Способ экологически чистого процесса цементации металлических деталей

 

Использование: изобретение относится к цементации и может быть использовано например, в нефтехимии, металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности. Сущность изобретения. Способ экологически чистого процесса цементации металлических изделий, при котором производят эндотермическую контролируемую атмосферу путем каталитической конверсии углеводородного газа окислителем /воздухом/ и подают ее в цементационное пространство с добавкой углеводородного газа C_nH_2n+2 в количестве (1-5)/100 n объема подаваемой атмосферы, причем отработанную атмосферу отводят из цементационного пространства по герметичному тракту и вместе с дополнительным количеством углеводородного газа и окислителя возврашают на конверсию, компенсируя увеличение содержания водорода в отработанной атмосфере заменой части окислителя диоксиддом углерода в количестве (0,8-1,1) nN объема добавки углеводородного газа, где N - коэффициент возврата, выраженный отношением объемов атмосферы, отводимой из цементационного пространства и поданной в него.

Изобретение относится к области цементации и может быть использовано например, в нефтехимии, металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности.

Известен способ цементации изделий, при котором цементацию производят при температуре 950-1150^оС, внутрь объема насыщения по металлическому тракту подают газовую смесь и осуществляют циркуляцию смеси через цементуемую садку. В качестве газовой смеси используют углеводород и диоксид углерода в соотношении 1 (1-4).

Недостатком известного способа является загрязнение окружающей среды и большой расход эндотермической атмосферы.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является выбранный в качестве прототипа способ экологически чистого процесса цементации металлических деталей, включающий создание эндотермической контролируемой атмосферы, подачу ее в печь, удаление отработанных газов из печи и возвращение их в цементационное пространство.

Недостатком известного способа является загрязнение окружающей среды в цеху и вне его, большой расход эндотермической атмосферы и низкое качество процесса цементации.

Главными техническими результатами заявленного решения являются повышение качества процесса цементации, за счет увеличения глубины науглероживания, повышение качества цементуемых изделий, за счет равномерного распределения углерода по глубине диффузионного слоя и кроме того повышается экологичность процесса при сокращении расхода углеводородного газа.

В заявляемом способе экологически чистого процесса цементации металлических деталей, включающим создание эндотермической контролируемой атмосферы, подачу ее в печь, удаление отработанных газов из печи и возвращение их в цементационное пространство, отработанную атмосферу отводят из цементационного пространства по герметичному тракту, добавляют углеводородный газ типа С_nН_2n+2 в количестве (1-5)/100n объема подаваемой атмосферы и вместе с окислителем возвращают на конверсию, компенсируя увеличение содержания водорода в отработанной атмосфере заменой части окислителя диоксидом углерода в количестве (0,8-1,1)n W объема добавки углеводородного газа, где W коэффициент возврата, выраженный отношением объемов атмосферы, отводимой из цементационного пространства и поданной в него.

Способ экологически чистого процесса цементации металлических деталей реализован следующим образом.

Углеводородный газ и воздух в соотношении α 0,25-0,3, обеспечивающий состав готовой эндотермической контролируемой атмосферы, например ≈ 20% СО, ≈ 40% Н₂, ≈ 40% азот поступает в смеситель. Образовавшаяся смесь компрессором нагнетается в реторту эндогенератора, заполненную катализатором и нагретую до 1030-1050^оС. В слое катализатора протекает реакция конверсии углеводородного газа окислителем с образованием на выходе эндотермической контролируемой атмосферы указанного выше состава. Эта атмосфера по герметичному трубопроводу подается в рабочее пространство печи, одновременно в печь поступают и добавки углеводородного газа С_nН_2n+2 в количестве (1-5)/100n объема подаваемой эндотермической атмосферы.

В рабочем пространстве печи происходит взаимодействие металлических деталей с цементационной атмосферой, образующейся при взаимодействии эндотермической атмосферы с углеводородной добавкой. В результате взаимодействия на поверхности металлических деталей выделяется активный углерод, который при температурах цементации 860-930^оС диффундирует вглубь металла с образованием цементованного слоя. Параметры слоя определяются углеродным потенциалом цементационной атмосферы, содержанием в ней активных составляющих СО и Н₂ и продолжительностью процесса цементации. При одном и том же углеродном потенциале скорость насыщения будет более высокой при равном количестве СО и Н₂ и более высоком их общем содержании. Отработанная атмосфера покидает печь через гидрозатвор, обеспечивающий поддержание в рабочем пространстве требуемого избыточного давления. Барботируя через воду в гидрозатворе, отходящая из печи атмосфера очищается от взвешенных примесей и из верхней части гидрозатвора по герметичному трубопроводу подается в накопитель газа. Из накопителя газа атмосфера поступает во всасывающий патрубок компрессора вместе с дополнительным количеством углеводородного газа и воздуха. Для компенсации повышения содержания водорода вследствие разложения (диссоциации) в печи добавки углеводородного газа часть воздуха, подаваемого во всасывающий патрубок компрессора, заменяют диоксидом углерода в количестве (0,8-1,1).n.W объема добавки углеводородного газа, подаваемой в печь.

На катализаторе реторты, куда поступает смесь отработанной атмосферы, дополнительное количество углеводородного газа и воздуха, а также диоксид углерода, происходит реакция конверсии углеводородного газа воздухом и диоксидом углерода.

C_nH_2n+2 + (O₂+3,76N₂)=CO + H₂+1,88 N₂, (1) C_nH_2n+2 + CO₂ 2CO + H₂. (2) Благодаря реакции (2) атмосфера, покидающая слой катализатора, содержит первоначальное соотношение оксида углерода и водорода при несколько увеличенном их общем содержании. Таким образом в рабочее пространство печи поступает контролируемая атмосфера с улучшенными цементационными свойствами.

Многократное повторение описанного выше цикла работы агрегата позволяет значительно повысить содержание активных компонентов атмосферы СО и Н₂ при поддержании требуемого соотношения между ними.

Экологичность процесса определяется согласно следующему соотношению: Э_проц. м³ на процесс где V_эн расход эндогаза, м³/ч; W коэффициент возврата, б/р; τ_н время нового процесса, ч; τ_с время старого процесса, ч; С_со концентрация СО в эндогазе, Э_проц. сокращение выбросов СО.

Заявленное решение было проверено на экспериментальном стенде, содержащем эндотермическую установку ЭН-16, соединенную герметичным трубопроводом с шахтной цементационной печью СШЦМ-6.20/9. Трубопровод, отводящий отработанную атмосферу из печи, соединен с патрубком подвода исходных продуктов в установку ЭН-16, а патрубок соединен с трубопроводом подвода диоксида углерода.

Определение состава отработанной атмосферы проводили непрерывно газоанализаторами: ГИАМ 5 0-1,0 об% СО₂
АГ 0012 0-100 об% Н₂
ГИАМ 14 0-100 об% СО
Дополнительно определяли содержание СО₂, Н₂, СО, СН₄, О₂хроматографом "ГАЗОХРОМ 3101".

Ротаметрами серии РМ, протарированными для измерения расхода соответствующего газа, определяли расход, поступающей в печь атмосферы и добавки углеводородного газа, а также расход окислителя-воздуха и диоксида углерода, подаваемых в установку ЭН-16.

Эндотермическая установка ЭН-16 снабжена серийным оборудованием для регулирования состава получаемого эндогаза. Газодувка оборудована дополнительной байпасной линией в виде замкнутой трубы с краном, это позволит при необходимости полностью выключать свечу на установке, не опасаясь перегрева газодувки.

Регулирование процесса цементации в печи СШЦМ 6.20/9 производили вручную при помощи указанных газоанализаторов и устройства для определения углеродного потенциала методом фольги.

Эксперименты проводили в режиме промышленной цементации деталей из стали 20Х при температуре 920-930^оС. Продолжительность процесса составила 5,5 часов.

Основным источником углеводородного газа являлись подземные емкости сжиженного газа, заполнявшиеся в летнее время техническим бутаном С₄Н₁₀, а зимнее время смесью 50% пропана и 50% бутана.

Для проведения экспериментов был также использован поставленный в баллонах метан СН₄ и пропан С₃Н₈.

Глубину цементованного слоя определяли металлографически на поперечных срезах, а распределение концентрации углерода посредством послойного химического анализа. Равномерность распределения углерода по глубине диффузионного слоя оценивали по величине.

α 100% 100% где С^х содержание углерода в поверхностном слое;
С₁ содержание углерода на глубине равной 1/3 δ от поверхности металла;
δ глубина диффузионного слоя.

Использование предложенного решения позволяет сократить на 70-90% расход эндогаза за счет рециркуляции атмосферы в системе "печь-генератор", в 1,5 раза увеличивается глубина науглероживания (скорость цементации) и повышается качество цементуемых деталей в 1,3-1,5 раза, за счет улучшения равномерности распределения углерода по глубине диффузионного слоя. Кроме того использование предложенного способа позволяет улучшить экологичность процесса цементации за счет сокращения вредных промышленных выбросов в атмосферу на 960 м³ СО в год на 1 м³ эндогаза, при производительности эндогенератора 125 м³/ч, что составит 120000 м³ СО в год.

Впервые в отечественной и зарубежной практике достигнута возможность многократного использования цементационной контролируемой атмосферы при одновременном улучшении качества процесса цементации.

Формула изобретения

СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ПРОЦЕССА ЦЕМЕНТАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ, включающий создание эндотермической контролируемой атмосферы, подачу ее в печь, удаление отработанных газов из печи и возвращение их в цементационное пространство, отличающийся тем, что отработанную атмосферу отводят из цементационного пространства по герметичному тракту, добавляют углеводородный газ типа C_nH_2n+2 в количестве (1 5)/100n объема подаваемой атмосферы и вместе с окислителем возвращают на конверсию, компенсируя увеличение содержания водорода в отработанной атмосфере заменой части окислителя диоксидом углерода в количестве (0,8 1,1)nN объема добавки углеводородного газа, где N коэффициент возврата, выраженный отношением объемов атмосферы, отводимой из цементационного пространства и поданной в него.