023-86669155
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1. 安徽星瑞齒輪傳動有限公司（原六安齒輪廠），安徽省 六安市 237010
摘 要:安徽星瑞齒輪傳動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。
關(guān)鍵詞:凈化的天然氣；熱處理；經(jīng)濟效益
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)有一個共同的弱點就是必須建造存儲庫，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，以其價廉、安全等優(yōu)點，已被越來越多的廠家作為熱處理介質(zhì)進行滲碳等。
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℃。
表1古老資料制備后的吸熱式氣氛成分表
原料氣 | 吸熱式氣氛（體積%） | |||||||
CO | CO2 | O2 | H2 | CH4 | N2 | H2O | 露點 | |
天然氣 | 20.9 | 0.3 | 0 | 40.7 | 0.4 | 其余 | 0.6 | 常溫 |
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，而實際情況一般為1:2.5，甚至更高，因為天然氣不僅只含甲烷，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-2～5℃。
表2 RX氣氛制備參考表
產(chǎn)氣量（m3/h） | 25 | 27 | 32 | 37 | 42 | 46.5 | 51.5 | 56 | 61 | 66 |
天然氣（m3/h） | 5.0 | 5.5 | 6.5 | 7.5 | 8.5 | 9.5 | 10.5 | 11.5 | 12.5 | 13.5 |
空氣（m3/h） | 12 | 13 | 16 | 18 | 21 | 23 | 25 | 28 | 30 | 33 |
我公司目前所使用的配比為1:2.8，此比例就我們所知為*高數(shù):露點-2～5℃工作中一般將空氣比例適當(dāng)調(diào)高，因為這樣可以確保天然氣完全裂解，不容易積聚碳黑，同時節(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）。
天然氣滲碳淬火原理圖如下
作者簡介：朱金木，2005年畢業(yè)于合肥工業(yè)大學(xué)機械設(shè)計專業(yè)，現(xiàn)供職于安徽星瑞齒輪傳動有限公司（原江淮汽車六安齒輪廠），先后從事熱處理技術(shù)研究、熱處理工程策劃、熱處理班組管理等工作。地址：237010皖六安市新河?xùn)|路10號，電話/傳真：0564-3697405，手機：15005693176，E-mail:zhujinmu@126.com，MSN：zhujinmu@hotmail.com。
使用甲醇—丙酮滲碳原理為：
介質(zhì)名稱 | 化學(xué)式 | 作 用 | 反 應(yīng) |
甲醇 | CH3OH | 作為載氣，起稀釋作用，裂解（代替吸熱式氣氛）碳勢0.45左右 | CH3OH→C+O+2H2 |
丙酮 | C3H6O | 作為富化氣，起滲碳作用 | C3H6O→3C+O+3H2 |
3、使用天然氣進行熱處理的優(yōu)勢
下面以甲醇—丙酮為例，來比較一下天然氣的優(yōu)勢。
3.1、運輸、購買及輸送方便
甲醇、丙酮為液體，運輸不便，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，而天然氣家家戶戶都會用到。將甲醇、丙酮輸送進設(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，便可直接輸送進設(shè)備。
3.2、管理簡便
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，管路電磁閥自動切斷，不會出現(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，有一個氣化→分解的過程，甲醇內(nèi)還有很多水、有機硫、無機硫使得介質(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，從而使得工件表面光潔；天然氣屬氣態(tài)介質(zhì)，進入設(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，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：
日 期 | 當(dāng)前儲量/m3 | 總消耗量/m3 | 每小時消耗量（m3/h） | |
1#表 | 2#表 | |||
2009.6.11 | 0 | 4140 | ||
2009.6.24 | 4847.3 | 3335.2 | 804.8 | 2.5 |
2009.7.7 | 4184.3 | 3237.0 | 761.6 | 2.5 |
天然氣市場價按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-7.5元/小時）×24h×30天×12月 =469900元/年，所用設(shè)備9個月內(nèi)收回投資。
3.5、碳黑積聚少
從實際使用情況來看，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、使用過程中要重點注意的事項
4.1、凈化的天然氣
城市民用天然氣情況
天然氣技術(shù)要求（GB17820-1999） | I | II | III | IV | |
總硫mg/m3 | ≦150 | ≦200 | ≦460 | ＞460 | |
H2Smg/m3 | ≦6 | ≦20 | |||
CO2% | ≦3 | ≦3 | |||
水份 | 無游離水 |
天然氣能夠進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]，因為硫、水對管道及設(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。因此需要對天然氣進行凈化，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)……。*終采用市場上成熟的已在德國、美國、日本、韓國在華企業(yè)大量應(yīng)用的中國人發(fā)明專利“天然氣凈化設(shè)備”對城市天然氣進行凈化。
該設(shè)備特點是投資較低:本法脫硫與采用二步法脫除天然氣中有機硫和無機硫相比，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)法或濕堿法脫無機硫帶來很多水份，對熱處理滲碳?xì)夥蘸懿焕?，舊法活性炭脫除天然氣中的有機硫一般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)后運行費用低，凈化效果好。
天然氣凈化前后效果對比
類型 | 單位 | 無機硫 | 有機硫 | 水份（露點） | CO2 | 石油 | 汞 |
凈化前 | mg/m3 | ≤100 | ≤250 | ≤24℃ | ≤3 | ≤100 | ≤100 |
凈化后 | ≤1～3 | ≤3～5 | ≤-60℃※ | ≤0.5 | 無 | 無 |
注:外界壓力很低時，不會出現(xiàn)腸梗阻現(xiàn)象；當(dāng)外界天然氣氣礦脫硫設(shè)備檢修其無機硫高達1100mg/m3時，縮短再生周期就行，不會停產(chǎn)。（由于外界氣源含硫波動很大，現(xiàn)已經(jīng)有6家西氣東輸用戶驗證。一般再生吐污10小時，有的客戶再生72小時吐完污氣。
※ 此數(shù)據(jù)為露點儀檢測，微量水份儀為≤-40℃。
凈化劑壽命長（服役能力）：重慶機床廠已使用19年，目前還能達到上述指標(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，火焰呈藍色，經(jīng)化驗總硫＜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天然氣中的雜質(zhì)有機硫、無機硫、水、石油、汞等:進行化學(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，就需要進行再生，我公司采用的是使用壓縮空氣對凈化罐進行再生，由于再生需要加熱（約350℃），這樣一些頑固硫化物特別是有機硫中的四氫噻吩才能完全析出，同時析出水、油、汞，但是這樣就帶來一個問題，在析出硫化物的同時，凈化劑所吸附的水經(jīng)加熱解析變?yōu)榈乃?jīng)過長長的管道便冷凝成水，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)過對問題詳細(xì)細(xì)致的分析研究，我們討論得出一個簡便易行且行之有效的方案
——對管道進行簡單改造，便可輕松解決上述難題，附簡圖如下。
由上圖可以明顯看出，在原管路上作簡單改裝，將彎頭改成相應(yīng)大小的三通，再連接適當(dāng)長度的帶梯度的管道，在管道末端裝上一個球閥，便可以解決噴水問題。當(dāng)水蒸氣冷凝成水時，便會積存在改造后的儲管內(nèi)，隔幾個小時將球閥打開放一下水即可（實際經(jīng)驗是大約3小時放水一次）。建議增加一個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，同時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，還要重點注意的一項就是使用的壓力，首先要與滲碳爐廠家進行詳細(xì)對接，清楚設(shè)備所需要的流量以及壓力，然后再結(jié)合工廠的未來計劃，*后考慮適當(dāng)?shù)挠嗔?，諸多綜合因素組合形成*終對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，對管道要定期檢漏，一般一個月一次，對活結(jié)、彎頭、球閥等接頭部位要重點檢查，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)的類似手機大小的便攜式CH4氣體檢漏儀。對壓力表及相應(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)及時處理。
4.5、突然停氣
天然氣用來滲碳以及廢氣點火，當(dāng)出現(xiàn)突然斷氣時應(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個小時確知停氣時間便可將損失降到*低，而實際情況是，我們總會確保管道內(nèi)儲存的天然氣足夠9個小時使用，即使是突然停氣也不會帶來重大損失。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:手動打開電磁閥，啟動氣體發(fā)生器，調(diào)節(jié)露點，待露點穩(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，對其的保養(yǎng)維護至關(guān)重要，日常重要的維護點有循環(huán)水過濾網(wǎng)、探頭、阻火器、馬達閥等，如發(fā)現(xiàn)罐前壓與罐后壓相差大于1KPa時應(yīng)立即清理碳黑，每周清理一次碳黑過濾罐和碳黑過濾器，擦拭露點觀察窗玻璃，每個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)備要求定期進行燒碳黑的周期可依據(jù)實際情況大大延長，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)滲才可進料，溫度及碳勢到達工藝要求后方可進料，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)，警鐘長鳴，只有時刻繃緊安全的弦，不放過每一個存在隱患的角落，按照要求進行生產(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，對相關(guān)作業(yè)人員進行反復(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，吸入過量會導(dǎo)致人體中毒，因此，在置換時要佩戴防護用品。
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結(jié)果
圖號 | 材料 | 廠 家 | 設(shè)備 | 工藝種 類氣氛 | 氣源 | 淬火介質(zhì) | 有效硬化層深度（mm） | 非馬厚度（μm） | |
齒節(jié) | 齒根 | ||||||||
圖2 | 20CrMnTiH | 江淮汽車 | Lpsen多用爐 | 滴注式，甲醇、丙酮
| 甲醇 丙酮 | 好富頓355等溫淬火油 | 0.65 | 27.39 | 35.22 |
圖3 | Aichelin 單推盤爐 | 凈化 天然 氣，吸 熱式 | 凈化 天然氣 | 0.60 | 10.5 | 20 | |||
圖4 | 22CrMo | 湖南 株齒 | Aichelin 雙推盤爐 | 快速光亮 淬火油 | 1.60 | ≤5.0 | 40 (無黑帶) | ||
6、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
圖2 江淮汽車非馬金相照片(硬化層為0.65mm)
圖3 江淮汽車非馬金相照片(硬化層為0.60mm)
圖4 株齒公司非馬金相照片(硬化層為1.60mm)
注:這三種試樣在不腐蝕狀態(tài)下看金相，均無晶界氧化。
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)單們的經(jīng)驗，逐漸調(diào)整工藝，以達*佳效果。但有一點必須說明: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)明專利人全國先進失效分析專家李志義高工教授作了補充修改。
參 考 文 獻
[1] 樊東黎主編，機械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊:熱處理類/《機械工程標(biāo)準(zhǔn)手冊》中國標(biāo)準(zhǔn)出版社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上海中國熱處理活動周宣講，中國熱處理行業(yè)協(xié)會2008.9太原會議論文集37～44 齒輪傳動2011.6；79～86
[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)濟效益。09、4中國熱協(xié)武漢“滲氮及表面熱處理技術(shù)會議”和09年8月宜昌十四省市熱處理暨第八屆全國化學(xué)熱處理學(xué)術(shù)交流會上宣講。（待雜志刊登）
注：此文已刊登[J]熱處理.2011年第26卷第三期75～79,題目為齒輪的天然氣滲碳
