способ экологически чистого процесса нитроцементации металлических изделий

Формула изобретения

СПОСОБ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ПРОЦЕССА НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ, включающий создание эндотермической контролируемой атмосферы, подачу ее в печь, удаление отработанных газов из печи и возвращение их в пространство нитроцементации, отличающийся тем, что отработанную атмосферу отводят из пространства нитроцементации по герметичному тракту, добавляют углеводородный газ типа C_nH_2n+₂ и аммиак в количестве соответственно (1 5) / 100 n и (1 6) 100 n 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 N объема добавки углеводородного газа и (1,3 1,7) n N / (n + 1) дабавки аммиака, где N коэффициент возврата, выраженный отношением объемов атмосферы, отводимой из пространства нитроцементации и поданной в него.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ нитроцементации изделий, при котором производят атмосферу на базе газа-носителя с добавкой углеводородов и аммиака [1]

Недостатками известного способа являются большое выделение оксида углерода в окружающую среду и большой расход эндотермической атмосферы.

Наиболее близким к заявляемому является способ экологически чистого процесса нитроцементации металлических изделий, включающий создание эндотермической контролируемой атмосферы, подачу ее в печь, удаление отработанных газов из печи и возвращение их в пространство нитроцементации.

Недостатками известного способа являются загрязнение окружающей среды в цеху и вне его, большой расход эндотермической атмосферы и низкое качество процесса нитроцементации.

Цель изобретения повышение экологичности процесса за счет сокращения вредных промышленных выбросов в атмосферу, сокращение расхода эндогаза за счет рециркуляции атмосферы в системе печь-генератор, повышение качества процесса нитроцементации за счет увеличения глубины науглероживания и качества обрабатываемых изделий за счет улучшения равномерности распределения углерода по глубине диффузионного слоя.

В заявляемом способе экологически чистого процесса нитроцементации металлических изделий, включающем создание эндотермической контролируемой атмосферы, подачу ее в печь, удаление отработанных газов из печи и возвращение их в пространство нитроцементации, отработанную атмосферу отводят из пространства нитроцементации по герметичному тракту, добавляют углеводородный газ типа C_nH_2n+2 и аммиак в количестве, соответственно, (1-5)/100n и (1-6)/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)nW объема добавки углеводородного газа и (1,3-1,7)nW/(n+1) добавки аммиака, где W коэффициент возврата, выраженный отношением объемов атмосферы, отводимой из пространства нитроцементации и поданной в него.

Способ экологически чистого процесса нитроцементации металлических изделий реализуют следующим образом.

Углеводородный газ и воздух в соотношении 0,25-0,3, обеспечивающем состав готовой эндотермической контроли- руемой атмосферы (например, 20% СО, 40% Н₂, 40% азота), 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, куда одновременно поступают добавки углеводородного газа С_nH_2n+2 в количестве е (1-5)/100n и аммиака m (1-6)/100n объема эндотермической атмосферы.

В рабочем пространстве печи происходит взаимодействие металлических изделий с нитроцементационной атмосферой, образующейся при взаимодействии эндотермической атмосферы с добавками углеводо- родного газа и аммиака. В результате взаимодействия на поверхности металлических изделий выделяются активные углерод и азот, которые при температурах нитроцементации 840 870^оС диффундируют вглубь 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 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 отработанная атмосфера поступает во всасывающий патрубок компрессора вместе с дополнительным количеством углеводородного газа и воздуха. Для компенсации повышения содержания водорода вследствие разложения (диссоциации) в печи добавок углеводородного газа и аммиака часть воздуха, подаваемого во всасывающий патрубок компрессора, заменяют диоксидом углерода в количестве (0,8-1,1)nW объема добавок углеводородного газа и (1,3-1,7) х nW/n+1 аммиака, подаваемых в печь. На катализаторе реторты, куда подается 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+1,88N₂ (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 нитроцементационными 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;

_н время нового процесса, ч;

_c время старого процесса, ч;

С_со концентрация СО в эндогазе,

Э_проц сокращение выбросов СО, м³ на процесс.

Заявленное решение было проверено на экспериментальном стенде, содержащем эндотермическую установку ЭН-16, соединенную герметичным трубопроводом с шахтной печью СШЦМ-6.20/9. Трубопровод, отводящий из печи отработанную атмосферу, соединен с патрубком подвода исходных продуктов в установку ЭН-16. Кроме того патрубок соединен с патрубком подвода диоксида углерода. Печь СШЦМ-6.20/9 оборудована патрубками для подачи добавок углеводородного газа и аммиака.

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 хроматографом "ГАЗОХРОМ 3101" проводили определение содержания СО₂, Н₂, СО, СН₄ и О₂.

Ротаметрами типа РМ, протарированными для измерения расхода соответствующего газа, определяли 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.

Установка ЭН-16 снабжена серийным оборудованием для регулирования состава получаемого эндогаза и газодувкой с внешним байпасом для снижения производительности до любого требуемого значения, не опасаясь перегрева газодувки.

Регулирование процесса нитроцементации 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 нитроцементации изделий из стали 20Х при 850-860^оС. Продолжительность обработки составила 6,2 ч. Значения углеродного потенциала на стадии насыщения во всех экспериментах составили 1,0-1,1% на стадии диффузии 0,7-0,8% за счет снижения в течение 0,5 ч перед выгрузкой садки общего расхода атмосферы при сохранении существовавшей пропорции между эндогазом и добавками.

Источником углеводородного газа являлся 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.

Pавномерность распределения углерода по глубине оценивали соотношением:

100% где С* содержание углерода в поверхностном слое;

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

глубина диффузионного слоя.

Использование предложенного решения позволяет повысить экологичность процесса нитроцементации за счет сокращения вредных 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, сократить, в среднем, на 80% расход эндогаза за счет рециркуляции атмосферы в системе печь-генератор, повысить качество процесса нитроцементации за счет увеличения в 1,5 раза глубины науглероживания и качество обрабатываемых изделий за счет более равномерного распределения углерода по глубине диффузионного слоя в 1,3 1,5 раза.

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