滲碳時(shí)天然氣替代丙烷，是不是可以？
2019-11-28 尤蕾蕾
（洛陽LYC軸承有限公司、航空精密軸承國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）
滲碳工序是滲碳鋼制軸承生產(chǎn)的一個(gè)特殊工序，它的加工周期長短、原料氣的消耗的多少影響著軸承生產(chǎn)的成本高低。長期以來，我公司滲碳鋼制軸承零件均采用丙烷氣作為富化氣進(jìn)行滲碳，具有較高的生產(chǎn)制造成本。采用天然氣在可控氣氛熱處理行業(yè)替代原有的丙烷氣或丙烷十丁烷混合氣進(jìn)行滲碳，既節(jié)約企業(yè)原料氣消耗成本又緩解當(dāng)今日益嚴(yán)重的能源問題。
國內(nèi)使用天然氣作為滲碳劑進(jìn)行滲碳處理的研究始于20世紀(jì)80年代，經(jīng)過30多年的發(fā)展，相關(guān)氣氛控制及工藝技術(shù)已基本成熟。但目前常見應(yīng)用領(lǐng)域主要為齒輪類產(chǎn)品的滲碳處理，雖然也有企業(yè)開始嘗試使用天然氣作為軸承類產(chǎn)品滲碳劑，但目前該類技術(shù)還未在行業(yè)內(nèi)推廣普及。
我公司丙烷站建于80年代，站內(nèi)設(shè)有兩個(gè)丙烷43m3貯罐和一個(gè)10m3殘液罐，壓縮機(jī)房一座，氣化裝置兩臺(tái)，減壓裝置兩套，室外埋地干管約2000m（DN125），丙烷減壓室8座，用氣總量為11.5～24.5t/月，近幾年運(yùn)行過程中管網(wǎng)經(jīng)常由于銹蝕出現(xiàn)泄漏，造成公司安全隱患。同時(shí)，隨著公司發(fā)展和生產(chǎn)需求以及周邊土地的商業(yè)化開發(fā)，急需解決熱處理用氣的替代問題。
天然氣替代丙烷氣制備可控氣氛
1.兩種原料氣的氣體的化學(xué)反應(yīng)式對(duì)比
利用天然氣來進(jìn)行滲碳熱處理，其工藝原理與使用丙烷氣相似。
用天然氣制備吸熱式氣氛的主反應(yīng)方程式為
CH4＋2.38空氣→CO+2H2+1.88N2?。?）
式中，NiO2為催化劑，CH4作富化氣，反應(yīng)溫度≥1000℃。
由上式看出，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氣氛制備參考如表1所示。
表1 RX氣氛制備參考數(shù)據(jù)
另外，天然氣滲碳機(jī)理CH4→Cad+H2Cad活性碳。
用丙烷氣制備吸熱式氣氛的主反應(yīng)方程式為
C3H8＋7.14空氣→3CO+4H2+5.64N2?。?）
式中，NiO2為催化劑，C3H8作富化氣，反應(yīng)溫度≥1000℃。
為了使?jié)B碳爐內(nèi)達(dá)到較高的碳勢，通在爐內(nèi)添加原料氣（丙烷或甲烷等氣態(tài)烷烴）作為富化氣。當(dāng)吸熱式可控氣氛中添加丙烷作富化時(shí)，由于丙烷會(huì)立即在熱處理爐工作溫度下（800～950℃）進(jìn)行反應(yīng)：
C3H8→2[C]+CH4+2H2?。?）
吸熱式氣氛中的CO2、H2O、CO和H2發(fā)生水煤氣反應(yīng)：
CO+H2O=CO2+H2 （4）
滲碳時(shí)，消耗CO、H2，生成CO2、H2O。
CO+H2=[C]+H2O?。?）
2CO=[C]+CO2 （6）
加入富化氣（CH4）會(huì)反過來消耗CO2、H2O，補(bǔ)充CO、H2，促進(jìn)滲碳反應(yīng)進(jìn)行，其反應(yīng)式為
CH4+CO2=2CO+H2?。?）
CH4+H2O=CO+3H2?。?）
加入富化氣（C3H8），丙烷在高溫下最終形成甲烷，再參加滲碳反應(yīng)，其反應(yīng)式為
C3H8=2[C]+2H2+CH4?。?）
C3H8=[C]+2CH4 （10）
2.兩種氣體的生成物對(duì)比
由表2可知，天然氣和丙烷氣相比，兩種反應(yīng)原理一致，產(chǎn)生的氣氛成分也相差不多，只是通入的空氣比例不同。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(shí)有利于提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期。結(jié)果表明利用天然氣為原料氣時(shí)，熱效率得到明顯的提高，由45%～68%提高到54%～89%，所以決定采用天然氣全面代替液化丙烷氣，作為熱處理生產(chǎn)中制備吸熱式氣氛。表2反應(yīng)了不同產(chǎn)氣量所需要的氣源消耗量。
表2 不同原料氣制備的吸熱式氣體成分（體積分?jǐn)?shù)）（%）
零件的天然氣滲碳熱處理
采用天然氣進(jìn)行滲碳熱處理，連續(xù)氣體滲碳爐推料周期為46min，材料為G20CrNi2MoA，工藝如表3所示，滲碳零件實(shí)物樣（從套圈上切取試樣）的檢查結(jié)果如表4所示。從表4可看出，天然氣滲碳后的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。
表3 滲碳工藝參數(shù)
表4 實(shí)物樣檢驗(yàn)數(shù)據(jù)
丙烷和天然氣的節(jié)能減排對(duì)比
1.節(jié)能效果
丙烷氣價(jià)格為4000元/t左右（新奧燃?xì)夤咎峁瑲饣始s為550Nm
3/t，折合單價(jià)7.27元/Nm
3。天然氣的價(jià)格預(yù)計(jì)為2.88元/Nm
3，按替代比例折合成丙烷價(jià)格為6.05元/Nm
3。
我公司每年丙烷氣用量為220t，費(fèi)用為220×550×7.27＝879670元，若以天然氣替代丙烷氣后每年天然氣用量220×550×2.1=254100Nm
3，費(fèi)用為254100×2.88=731808元，年節(jié)約燃?xì)赓M(fèi)用為879670-731808≈14.8萬元。且隨著石油資源的不斷緊張，價(jià)格具有持續(xù)上漲的趨勢，因此從原料氣消耗成分方面分析，采用天然氣作為制備可控滲碳?xì)獾臍庠矗纱蟠蠼档驮蠚庀某杀尽?/div>
2.減排效果及安全性
丙烷氣燃燒每公斤排放二氧化碳3.1kg，天然氣燃燒每公斤排放二氧化碳2.3kg，使用天然氣滲碳熱處理比丙烷氣減少二氧化碳排放25%左右。而且如有泄漏，天然氣飄向天空不會(huì)在地面堆積，不易造成安全隱患，而天然氣的爆炸極限與丙烷氣相比安全系數(shù)更高。
結(jié)語
采用天然氣在可控氣氛熱處理行業(yè)替代原有的丙烷氣進(jìn)行滲碳，其設(shè)備改造和工藝調(diào)試工作量小，既節(jié)約企業(yè)原料氣消耗成本，又緩解當(dāng)今日益嚴(yán)重的能源問題，同時(shí)也可減少用于安全防護(hù)的人力、物力成本，節(jié)約規(guī)劃用地，提高公司對(duì)周邊區(qū)域的文明建設(shè)。
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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