用凈化后的天然氣代替甲醇-丙酮齒輪滲碳的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益
安徽星瑞齒輪傳動(dòng)有限公司已成功地以凈化后的天然氣代替甲醇-丙酮用于齒輪滲碳。這項(xiàng)工程所取得的成果表明，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定提高，生產(chǎn)成本顯著下降，經(jīng)凈化的城市天然氣在熱處理行業(yè)中有廣闊的應(yīng)用前景。
1、前言
在傳統(tǒng)觀念里，滲碳介質(zhì)一般選用甲醇—丙酮、煤油、甲醇—丙烷等，這些介質(zhì)有一個(gè)共同的弱點(diǎn)就是必須建造存儲(chǔ)庫(kù)，這樣就為安全生產(chǎn)埋下了重大的隱患，天然氣作為一種廣泛的能源，以其價(jià)廉、安全等優(yōu)點(diǎn)，已被越來越多的廠家作為熱處理介質(zhì)進(jìn)行滲碳等。
2、反應(yīng)原理
用天然氣制備吸熱式氣氛的公式為：CH4+2.38空氣——>CO+2H2+1.88N2，Ni為催化劑，反應(yīng)溫度≥1000℃
古老資料制備后的吸熱式氣氛成分表
由上面公式可以明顯看出，采用天然氣滲碳天然氣與空氣的比例為1:2.38，而實(shí)際情況一般為1:2.5，甚至更高，因?yàn)樘烊粴獠粌H只含甲烷，還有丙烷等含碳較高的化合物以及有害雜質(zhì)。
RX氣氛制備參考表：
天然氣(CH4)+空氣制備RX氣氛
產(chǎn)氣溫度1000～1040℃，天然氣：空氣=1：2.4，露點(diǎn)-2～5℃
我公司目前所使用的配比為1:2.8，此比例就我們所知為最高數(shù)：露點(diǎn)-2～5℃工作中一般將空氣比例適當(dāng)調(diào)高，因?yàn)檫@樣可以確保天然氣完全裂解，不容易積聚碳黑，同時(shí)節(jié)約了制備RX氣氛的原料氣天然氣……約15%，由于天然氣凈化非常好，在通入富化氣為2m3/h耗量大大下降，使CH4→Cad+H2的滲碳機(jī)理充分發(fā)揮作用。不僅僅不產(chǎn)生炭黑，而且使有氧參加下滲碳機(jī)理下降，滲碳件表面層因內(nèi)氧化而產(chǎn)生的非馬氏體組織大大下降(淺腐蝕)見圖3。
天然氣滲碳淬火原理圖如下：
使用甲醇—丙酮滲碳原理為：
3、使用天然氣進(jìn)行熱處理的優(yōu)勢(shì)
下面以甲醇—丙酮為例，來比較一下天然氣的優(yōu)勢(shì)。
3.1、運(yùn)輸、購(gòu)買及輸送方便
甲醇、丙酮為液體，運(yùn)輸不便，且成本較大，而天然氣用城市管道輸送，非常方便。丙酮是制造毒品的原料之一，屬嚴(yán)管化工產(chǎn)品，及其難購(gòu)，而天然氣家家戶戶都會(huì)用到。將甲醇、丙酮輸送進(jìn)設(shè)備，必須先用泵泵到一定的高度或者使用一定壓力的氣體輸送，而天然氣只需經(jīng)過適當(dāng)?shù)販p壓，便可直接輸送進(jìn)設(shè)備。
3.2、管理簡(jiǎn)便
使用甲醇、丙酮必須建造通風(fēng)良好的介質(zhì)房，而建造介質(zhì)房就會(huì)存在安全隱患，給安全工作帶來麻煩;使用天然氣便避免了建造介質(zhì)房的麻煩，且建造成本低廉，即使萬一地面發(fā)生火情，管路電磁閥自動(dòng)切斷，不會(huì)出現(xiàn)火災(zāi)。
3.3、產(chǎn)品質(zhì)量提高
甲醇、丙酮為液態(tài)介質(zhì)，滴入設(shè)備后，有一個(gè)氣化→分解的過程，甲醇內(nèi)還有很多水、有機(jī)硫、無機(jī)硫使得介質(zhì)管道容易積聚碳黑，據(jù)可靠信息：有些廠訂購(gòu)了甲醇凈化設(shè)備使質(zhì)量穩(wěn)定提高，從而使得工件表面不光潔;而天然氣屬氣態(tài)介質(zhì)，進(jìn)入設(shè)備后無需氣化過程，直接分解成無氧參加的活性碳和氫氣等，不易結(jié)碳，工件表面干凈;滲碳件表面層非馬氏體組織大大下降，一般在有效硬化深0.8～1.2時(shí)，齒節(jié)部位5μm左右(淺腐蝕)，表面層硬度(HV1轉(zhuǎn)換)HRC61以上。見圖2-4
3.4、生產(chǎn)成本降低
下表是愛協(xié)林單推連續(xù)爐正常投入生產(chǎn)后所消耗的天然氣記錄：
天然氣市場(chǎng)價(jià)按3.0元/m3算，則愛協(xié)林連續(xù)爐介質(zhì)使用成本為3.0元/m3×2.5m3/h=7.5元/h
下面再將老區(qū)Ipsen爐介質(zhì)使用成本粗略估算一下。
甲醇 4000Kg/月×4.2元/Kg=16800元/月，丙酮1600Kg/月×14.6元/Kg=23360元/月，液化氣800kg/月×5.5元/Kg=4400元/月，則Ipsen連續(xù)爐介質(zhì)使用成本為(16800元/月+23360元/月+4400元/月)÷30天÷24h=61.89元/h
由以上對(duì)比數(shù)據(jù)可以明顯地看出，使用天然氣作為熱處理滲碳介質(zhì)等比甲醇丙酮節(jié)省成本。
節(jié)約估算：(61.89元/小時(shí)-7.5元/小時(shí))×24h×30天×12月 =469900元/年，所用設(shè)備9個(gè)月內(nèi)收回投資。
3.5、碳黑積聚少
從實(shí)際使用情況來看，目前愛協(xié)林連續(xù)爐投入使用約半年，自從將備用的甲醇—丙酮管道拆除后，便沒有積聚過碳黑，從窺視孔觀察爐膛，沒有明顯碳黑，出爐工件亦無附著碳黑。出現(xiàn)光亮銀灰色無炭黑。淬火油也無污染而清亮。
4、使用過程中要重點(diǎn)注意的事項(xiàng)
4.1、凈化的天然氣
城市民用天然氣情況
天然氣能夠進(jìn)行滲碳的前提條件是其純度必須大于95%，且含硫量小于10mg/m3(含硫、含水越低越好)[1.2]，因?yàn)榱�、水�?duì)管道及設(shè)備腐蝕嚴(yán)重，使熱處理氣源耗量大增，產(chǎn)品質(zhì)量下降。因此需要對(duì)天然氣進(jìn)行凈化，我公司經(jīng)過多方調(diào)研也知道很多單位在招標(biāo)工作中由于凈化后的指標(biāo)和保持該指標(biāo)的服役壽命10年以上;市場(chǎng)上各式各樣脫硫、凈化天然氣等制造單位均望而止步，不敢接標(biāo)……。最終采用市場(chǎng)上成熟的已在德國(guó)、美國(guó)、日本、韓國(guó)在華企業(yè)大量應(yīng)用的中國(guó)人發(fā)明專利“天然氣凈化設(shè)備”對(duì)城市天然氣進(jìn)行凈化。
該設(shè)備特點(diǎn) 投資較低：本法脫硫與采用二步法脫除天然氣中有機(jī)硫和無機(jī)硫相比，其初期脫硫效果就低于該發(fā)明專利，半年后二步法效果越來越低(硫只吃不吐，還產(chǎn)生水，并出現(xiàn)腸梗阻)。二步法脫硫中Fe2O3ZnO2等混合固態(tài)法或濕堿法脫無機(jī)硫帶來很多水份，對(duì)熱處理滲碳?xì)夥蘸懿焕�，舊法活性炭脫除天然氣中的有機(jī)硫一般50次再生就失效，本設(shè)備投資縮小1/2以上，占地縮小2/3以上，投產(chǎn)后運(yùn)行費(fèi)用低，凈化效果好。
天然氣凈化前后效果對(duì)比
注：外界壓力很低時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)腸梗阻現(xiàn)象;當(dāng)外界天然氣氣礦脫硫設(shè)備檢修其無機(jī)硫高達(dá)1100mg/M3時(shí)，縮短再生周期就行，不會(huì)停產(chǎn)。(由于外界氣源含硫波動(dòng)很大，現(xiàn)已經(jīng)有6家西氣東輸用戶驗(yàn)證。一般再生吐污10小時(shí)，有的客戶再生72小時(shí)吐完污氣
※ 此數(shù)據(jù)為微量水份檢測(cè)儀檢測(cè)，若用露點(diǎn)儀≤-60℃。
凈化劑壽命長(zhǎng)(服役能力)：重慶機(jī)床廠已使用19年，目前還能達(dá)到上述指標(biāo)的服役能力。該廠使用凈化氣源熱處理設(shè)備至今只小修未大修節(jié)約價(jià)值可觀。
我公司使用凈化設(shè)備凈化后的天然氣無臭雞蛋氣味，火焰呈藍(lán)色，經(jīng)化驗(yàn)總硫<1mg/M3以下，證明凈化效果穩(wěn)定非常好。
凈化罐采用的凈化劑對(duì)天然氣中的雜質(zhì)有機(jī)硫、無機(jī)硫、水、石油、汞等：進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)、電化學(xué)反應(yīng)、物理吸附、物理過濾，當(dāng)吸收飽和后，就需要進(jìn)行再生，我公司采用的是使用壓縮空氣對(duì)凈化罐進(jìn)行再生，由于再生需要加熱(約350℃)，這樣一些頑固硫化物特別是有機(jī)硫中的四氫噻吩才能完全析出，同時(shí)析出水、油、汞，但是這樣就帶來一個(gè)問題，在析出硫化物的同時(shí)，凈化劑所吸附的水經(jīng)加熱解析變?yōu)榈乃?jīng)過長(zhǎng)長(zhǎng)的管道便冷凝成水，經(jīng)積聚后由管道燃燒口噴出，從而澆滅氣體發(fā)生器的點(diǎn)火嘴和廢氣排放火焰，造成氣體發(fā)生器停止工作。
經(jīng)過對(duì)問題詳細(xì)細(xì)致的分析研究，我們討論得出一個(gè)簡(jiǎn)便易行且行之有效的方案——對(duì)管道進(jìn)行簡(jiǎn)單改造，便可輕松解決上述難題，附簡(jiǎn)圖如下。
由上圖可以明顯看出，在原管路上作簡(jiǎn)單改裝，將彎頭改成相應(yīng)大小的三通，再連接適當(dāng)長(zhǎng)度的帶梯度的管道，在管道末端裝上一個(gè)球閥，便可以解決噴水問題。當(dāng)水蒸氣冷凝成水時(shí)，便會(huì)積存在改造后的儲(chǔ)管內(nèi)，隔幾個(gè)小時(shí)將球閥打開放一下水即可(實(shí)際經(jīng)驗(yàn)是大約3小時(shí)放水一次)。建議增加一個(gè)水氣分離器在再生管道上。(研發(fā)制造單位已經(jīng)增加安裝一個(gè)水氣分離器)。
4.2、工藝調(diào)整
一般的貫通式連續(xù)爐，爐前廢氣排放量要大于爐后廢氣排放量，比例約為7:3，從而保證設(shè)備安全以及產(chǎn)品質(zhì)量，這樣各區(qū)的介質(zhì)流量應(yīng)該是從前到后逐漸減少，愛協(xié)林連續(xù)爐在遵守這一大的守則前提下，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整，將保溫區(qū)的介質(zhì)流量略微提高，從而確保保溫區(qū)的碳勢(shì)，同時(shí)天然氣也得到充分分解(定碳結(jié)果與儀表顯示基本吻合)。
4.3、減壓閥
在使用天然氣的過程中，還要重點(diǎn)注意的一項(xiàng)就是使用的壓力，首先要與滲碳爐廠家進(jìn)行詳細(xì)對(duì)接，清楚設(shè)備所需要的流量以及壓力，然后再結(jié)合工廠的未來計(jì)劃，最后考慮適當(dāng)?shù)挠嗔�，諸多綜合因素組合形成最終對(duì)天然氣公司所需要的天然氣壓力以及流量的要求。由于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3～5Kpa，因此需要適當(dāng)減壓，選用減壓閥時(shí)一定要告訴廠家減壓前的壓力和減壓后的壓力，這樣才能確保選用合適的減壓閥。
4.4、檢漏
由于天然氣屬易燃易爆氣體，雖然免除了建造介質(zhì)房等麻煩，但在使用過程中還是不能掉以輕心，對(duì)管道要定期檢漏，一般一個(gè)月一次，對(duì)活結(jié)、彎頭、球閥等接頭部位要重點(diǎn)檢查，檢查方式有多種，可以采用肥皂水，也可使用專業(yè)廠家生產(chǎn)的類似手機(jī)大小的便攜式CH4氣體檢漏儀。對(duì)壓力表及相應(yīng)的配套設(shè)施要經(jīng)常檢查，如發(fā)現(xiàn)漏氣現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)處理。
4.5、突然停氣
天然氣用來滲碳以及廢氣點(diǎn)火，當(dāng)出現(xiàn)突然斷氣時(shí)應(yīng)作何處理?此問題已與天然氣公司作過反復(fù)交流，從理論上來說，只要事先9個(gè)小時(shí)確知停氣時(shí)間便可將損失降到最低，而實(shí)際情況是，我們總會(huì)確保管道內(nèi)儲(chǔ)存的天然氣足夠9個(gè)小時(shí)使用，即使是突然停氣也不會(huì)帶來重大損失。除了客觀原因造成停氣之外，也有可能因誤操作等原因而使得控制主管道通斷的電磁閥斷開，處理辦法是：手動(dòng)打開電磁閥，啟動(dòng)氣體發(fā)生器，調(diào)節(jié)露點(diǎn)，待露點(diǎn)穩(wěn)定后，送氣。
4.6、氣體發(fā)生器需定期清理
氣體發(fā)生器是吸熱式氣氛的制造者，對(duì)其的保養(yǎng)維護(hù)至關(guān)重要，日常重要的維護(hù)點(diǎn)有循環(huán)水過濾網(wǎng)、探頭、阻火器、馬達(dá)閥等，如發(fā)現(xiàn)罐前壓與罐后壓相差大于1Kpa時(shí)應(yīng)立即清理碳黑，每周清理一次碳黑過濾罐和碳黑過濾器，擦拭露點(diǎn)觀察窗玻璃，每個(gè)月要清理一次放散閥內(nèi)積存的碳黑，保持管道暢通。
4.7、定期燒碳黑
由于氣源凈化程度非常深按照設(shè)備要求定期進(jìn)行燒碳黑的周期可依據(jù)實(shí)際情況大大延長(zhǎng),有的使用單位基本不燒碳黑[3]……。氣體發(fā)生器在燒完碳黑重新啟動(dòng)后，一定要待溫度升到工藝溫度且保溫0.5～1h后再造氣，造氣時(shí)要先通空氣，后通天然氣;連續(xù)爐燒完碳黑后要充分預(yù)滲才可進(jìn)料，溫度及碳勢(shì)到達(dá)工藝要求后方可進(jìn)料，否則容易造成產(chǎn)品缺陷。
4.8、安全
再繁忙的生產(chǎn)也必須服從安全，安全生產(chǎn)，警鐘長(zhǎng)鳴，只有時(shí)刻繃緊安全的弦，不放過每一個(gè)存在隱患的角落，按照要求進(jìn)行生產(chǎn)，便可避免許多不必要的安全事故。在使用天然氣的過程中，對(duì)相關(guān)作業(yè)人員進(jìn)行反復(fù)宣傳，加大培訓(xùn)力度，確保安全生產(chǎn)萬無一失。另外，天然氣中含有的硫化氫等雜質(zhì)有毒，吸入過量會(huì)導(dǎo)致人體中毒，因此，在置換時(shí)要佩戴防護(hù)用品。
5、齒輪滲碳表面層。非馬氏體組織(淺腐蝕)
部分滲碳淬火件表面層非馬氏體組織金相檢測(cè)結(jié)果
注:這三種試樣在不腐蝕狀態(tài)下看金相,均無晶界氧化
6.1在比較兩種滲碳工藝的滲碳表層非馬氏體,如圖a、b、c、d、e、f
盡管天然氣吸熱式滲碳，比甲醇、丙酮非馬氏體組織較少、很好，但比起有關(guān)應(yīng)用凈化天然氣吸熱式滲碳的資料[3]，非馬組織厚了不少，估計(jì)我們將吸熱式氣的天然氣與空氣之比為1：28太大，這樣Rx氣氛中的CO含量下降所通Rx量不能縮減使?jié)B碳過程中富化氣的量不得不加大，結(jié)果適得其反……。我們正吸收有關(guān)單位的經(jīng)驗(yàn)，逐漸調(diào)整工藝，以達(dá)最佳效果。但有一點(diǎn)必須說明:等溫淬火油由于冷卻慢,非馬一般較厚[2],因此不能就此金相照片而說明我公司的齒輪滲碳內(nèi)氧化比株齒多……。
6、結(jié)束語
凈化后的天然氣進(jìn)行熱處理，不僅提高產(chǎn)品質(zhì)量和并且獲得較大的經(jīng)濟(jì)效益，而且大大縮小了安全隱患，給生產(chǎn)帶來便利。感謝發(fā)明專利人全國(guó)先進(jìn)失效分析專家李志義高工教授作了補(bǔ)充修改。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)：熱處理類/《機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè)》2003.4.P169
[2] 李志義、馬學(xué)文、蒲玲、李曉澎等. 再述滲碳淬火件非馬氏體產(chǎn)生的原因和防止措施(C)，08、8上海中國(guó)熱處理活動(dòng)周宣講，中國(guó)熱處理行業(yè)協(xié)會(huì)2008.9太原會(huì)議論文集37～44(待雜志刊登)
[3] 馬學(xué)文、李志義、李曉澎. 用凈化后的天然氣代替丙烷氣滲碳的質(zhì)量及經(jīng)濟(jì)效益。09、4中國(guó)熱協(xié)武漢“滲氮及表面熱處理技術(shù)會(huì)議”和09年8月宜昌十四省市熱處理暨第八屆全國(guó)化學(xué)熱處理學(xué)術(shù)交流會(huì)上宣講。
