可控气氛多用炉生产线（XKD产品）

可控气氛炉氮-甲醇气氛系统的使用与维护pdf

发布时间：2023-11-25 作者: 可控气氛多用炉生产线（XKD产品）

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  石油机械 一118一 CHINAPETR01．EUMMACHINERY 2009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／Lofius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-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 工艺技术要求、不同工作条件，适时调整氮．甲醇气氛系统中甲醇流量的方法、原则，并提出了氮一甲 醇系统的维护方法。通过及时作出调整甲醇流量，在保证热处理质量的前提下，可大量节约甲醇用量， 以此来降低生产所带来的成本，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 (适用气源：天然气、丙烷、丁烷或焦煤气与空气按 0 引 言 特殊的比例混合，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、碳氦共渗、 可控气氛热处理炉是目前热处理行业广泛采用 高浓度渗碳)、滴注式气氛(适用气源：甲醇、丙 的主要热处理设备，可进行气氛保护加热、调质处 缈工业丙彬天然气，直接入炉裂解；适用工艺： 理、渗碳及碳氮共渗处理等热处理操作。具有少、 渗碳、碳氮共渗、高浓度渗碳)、氮一甲醇气氛(用 无氧化加热，可进行化学热处理等优点。但该设备 丙烷或丙酮作富化气，直接入炉裂解；适用工艺： 工艺辅料消耗较大，生产所带来的成本较高。我国石化及汽 气氛保护加热、渗碳、碳氮共渗、高浓度渗碳，尤 车制造等行业20世纪80年代引进的美国可控气氛其适于760～880℃以下的低碳势保护加热)、直生 热处理设备，与当今普及使用的欧洲、日本产同类 式气氛(适用气源：丙烷、丙酮，直接人炉裂解； 设备相比，工艺辅料消耗大的缺点更加明显。 适用工艺：适用于880℃以上渗碳，不适于880℃ 以下碳氮共渗及880℃以下气氛保护加热)。 1 美国可控气氛密封箱式周期炉 北京石油机械厂美国产箱式多用可控气氛炉所 用的是氮一甲醇(丙烷作富化气)气氛，工艺辅料 北京石油机械厂1987年从美国Holcroft／Loftus主要有氮气、甲醇、丙烷，若进行碳氮共渗，还要 (现在为AFC—Holcroft)公司引进的可控气氛密封用到氨气。天然气作为设备操作辅助用气。 200 箱式周期炉(GPCE生产线 下面简单介绍一下各种气体所起的作用。 mm×900mm×760 mm，加热功率150kW，有效 甲醇、氮气是常用气体，是维持炉内一定正 载荷12 kN，可进行渗碳、碳氮共渗、调质等保护 压、非氧化性气氛的基础气。 气氛热处理。它主要从事螺杆钻具等井下工具类产 氮气是中性气体，主要作为保护气。正常工作 品、顶驱装备零部件热处理生产，是热处理生产的 时保障炉压维持一定正压；在炉子处于故障或炉内 重点设备；具有热处理吨位大、生产效率高、一炉 气压骤然降低时，快速向炉内充氮排除易燃、易爆 多用、气源设备简单、原料易获得等优点。但由于 气体，使炉内维持正压；同时作为保护加热气氛热 是美国20世纪80年代产品，产品设计时在节能减处理的主要气体。 排方面考虑不够，其工艺辅料用量较大，造成热处 甲醇作为渗碳气体的载气，维持炉内一定浓度 理生产成本比较高。 基本碳势。 1．1 可控气氛炉使用气氛 甲醇裂解式为： 目前可控气氛炉使用气氛主要有吸热式气氛 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 ℃，而且低温阶段渗碳气氛裂解不充分，易发生气 丙烷作为富化气是维持炉内高碳势的渗碳气体。 体爆炸。所以，设施安全操作规程将允许向炉内通 oC以上。 丙烷裂解式…： 气温度设定在760 (2)设置了火帘监测报警系统。火帘的作用 C3H8+7．14(0．2102+0．79N2)一3CO+4H2+ 5．64N2 是防止当打开外炉门进行推、拉料操作时外室因瞬 CO的渗碳反应式为¨J： 时压力、温度骤降而吸人大量空气，引起气体爆 2CO≠-r 炸。当点火帘火焰熄灭时，火焰探测杆感应温度降 Cj+C02 C02+H2≠CO+H20 低，甲醇系统报警，甲醇总管路电磁阀关断，高流 式中fCJ——活性碳。 量氮气电磁阀打开，向炉内通人大量氮气将炉内爆 天然气作为点火帘保护气，不入炉，不属于工 炸性气体置换出炉。 艺辅料。 (3)设定了甲醇流量压力监测报警。当入炉 1．2碳势控制原理 甲醇压力流量低于设定值时，甲醇压力流量开关关 可控气氛的碳势控制就是在温度、炉压一定情 断炉前甲醇电磁阀，停止向炉内通入甲醇。高流量 况下，控制调节炉子气氛成分中碳的含量，使其达 氮气电磁阀打开，向炉内通入大量氮气将炉内爆炸 到与某种钢的碳含量相平衡的气氛，或者控制炉子 性气体置换出炉。 气氛，使钢达到工艺要求的碳含量，即在温度一定 以上3种报警系统启动其一，气氛控制管理系统都 的条件下，炉子气氛与钢的碳含量达到动态平衡， 将停止向炉内通人甲醇，转而通入高流量氮气，置 此时的碳含量称为炉子气氛的“碳势”。 换出炉内可燃性气体。 可控气氛炉的碳势测量是由氧探头测量炉内气 另外，由于设置了氮气-甲醇安全互锁装置， 氛中氧的分压，转化为电势信号E。 只有炉内具有一定正压的氮气后，才能向炉内通入 E=0．049 甲醇。 6Tlg(p氧／p参比)[11 式中p氧——被测气体中氧的分压； 气氛控制原理示意图如图1所示。 P．rc——参比气体中的分压(一般用空气作 =]丙烷 为参比气，氧气体积分数为20．9％)； 氮气 卜绝对温度，K。 厂二d喜鎏震蔷E挚 j压缩空气一 E传给CARBPRO碳势分析仪，CARBPRO碳 生!堕堡皇矍卜_ 势分析仪将毫伏信号转化为碳势信号传给温度、碳 赫h电磁阀l l电磁阀I赫 五延爵 氮气控 氮气 制系统 势双通道控制仪。温度、碳势双通道控制仪根据工 匿而琢：k= 艺程序控制丙烷、空气电磁阀通断：当氧探头测得 CARBPRO 氧探头 碳控仪 炉内碳势低于工艺程序要求或炉内碳势瞬时低于设 多用炉 加热室 ．．．．．．．．．．．．．．．I：．．．一 定值时，丙烷电磁阀打开，向炉内通人富化气．丙 热电偶 碳势温度双 通道控制仪 烷，维持炉内气氛高碳势；当氧探头测得炉内碳势 撩H曩蓊案囊鬯型 低于工艺程序要求时，工艺技术要求降低碳势，或炉内 ]f‘—1一甲醇系统故障启动紧急克氮系统 碳势瞬时高于设定值时，空气电磁阀打开，向炉内 I=二]压力流量开关亡二王=j甲醇 通人空气，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、压力小于一些范围(炉 内压力小于0．004 2 MPa)，压力开关将开启氮气控 氮．甲醇气氛流量设定 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 2．1设定原则(依据) 警系统，其工作原理如下。 当人炉氮气、甲醇体积比为40％：60％时，炉 =20％： (1)设定了甲醇系统限温装置。当温度。760内气氛9(CO)：妒(H2)：妒(N2) 40％：40％[2 ℃时，甲醇总管路电磁阀关闭，禁止向炉内通人甲 3。即炉内气氛CO体积分数接近20％， 醇。这是因为氧探头可探测碳势的最低温度在750 接近于以天然气为原料气的吸热式气氛比例，此时 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 少量丙烷来维持气氛碳势，不会造成积炭，消除了 初，美方调试人员根据经验按渗碳要求设定氮气、 空气大量进入炉内的风险。 甲醇流量分别为：甲醇7．0L／h，氮气4．7L／h。而 3．1 调节甲醇流量产生的问题 且由于氮．甲醇报警系统调节较繁琐，又涉及炉子操 最初在生产巾调节甲醇流鼍也发现一些问题： 作安全，所以设定后就不允许冉调节了。 由于甲醇压力流量开关的1_作原理(图2)是测量 2．2氦．甲醇气氛流量设定存在的问题 其高端与低端的压力差，该压力差是通过凋节针阀 此流量设置在进行渗碳处理及碳氮共渗处理时 1、2的流量来调节。当高端与低端的压力差小于 适合实际操作，炉内碳势能稳定控制在设定值0．8％ 其工作范围I：限(0．07MPa)时，甲醇压力流量 或1．2％。但在进行调质处理时，却达不到工艺技术要求 开关断开，甲醇安全控制管理系统报警，炉前甲醇电磁 的0．4％碳势。这是因为甲醇7．0 阀断开，停止向炉内通入甲醇；当高端与低端的压 L／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 力差大于其工作范围E限时，甲醇压力流量开关闭 作，长期处在关闭状态。但经过长期监测观察，虽 合，甲醇安全控制管理系统不报警，炉前甲醇电磁阀导 然炉内不进富化气丙烷，炉气碳势基本只能降低到 通，系统允许向炉内通人甲醇。但只要此时高端与 0．44％～0．5％，根本达不到0．4％的调质工艺技术要求。低端的压力差大于其拧制范围，即使出现压力开关 而且由于氧探头检测到的碳势始终高于工艺程序没 后端的甲醇管路堵塞等问题致使无甲醇通入炉内， 定的0．4％碳势，达不到工艺程序控制要求，空气电 甲醇报警系统也不报警，造成安全风险隐患及热处理质 磁阀长期处在导通状态，不断向炉内通入压缩空气 量I、口J题。 稀释炉内碳势。这样向炉内通人大量窄气既白白浪 费甲醇，又易造成工件内氧化问题，影响1二件质量。 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T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 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 通过在维修中不断总结经验，并经过反复凋试 由甲醇流量J玉力开关丁作原理可知，当炉前甲 试验，最终决定氮气流量不变(为保障设备操作 醇提供系统压力过大时，甲醇压力流量开关高端与 安全)，甲醇流量在进行渗碳处理的强渗阶段设定 低端的压力差必然超出其f：限。无论甲醇流量正常 在7L／h，而在调质处理及渗碳件二次淬火时将甲 与否，甲醇系统均不报警。这样，既不利于炉内气 醇流量设定在3．5L／h(注意：渗碳件二次淬火时 氛的工艺控制，又存在一定安全风险隐患。经长期摸索 的此种设定适合于目前所用的渗碳钢种，对其他渗 实践发现，必须控制炉前甲醇系统的压力，使甲醇 碳钢未必适用，具体应根据钢种及工件有关技术要 压力流量开关高端压力不能过高。 求来定)。甲醇流量设定在3．5L／h时，炉内气氛 经反复调试实践町知，炉前甲醇系统压力控制 碳势南甲醇及少量丙烷裂解气维持，碳势能稳定控 在0．35～0．40MPa，既可保证满足流量要求的甲 制在0．4％。若低于3．5L／h，则炉内气氛碳势要 醇人炉，又不会囚压力过高而使甲醇压力流量报警 靠大量通人丙烷来维持，而丙烷裂解反应较慢，会 失灵。 使炉内积炭。氧探头积炭会影响测量准确度，使测 3．3甲醇流量调节 量值明显高于实际碳势，碳势控制管理系统控制空气阀 3．3．1 流量加大 打开，向炉内通人大量空气，造成工件内氧化等缺 先调节针阀2，若丌r调至所需流量，则将流量 陷；而且工件表面积炭影响热处理T件表面硬度： 计调罕所需流量。再逐渐加大针阀1流量至甲醇系 工件表面积炭处淬火硬度低，成为淬火软点，造成 统报警后，再回调减小针阀1的流量(开度)至 热处理缺陷。在安全方面，若甲醇流量太小，则炉 报警停止即可。若凋节针阀2，调小到所需流虽， 顶火炬火焰太小，不利于观察，影响安全。经过长 应先加大针阀1的流鼍(开度)至流量计到所需 期监视发现，在此流量设置下，炉内碳势能很稳定 流量。此时甲醇压力流量开关前压力将减小，系统 地控制在0．4％。而且，炉内气氛是靠向炉内通入 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．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 内可燃性气氛，应注意氮气贮罐的储量：最低使用 前提F，逐渐减小针阀1的流量至甲醇系统不报警 储量在0．7in3以上，低于0．7m3时应及时补充。 mm)， 即可。 (2)因甲醇人炉管道较细(直径约3 3．3．2 流量减小 而且入炉管口处易积炭，会导致管路堵塞，所以每 先减小针阀2的流量(开度)至浮子流量计 隔0．5a左右应进行1次入炉管I=1处的积炭清理， 到目标值，甲醇系统将报警。此时再逐渐减小针阀 以保证管路畅通。 1的流量(开度)至甲醇系统不报警即可。同时调 (3)为防止甲醇杂质堵塞甲醇系统管路，甲 节减压阀或甲醇泵使炉前甲醇压力达到0。35— 醇系统管路中的甲醇压力流量开关前安装了过滤 0．40 MPa。若此时炉前甲醇压力远高于0．40MPa， 网。但由于甲醇压力流量开关较灵敏，尤其对人口 则甲醇系统将不报警。流量汁到目标值后，调节减 处压力变化较敏感，管路中细微的微量粘稠杂质也 压阀或甲醇泵使炉前甲醇压力达到0．35—0．40会使部分滤网堵塞，使甲醇压力流量开关入口压力 MPa，然后适当加大调节针阀l的流量(开度)至降低，导致甲醇系统报警。所以应定期清洗滤网。 系统报警后，冉回调调节针阀1的流量(开度) 至系统不报警即町。 5 节能减排 若不需要甲醇流量报警太过敏感，可适当调小 L／ 针阀1的流量(开度)或适当加大针阀2的流量 调质时甲醇用量比以前降低50％，即由7．0 (开度)。但不能同时减小针阀1的流量(开度)h降至3．5L／h。’根据2007年、2008年的生产量估 和针阀2的流量(开度)，防止造成甲醇压力开关 d以上用于进 算，年连续开炉200d以上，其中100 400 入、·出口压差过大而报警失灵。 行调质处理。年节约甲醇8 L(成本6．1万元) 3．3．3调节操作要点 以上。而且由于向炉内总通气量减少，炉子用以燃 每一次调节流量后，甲醇炉前压力就会发生变 烧废气的火炬火焰明显减小，排放废气明显减少， 化，影响甲醇流量压力开关压差。因此，每一次调 利于环保。 节流量后，必须重新凋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。 6 结 论 3．4 甲醇流量调节原则 (1)炉子经过一段时I日J渗碳处理后，刚转而 (1)适当及时作出调整渗碳、调质时的甲醇流量， 进行调质处理时应适当减小甲醇流量。冈为此时炉 能很好控制炉内碳势，满足多种T艺条件的技术要 体耐热纤维层内会积存大量炭黑，进行调质处理 求。 时，炭黑会从耐热纤维层返到炉气巾，使炉气碳势 (2)通过及时作出调整甲醇流量，在保证热处理 升高。 质量的前提下，可大量节约甲醇用量，以此来降低生 (2)调质工件较多时，炉内相对碳势不足， 产成本，并能减少废气排放，利于环保。 应适当加大甲醇流量。 参考文献 (3)新换料盘工装初入炉的炉次，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。 [1] 陈永勇．可控气氛热处理[M]．北京：冶金工业 (4)渗碳处理的扩散阶段，应适当降低甲醇 出版社，2008：85—86，143． 流量，以利于炉内气氛碳势在工艺要求的H寸间内降 [2] 金荣植．新连续式渗碳炉氮基气氛渗碳工艺的设计与 到工艺要求范围内。 一64． 4 氮。甲醇系统的维护 第一作者简介：李如学，工程师，生于1972年，1996 (1)日常巡查。氮．甲醇系统是整个炉子气氛系 年毕业于郑州纺织工学院热加T工艺及装备争业，现从事 统的基础，它的稳定与否必然的联系到设备操作安全， 金属热处理丁作。地址：(100083)北京市海淀区。电话： 又间接影响炉内气氛的控制精度。”因此，一定要做好 (olo 日常巡查工作，随时保证氮一甲醇系统的稳定。同时 收稿日期：2009—06—29 为保证在设备出现紧急故障时有足够氮气来排空炉 (本文编辑刘锋)

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