用凈化后的天然氣代替丙烷氣滲碳的質(zhì)量與經(jīng)濟(jì)效益

....摘要：株洲齒輪已成功地以凈化后的天然氣代替丙烷氣用于滲碳。這項(xiàng)工程所取得的成果表明,更換滲碳原料氣的設(shè)備改造和調(diào)試工作量小,更換原料氣后產(chǎn)能和產(chǎn)品質(zhì)量提高,生產(chǎn)成本顯著下降。經(jīng)過凈化的城市天然氣在熱處理行業(yè)具有廣闊的應(yīng)用前景。ualityandEconomicGainofCarburizngwithPurifiedNaturalfpropyleneMAXue-wenl1,LlXiao-peng2、3,Llzhi-yi2、3co.,ltdChongqing400042；3.ChongqingChangjiangCommercialFurnaceCo.,Chongqing401329)Abstract:PropanegashasbeensuccessfullyreplacedbypurifiednaturalgasforcarburizinginZhuzhouGearCo.,Ltd.Theresultsobtainedfromthisindicatethatequipmentreformationandprocessdebuginginthereplacementoffeedgasforcarburizingareeasytoperform,andthatproductioncapabilityandproductqualityafterthereplacementareenhancedandproductioncost15obviouslydecreased.Theapplicationofpurifiedtownnaturalgastoheattreatmentwillhaveavastvistas.KeyWords:townnaturalgas；purifying；carburizing上世紀(jì)八十年代末,株齒公司引進(jìn)了一套美國哈克洛夫箱式爐生產(chǎn)線,采用當(dāng)時比較先進(jìn)的以丙烷為原料氣制備吸熱式氣氛＋丙烷氣富化的滲碳技術(shù)。采用這種滲碳技術(shù)生產(chǎn)的齒輪,質(zhì)量穩(wěn)定,在當(dāng)時生產(chǎn)成本也不高。因此,株齒公司隨后引進(jìn)和自制的所有滲碳設(shè)備也都采用了以丙烷為原料氣的氣體滲碳工藝。相應(yīng)地,株齒公司興建了一個液化丙烷氣站與之配套，建有兩個30噸的液化丙烷氣儲罐與相應(yīng)的蒸發(fā)氣化裝置和輸送管道。近年來,全球原油價格快速上漲,液化丙烷氣的價格也生產(chǎn)絕大部分由天然氣制造),公司熱處理生產(chǎn)成本急劇上升,導(dǎo)致產(chǎn)品市場競爭力大大下降。同時,隨著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展,液化丙烷氣站附近的空地全部被開發(fā),修建了大量的民房設(shè)施,安全隱患日益突出。為此迫切需要尋找一種廉價安全的液化丙烷氣的替代物來降低熱處理生產(chǎn)成本，消除安全隱患。派專人考察了國幾個主要的齒輪專業(yè)生產(chǎn)廠,經(jīng)過較長時家西氣東輸?shù)囊徊糠?，來源穩(wěn)定，價格低廉,使用方便,不需要單獨(dú)建設(shè)儲氣裝置,安全隱患小,不但可以大大節(jié)約生產(chǎn)成本,而且還能提高產(chǎn)品質(zhì)量[1-4]、縮短生產(chǎn)周期、提高企業(yè)競爭力。天然氣和丙烷氣制備吸熱式氣氛的反應(yīng)式如下(用鎳作催化劑，反應(yīng)溫度≥1000℃)：CH+2.38空氣→CO+2H+1.88N(1)4223822表1用不同原料氣制備的吸熱式氣氛理論上的成分(體積分?jǐn)?shù),%)[6]1/102/10....TablelTheoreticalcompositionofendothermicatmospheresproducedbydifferentfeedgases(Ψ%)[6]氣體組成(體積分?jǐn)?shù))氣體組成(體積分?jǐn)?shù))/%制備氣氛的化學(xué)反應(yīng)CO2COH2CH4H2OCH+2.38空氣→CO+2H2+1.88N用0.8露點(diǎn)-4~-20℃添加的CH4作富化氣382238CH+9.52空氣→4CO+5H+7.52N4102238吸熱式氣氛丁烷制備分類號0.4微量0.4微量42XQ20微量XQ20XQ20微量微量20.739.839.839.838.7產(chǎn)生的氣氛成分也相差不多，只是通人的空氣比例不同。因此改用天然氣后，設(shè)備改造和工藝調(diào)整的工作量較小，同時有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期[1-4]。所以，株齒公司決定采用天然氣全面代替液化丙烷氣，用于①制碳設(shè)備的爐門隔離火簾與廢氣排放的點(diǎn)火嘴消耗氣等。計(jì)與施工燃?xì)夤具M(jìn)行設(shè)計(jì)和施工，株齒只對工作流量進(jìn)行計(jì)算。與調(diào)整株齒公司熱處理現(xiàn)有的主要滲碳設(shè)備有：一條211配置的哈克洛夫箱式爐生產(chǎn)線，一條211配置的愛協(xié)林密Table2PropanegasconsumptionsfordifferentfurnacesRX氣.01.5應(yīng)式(2)，表2中制備吸熱式氣氛的丙烷氣消表2各種氣氛消耗量折算為丙烷氣的消耗量約為46m3/h。量:170÷4.88≈34.8m3/h?？紤]到甲烷的碳當(dāng)量比丙烷低，富化氣消耗可能會達(dá)到h因此，當(dāng)時株齒公司向新奧燃?xì)夤旧陥蟮氖褂昧繛閙h。2.2天然氣凈化天然氣中除含無機(jī)硫HS外，還含有大量的有機(jī)硫、硫2醇(如CHSH，CHSH等)與少量的CHS、CS等約26種32532量高，則腐蝕設(shè)備、使催化劑中毒，而且污染環(huán)境[1-4]。因此，天然氣要很好地應(yīng)用到熱處理生產(chǎn)中，首要的問題是除硫。對于熱處理來說，天然氣[1-5]。關(guān)于脫硫....然氣脫硫主要采用濕法和干法兩種。濕法脫硫是采用量不大，一般不采用濕法脫硫。232332FeS+6H0＋熱量23223223此種脫硫劑需要在濕堿環(huán)境下工作，含水量30%~40%，pH值8~10。主要用于脫除天然氣中的HS。2(2)活性炭在優(yōu)質(zhì)活性載體中添加多種助劑經(jīng)特殊處理2(3)采用國家發(fā)明專利技術(shù)制成的凈化劑一步法脫除有機(jī)硫、無機(jī)硫、水、石油。2.3三種脫硫設(shè)備化劑的一步法凈化設(shè)備(國家發(fā)明專利)。2.3.1兩步脫硫法將氧化鐵和活性炭兩種脫硫劑按一定的比例分段或混合裝載到脫硫塔中,利用氧化鐵脫除無機(jī)硫,活性炭脫除有至至熱處理設(shè)備干燥塔補(bǔ)氧城市天然氣Fig.1Operatingflowchartofdesulphorizingbyusingtwostepprocess干燥塔含水量要達(dá)到-40℃露點(diǎn)(微量水檢測儀檢測)并須為兩套交換使用或暫停再生(如同汽車的天然氣加氣站)。城市天然氣與氧氣混合后進(jìn)人增濕塔，在增濕塔與軟水逆流接觸。增濕后的天然氣進(jìn)人兩組并聯(lián)的脫硫塔，由上而下經(jīng)過兩層脫硫劑層，進(jìn)行脫硫反應(yīng)，將天然氣中的HS和大部分有機(jī)硫脫除，從而得到符合2因?yàn)檠趸F脫硫劑需要在一定的濕度下工作,置換反應(yīng)還需要氧氣參與，故在脫硫塔之前設(shè)置了必要的增濕補(bǔ)氧設(shè)備，而在脫硫之后，需要干燥設(shè)備去水。氧化鐵脫硫時，對水的含量要求較嚴(yán)，為30％-40%,水分低則活性不足,水分高則使氧化鐵呈懸浮狀態(tài)，都影響脫硫效果。置換時需要的氧氣含量也很嚴(yán)格,一般為0.1-0.4(體積分?jǐn)?shù),%)。因此，采用氧化鐵脫硫，不但流程長，控制過程也很復(fù)雜，用氣量不大時，不適宜采用這種方式。而且氧化鐵和活性炭都有一個硫容量的問題，所脫的硫在設(shè)備出不來，會使脫硫效果不斷衰減。當(dāng)脫硫劑的硫容量達(dá)到一定程度時，脫硫塔的壓降非常大，脫硫指標(biāo)很低，如果此時外界壓力低，一般為0.2MPa以下,使出口壓力低于一定值(一般為3/10≤0.04MPa),該工藝過程將會停止。而且這種脫硫劑的再生操作很復(fù)雜，在一般的生產(chǎn)車間難以完成。因此，這類設(shè)備的供應(yīng)商都是提供一次性的脫硫劑，脫硫十脫水法的原理同上。2.3.2一步凈化法lmg/m3,無石油，水份≤-40℃(露點(diǎn),采用微量水份檢測儀轉(zhuǎn)換)。由于此種凈化劑的再生操作非常簡單,可以在車間定期再生,因此當(dāng)外界壓力很低時(最低可達(dá)0.01MPa),該脫硫法不會出現(xiàn)因壓降大而停產(chǎn)的現(xiàn)象。當(dāng)天然氣含硫量出現(xiàn)異常時(如在地區(qū),就已出現(xiàn)兩次天然氣氣礦脫硫設(shè)備發(fā)生故障,天然氣含硫量高達(dá)mgm,只要縮短再生周期,不會停產(chǎn)。凈因此，株齒公司選擇了一步凈化法來凈化天然氣,4/10表3凈化前株洲市天然氣成分(體積分?jǐn)?shù)，%)Table3CompositionofunpurifiednaturalgasintheCityofZhuZhou(Ψ%)N測單位11長嶺煉化中心實(shí)驗(yàn)室(2006-02-16)測單位-------株齒公司原來使用丙烷氣的壓力為0.1Mpa，現(xiàn)在使用的城市天然氣壓力低于這個數(shù)值。根據(jù)新奧燃?xì)馓峁┑臄?shù)據(jù)，公司天然氣入口處的壓力圍為0.02-0.07Mpa壓力是吸熱式氣氛發(fā)生器)就需要改動。利用丙烷做原料氣時：原料氣密度CHCH3838CH38CHCH44CH422d2(3)d2根據(jù)現(xiàn)場情況，在實(shí)際計(jì)算中，可忽略(3)式中位2式可簡化為：2(d)(4)因此，原料氣改變前后的關(guān)系式可視為：v CH4=CH4.CH4CH4 CH4=CH4.CH4CH4.CH4lHH(5)C3H8CH4CH4CH4CHCH4381又由流量又由流量計(jì)算公式v.CH4.Qvv.CH4.QvC3H8CHCH38表5不同條件下天然氣流量與丙烷氣流量的比值Table5Flowratiosofnaturalgastopropanegasunderdifferentconditions DNmm加到DN50mm，天然氣的流量....因此，將管道口徑由DN25mm增加到DN50mm，0.02-0.07Mpa的天然氣能夠滿足吸熱式氣氛發(fā)生器的生2.4.2.對于滲碳設(shè)備爐門的隔離火簾高度，也有如下計(jì)h=0(6)CHCH3838CHCH44如果火簾管道不改動，因此(6)式可以改變?yōu)椋簐2=PCH4.pC3H8.v2，CH4PpC3H8CHCH4CHCH4384CH4C3H8所以ftftCH4C3H8從上述計(jì)算可知，當(dāng)天然氣壓力在0.02-0.07Mpa圍2.4.3.其他變。富化氣流量變化不大，管道口徑不變，但要注意，管3.工藝調(diào)試與結(jié)果3.1.吸熱式氣氛發(fā)生器的生產(chǎn)工藝如表6，測得的吸熱式表6吸熱式氣氛發(fā)生器的工藝參數(shù)Table6Operatingparametersofendothermicgasgenerator=1：2.4/h-110400.051406—8 吸熱式氣氛的成分(體積分?jǐn)?shù)，%)Table7Compositionofendothermicgas(Ψ%) 組分COCOCH檢測設(shè)備24 比例310.50檢測不到CO、CO、CH紅外分析儀等243.2.滲碳爐(以愛協(xié)林雙排連續(xù)爐為例)推料周期：40rocessparametersofcarburizing 區(qū)位加熱強(qiáng)滲1強(qiáng)滲2高溫擴(kuò)散低溫擴(kuò)散溫度/℃900930930900850 碳勢(％C)-1.201.200.750.75料管筐的九個點(diǎn)用方形臺階試樣(見圖2)分析碳濃度分布，在料筐的九個點(diǎn)用齒形試樣進(jìn)行表面金相組織和硬Table9Carbonconcentrationsbyusingsquareterracedspecimensat9pocket(wt%) 距表面距離/mm1＃2＃3＃4＃5＃6＃7＃8＃9＃平均值檢測設(shè)備0.730.74475535/106/10滲滲碳淬火....0.60.60.60.60.50.670.690.680.680.67讀光譜儀99860.50.50.50.41.00.530.550.540.530.53934690.40.40.40.41.50.400.430.430.40.4250Table10Carbonconcentrationsmeasuredbyusingtoothshapespecimensat9pointsinpocket(wt%)驗(yàn)項(xiàng)目殘余奧氏體(級)443434443馬氏體(級)443434443碳化物(級)111111111心部鐵素體(級)111111111面硬度/HRC730005005表面非馬組織/mm0.0040.0040.0060.0040.0050.0060.0050.0070.004*注：(1)淺腐蝕，若試驗(yàn)使用鑲嵌試樣，其結(jié)果還要好些；(2)原淬火油碳黑較多，一年后結(jié)果還要好，現(xiàn)淬火油中的炭3.3國部分廠家滲碳淬火件表面層非馬氏體組織金相檢織金相檢查結(jié)果見表11，金相照片見圖2~圖5。表11部分滲碳淬火件表面層非馬氏體組織金相檢測結(jié)果[8]TablePartialcementitequenchingsurfacelayernon-martensiteorganizationmetallographyexaminationresult廠家helin非馬厚度(μm)#齒節(jié)齒根備注40≤5.0(無黑帶)20CrNiMo旺成20CrMnTi一汽2220.90 Cr;Ni-0.75為#：1).淺腐蝕;2)100×;3)非馬氏體組織層,只呈現(xiàn)第二個黑網(wǎng)[8、9]7/10a)齒節(jié)100×(非馬層深≤5μm)b)齒根100×(非馬層深40μm)GraphZhutoothcompanynonmarkinpictureThehardenedlevelis1.60mm)GraphChongqingWnagchenthegearnonmarkinpictureprosperously(Thehardenedlevelis0.90mm)GraphChongqingWnagchenthegearnon-markinpictureprosperously(Thehardenedlevelis1.10mm)a)有稀土(非馬組織層深17.5μm)b)無稀土(非馬組織層深23μm)圖5一汽未凈化天然氣(Rx氣氛)齒節(jié)非馬相組織GraphChangchunFAWhasnotpurifiedthenaturalgas(theRxatmosphere)thetoothfestivalnon-hosetoorganize3.4部分非馬金相組織檢查簡評在有效硬化層深度0.8mm情況下，一般非馬氏體組織≤3(1)旺成齒輪公司采用Ipsen低壓真空滲碳技術(shù)爐，μm，但也有時候超過3μm。本人認(rèn)為是由于使用的氣源8/10為CH(地區(qū)為天然氣制造，含總硫約6mg/m3波動、水份22為常溫)，非馬氏體組織層深將隨無機(jī)硫、有機(jī)硫、水份的含量波動而波動，與空氣密度(1.27kg/m3)相比，乙處理，含總硫6mg/m3左右，而甲烷未經(jīng)凈化使對比度的一般總硫可控制為1mg/m3、水份(露點(diǎn))-50℃以下，必期待你去發(fā)現(xiàn)……。必將載入史冊！(2)從圖2、圖3、圖4可見：齒節(jié)非馬組織旺成不較旺成厚，暴露了株齒相對氧化多。(3)比較圖2、圖5、表11：都是采用RX氣氛天然氣滲碳，而株齒采用了國家發(fā)明專利“凈化的天然氣”，并且株齒有效硬化層深度為1.60mm,其非馬組織在齒節(jié)處齒節(jié)較薄，說明該廠采用了快速光亮淬火油其冷卻較是以齒節(jié)為首，因此針對GB/T9450-2005《鋼鐵滲碳淬強(qiáng)調(diào)齒輪非馬的測定除Fig.6SchematicdiagramofsquareterracedspecimenFig7.Carbonconcentrationgradient表12改用天然氣后的產(chǎn)品質(zhì)量Table12Qualityofgearsproducedbynaturalgas178099/7合格率(%)243899294.分析的推料周期45min/盤，改為天然氣后的推料周期為紅外儀檢測吸熱式氣氛中CO含量高達(dá)22%，最高達(dá)到31%；提高了。資料[6]表1資料[7]表13此數(shù)據(jù)均未注解其純6mg/m3左右，并且含水使丙烷氣CO含量實(shí)際與理論差距很大。其原因：現(xiàn)行生產(chǎn)中的天然氣、丙烷、丁烷均不是的甲烷，而存在有丙烷、丁烷等……同樣，丙烷也不是00%……表13[7]滲碳?xì)夥仗紓鬟f系數(shù)β吸熱式吸熱式直生式直生式直生式直生式天然氣丙烷天然氣+空氣丙烷+空氣天然氣+CO丙烷+CO22CO%2023.717.5244054.5H%403147.535.548.739.52β(×10－5)1.251.151.301.342.622.78.....cm/s4.2富化氣流量變化不大使用丙烷氣時，富化氣的流量約為6.6m3/h，原來按照碳mhmh半。這主要?dú)w因于天然氣滲碳的另一機(jī)制即CH→Cad+H[1-4]的42優(yōu)勢。用不同設(shè)備滲碳時的富化氣用量見表12。Table14EnrichinggasconsumptionsfordifferentfumacesHolcroft箱式爐愛協(xié)林多用爐單推盤連續(xù)爐愛協(xié)林雙推盤連續(xù)爐使用設(shè)備合計(jì) (1300kg)(800kg)(780×440mm)(560×560mm)4.3.出現(xiàn)異常問題的原因與解決措施爐5區(qū)氧探頭檢測到的O值不穩(wěn)定，一般都偏高，有時mvv標(biāo)，一般為0.024—0.028mm，最嚴(yán)重的達(dá)到mm析，我們認(rèn)為有如4CH較多，通過儀器檢測5區(qū)CH含量會44標(biāo)準(zhǔn)氧探頭有一對鉑電極，在CH含量﹤1時工作正4常。但當(dāng)氣氛中的CH含量較高(如2％—10％或更多)4時，由于鉑是CH分解的強(qiáng)觸媒，改變了氧探頭附近的氣4氛成分，導(dǎo)致氧探頭給出錯誤的信號(主要是O值測量mv偏高)。建議采用特殊合金電極并附加補(bǔ)償電解質(zhì)的氧探頭能夠解決這個問題。我們將五區(qū)溫度提高到850℃，并在5區(qū)采用國外進(jìn)口氧探頭或不帶鉑電極的國產(chǎn)氧探頭很好地解決了這個問題。顯的炭黑，淬火后的產(chǎn)品表面也無