用净化后的天然气代替甲醇-丙酮齿轮渗碳的质量及经济效益

义扬机电

朱金木
1. 安徽星瑞齿轮传动有限公司（原六安齿轮厂），安徽省  六安市  237010
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℃。
表1古老资料制备后的吸热式气氛成分表
原料气        吸热式气氛（体积%）
        CO        CO2        O2        H2        CH4        N2        H2O        露点
天然气        20.9        0.3        0        40.7        0.4        其余        0.6        常温
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℃。
表2 RX气氛制备参考表
产气量（m3/h）        25        27        32        37        42        46.5        51.5        56        61        66
天然气（m3/h）        5.0        5.5        6.5        7.5        8.5        9.5        10.5        11.5        12.5        13.5
空气（m3/h）        12        13        16        18        21        23        25        28        30        33
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）。
介质名称        化学式        作  用        反  应
甲醇        CH3OH        作为载气，起稀释作用，裂解（代替吸热式气氛）碳势0.45左右        CH3OH→C+O+2H2
丙酮        C3H6O        作为富化气，起渗碳作用        C3H6O→3C+O+3H2
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，从而使得工件表面光洁；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
日 期        当前储量/m3        总消耗量/m3        每小时消耗量（m3/h）
        1#表        2#表               
2009.6.11        0        4140               
2009.6.24        4847.3        3335.2        804.8        2.5
2009.7.7        4184.3        3237.0        761.6        2.5
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。
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。
该设备特点是投资较低: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
类型        单位        无机硫        有机硫        水份（露点）        CO2        石油        汞
净化前        mg/m3        ≤100        ≤250        ≤24℃        ≤3        ≤100        ≤100
净化后                ≤1～3        ≤3～5        ≤-60℃※        ≤0.5        无        无