【doc】可控气氛炉氮-甲醇气氛系统的使用与维护

【doc】可控气氛炉氮-甲醇气氛系统的使用与维护 可控气氛炉氮-甲醇气氛系统的使用与维护 一 l18一 石油机械 CHINAPETROLEUMMACHINERY2009年第37卷第9期 ..应用技术 可控气氛炉氮一甲醇气氛系统的使用与维护 李如学刘春成 (北京石油机械厂) 摘要介绍了美国Holcroft/Loftus公司生产的可控气氛密封箱式周期炉气氛和碳势控制原理及 氮一甲醇气氛系统的流量设定原理和存在的问题.总结多年使用及维修实践经验,提出了根据不同 工艺要求,不同工作条件,适时调整氮一甲醇气氛系统中甲醇流量的方法,原则,并提出了氮.甲 醇系统的维护方法.通过及时调整甲醇流量,在保证热处理质量的前提下,可大量节约甲醇用量, 从而降低生产成本,并能减少废气排放,利于环保. 关键词可控气氛炉碳势甲醇流量节能降耗 0引言 可控气氛热处理炉是目前热处理行业广泛采用 的主要热处理设备,可进行气氛保护加热,调质处 理,渗碳及碳氮共渗处理等热处理操作.具有少, 无氧化加热,可进行化学热处理等优点.但该设备 工艺辅料消耗较大,生产成本较高.我国石化及汽 车制造等行业20世纪80年代引进的美国可控气氛 热处理设备,与当今普及使用的欧洲,13本产同类 设备相比,工艺辅料消耗大的缺点更加明显. 1美国可控气氛密封箱式周期炉 北京石油机械厂1987年从美国Holcroft/Loftus (现在为AFC—Holcmft)公司引进的可控气氛密封 箱式周期炉(GPCE生产线)有效加热区为1200 mm×900mm×760mm,加热功率150kW,有效 载荷l2kN,可进行渗碳,碳氮共渗,调质等保护 气氛热处理.它主要从事螺杆钻具等井下工具类产 品,顶驱装备零部件热处理生产,是热处理生产的 重点设备;具有热处理吨位大,生产效率高,一炉 多用,气源设备简单,原料易获得等优点.但由于 是美国20世纪80年代产品,产品 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 时在节能减 排方面考虑不够,其工艺辅料用量较大,造成热处 理生产成本较高. 1.1可控气氛炉使用气氛 目前可控气氛炉使用气氛主要有吸热式气氛 (适用气源:天然气,丙烷,丁烷或焦煤气与空气按 一 定比例混合,在高温和有镍催化剂作用下裂解而 成;适用工艺:气氛保护加热,渗碳,碳氮共渗, 高浓度渗碳),滴注式气氛(适用气源:甲醇,丙 酉同/工业丙天然气,直接人炉裂解;适用工艺: 渗碳,碳氮共渗,高浓度渗碳),氮一甲醇气氛(用 丙烷或丙酮作富化气,直接入炉裂解;适用工艺: ,碳氮共渗,高浓度渗碳,尤 气氛保护加热,渗碳 其适于760,880?以下的低碳势保护加热),直生 式气氛(适用气源:丙烷,丙酮,直接人炉裂解; 适用工艺:适用于880?以上渗碳,不适于880oC 以下碳氮共渗及880oC以下气氛保护加热). 北京石油机械厂美国产箱式多用可控气氛炉所 用的是氮.甲醇(丙烷作富化气)气氛,工艺辅料 主要有氮气,甲醇,丙烷,若进行碳氮共渗,还要 用到氨气.天然气作为设备操作辅助用气. 下面简单介绍一下各种气体所起的作用. 甲醇,氮气是常用气体,是维持炉内一定正 压,非氧化性气氛的基础气. 氮气是中性气体,主要作为保护气.正常工作 时保障炉压维持一定正压;在炉子处于故障或炉内 气压骤然降低时,快速向炉内充氮排除易燃,易爆 气体,使炉内维持正压;同时作为保护加热气氛热 处理的主要气体. 甲醇作为渗碳气体的载气,维持炉内一定浓度 基本碳势. 甲醇裂解式为: CH(OH)+0.704(0.21O2+0.79N2)一CO+ 2009年第37卷第9期李如学等:可控气氛炉氮-甲醇气氛系统的使用与维护一119 — 2H2+0.556N2 丙烷作为富化气是维持炉内高碳势的渗碳气体. 丙烷裂解式…: C3H8+7.14(0.2102+0.79N2)-+3CO+4H2+ 5.64N2 CO的渗碳反应式为?: 2C0.~-rCJ+CO2 CO2+H2CO+H20 式中rCj——活性碳. 天然气作为点火帘保护气,不人炉,不属于工 艺辅料. 1.2碳势控制原理 可控气氛的碳势控制就是在温度,炉压一定情 况下,控制调节炉子气氛成分中碳的含量,使其达 到与某种钢的碳含量相平衡的气氛,或者控制炉子 气氛,使钢达到工艺要求的碳含量,即在温度一定 的条件下,炉子气氛与钢的碳含量达到动态平衡, 此时的碳含量称为炉子气氛的"碳势". 可控气氛炉的碳势测量是由氧探头测量炉内气 氛中氧的分压,转化为电势信号E. E=0.0496Tlg(p氧参比)? 式中p氢——被测气体中氧的分压; p参比——参比气体中的分压(一般用空气作 为参比气,氧气体积分数为20.9%); 卜绝对温度,K. E传给CARBPRO碳势分析仪,CARBPRO碳 势分析仪将毫伏信号转化为碳势信号传给温度,碳 势双通道控制仪.温度,碳势双通道控制仪根据工 艺程序控制丙烷,空气电磁阀通断:当氧探头测得 炉内碳势低于工艺程序要求或炉内碳势瞬时低于设 定值时,丙烷电磁阀打开,向炉内通人富化气.丙 烷,维持炉内气氛高碳势;当氧探头测得炉内碳势 低于工艺程序要求时,工艺要求降低碳势,或炉内 碳势瞬时高于设定值时,空气电磁阀打开,向炉内 通入空气,降低碳势. 为保证操作安全,设备设计了甲醇,氮气安全 互锁装置:如甲醇流量,压力低于一定范围(炉 内压力低于0.004MPa),压力开关将开启氮气控 制系统高流量氮气电磁阀,紧急向炉内充人高流量 氮气,以维持炉内正压.同时,设备设置了甲醇报 警系统,其工作原理如下. (1)设定了甲醇系统限温装置.当温度~<760 ?时,甲醇总管路电磁阀关闭,禁止向炉内通入甲 醇.这是因为氧探头可探测碳势的最低温度在750 ?,而且低温阶段渗碳气氛裂解不充分,易发生气 体爆炸.所以,设备安全操作 规程 煤矿测量规程下载煤矿测量规程下载配电网检修规程下载地籍调查规程pdf稳定性研究规程下载 将允许向炉内通 气温度设定在760oC以上. (2)设置了火帘监测报警系统.火帘的作用 是防止当打开外炉门进行推,拉料操作时外室因瞬 时压力,温度骤降而吸人大量空气,引起气体爆 炸.当点火帘火焰熄灭时,火焰探测杆感应温度降 低,甲醇系统报警,甲醇总管路电磁阀关断,高流 量氮气电磁阀打开,向炉内通人大量氮气将炉内爆 炸性气体置换出炉. (3)设定了甲醇流量压力监测报警.当人炉 甲醇压力流量低于设定值时,甲醇压力流量开关关 断炉前甲醇电磁阀,停止向炉内通入甲醇.高流量 氮气电磁阀打开,向炉内通人大量氮气将炉内爆炸 性气体置换出炉. 以上3种报警系统启动其一,气氛控制系统都 将停止向炉内通人甲醇,转而通人高流量氮气,置 换出炉内可燃性气体. 另外,由于设置了氮气一甲醇安全互锁装置, 只有炉内具有一定正压的氮气后,才能向炉内通入 甲醇. 气氛控制原理示意图如图1所示. 赫hI赫 <=丙烷 <==]压缩空气 广——_-]氮气 厂=毫鋈鑫簧E !皇整卜._ 垂 氮气 k= 多用炉 加热室 - 卜t二二 赫卜 ................I一 l碳势温度双 l通道控制仪l.........'''...'.''..一 760?l 氮气控 制系统 ——T一甲醇系统故障启动紧急充氮系统 二]压力流量开~F---<,甲醇 图1Holcmft/Loftus可控气氛密封箱 式多用炉气氛控制系统示意图 2氮一甲醇气氛流量设定 2.1设定原则(依据) 当人炉氮气,甲醇体积比为40%:60%时,炉 内气氛(co):(H2):(N2)=20%: 40%:40%,即炉内气氛CO体积分数接近20%, 接近于以天然气为原料气的吸热式气氛比例,此时 头一一偶一隹 搡一一电一一全统氧一一热一一安系1l『]I『洲 一 120一石油机械2009年第37卷第9期 氧探头测得的碳势最接近标定值.因此设备引进之 初,美方调试人员根据经验按渗碳要求设定氮气, 甲醇流量分别为:甲醇7.0L/h,氮气4.7L/h.而 且由于氮一甲醇报警系统调节较繁琐,又涉及炉子操 作安全,所以设定后就不允许再调节了. 2.2氮一甲醇气氛流量设定存在的问题 此流量设置在进行渗碳处理及碳氮共渗处理时 适合实际操作,炉内碳势能稳定控制在设定值0.8% 或1.2%.但在进行调质处理时,却达不到工艺要求 的0.4%碳势.这是因为甲醇7.0L/h的设置,炉内 碳势主要是甲醇裂解气维持,丙烷电磁阀根本不动 作,一直处于关闭状态.但经过长期监测观察,虽 然炉内不进富化气丙烷,炉气碳势基本只能降低到 0.44%一0.5%,根本达不到0.4%的调质工艺要求. 而且由于氧探头检测到的碳势始终高于工艺程序设 定的0.4%碳势,达不到工艺程序控制要求,空气电 磁阀一直处于导通状态,不断向炉内通入压缩空气 稀释炉内碳势.这样向炉内通人大量空气既白白浪 费甲醇,又易造成工件内氧化问题,影响工件质量. 而且由于炉内气氛碳势高于调质工件的碳含量,使 工件表面浅层渗碳,检测工件表面硬度将高于实际 值,造成热处理硬度检验误判. 3改进试验 通过在维修中不断总结经验,并经过反复调试 试验,最终决定氮气流量不变(为保障设备操作 安全),甲醇流量在进行渗碳处理的强渗阶段设定 在7L/h,而在调质处理及渗碳件二次淬火时将甲 醇流量设定在3.5L/h(注意:渗碳件二次淬火时 的此种设定适合于目前所用的渗碳钢种,对其他渗 碳钢未必适用,具体应根据钢种及工件相关技术要 求来定).甲醇流量设定在3.5L/h时,炉内气氛 碳势由甲醇及少量丙烷裂解气维持,碳势能稳定控 制在0.4%.若低于3.5L/h,则炉内气氛碳势要 靠大量通人丙烷来维持,而丙烷裂解反应较慢,会 使炉内积炭.氧探头积炭会影响测量准确度,使测 量值明显高于实际碳势,碳势控制系统控制空气阀 打开,向炉内通人大量空气,造成工件内氧化等缺 陷;而且工件表面积炭影响热处理工件表面硬度: 工件表面积炭处淬火硬度低,成为淬火软点,造成 热处理缺陷.在安全方面,若甲醇流量太小,则炉 顶火炬火焰太小,不利于观察,影响安全.经过长 期监视发现,在此流量设置下,炉内碳势能很稳定 地控制在0.4%.而且,炉内气氛是靠向炉内通人 少量丙烷来维持气氛碳势,不会造成积炭,消除了 空气大量进入炉内的风险. 3.1调节甲醇流量产生的问题 最初在生产中调节甲醇流量也发现一些问题: 由于甲醇压力流量开关的工作原理(图2)是测量 其高端与低端的压力差,该压力差是通过调节针阀 1,2的流量来调节.当高端与低端的压力差小于 其工作范围上限(0.07MPa)时,甲醇压力流量 开关断开,甲醇安全控制系统报警,炉前甲醇电磁 阀断开,停止向炉内通入甲醇;当高端与低端的压 力差大于其工作范围上限时,甲醇压力流量开关闭 合,甲醇安全控制系统不报警,炉前甲醇电磁阀导 通,系统允许向炉内通人甲醇.但只要此时高端与 低端的压力差大于其控制范围,即使出现压力开关 后端的甲醇管路堵塞等问题致使无甲醇通人炉内, 甲醇报警系统也不报警,造成安全隐患及热处理质 量问题. 图2甲醇压力流量开关的工作原理示意图 3.2甲醇压力流量开关入口(高端)压力 由甲醇流量压力开关工作原理可知,当炉前甲 醇提供系统压力过大时,甲醇压力流量开关高端与 低端的压力差必然超出其上限.无论甲醇流量正常 与否,甲醇系统均不报警.这样,既不利于炉内气 氛的工艺控制,又存在一定安全隐患.经长期摸索 实践发现,必须控制炉前甲醇系统的压力,使甲醇 压力流量开关高端压力不能过高. 经反复调试实践可知,炉前甲醇系统压力控制 在0.35,0.40MPa,既可保证满足流量要求的甲 醇入炉,又不会因压力过高而使甲醇压力流量报警 失灵. 3.3甲醇流量调节 3.3.1流量加大 先调节针阀2,若可调至所需流量,则将流量 计调至所需流量.再逐渐加大针阀1流量至甲醇系 统报警后,再回调减小针阀1的流量(开度)至 报警停止即可.若调节针阀2,调不到所需流量, 应先加大针阀1的流量(开度)至流量计到所需 流量.此时甲醇压力流量开关前压力将减小,系统 报警.调节减压阀或甲醇泵使压力开关前的甲醇压 2009年第37卷第9期李如学等:可控气氛炉氮一甲醇气氛系统的使用与维护 力达到0.35—0.40MPa.在流量计流量不减小的 前提下,逐渐减小针阀1的流量至甲醇系统不报警 即可. 3.3.2流量减小 先减小针阀2的流量(开度)至浮子流量计 到目标值,甲醇系统将报警.此时再逐渐减小针阀 1的流量(开度)至甲醇系统不报警即可.同时调 节减压阀或甲醇泵使炉前甲醇压力达到0.35— 0.40MPa.若此时炉前甲醇压力远高于0.40MPa, 则甲醇系统将不报警.流量计到目标值后,调节减 压阀或甲醇泵使炉前甲醇压力达到0.35—0.40 MPa,然后适当加大调节针阀1的流量(开度)至 系统报警后,再回调调节针阀1的流量(开度) 至系统不报警即可. 若不需要甲醇流量报警太过敏感,可适当调小 针阀1的流量(开度)或适当加大针阀2的流量 (开度).但不能同时减小针阀1的流量(开度) 和针阀2的流量(开度),以免造成甲醇压力开关 入,?出口压差过大而报警失灵. 3.3.3调节操作要点 每一次调节流量后,甲醇炉前压力就会发生变 化,影响甲醇流量压力开关压差.因此,每一次调 节流量后,必须重新调整甲醇泵流量或调节炉前甲 醇减压阀,使炉前甲醇压力维持在0.35,0.40MPa. 3.4甲醇流量调节原则 (1)炉子经过一段时间渗碳处理后,刚转而 进行调质处理时应适当减小甲醇流量.因为此时炉 体耐热纤维层内会积存大量炭黑,进行调质处理 时,炭黑会从耐热纤维层返到炉气中,使炉气碳势 升高. (2)调质工件较多时,炉内相对碳势不足, 应适当加大甲醇流量. (3)新换料盘工装初人炉的炉次,因新料盘要 吸附炉气中的碳到饱和状态,应适当加大甲醇流量. (4)渗碳处理的扩散阶段,应适当降低甲醇 流量,以利于炉内气氛碳势在工艺要求的时间内降 到工艺要求范围内. 4氮一甲醇系统的维护 (1)Et常巡查.氮-甲醇系统是整个炉子气氛系 统的基础,它的稳定与否直接关系到设备操作安全, 又间接影响炉内气氛的控制精度.一因此 ,必须做好 日常巡查工作,随时保证氮.甲醇系统的稳定.同时 为保证在设备出现紧急故障时有足够氮气来排空炉 内可燃性气氛,应注意氮气贮罐的储量:最低使用 储量在0.7in以上,低于0.7In时应及时补充. (2)因甲醇人炉管道较细(直径约3mm), 而且人炉管口处易积炭,会导致管路堵塞,所以每 隔0.5a左右应进行1次入炉管口处的积炭清理, 以保证管路畅通. (3)为防止甲醇杂质堵塞甲醇系统管路,甲 醇系统管路中的甲醇压力流量开关前安装了过滤 网.但由于甲醇压力流量开关较灵敏,尤其对人口 处压力变化较敏感,管路中细微的微量粘稠杂质也 会使部分滤网堵塞,使甲醇压力流量开关入口压力 降低,导致甲醇系统报警.所以应定期清洗滤网. 5节能减排 调质时甲醇用量比以前降低50%,即由7.0L/ h降至3.5L/h.'根据2007年,2008年的生产量估 算,年连续开炉200d以上,其中100d以上用于进 行调质处理.年节约甲醇8400L(成本6.1万元) 以上.而且由于向炉内总通气量减少,炉子用以燃 烧废气的火炬火焰明显减小,排放废气明显减少, 利于环保. 6结论 (1)适当及时调整渗碳,调质时的甲醇流量, 能很好控制炉内碳势,满足不同工艺条件的技术要 求. (2)通过及时调整甲醇流量,在保证热处理 质量的前提下,可大量节约甲醇用量,从而降低生 产成本,并能减少废气排放,利于环保. 参考文献 [1]陈永勇.可控气氛热处理[M].北京:冶金工业 出版社,2008:85—86,143. [2]金荣植.新连续式渗碳炉氮基气氛渗碳工艺的设计与 调试[J].热处理技术与装备,2008,29(4):61 — 64. 第一作者简介:李如学, 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师,生于1972年,1996 年毕业于郑州纺织工学院热加工工艺及装备专业,现从事 金属热处理工作.地址:(100083)北京市海淀区.电话: (OlO)83597684. 收稿日期:2009—06—29 (本文编辑刘锋)