa，因此在保證使用流量的同時要適當減壓，避免壓力過高損壞設備元器件。

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工藝參數調整及驗證結果

工藝參數調整見表2，多用爐兩種工藝介質滲碳工藝參數對比見表3。

表2 連續爐滲碳工藝參數

表3 多用爐兩種工藝介質滲碳工藝參數對比

滲碳九點均勻性試驗示意見圖2，滲碳均勻性金相檢驗結果見表4。

表4 滲碳九點均勻性報告

天然氣（CH4）屬氣態介質，進入設備後無需氣化過程，分子中的C-H單鍵容易打斷，易裂解。同時得益於另一滲碳機理CH4[C]+2H2直接分解成無氧參加的活性碳和氫氣，滲碳速度明顯加快。

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效果及經濟收益

（1）質量穩定可靠，解決齒輪壓淬表面脫碳 丙酮為液態介質，滴入設備後，有一個氣化分解的過程，分子式中含C-O為化合雙鍵，比甲烷的C-H單鍵裂解難，同時丙酮內還有少量水、有機硫、無機硫使得介質管道容易積聚碳黑。爐氣恢復慢，爐內碳勢低是造成壓淬表面脫碳的主要因素。天然氣屬氣態介質，進入設備後無需氣化過程，直接分解成無氧參加的活性碳和氫氣等，加快了氣氛的恢復速度。齒輪壓淬過程保溫區爐氣碳勢恢復時間由閉門後180s縮短到90s，爐氣恢復快，有效解決齒輪表面脫碳問題（見圖3）。

（2）年經濟收益明顯，滲碳成本下降 從表5中得知，在連續式滲碳爐使用天然氣代替丙酮作為富化氣滲碳每年可節約輔料成本20萬元，天然氣原料價格明顯比丙酮價格低廉，滲碳富化氣成本節約60%。

表5經濟收益對比表

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結語

（1）天然氣代替丙酮滲碳，滲碳速度明顯加快，節省滲碳原料成本約60%。

（2）天然氣代替丙酮滲碳解決了滲碳齒輪連續壓淬表面脫碳問題。

（3）天然氣是一種綠色清潔能源，在國家推動節能減排、天然氣價格下調政策大環境下，普及使用率越來越高。只需對熱處理供氣管道和電磁閥簡單改造即可實現滲碳原料替代，可在熱處理行業廣泛推廣。

文：黃山，桂林福達齒輪有限公司

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