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摘 要：安徽星瑞齿轮传动有限公司已成功地以净化后的天然气代替甲醇-丙酮用于齿轮渗碳。这项工程所取得的成果表明，产品质量稳定提高，生产成本显著下降，经净化的城市天然气在热处理行业中有广阔的应用前景。
关键词：净化的天然气、热处理、经济效益
1、前言
在传统观念里，渗碳介质一般选用甲醇—丙酮、煤油、甲醇—丙烷等，这些介质有一个共同的弱点就是必须建造存储库，这样就为安全生产埋下了重大的隐患，天然气作为一种广泛的能源，以其价廉、安全等优点，已被越来越多的厂家作为热处理介质进行渗碳等。
2、反应原理
用天然气制备吸热式气氛的公式为：CH4+2.38空气——>CO+2H2+1.88N2，Ni为催化剂，反应温度≥1000℃ 古老资料制备后的吸热式气氛成分表
（图片）由上面公式可以明显看出，采用天然气渗碳天然气与空气的比例为1:2.38，而实际情况一般为1:2.5，甚至更高，因为天然气不仅只含甲烷，还有丙烷等含碳较高的化合物以及有害杂质。
RX气氛制备参考表：
天然气（CH4）+空气制备RX气氛
产气温度1000～1040℃，天然气：空气=1：2.4，露点-2～5℃（图片） 我公司目前所使用的配比为1:2.8，此比例就我们所知为最高数：露点-2～5℃工作中一般将空气比例适当调高，因为这样可以确保天然气完全裂解，不容易积聚碳黑，同时节约了制备RX气氛的原料气天然气……约15%，由于天然气净化非常好，在通入富化气为2m3/h耗量大大下降，使CH4→Cad+H2的渗碳机理充分发挥作用。不仅仅不产生炭黑，而且使有氧参加下渗碳机理下降，渗碳件表面层因内氧化而产生的非马氏体组织大大下降（浅腐蚀）见图3。
天然气渗碳淬火原理图如下：
（图片） 使用甲醇—丙酮渗碳原理为：（图片） 3、使用天然气进行热处理的优势
下面以甲醇—丙酮为例，来比较一下天然气的优势。
3.1、运输、购买及输送方便
甲醇、丙酮为液体，运输不便，且成本较大，而天然气用城市管道输送，非常方便。丙酮是制造毒品的原料之一，属严管化工产品，及其难购，而天然气家家户户都会用到。将甲醇、丙酮输送进设备，必须先用泵泵到一定的高度或者使用一定压力的气体输送，而天然气只需经过适当地减压，便可直接输送进设备。
3.2、管理简便
使用甲醇、丙酮必须建造通风良好的介质房，而建造介质房就会存在安全隐患，给安全工作带来麻烦；使用天然气便避免了建造介质房的麻烦，且建造成本低廉，即使万一地面发生火情，管路电磁阀自动切断，不会出现火灾。
3.3、产品质量提高
甲醇、丙酮为液态介质，滴入设备后，有一个气化→分解的过程，甲醇内还有很多水、有机硫、无机硫使得介质管道容易积聚碳黑，据可靠信息：有些厂订购了甲醇净化设备使质量稳定提高，从而使得工件表面不光洁；而天然气属气态介质，进入设备后无需气化过程，直接分解成无氧参加的活性碳和氢气等，不易结碳，工件表面干净；渗碳件表面层非马氏体组织大大下降，一般在有效硬化深0.8～1.2时，齿节部位5μm左右（浅腐蚀），表面层硬度（HV1转换）HRC61以上。见图2-4
3.4、生产成本降低
下表是爱协林单推连续炉正常投入生产后所消耗的天然气记录：
（图片） 天然气市场价按3.0元/m3算，则爱协林连续炉介质使用成本为3.0元/m3×2.5m3/h=7.5元/h
下面再将老区Ipsen炉介质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，液化气800kg/月×5.5元/Kg=4400元/月，则Ipsen连续炉介质使用成本为（16800元/月+23360元/月+4400元/月）÷30天÷24h=61.89元/h
由以上对比数据可以明显地看出，使用天然气作为热处理渗碳介质等比甲醇丙酮节省成本。
节约估算：（61.89元/小时-7.5元/小时）×24h×30天×12月 =469900元/年，所用设备9个月内收回投资。
3.5、碳黑积聚少
从实际使用情况来看，目前爱协林连续炉投入使用约半年，自从将备用的甲醇—丙酮管道拆除后，便没有积聚过碳黑，从窥视孔观察炉膛，没有明显碳黑，出炉工件亦无附着碳黑。出现光亮银灰色无炭黑。淬火油也无污染而清亮。
4、使用过程中要重点注意的事项
4.1、净化的天然气
城市民用天然气情况（图片） 天然气能够进行渗碳的前提条件是其纯度必须大于95%，且含硫量小于10mg/m3（含硫、含水越低越好）[1.2]，因为硫、水对管道及设备腐蚀严重，使热处理气源耗量大增，产品质量下降。因此需要对天然气进行净化，我公司经过多方调研也知道很多单位在招标工作中由于净化后的指标和保持该指标的服役寿命10年以上；市场上各式各样脱硫、净化天然气等制造单位均望而止步，不敢接标……。最终采用市场上成熟的已在德国、美国、日本、韩国在华企业大量应用的中国人发明专利“天然气净化设备”对城市天然气进行净化。
该设备特点 投资较低：本法脱硫与采用二步法脱除天然气中有机硫和无机硫相比，其初期脱硫效果就低于该发明专利，半年后二步法效果越来越低（硫只吃不吐，还产生水，并出现肠梗阻）。二步法脱硫中Fe2O3ZnO2等混合固态法或湿碱法脱无机硫带来很多水份，对热处理渗碳气氛很不利，旧法活性炭脱除天然气中的有机硫一般50次再生就失效，本设备投资缩小1/2以上，占地缩小2/3以上，投产后运行费用低，净化效果好。
天然气净化前后效果对比
（图片）注：外界压力很低时，不会出现肠梗阻现象；当外界天然气气矿脱硫设备检修其无机硫高达1100mg/M3时，缩短再生周期就行，不会停产。（由于外界气源含硫波动很大，现已经有6家西气东输用户验证。一般再生吐污10小时，有的客户再生72小时吐完污气
※ 此数据为微量水份检测仪检测，若用露点仪≤-60℃。
净化剂寿命长（服役能力）：重庆机床厂已使用19年，目前还能达到上述指标的服役能力。该厂使用净化气源热处理设备至今只小修未大修节约价值可观。
我公司使用净化设备净化后的天然气无臭鸡蛋气味，火焰呈蓝色，经化验总硫＜1mg/M3以下，证明净化效果稳定非常好。
净化罐采用的净化剂对天然气中的杂质有机硫、无机硫、水、石油、汞等：进行化学反应、电化学反应、物理吸附、物理过滤，当吸收饱和后，就需要进行再生，我公司采用的是使用压缩空气对净化罐进行再生，由于再生需要加热（约350℃），这样一些顽固硫化物特别是有机硫中的四氢噻吩才能完全析出，同时析出水、油、汞，但是这样就带来一个问题，在析出硫化物的同时，净化剂所吸附的水经加热解析变为的水汽经过长长的管道便冷凝成水，经积聚后由管道燃烧口喷出，从而浇灭气体发生器的点火嘴和废气排放火焰，造成气体发生器停止工作。
经过对问题详细细致的分析研究，我们讨论得出一个简便易行且行之有效的方案——对管道进行简单改造，便可轻松解决上述难题，附简图如下。（图片） 由上图可以明显看出，在原管路上作简单改装，将弯头改成相应大小的三通，再连接适当长度的带梯度的管道，在管道末端装上一个球阀，便可以解决喷水问题。当水蒸气冷凝成水时，便会积存在改造后的储管内，隔几个小时将球阀打开放一下水即可（实际经验是大约3小时放水一次）。建议增加一个水气分离器在再生管道上。（研发制造单位已经增加安装一个水气分离器）。
4.2、工艺调整
一般的贯通式连续炉，炉前废气排放量要大于炉后废气排放量，比例约为7:3，从而保证设备安全以及产品质量，这样各区的介质流量应该是从前到后逐渐减少，爱协林连续炉在遵守这一大的守则前提下，经过反复调整，将保温区的介质流量略微提高，从而确保保温区的碳势，同时天然气也得到充分分解（定碳结果与仪表显示基本吻合）。
4.3、减压阀
在使用天然气的过程中，还要重点注意的一项就是使用的压力，首先要与渗碳炉厂家进行详细对接，清楚设备所需要的流量以及压力，然后再结合工厂的未来计划，最后考虑适当的余量，诸多综合因素组合形成最终对天然气公司所需要的天然气压力以及流量的要求。由于城市天然气使用的是中压（0.02～0.07MPa），而渗碳炉上使用的压力仅为3～5Kpa，因此需要适当减压，选用减压阀时一定要告诉厂家减压前的压力和减压后的压力，这样才能确保选用合适的减压阀。
4.4、检漏
由于天然气属易燃易爆气体，虽然免除了建造介质房等麻烦，但在使用过程中还是不能掉以轻心，对管道要定期检漏，一般一个月一次，对活结、弯头、球阀等接头部位要重点检查，检查方式有多种，可以采用肥皂水，也可使用专业厂家生产的类似手机大小的便携式CH4气体检漏仪。对压力表及相应的配套设施要经常检查，如发现漏气现象应及时处理。
4.5、突然停气
天然气用来渗碳以及废气点火，当出现突然断气时应作何处理？此问题已与天然气公司作过反复交流，从理论上来说，只要事先9个小时确知停气时间便可将损失降到最低，而实际情况是，我们总会确保管道内储存的天然气足够9个小时使用，即使是突然停气也不会带来重大损失。除了客观原因造成停气之外，也有可能因误操作等原因而使得控制主管道通断的电磁阀断开，处理办法是：手动打开电磁阀，启动气体发生器，调节露点，待露点稳定后，送气。
4.6、气体发生器需定期清理
气体发生器是吸热式气氛的制造者，对其的保养维护至关重要，日常重要的维护点有循环水过滤网、探头、阻火器、马达阀等，如发现罐前压与罐后压相差大于1Kpa时应立即清理碳黑，每周清理一次碳黑过滤罐和碳黑过滤器，擦拭露点观察窗玻璃，每个月要清理一次放散阀内积存的碳黑，保持管道畅通。
4.7、定期烧碳黑
由于气源净化程度非常深按照设备要求定期进行烧碳黑的周期可依据实际情况大大延长,有的使用单位基本不烧碳黑[3]……。气体发生器在烧完碳黑重新启动后，一定要待温度升到工艺温度且保温0.5～1h后再造气，造气时要先通空气，后通天然气；连续炉烧完碳黑后要充分预渗才可进料，温度及碳势到达工艺要求后方可进料，否则容易造成产品缺陷。
4.8、安全
再繁忙的生产也必须服从安全，安全生产，警钟长鸣，只有时刻绷紧安全的弦，不放过每一个存在隐患的角落，按照要求进行生产，便可避免许多不必要的安全事故。在使用天然气的过程中，对相关作业人员进行反复宣传，加大培训力度，确保安全生产万无一失。另外，天然气中含有的硫化氢等杂质有毒，吸入过量会导致人体中毒，因此，在置换时要佩戴防护用品。
5、齿轮渗碳表面层。非马氏体组织（浅腐蚀）部分渗碳淬火件表面层非马氏体组织金相检测结果
（图片）
注:这三种试样在不腐蚀状态下看金相,均无晶界氧化6.1在比较两种渗碳工艺的渗碳表层非马氏体,如图a、b、c、d、e、f（图片） （图片） 尽管天然气吸热式渗碳，比甲醇、丙酮非马氏体组织较少、很好，但比起有关应用净化天然气吸热式渗碳的资料[3]，非马组织厚了不少，估计我们将吸热式气的天然气与空气之比为1：28太大，这样Rx气氛中的CO含量下降所通Rx量不能缩减使渗碳过程中富化气的量不得不加大，结果适得其反……。我们正吸收有关单位的经验，逐渐调整工艺，以达最佳效果。但有一点必须说明:等温淬火油由于冷却慢,非马一般较厚[2],因此不能就此金相照片而说明我公司的齿轮渗碳内氧化比株齿多……。
6、结束语
净化后的天然气进行热处理，不仅提高产品质量和并且获得较大的经济效益，而且大大缩小了安全隐患，给生产带来便利。感谢发明专利人全国先进失效分析专家李志义高工教授作了补充修改。
参 考 文 献
[1] 机械工程标准手册：热处理类/《机械工程标准手册》2003.4.P169
[2] 李志义、马学文、蒲玲、李晓澎等. 再述渗碳淬火件非马氏体产生的原因和防止措施（C），08、8上海中国热处理活动周宣讲，中国热处理行业协会2008.9太原会议论文集37～44（待杂志刊登）
[3] 马学文、李志义、李晓澎. 用净化后的天然气代替丙烷气渗碳的质量及经济效益。09、4中国热协武汉“渗氮及表面热处理技术会议”和09年8月宜昌十四省市热处理暨第八届全国化学热处理学术交流会上宣讲。
1/20/2011
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