天然气替代丙酮作为富化气在环形炉中的应用

刘 晓,张贻柱

(西安法士特汽车传动有限公司,陕西 西安 710000)

金属热处理是把金属工件放在特定的介质中加热到一定温度保温一段时间后,以不同速度冷却的一种特殊工艺。渗碳处理则要求渗碳介质产生活性碳原子依附在工件表面,经过吸收和扩散将碳原子渗入低碳钢或低碳合金钢零件表层,使其含量达到或略高于共析成分时的含碳量。工件渗碳热处理后表面的硬度、强度,特别是疲劳强度和耐磨性能均较芯部有显著提高;同时芯部仍保持一定的强度以及良好的韧性。因此,渗碳处理被广泛应用于工程机械、军事装备、燃油汽车、航空航天等制造行业。目前使用的爱协林环形炉生产线,是以甲醇+氮气作为基础气氛,丙酮作为富化气,采取滴注式渗碳处理,这种方式生产的齿轮类零件质量稳定性高。近年来,丙酮市场价格更是大幅增长。从21世纪初起,丙酮被列为严格控制的管控物资后,采购及使用程序变得更加复杂。同时,随着企业安全管理的升级,对生产、人员安全的重视,考虑到丙酮存放的危险性和对人体的毒害性,因而急需寻找到一种低廉、安全的渗碳剂代替丙酮,用来降低热处理生产成本、消除安全隐患。

1 富化气的选择

1.1 廉价、高效

常见的渗碳富化气有甲烷、丙烷、丙酮,渗碳效率见表1。富化气调节碳势的能力与其碳当量也就是产生1 mol碳(12 g)所需的该物质的重量有直接关系。碳当量越大,相对应该物质的渗碳能力越弱;碳当量越小,则渗碳能力越强。

表1 渗碳富化气的渗碳效率Table 1 The carburizing efficiency of carburized and enriched gases

由表1可知,三种渗碳介质中丙酮的渗碳能力最弱,丙烷的渗碳能力最强。丙烷气体是处理天然气或精炼原油得到的产物,加工工序复杂,因此工业丙烷价格高,普及性较差。而天然气碳当量较小,相同重量的丙酮渗碳效率是天然气的82.9%,因此天然气可以作为一种高效、廉价的渗碳富化气。

1.2 运输、购买及输送方便

甲醇、丙酮通过专用容器以公路运输为主,作为危化品使用且运输过程中多有不便,成本较大;而天然气采用城市管道输送,设备本身自带天然气管路,稍加改造即可使用,非常方便。丙酮作为制造毒品的原材料之一,属于严管化工产品,公安部门对其管制极其严格,购买困难,并且使用限制很多;但天然气作为设备废气排放时的引燃气体,设备使用过程中经常会用到。甲醇、丙酮需要用泵泵到一定的高度才能通过各种管道进入设备,而天然气只需对现有管路稍加改动,经过减压后便可直接输送进设备进行使用。

1.3 管理简便

丙酮、甲醇这些危化品存放必须建造专用的介质房,要求介质房通风良好,介质房需要专人负责,并且存在安全隐患,是安全工作的重中之重。使用天然气从根本上解决了这些问题,且改造成本低,即使发生火情,检测装置自动报警,电磁阀自动截停管路流量,不会出现火灾。

1.4 产品质量提高

丙酮、甲醇以液态形式滴入设备,需要经过气化和分解两个过程才能参与渗碳,且介质内还含有很多水、无机硫、有机硫,这些杂质会导致介质管道积碳。天然气以气态形式进入设备,不需要经过气化过程,可以直接分解生成氢气和活性碳,不容易结碳,工件表面光亮干净。

2 天然气作为富化气裂解原理

采用20世纪60年代初期卡博马格法原理中提出的以氮气-甲醇(CH3OH)在炉中热裂解后的气氛作为载体气,天然气(CH4)作为渗碳富化气。氮气-甲醇(CH3OH)能保持炉膛正压,还能稀释富化气并且使渗碳介质均匀分布于炉膛[1]。40%N2+60%比例甲醇裂解气(20%CO,40%H2)为最佳组分,炉膛此时CO占比为20%,反应原理为：

CH3OH+2N2→2H2+2N2+CO,

其中,CH3OH和2N2的分子量分别为32和56,裂解后体积比CO：2N2：2H2为20：40：40。根据上述比例计算,裂解1 L甲醇(790 g)需要通入1382.5 g氮气。氮气密度为1250 g/m3,1382.5 g氮气气化后体积为1.1 m3。载气配比为1 L甲醇配比1.1 m3/h氮气即可保证氮-甲醇组分稳定。

碳势控制利用氧化锆材料测量氧分压的特性,将气氛中的氧分压转化成电信号,最终通过数学模型计算得出气氛碳势[2]。碳势又称碳的化学位碳位或碳位,它的强度决定了碳传递方向和限度[3],碳势的高低反映了碳原子从一个相传递到相邻相的能力。热处理炉内气氛的碳势从广义上来说,是指在特定温度下,炉内气氛与工件相界面上化学反应达到平衡时的气氛状态。炉膛碳势的高低取决于炉气本身的成分组成、炉膛的温度以及炉内使用的催化剂条件等因素。通常把炉气在一定温度下的碳势用低碳钢箔在相同温度下的平衡含碳量来表征。然而实际使用过程中,炉气一直处于非平衡状态,各组分在高温下进行着极其复杂的相互反应。碳势的高低直接与气氛中的活性碳原子含量相关,天然气(CH4)高温渗碳裂解原理为[4]：

CH4→2H2+[C]

CH4+O2→2H2+CO

2CO→[C]+CO2

作为渗碳富化气,甲烷在高温下裂解可以提供大量活性碳原子,调节空气和富化剂的通入即可控制气氛的碳势的高低。

3 设备改造

现有供气介质为氮气+甲醇+丙酮,改用天然气替换丙酮,并保留原丙酮管路。改造原设备配气架,在设备配气架上增加天然气管路,管路上具有天然气标牌,同时在天然气管路上安装甲方提供的减压阀、设备管路、单向阀、流量计、电磁阀、压力表、压力开关、手阀、调节阀等系列器件,并入渗碳气体管路。天然气渗碳淬火改造原理如图1所示。图2为天然气管路连接示意图。

图1 天然气渗碳淬火改造原理Fig.1 Principle of natural gas carburization quenching transformation

图2 天然气管路连接示意图Fig.2 Schematic diagram of natural gas pipeline connection

4 工艺试验及生产使用

副箱减速齿轮材料为8620RH,渗碳工艺参数见表2,工艺要求有效硬化层为0.84～1.34 mm,齿面硬度为58～63 HRC。将渗碳试样放入热处理炉中进行均匀性试验,位置如图3所示。渗碳试样金相检验结果见表3。

图3 热处理炉均匀性检测位置Fig.3 The uniformity detection position of heat treatment furnace

表2 8620RH齿轮渗碳工艺参数Table 2 Carburizing process parameters for 8620RH gear

表3 渗碳试样金相检验结果Table 3 The metallographic examination results of carburizing samples

取9#位置8620RH齿轮试样,采用天然气作为富化气,进行920 ℃渗碳、860 ℃淬火和185 ℃回火热处理,研磨抛光后观察其金相组织,如图4所示。

(a)非马氏体;(b)残余奥氏体;(c)贝氏体出现位置;(d)心部组织图4 热处理后8620RH齿轮的显微组织(a)non martensite;(b)residual austenite;(c) bainite occurrence position;(d) heart structureFig.4 Microstructure of 8620RH gear after heat treatment

5 天然气技术指标

天然气纯度必须大于95%是能够直接作为渗碳气氛参与渗碳的前提条件[5],同时含硫量小于10 mg/m3,并且硫含量越低越好。由于硫对渗碳设备及管道腐蚀及其严重[6],同时会增加热处理气源耗量,降低产品品质。对目前正在使用的天然气进行抽样送检,检测报告如表4所示,符合直接使用要求。

表4 天然气成分表Table 4 Natural gas composition table

6 天然气作为富化气的经济效益

工业天然气目前市场价格为2.68元/m3,单台环形炉设备每月消耗5000 m3,月消耗金额1.34万元。丙酮每桶150 kg,单价10元/kg,单台环形炉设备每月消耗25桶,月消费金额3.75 万元。因此,采用天然气替代丙酮作为富化气,单台环形炉设备每年经济效益28.92万元。

7 结论

1)天然气代替丙酮完全满足产品的质量、工艺要求。

2)天然气代替丙酮作富化气渗碳件各项参数符合要求,产品质量稳定、表面清洁度高。

3)天然气代替丙酮作富化气经济效益明显,每台环形炉设备一年可节约生产成本28.92万元。