不同渗碳气氛的比较

霜月

目前应用比较普遍的三种渗碳气氛是：传统的吸热式渗碳气氛、氮基渗碳气氛和直生式渗碳气氛，不知哪位高手对这几种气氛的渗碳速度、零件渗碳形成的内氧化厚度、原料气消耗等方面作过系统比较，究竟哪种渗碳气氛的技术经济效益更好？

aaron01

最近一直在考虑渗碳常用气氛的问题，找到这个旧话题，想和专家们讨论一下我所了解的不同气氛的优劣。
1，吸热式气氛，原料气为：天然气加空气，通入1000-1100C的发生炉内，在催化剂作用下发生燃烧和还原反应，得到20：40：40的气体组分。
优点是使用稳定，CO值恒定，产气中甲烷含量在1%左右，炉膛不容易积碳。用气成本相比氮甲醇气氛而言要低，特别是在目前我国优质天然气能够便宜获得的情况下，与同样20：40：40气体组成的氮甲醇气氛相比，具有一定的运行成本优势。尽管Endo-gas是最早用到可控气氛渗碳领域的，但至今仍然受人青睐。
缺点是需要投资发生炉，固定资产投资大；发生炉需要每周烧碳，因此最好还要有一台备用的发生炉。
2，氮甲醇气氛：最初是模仿吸热式气体组分发展出来的，同样是20：40：40组分，随后出现不同的氮分压这一变化，特别是后期出现纯甲醇气氛，CO:H2=33：66，这种情况下渗碳扩散系数得到提高，渗碳速度比20：40：40气氛要快15%-25%，目前国内丰东系设备广泛运用纯甲醇气氛，艾协林系主要用20：40：40气氛。
优点：气氛组分稳定，CO值恒定；炉气甲烷含量也在1%左右，不易积碳；纯甲醇气氛渗速快。
缺点：对甲醇质量要求高，甲醇成本高。另外，对于无马弗设备需解决甲醇汽化问题，若甲醇来不及汽化直接滴到工件上会出现局部碳势过高现象。800C以下使用，甲醇裂解不完全，炉内容易积碳。
3，直生式气氛：IPSEN公司的专利，我没用过这种气氛，从资料了解，我认为可以理解成把天然气（或丙烷、丙酮等）和空气在没有发生炉的情况下，混合后通入炉内反应，反应不完全，由于空气流量在变，不能得到固定的组分，气体组分会随温度、碳势变化而变化。
优点：气体通入量很小，用气成本非常低，原料气为丙酮加空气的话可提高渗速。
缺点：必须配备CO红外分析仪在线测量CO值，另外还要配备专用氧探头才能准确测量碳势；适用温度受限制，直生式气氛中含有较高的CH4，气氛组成尤其是CH4含量受温度影响较大。天然气/空气类型的直生式气氛由于过高的CH4含量，在850℃以下已无法获得实际应用。
总结：1，从运行成本角度分析：直生式气氛优于吸热式，氮甲醇最差，
2，从固定资产投资角度分析：氮甲醇最佳，发生气最差，
3，从产气质量和稳定性角度分析：发生气最佳，直生式气氛最差。
以上是我对这三种目前使用最广泛的可控渗碳气氛的认识，欢迎各位提出不同见解，补漏拾遗，帮助我提高。

霜月

今天在一篇资料上看到介绍氮－甲醇气氛和直生式气氛渗碳速度的比较数据，20CrMnTi钢试样，相同碳势下920℃强渗4小时，扩散3小时，得到氮－甲醇气氛渗碳工艺的平均k值为0.42左右，直生式气氛渗碳工艺的平均k值为0.48左右。直渗式气氛的渗碳速度比氮－甲醇气氛的渗碳速度快。

周建国

直渗式渗碳气氛虽能提高渗碳的速度及减少渗碳时间，但控制过程较难。有可能产生组织级别超差的现象。

霜月

长春齿轮厂在同一条进口的IPSEN双排推杆式渗碳炉，采用丙烷+空气和氮/甲醇+丙烷两种渗碳气氛进行的经济性比较如下（按2002年当时的价格）：
氮/甲醇+丙烷：每天制氮气耗电成本1512元；每天甲醇消耗成本1409.76元，合计为2921.76元/天。
丙烷+空气：每天丙烷消耗成本为288元。
两种气氛比较，每天相差 2633.76元，一年按300天计算，丙烷+空气直生式渗碳气氛比氮/甲醇+丙烷气氛可节约79万元左右。
（数据来源于《2002易普森国际热处理新技术研讨会论文集》）

[ 本帖最后由 霜月 于 2008-2-22 20:52 编辑 ]

husongping

回复 5# aaron01
如果你把吸热式气氛发生器的电耗加上去，就会发现吸热式气氛的运行成本比氮甲醇高。

霜月

对于吸热式气氛发生器，每年更换反应罐也是一笔不小的开销，特别是设备用久后维修更是频繁。
实际上直生式气氛并不象IPSEN公司所说必须配备CO红外分析仪在线测量CO值，必须配备专用氧探头才能准确测量碳势，采用国产氧探头，没有CO红外分析仪也能满足一般的碳控精度要求。

aaron01

发生炉加热不需要多少能源啊,就加热点气体,功率很小的,以一台发生炉每小时产气量100立方米（CO+H2+N2）计算，
采用氮甲醇气氛，需要气体是40立方米氮气和28.57公斤甲醇，你算下一共要多少钱?我们的计算是140多元.
采用发生气，原料气需要20立方米天然气，空气不要钱。另外我们用的天然气加热炉型，满功率输出的天然气流量为12立方米/小时，按50%功率保温计算，消耗天然气为6立方米/小时。天然气成本目前是3.16元/立方米，总成本为26*3.16=82.16元。
还没有考虑液氮罐和甲醇罐的租金问题呢.

aaron01

回复 7# 霜月


    很高兴和霜月专家讨论,对于直生式气氛碳势控制问题,我以为氧探头或许能找到国产替代的（要小心炭黑问题）,但CO分析仪是必不可少的，原因在于气氛的CO值是在变化的，而且幅度还不小。我们知道，碳控仪是根据氧探头测得的毫伏值，温度值以及CO分析仪测得的CO值进行碳势计算的，前两种气体因为CO固定，可以在碳控仪里设成定值不用连续测量，但直生式气氛CO值变化很大，强渗段准了，低温扩散段必然不准了，怎么办？至少我见过的IPSEN炉子都是带CO分析仪的。

浪翻云

请教前辈们，能否叙述一下，氮甲醇气氛和纯甲醇气氛对比的安全性问题，据一位朋友说由氮甲醇更换成纯甲醇的时候，炉子炸了。

aaron01

不管是何种渗碳气氛由于都含有可燃性气体，一旦混入的氧化性气氛达到一定的比例，必然会引起爆炸，气体渗碳不管你用什么样的气氛都有潜在的爆炸风险，问题在于怎么控制风险。常规气氛炉设计理念都是通过隔绝氧化性气氛（包括水蒸气）的进入作为最重要的安全措施，火帘、排气口、正压渗碳等等设计，目的都是隔绝氧化性气氛，控制氧化性气氛的含量来保证安全。因此，爆炸的原因是在某一时刻由于某种原因炉内进入氧化性气氛而不是因为可燃性渗碳气氛本身，炉子设计是否合理，操作有没有失误，炉子有没有漏气漏水情况，远远比气氛组分要重要得多。
纯甲醇气氛为CO:H2=33:66,全部是可燃性的气体；通常说的氮甲醇气氛，气体体积比为CO：H2：N2=20：40：40，氮气作为惰性气体起到稀释气的作用。从这一点分析，氮甲醇气氛的安全氧含量值要比纯甲醇气氛高些，但两者不会差太大的。

霜月

确实，直生式渗碳气氛中的CO含量是不稳定的是变化的，但由CO含量变化引起的炉内碳势的变化仅为0.05~0.08%，多一套CO分析仪多了个故障源，维护不当引起的测量误差比CO变化造成的误差还大。北京齿轮厂的IPSEN多用炉原配CO分析仪坏了，采用固定CO值进行计算和控制多年，也没有出现产品不合格现象。当然，如果产品表面碳含量要求很苛刻的话，就需要双参数控制了。

aaron01

请教霜月专家，北齿用的是丙酮+空气气氛吗？

从附件的各种直生式气氛来看，好像就这个气氛还好点，CO值波动最小，如果CO值差4%的话，碳势偏差就要大于0.10%了。另外，850C的CH4含量就有7.5%了，炭黑是问题啊，再低温度的工艺根本就不能用。
我以前在上齿工作时用的是IPSEN推杆炉，氮甲醇气氛的，后来分厂又从集团搞来3台IPSEN多用炉，用的是丙酮加空气的直生式气氛，了解不很多，总体感觉气氛质量不如氮甲醇和发生气稳定。上齿烟台厂用的是吸热式气氛，我现在的公司前年进一台发生炉，将多用炉线氮甲醇气氛改成吸热式气氛，用了一年多也没大毛病，今年又进一台发生炉，准备把网带炉线也改掉，主要就是因为质量稳定，运行成本低，从我在8楼帖子的计算上可充分体现其经济性，设备投资略大点但投资回报率很好，一年可收回投资。我个人观点，在我国天然气比国外便宜的情况下，吸热式气氛在热处理领域的运用前景是非常看好的。
另外，霜月专家提到的每年换反应管的问题，我们发生炉反应管的价格在2万元左右，对于反应管，厂家给我们的保质期就是2年，目前每周烧炭，每月检查铲掉点氧化皮，其他没问题啊，估计能用到两年。就算一年换一个，也值啊！要知道，一台100立方米每小时产气量的发生炉一年能帮你省近50万元呢！大家算下这笔帐吧。
最后声明，我不卖炉子，所有观点都不是出于广告目的，呵呵

钢铁医生

我楼上的观点我非常赞成
你们观察的仔细的朋友会知道，在国外为什么还是以吸热式气氛为主呢！
在国内而不多
有几个原因吧，一个是选择吸热式发生炉不稳定；再者气源质量问题；还有就一系列的碳势检测与控制系统。
吸热式气氛成本当然是最低的

koji1573

aaron01 发表于 2010-3-15 01:35
最近一直在考虑渗碳常用气氛的问题，找到这个旧话题，想和专家们讨论一下我所了解的不同气氛的优劣。
1，吸 ...

aaron01老师，您好!请问现在丰东系的多用炉，使用的是甲醇加丙烷的方式，该归类于吸热式气氛，还是第二类中所提到的纯甲醇气氛？这种气氛中的CO值如何估算？

gaoxiwen

设备比较多的话,可以考虑发生器,如果是2-3台多用炉的话,那氮-甲醇比较方便.

aaron01

koji1573 发表于 2011-9-27 22:26
aaron01老师，您好!请问现在丰东系的多用炉，使用的是甲醇加丙烷的方式，该归类于吸热式气氛，还是第二类 ...

丰东系设备上普遍采用的是纯甲醇气氛，通常是按载气类型进行分类的，不考虑富化气的种类。
理论上甲醇充分分解的情况下，CO值在33%，实际上由于温度和滴量都会对甲醇的汽化、分解造成影响，CO值会比这个值要低一些。

koji1573

aaron01 发表于 2011-9-29 09:00
丰东系设备上普遍采用的是纯甲醇气氛，通常是按载气类型进行分类的，不考虑富化气的种类。
理论上甲醇充 ...

谢谢您的指导。我公司现在2604表设置的co含量参数为30%，那应该是符合实际情况的。
再次谢谢您的指导。

辽宁兴城

aaron01 发表于 2010-3-16 23:47
请教霜月专家，北齿用的是丙酮+空气气氛吗？

从附件的各种直生式气氛来看，好像就这个气氛还好点，CO值波 ...

我非常赞同aaron01、霜月两位专家的观点，渗碳过程是原料进入炉内，裂解后产生的活性碳进入产品表层，完成了渗碳过程，剩余部分完全燃烧掉。甲醇-丙酮工艺燃烧的废气中，90%以上是原料裂解的成分，小于10%的氮气来源于空气，而吸热性气氛-甲烷、丙烷工艺燃烧的废气中，接近60%是原料裂解的成分，40%的氮气来源于空气，两种工艺不难看出哪个能耗高、成本高，热处理行业节能减排应从这开始。

wya-8

aaron01 发表于 2010-3-15 01:35
最近一直在考虑渗碳常用气氛的问题，找到这个旧话题，想和专家们讨论一下我所了解的不同气氛的优劣。
1，吸 ...

“氮甲醇气氛：最初是模仿吸热式气体组分发展出来的，同样是20：40：40组分，随后出现不同的氮分压这一变化，特别是后期出现纯甲醇气氛，CO:H2=33：66，这种情况下渗碳扩散系数得到提高，...”

  是不是传递系数得到提高？不对请指正