天然氣替代丙酮作為富化氣在環(huán)形爐中的應(yīng)用

劉 曉,張貽柱

(西安法士特汽車(chē)傳動(dòng)有限公司,陜西 西安 710000)

金屬熱處理是把金屬工件放在特定的介質(zhì)中加熱到一定溫度保溫一段時(shí)間后,以不同速度冷卻的一種特殊工藝。滲碳處理則要求滲碳介質(zhì)產(chǎn)生活性碳原子依附在工件表面,經(jīng)過(guò)吸收和擴(kuò)散將碳原子滲入低碳鋼或低碳合金鋼零件表層,使其含量達(dá)到或略高于共析成分時(shí)的含碳量。工件滲碳熱處理后表面的硬度、強(qiáng)度,特別是疲勞強(qiáng)度和耐磨性能均較芯部有顯著提高;同時(shí)芯部仍保持一定的強(qiáng)度以及良好的韌性。因此,滲碳處理被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、軍事裝備、燃油汽車(chē)、航空航天等制造行業(yè)。目前使用的愛(ài)協(xié)林環(huán)形爐生產(chǎn)線(xiàn),是以甲醇+氮?dú)庾鳛榛A(chǔ)氣氛,丙酮作為富化氣,采取滴注式滲碳處理,這種方式生產(chǎn)的齒輪類(lèi)零件質(zhì)量穩(wěn)定性高。近年來(lái),丙酮市場(chǎng)價(jià)格更是大幅增長(zhǎng)。從21世紀(jì)初起,丙酮被列為嚴(yán)格控制的管控物資后,采購(gòu)及使用程序變得更加復(fù)雜。同時(shí),隨著企業(yè)安全管理的升級(jí),對(duì)生產(chǎn)、人員安全的重視,考慮到丙酮存放的危險(xiǎn)性和對(duì)人體的毒害性,因而急需尋找到一種低廉、安全的滲碳劑代替丙酮,用來(lái)降低熱處理生產(chǎn)成本、消除安全隱患。

1 富化氣的選擇

1.1 廉價(jià)、高效

常見(jiàn)的滲碳富化氣有甲烷、丙烷、丙酮,滲碳效率見(jiàn)表1。富化氣調(diào)節(jié)碳勢(shì)的能力與其碳當(dāng)量也就是產(chǎn)生1 mol碳(12 g)所需的該物質(zhì)的重量有直接關(guān)系。碳當(dāng)量越大,相對(duì)應(yīng)該物質(zhì)的滲碳能力越弱;碳當(dāng)量越小,則滲碳能力越強(qiáng)。

表1 滲碳富化氣的滲碳效率Table 1 The carburizing efficiency of carburized and enriched gases

由表1可知,三種滲碳介質(zhì)中丙酮的滲碳能力最弱,丙烷的滲碳能力最強(qiáng)。丙烷氣體是處理天然氣或精煉原油得到的產(chǎn)物,加工工序復(fù)雜,因此工業(yè)丙烷價(jià)格高,普及性較差。而天然氣碳當(dāng)量較小,相同重量的丙酮滲碳效率是天然氣的82.9%,因此天然氣可以作為一種高效、廉價(jià)的滲碳富化氣。

1.2 運(yùn)輸、購(gòu)買(mǎi)及輸送方便

甲醇、丙酮通過(guò)專(zhuān)用容器以公路運(yùn)輸為主,作為危化品使用且運(yùn)輸過(guò)程中多有不便,成本較大;而天然氣采用城市管道輸送,設(shè)備本身自帶天然氣管路,稍加改造即可使用,非常方便。丙酮作為制造毒品的原材料之一,屬于嚴(yán)管化工產(chǎn)品,公安部門(mén)對(duì)其管制極其嚴(yán)格,購(gòu)買(mǎi)困難,并且使用限制很多;但天然氣作為設(shè)備廢氣排放時(shí)的引燃?xì)怏w,設(shè)備使用過(guò)程中經(jīng)常會(huì)用到。甲醇、丙酮需要用泵泵到一定的高度才能通過(guò)各種管道進(jìn)入設(shè)備,而天然氣只需對(duì)現(xiàn)有管路稍加改動(dòng),經(jīng)過(guò)減壓后便可直接輸送進(jìn)設(shè)備進(jìn)行使用。

1.3 管理簡(jiǎn)便

丙酮、甲醇這些?；反娣疟仨毥ㄔ鞂?zhuān)用的介質(zhì)房,要求介質(zhì)房通風(fēng)良好,介質(zhì)房需要專(zhuān)人負(fù)責(zé),并且存在安全隱患,是安全工作的重中之重。使用天然氣從根本上解決了這些問(wèn)題,且改造成本低,即使發(fā)生火情,檢測(cè)裝置自動(dòng)報(bào)警,電磁閥自動(dòng)截停管路流量,不會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)。

1.4 產(chǎn)品質(zhì)量提高

丙酮、甲醇以液態(tài)形式滴入設(shè)備,需要經(jīng)過(guò)氣化和分解兩個(gè)過(guò)程才能參與滲碳,且介質(zhì)內(nèi)還含有很多水、無(wú)機(jī)硫、有機(jī)硫,這些雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)管道積碳。天然氣以氣態(tài)形式進(jìn)入設(shè)備,不需要經(jīng)過(guò)氣化過(guò)程,可以直接分解生成氫氣和活性碳,不容易結(jié)碳,工件表面光亮干凈。

2 天然氣作為富化氣裂解原理

采用20世紀(jì)60年代初期卡博馬格法原理中提出的以氮?dú)?甲醇(CH3OH)在爐中熱裂解后的氣氛作為載體氣,天然氣(CH4)作為滲碳富化氣。氮?dú)?甲醇(CH3OH)能保持爐膛正壓,還能稀釋富化氣并且使?jié)B碳介質(zhì)均勻分布于爐膛[1]。40%N2+60%比例甲醇裂解氣(20%CO,40%H2)為最佳組分,爐膛此時(shí)CO占比為20%,反應(yīng)原理為：

CH3OH+2N2→2H2+2N2+CO,

其中,CH3OH和2N2的分子量分別為32和56,裂解后體積比CO：2N2：2H2為20：40：40。根據(jù)上述比例計(jì)算,裂解1 L甲醇(790 g)需要通入1382.5 g氮?dú)?。氮?dú)饷芏葹?250 g/m3,1382.5 g氮?dú)鈿饣篌w積為1.1 m3。載氣配比為1 L甲醇配比1.1 m3/h氮?dú)饧纯杀ＷC氮-甲醇組分穩(wěn)定。

碳勢(shì)控制利用氧化鋯材料測(cè)量氧分壓的特性,將氣氛中的氧分壓轉(zhuǎn)化成電信號(hào),最終通過(guò)數(shù)學(xué)模型計(jì)算得出氣氛碳勢(shì)[2]。碳勢(shì)又稱(chēng)碳的化學(xué)位碳位或碳位,它的強(qiáng)度決定了碳傳遞方向和限度[3],碳勢(shì)的高低反映了碳原子從一個(gè)相傳遞到相鄰相的能力。熱處理爐內(nèi)氣氛的碳勢(shì)從廣義上來(lái)說(shuō),是指在特定溫度下,爐內(nèi)氣氛與工件相界面上化學(xué)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)的氣氛狀態(tài)。爐膛碳勢(shì)的高低取決于爐氣本身的成分組成、爐膛的溫度以及爐內(nèi)使用的催化劑條件等因素。通常把爐氣在一定溫度下的碳勢(shì)用低碳鋼箔在相同溫度下的平衡含碳量來(lái)表征。然而實(shí)際使用過(guò)程中,爐氣一直處于非平衡狀態(tài),各組分在高溫下進(jìn)行著極其復(fù)雜的相互反應(yīng)。碳勢(shì)的高低直接與氣氛中的活性碳原子含量相關(guān),天然氣(CH4)高溫滲碳裂解原理為[4]：

CH4→2H2+[C]

CH4+O2→2H2+CO

2CO→[C]+CO2

作為滲碳富化氣,甲烷在高溫下裂解可以提供大量活性碳原子,調(diào)節(jié)空氣和富化劑的通入即可控制氣氛的碳勢(shì)的高低。

3 設(shè)備改造

現(xiàn)有供氣介質(zhì)為氮?dú)?甲醇+丙酮,改用天然氣替換丙酮,并保留原丙酮管路。改造原設(shè)備配氣架,在設(shè)備配氣架上增加天然氣管路,管路上具有天然氣標(biāo)牌,同時(shí)在天然氣管路上安裝甲方提供的減壓閥、設(shè)備管路、單向閥、流量計(jì)、電磁閥、壓力表、壓力開(kāi)關(guān)、手閥、調(diào)節(jié)閥等系列器件,并入滲碳?xì)怏w管路。天然氣滲碳淬火改造原理如圖1所示。圖2為天然氣管路連接示意圖。

圖1 天然氣滲碳淬火改造原理Fig.1 Principle of natural gas carburization quenching transformation

圖2 天然氣管路連接示意圖Fig.2 Schematic diagram of natural gas pipeline connection

4 工藝試驗(yàn)及生產(chǎn)使用

副箱減速齒輪材料為8620RH,滲碳工藝參數(shù)見(jiàn)表2,工藝要求有效硬化層為0.84～1.34 mm,齒面硬度為58～63 HRC。將滲碳試樣放入熱處理爐中進(jìn)行均勻性試驗(yàn),位置如圖3所示。滲碳試樣金相檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖3 熱處理爐均勻性檢測(cè)位置Fig.3 The uniformity detection position of heat treatment furnace

表2 8620RH齒輪滲碳工藝參數(shù)Table 2 Carburizing process parameters for 8620RH gear

表3 滲碳試樣金相檢驗(yàn)結(jié)果Table 3 The metallographic examination results of carburizing samples

取9#位置8620RH齒輪試樣,采用天然氣作為富化氣,進(jìn)行920 ℃滲碳、860 ℃淬火和185 ℃回火熱處理,研磨拋光后觀(guān)察其金相組織,如圖4所示。

(a)非馬氏體;(b)殘余奧氏體;(c)貝氏體出現(xiàn)位置;(d)心部組織圖4 熱處理后8620RH齒輪的顯微組織(a)non martensite;(b)residual austenite;(c) bainite occurrence position;(d) heart structureFig.4 Microstructure of 8620RH gear after heat treatment

5 天然氣技術(shù)指標(biāo)

天然氣純度必須大于95%是能夠直接作為滲碳?xì)夥諈⑴c滲碳的前提條件[5],同時(shí)含硫量小于10 mg/m3,并且硫含量越低越好。由于硫?qū)B碳設(shè)備及管道腐蝕及其嚴(yán)重[6],同時(shí)會(huì)增加熱處理氣源耗量,降低產(chǎn)品品質(zhì)。對(duì)目前正在使用的天然氣進(jìn)行抽樣送檢,檢測(cè)報(bào)告如表4所示,符合直接使用要求。

表4 天然氣成分表Table 4 Natural gas composition table

6 天然氣作為富化氣的經(jīng)濟(jì)效益

工業(yè)天然氣目前市場(chǎng)價(jià)格為2.68元/m3,單臺(tái)環(huán)形爐設(shè)備每月消耗5000 m3,月消耗金額1.34萬(wàn)元。丙酮每桶150 kg,單價(jià)10元/kg,單臺(tái)環(huán)形爐設(shè)備每月消耗25桶,月消費(fèi)金額3.75 萬(wàn)元。因此,采用天然氣替代丙酮作為富化氣,單臺(tái)環(huán)形爐設(shè)備每年經(jīng)濟(jì)效益28.92萬(wàn)元。

7 結(jié)論

1)天然氣代替丙酮完全滿(mǎn)足產(chǎn)品的質(zhì)量、工藝要求。

2)天然氣代替丙酮作富化氣滲碳件各項(xiàng)參數(shù)符合要求,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定、表面清潔度高。

3)天然氣代替丙酮作富化氣經(jīng)濟(jì)效益明顯,每臺(tái)環(huán)形爐設(shè)備一年可節(jié)約生產(chǎn)成本28.92萬(wàn)元。