Способ регулирования экологически чистого процесса цементации

 

Изобретение относится к области цементации и может быть использовано, например, в машиностроении, нефтехимии, металлургии авиастроении и автомобилестроении и других отраслях промышленности. Способ регулирования экологически чистого процесса цементации, при котором осуществляют непрерывную рециркуляцию эндогаза между эндогенератором и печью, в рабочее пространство которой добавляют углеводород, причем в возвратный поток рециркулирующего эндогаза добавляют диоксид углерода, количество которого регулируют по сигналу, поступающему от вычислительного устройства регулятора соотношения оксид углерода - водород, а в зависимости от типа исходного углеводорода, конвертируемого в эндогаз и добавляемого в печь, соотношение оксид углерода - водород регулируют в пределах 1 : (0,7 - 1 : 1), изменяя соотношение объема добавки диоксида углерода к объему добавки углерода, как 1 : (0,3 - 1,2). 1 ил.

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

Известен способ регулирования процесса цементации, при котором осуществляют непрерывную рециркуляцию эндогаза между эндогенератором и печью, а регулирование производят установкой Ремик 3С со встроенной микроЭВМ Электроника МК 64 [1] Недостатками известного способа являются низкая экологичность и низкое качество процесса цементации.

Наиболее близким к предлагаемому является способ регулирования экологически чистого процесса цементации, включающий измерение и автоматическое регулирование концентрации диоксида углерода в атмосфере печи и эндометрическом генераторе.

Недостатками известного способа являются низкая экологичность процесса, то есть загрязнение окружающей среды, и низкое качество процесса цементации.

Цель изобретения существенное улучшение экологической обстановки, повышение качества процесса за счет улучшения равномерности распределения углерода по глубине диффузионного слоя, а также увеличение скорости науглероживания, снижение стоимости процесса цементации за счет снижения расхода эндотермической контролируемой атмосферы и, соответственно, исходного углеводородного газа.

В предлагаемом способе регулирования экологически чистого процесса цементации, включающем измерение и автоматическое регулирование концентрации диоксида углерода в атмосфере печи и эндотермическом генераторе, регулирование проводят при непрерывной рециркуляции эндогаза между эндогенератором и печью, в рабочее пространство которой добавляют углеводород, в возвратный поток рециркулирующего эндогаза добавляют диоксид углерода, а регулирование его количества проводят по сигналу, поступающему от вычислительного устройства регулятора соотношения оксид углерода-водород, и в зависимости от типа исходного углеводорода, конвертируемого в эндогаз и добавляемого в печь, соотношение оксид углерод-водород регулируют в пределах 1:(0,7-1,1), изменяя соотношение объема добавки диоксида углерода к объему добавки углеводорода, как 1:(0,3-1,2).

Исходные данные по содержанию диоксида углерода и водорода поступают из возвратного потока рециркулирующего эндогаза через соответствующие газоанализаторы.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит эндогенератор 1, соединенный с печью 2, газоанализаторы 3, 4, выходы которых подключены к вычислительному устройству 5 регулятора соотношения оксид углерода-водород. Выход вычислительного устройства 5 регулятора соединен через исполнительный механизм 6 с регулирующим краном 7.

Способ регулирования экологически чистого процесса цементации реализуют следующим образом.

Углеводородный газ C_nH_2n+2 и воздух в соотношении α 0,25-0,3, обеспечивающем состав готовой эндотермической контролируемой атмосферы, например ≈ 20% СО, ≈ 40% Н₂, ≈ 40% азота, поступают в реторту эндогенератора 1, 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 2, куда одновременно поступает добавка углеродного газа C_nH_2n+2.

В рабочем пространстве печи 2 происходит взаимодействие металлических деталей с цементационной атмосферой, образующейся при взаимодействии эндотермической атмосферы с добавками углеводородного газа. В результате взаимодействия на поверхности металлических деталей выделяется активный углерод, который при температурах цементации диффундирует вглубь металла с образованием диффузионного слоя.

Параметры слоя определяются углеродным потенциалом насыщающей атмосферы, содержанием в ней активных составляющих СО и Н₂, их соотношением, продолжительностью и температурой процесса насыщения. 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 газовая смесь через гидрозатвор и накопитель вновь возвращается в реторту эндогенератора 1 вместе с дополнительным количеством углеводородного газа и воздуха. Для компенсации повышения содержания водорода в печи 2 вследствие разложения (диссоциации) добавки углеводорода часть воздуха, подаваемого в реторту эндогенератора 1, заменяют диоксидом углерода в количестве, соотносящемся с объемом добавки углеводорода, как 1:(0,3-1,2).

Благодаря конверсии добавки углеводорода диоксидом углерода атмосфера, покидающая слой катализатора, имеет более высокое содержание окиси углерода. Для регулирования состава атмосферы посредством газоанализаторов 3,4 определяют содержание СО и Н₂ в возвратном потоке рециркулирующего эндогаза. Исходные данные по содержанию этих компонентов поступают в вычислительное устройство 5 регулятора соотношения оксид углерода-водород. По сигналу, поступающему от устройства 5 в зависимости от типа исходного углеводорода, соотношение поддерживают на заданном уровне в пределах 1:(0,7-1,1) посредством регулируемой подачи диоксида углерода с помощью исполнительного механизма 6 и регулирующего крана 7. Таким образом в рабочее простpанство печи 2 поступает контролируемая атмосфера с постоянным соотношением оксид углерода водород и улучшенными насыщающими свойствами. Многократное повторение описанного выше цикла работы позволяет значительно повысить содержание активных компонентов СО и Н₂ при регулируемом соотношении между ними.

Экологичность процесса определялась 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_c время старого процесса, ч; С_со концентрация оксида углерода в эндогазе, Э_проц сокращение выбросов оксида углерода, м³ на процесс.

Исследования проводились на экспериментальном стенде, который содержит эндотермическую установку ЭН-16, соединенную герметичным трубопроводом с шахтной электропечью СШЦМ-6.12/9. Трубопровод, отводящий из печи отработанную атмосферу, соединен с патрубком подвода исходных продуктов в установку ЭН-16. С патрубком подвода исходных продуктов соединен также патрубок подвода диоксида углерода. Печь СШЦМ-6.12/9 оборудована патрубком для подачи добавки углеводородного газа.

Определение состава отработанной атмосферы проводили непрерывно при помощи газоанализаторов: ГИАМ 5 0 1,0 об.СО₂ АГ 0012 0 100 об.Н₂ ГИАМ 14 0 100 об.СО При помощи хроматографа ГАЗОХРОМ-3101 дополнительно определяли содержание СO₂, Н₂, СН₄, О₂.

Посредством ротаметров серии РМ, протарированных для измерения расхода соответствующего газа, определяли расход поступающей в печь атмосферы, добавки углеводородного газа, а также расходы окислителей воздуха и диоксида углерода, и углеводородного газа, подаваемого в установку ЭН-16.

Установка ЭН-16 снабжена серийным оборудованием для регулирования влажности получаемого эндогаза и устройством, обеспечивающим плавное регулирование производительности установки без опасности перегрева газодувки.

Регулирование процесса цементации в печи СШЦМ-6.12/9 производили вручную при помощи указанных выше газоанализаторов и устройства для определения углеродного потенциала методом фольги.

Предлагаемый способ был проверен в режиме промышленной цементации деталей из стали 20Х при 920^оС. Продолжительность обработки по предложенному способу составила 5,5 ч. Источником углеводородного газа являлись природный газ и бутан из емкости сжиженного газа, оборудованной испарителем.

Глубину цементационного слоя определяли металлографически на поперечных срезах образцов, а распределение концентрации углерода посредством послойного химического анализа. Равномерность распределения углерода по глубине оценивали по соотношению α · 100% где С* содержание углерода в поверхностном слое;
С₁ содержание углерода на глубине, равной 1/3 δ от поверхности;
δ глубина цементованного слоя.

Образцы для исследования распределения концентрации углерода по глубине выдерживались в устройстве для их охлаждения под потоком цементующей атмосферы. Hаличие сажи в печи после цементации определяли визуально. Регулиро- вание количества диоксида углерода осуществляли посредством регулирующего клапана и исполнительного механизма, управляемого микропроцессором ПРОТАР.

Предложенное изобретение улучшает экологичность процесса за счет сокращения выбросов промышленных отходов в атмосферу. Сокращение выбросов составляет 90м³ СО в год на 1м³ оксида углерода в год. При производительности эндогенератора 125м³/ч это составит 120000м³ оксида углерода в год. Кроме того в 1,5 раза увеличена скорость науглероживания, в 1,3-1,5 раза увеличена равномерность распределения углерода по глубине диффузионного слоя, то есть повышается качество процесса цементации и существенно снижается стоимость процесса за счет снижения расхода эндотермической контролируемой атмосферы и, соответственно, исходного углеводородного газа на 70-90%
Впервые в отечественной и зарубежной практике достигнута возможность при полностью регулируемом процессе многократно использовать цементационную контролируемую атмосферу с одновременным улучшением качества процесса цементации.

Формула изобретения

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ПРОЦЕССА ЦЕМЕНТАЦИИ, включающий измерение и автоматическое регулирование концентрации диоксида углерода в атмосфере печи и эндотермическом генераторе, отличающийся тем, что регулирование проводят при непрерывной рециркуляции эндогаза между эндогенератором и печью, в рабочее пространство которой добавляют углеводород, а в возвратный поток рециркулирующего эндогаза диоксид углерода, и регулирование его количества проводят по сигналу, поступающему от вычислительного устройства регулятора соотношения оксид углерода водород, а в зависимости от типа исходного углеводорода, конвертируемого в эндогаз и добавляемого в печь, соотношение оксида углерода и водорода регулируют в пределах 1 0,7 1,1, изменяя соотношение объема добавки диоксида углерода и объема добавки углеводорода 1 0,3 1,2.

РИСУНКИ

Рисунок 1