氮甲醇气氛气体流量的控制.doc

氮甲醇气氛炉气体流量的控制上海汽车变速器有限公司 热处理 工程师 朱永新前言氮甲醇气氛渗碳是以氮气为载体添加富化气的一种渗碳方法。相对于其他形式的可控气氛而言，氮甲醇渗碳具有碳势控制更稳定，产品质量更好，操作更安全等显著的优点。其缺点是设备需要消耗大量的氮气和甲醇，生产成本和碳排放量较高。通入过多的氮气和甲醇不仅会造成资源浪费，同时会造成大量的CO2气体排放影响环境。在不影响渗碳质量和速度的前提下，我厂经过一年多来的生产实践，大幅降低设备指导耗气量30%以上，取得了良好的效果。1 介质比例的设定我厂使用的Aichlin多用炉，是典型的氮气+甲醇+丙烷的氮甲醇渗碳气氛，经高温裂解后主要产生CO,H2,N2等气体。热力学上，当温度超过700时，其主要介质甲醇按下式进行：裂解方程式为：CH3OHCO+2H2，每L液态甲醇产气量为1.66m3。40/60配比是最常用的氮甲醇气氛，实际应用时可以通过调节N2和CH3OH的比例来调整气氛的组成。设备厂家的指导流量：4.2+0.5L/h甲醇，4.5+1m3/h氮气比例，也是基于这一原则。根据这一气体组成，我们可以计算出炉膛内CO/H2/N2所占的比例：CH3OH CO + 2H2 4.2*1.66/3 2*4.2*1.66/3N2:4.5（氮气不参与还向反应）即：CO:H2:N2=2.3:4.6:4.5,气体主要成分组成接近为：20% CO+ 40% H2+ 40%N2。氧探头作为可控气氛在线碳势控制的主要手段，是通过测量炉内的氧分压高低，间接反映碳势的高低，COC+1/2O2。在气氛中的CO值恒定的前提下，若测出炉气中的可变氧量，可测定出炉气碳势，然后通过加入丙烷或空气的追加，达到控制碳势的目的。氮-甲醇气氛中，氮气与甲醇的比例不同，co的值也不同。因此，控制氮气与甲醇的比例，保证co的值的恒定是稳定碳势的前提。设备上一般氮气以m3、甲醇以L为单位的流量计，只要保证氮气与甲醇的 1.1：1的关系，就可以方便设定氮气与甲醇的比例关系，从而得到CO为20%基础的氮甲醇气氛。在甲醇质量(特别是含水量)可靠的情况下,气氛中含量在一个很小的范围(一般18%一22%)内波动。在此理论基础上，我们将流量调整为：3.0+0.5L/h甲醇，3.5+0.5m3/h氮气的设定值。2 介质流量的确定碳原子在炉内时间长会失去活性，应适当补充换新。介质流量的确定，是根据炉膛的容积，多用炉按每小时3-5次的换气率，测算出氮气和甲醇的设定量。Aichlin多用炉的炉膛体积为：1600*1300*1200=2.5m3，按照体积我们得出以下的换气数据：1）按4.2L/h甲醇，4.5m3/h氮气，换气次数为：（4.2*1.66+4.5）/2.5=4.5次/h2）按3.0L/h甲醇，3.5m3/h氮气,换气次数为：（3*1.66+3.5）/2.5=3.4次/h需要说明的是，上述炉膛体积是按照空炉的体积测算，在装炉后的实际炉膛体积更小，因此实际的换气次数更高。并且是以传统的渗碳介质计算方式，是建立在老式渗碳炉（滴注煤油式、无碳势自动控制、密封性不好）所以要求换气次数较大一般大于3次/小时，目前的设备可能还有一定的下降空间。3 跟踪试验情况3.1渗碳工艺的过程跟踪在确定氮气和甲醇下降量后，在Aichlin多用炉进行了跟踪试验。在同一炉子，流量更改前后，针对渗碳过程的升温、保温、降温等不同阶段，分别对炉压，碳势的波动情况作了详细的跟踪记录，见表1炉压、碳势记录表：降低流量前降低流量后升温保温降温升温保温降温炉压+40pa+50pa+40pa炉压+20pa+30pa+30pa碳势波动量不控制0.050.05碳势波动量不控制0.050.05碳势到达时间5-10min碳势到达时间5-10min表1炉压、碳势记录表 从数据及现场的曲线监控看，碳势的波动值和碳势到达时间基本无变化，渗碳总的工艺时间未受到影响。炉压略有降低，在调整排气口的阀门后，可以恢复原来的状态。同时应当注意的是，降低流量对正常渗碳时碳势影响不大。但是炉膛若进行过开门检修等操作后，在气氛完全破坏的情况下，需要适当考虑增加预渗的时间，否则将影响预渗效果。3.2试验结果测试情况在产品进行满炉试制的同时，根据不同的装炉位置进行了9点金相，表面碳含量的光谱检测等理化测试，所有检测指标合格，见表2金相检测记录表：试验产品名称：02T 311 169 行星齿 材料：TL4521 序号表面硬度680-780表面含碳量0.7-0.9心部硬度400-500硬化层深0.5-0.8KAM非M结论17200.834400.652220.015合格26830.844350.602330.015合格36940.814360.631230.010合格46950.844420.661330.015合格56860.844350.631220.015合格66890.824300.642330.015合格77050.834410.632220.015合格86850.814330.641330.015合格97080.804390.641320.015合格表2金相检测记录表该方法在我厂的连续炉、转底炉等不同类型的氮甲醇渗碳炉上，进行了试验和推广，同样取得了良好的效果。设备耗气量比原来减少了30%以上，为企业节约大量的资金，节能减排大有潜力可以挖掘。5 结论1）适当的降低氮气甲醇的流量，不影响渗碳的速度和产品质量。2）氮气和甲醇的通入必须按一定的比例执行，改变两者的比例会影响碳势的测量。参考文献：1、