способ регулирования экологически чистого процесса нитроцементации

Формула изобретения

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ПРОЦЕССА НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ, включающий непрерывную рециркуляцию эндогаза между эндогенератором и печью, в рабочее пространство которой добавляют углеводород и аммиак, отличающийся тем, что 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 суммарной добавки углерода и аммиака, как 1 0,6 1,3.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ регулирования процесса нитроцементации, при котором науглероживающая способность атмосферы, полученной из жидкостей, регулируется прибором типа "Карбоом".

Недостатком известного способа является низкая экологичность процесса и низкое качество обработки.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является способ регулирования экологически чистого процесса нитроцементации, при котором осуществляют непрерывную рециркуляцию эндогаза между эндогенератором и печью, в рабочее пространство которой добавляют углеводород и аммиак.

Недостатками известного способа являются низкая экологичность за счет загрязнения окружающей среды и низкое качество процесса нитроцементации.

Проанализировав недостатки известных технических решений можно сделать вывод, что возникла необходимость в создании нового способа регулирования экологически чистого процесса нитроцементации, при котором существенно улучшается экологичность процесса, т.е. сокращается выброс вредных промышленных отходов в атмосферу, и повышается качество процесса.

Предлагаемый способ позволяет существенно улучшить экологичность и качество процесса за счет улучшения равномерности распределения углерода по глубине диффузионного слоя, а также увеличить скорость нитроцементации. Кроме того, снижается стоимость процесса нитроцементации за счет снижения расхода эндотермической контролируемой атмосферы и соответственно углеводородного газа.

Предлагаемый способ характеризуется следующей совокупностью существенных признаков.

В способе регулирования экологически чистого процесса нитроцементации, при котором осуществляют непрерывную рециркуляцию эндогаза между эндогенератором и печью, в рабочее пространство которой добавляют углеводород и аммиак, 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 суммарной добавки углеводорода и аммиака как 1:(0,6-1,3).

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

По сравнению с известными техническими решениями предлагаемое позволяет существенно улучшить экологичность процесса нитроцементации за счет сокращения выбросов промышленных отходов в атмосферу. Сокращение выбросов составляет 960 м³ СО в год на 1 м³ эндогаза. При производительности эндогенератора 125 м³/ч это составит 120000 м³ оксида углерода в год. Кроме того в 1,5 раза увеличена скорость нитроцементации, в 1,3-1,5 раза улучшена равномерность распределения углерода по глубине диффузионного слоя, т.е. повышается качество процесса нитроцементации и существенно снижается стоимость процесса за счет снижения расхода эндотермической контролируемой атмосферы и соответственно углеводородного газа.

На чертеже представлена блок-схема устройства, которое реагирует предлагаемый способ регулирования экологически чистого процесса нитроцементации.

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

Предлагаемый способ регулирования экологически чистого процесса нитроцементации осуществляют следующим образом.

Углеводородный газ С_nН_2n+2 и воздух в отношении 0,25-0,3, обеспечивающем состав готовой эндотермической контролирующей атмосферы, например 20% СО, 40% Н₂ 40% N₂, 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 простpанство печи 2, куда одновременно поступает добавка углеводородного газа С_nН_2n+2 и аммиака.

В рабочем пространстве печи 2 происходит взаимодействие металлических деталей с нитроцементационной атмосферой с добавками углеводородного газа и аммиака. В результате взаимодействия на поверхности металлических деталей выделяются активные углерод и азот, которые при температурах нитроцементации 840-870^оС диффундируют в глубь металла с образованием слоя нитроцементации. Параметры слоя определяются углеродным потенциалом нитроцементационной атмосферы, добавкой аммиака, содержанием в ней активных составляющих СО и Н₂ и продолжительностью процесса нитроцементации. При одном и том же углеродном потенциале и одинаковых добавках аммиака скорость насыщения будет более высокой при равном количестве СО и Н₂ и более высоком их общем содержанием.

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) добавок углеводорода и аммиака часть воздуха, подаваемого в реторту эндогенератора 1, заменяют диоксидом углерода в количестве, соотносящемся с объемом суммарной добавки углеводорода и аммиака как 1:(0,6-1,3). Благодаря конверсии добавки углеводорода диоксидом углерода атмосфера, покидающая слой катализатора, имеет более высокое содержание оксида углерода.

Для регулирования состава атмосферы посредством газоанализаторов 3 и 4 определяют содержание оксида углерода и водорода в возвратном потоке рециркулирующего эндогаза. Исходные данные по содержанию этих компонентов поступают в вычислительное устройство регулятора 5 соотношения оксид углерода водород. По сигналу, поступающему от регулятора 5 в зависимости от типа исходного углеводорода, соотношение поддерживают на заданном уровне в пределах 1: (0,7-1,1) посредством регулируемой подачи добавки диоксида углерода с помощью исполнительного механизма 6 и регулирующего крана 7.

Таким образом, в рабочее пространство печи 2 поступает контролируемая атмосфера с постоянным соотношением оксид углерода-водород и улучшенными насы- щающими свойствами. Многократное повторение описанного выше цикла работы позволяет значительно повысить содержание активных компонентов СО и Н₂ при регулируемом соотношении между ними.

Для подтверждения справедливости цифровых интервалов в формуле изобретения были проведены экспериментальные исследования, результаты которых сведены в таблицу.

Экологичность процесса определялась согласно следующему соотношению:

Э_проц= м³ на процесс

где V_эн расход эндогаза, м³/ч;

W коэффициент возврата, б/p;

_н время нового процесса, ч;

_с время старого процесса, ч;

C_СО концентрация оксида углерода в эндогазе,

Э_проц сокращение выбросов углерода, м³/процесс.

Исследования проводились на экспериментальном стенде. Стенд 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. Кроме того, с патрубком подвода исходных продуктов соединен патрубок подвода диоксида углерода. Печь СШЦМ-6.12/9 также оборудована патрубком для подачи добавок углеводородного газа и аммиака.

Определение состава отработанной атмосферы проводили непрерывно при помощи газоанализаторов:

ГИАМ-5 0-10 об. СО₂;

АГ-012 0-100 об. Н₂;

ГИАМ-14 0-100 об. СО.

Дополнительно проводили определение содержания СО₂, Н₂, СО, СН₄, О₂ при помощи хроматографа "Газохром-3101".

Расход поступающей в печь атмосферы, добавок углеводородного газа и аммиака, а также расходы окислителей воздуха и диоксида углерода и углеводородного газа, подаваемого в установку ЭН-16, определяли посредством ротаметров серии РМ, протарированных для измерения расхода соответствующего газа. Точность измерения расхода конкретного газа отражена в таблице путем приведения соответствующего числа значащих цифр после запятой. В каждом конкретном случае измерений ротаметры подбирались так, чтобы пределы измерений лежали в верхней трети их шкал.

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

Регулирование процесса нитроцементации в печи СШЦМ-6.12/9 проводили вручную при помощи указанных газоанализаторов и устройства для определения углеродных потенциалов методом фольги.

Эксперименты проводили в режиме промышленной нитроцементации деталей из стали 20Х при 850-860^оС. Продолжительность обработки по предлагаемому способу составляла 6,2 ч, по известному 10 ч.

Источником углеводородного газа являлись магистральный природный газ и пропан-бутановая смесь из подземной емкости сжиженного газа, оборудованной испарителем, источником аммиака жидкий аммиак в баллонах. Глубину диффузионного слоя определяли металлографически на поперечных срезах образцов, а распределение концентрации углерода посредством послойного химического анализа. Содержание азота в слое не определяли. Равномерность распределения углерода по глубине оценивали соотношением:

100% где С^х содержание углерода в поверхностном слое;

С₁ содержание углерода на глубине, раной 1/3 от поверхности;

глубина диффузионного слоя.

Образцы для исследования распределения концентрации углерода по глубине выдерживались в устройстве для их охлаждения под протоком атмосферы для нитроцементации.

Регулирование количества диоксида углерода осуществляли посредством регулирующего клапана и исполнительного механизма, управляемого посредством микропроцессора "ПРОТАР".

Из таблицы следует, что справедливость всех приведенных в формуле изобретения числовых интервалов полностью подтверждена.

Предлагаемое изобретение улучшает экологичность процесса нитроцементации и улучшает равномерность распределения углерода по глубине диффузионного слоя. Кроме того, предлагаемое изобретение увеличивает скорость нитроцементации и существенно снижает стоимость процесса. Впервые в отечественной и зарубежной практике достигнута возможность, при полностью регулируемом процессе, многократно использовать нитроцементационную контролируемую атмосферу с одновременным улучшением качества процесса нитроцементации.