热处理工艺两种渗碳介质的比较

   　天然气作为新型介质材料正在逐步替代传统甲醇+丙酮作为渗碳介质。因为天然气经净化后使用状况较为稳定，渗碳成本较低，使用过程中安全系数高于甲醇+丙酮作为渗碳介质的安全系数。因此，天然气目前广泛运用在热处理多用渗碳炉和连续渗碳炉工艺中，而甲醇+丙酮将逐步退出热处理工艺，本文就两种介质优劣性做一简述。

　　1.天然气使用技术要求：

　　一般情况下天然气指标硫(包括有机硫和无机硫)含量≤10mg/m3,甲烷含量≥95%，水含量：无游离水。这是天然气公司将天然气送至用户前已进行过一次净化处理的结果，但在热处理炉中使用仍不能达到设备要求，因此在使用前再进行一次净化处理，处理过后的天然气可达到如下指标：硫含量≤4mg/m3，甲烷含量≥97%，水含量：无游离水，满足设备使用要求。

　　2.天然气渗碳介质的原理

　　天然气的完全裂解需在1000℃以上，而一般的工件热处理渗碳温度均在900℃左右，如果直接将天然气通入炉内进行分解，大量的天然气作为渗碳介质通入炉内，在较低的温度下不能充分裂解，易在炉内产生炭黑。所以，我们采用在炉外进行高温裂解的方式，即使用气体发生炉，空气和天然气以一定比例混合后，在1035℃左右在气体发生炉内进行裂解，生成RX气(H 2、CO、N 2的混合气)，用天然气制备吸热式气氛的公式为：CH4+2.38空气——>CO+2H2+1.88N2 ，Ni为催化剂，反应温度≥1000℃ 。

　　由于，RX气含碳量较低，而天然气分解后含碳量较高。所以大量的RX气作为载体气形成渗碳气氛，少量的天然气作为富化气起到调节碳势的作用，使炉内气氛碳势满足工艺要求。由于作为富化气的天然气是调节碳势用气，正常工作时需供给量较小，所以炉内不易积碳。

　　3.渗碳工艺及渗碳质量的比较

　　连续炉渗碳工艺近几年来随着技术发展和产品质量要求的提高，连续炉渗碳设备对淬火区域划分的越来越细，下面是不同时期连续炉工艺方案，最早为3#线，最近为1#线：

　　下面以1#线为例进行工艺分析，该炉工艺参数见表1，产品处理质量通过九点试验均满足要求，见表2。通过与其他渗碳炉对比四项产品参数差距不大，但对产品的变形量，不同的设备存在不同的变形量，1#线优于其他渗碳炉。这是在使用过程中，由于1#连续炉分为5个区，升温区、强渗区、扩散区温度分别为880℃、880℃、860℃，对于各区作为调节碳势的天然气，因进气量较小，分解相对比较充分，降温区不通天然气，保温区温度只有820℃，而天然气在850℃以下分解效果相对较差，导致降温区碳势上升较慢，不能达到工艺要求的碳势，这也反映了在较低温度下天然气分解不充分的现象。如果保温区碳势不能满足工艺要求，工件渗碳淬火后的表面质量就要受到影响。

　　在此状况下，要满足工艺碳势的要求，可以有三种方式：

　　⑴将保温区温度提高至850℃，提高天然气的分解率;

　　⑵增加保温区天然气的流量;

　　⑶使炉内气氛形成由高碳势区向低碳势区流向。

　　显然，第一种方式可以解决碳势问题，但是对于精度要求较高的产品，这就要求热处理变形量最小，且稳定性最好，而提高保温区温度后，工件的淬火变形量将会增加。所以，第一种方式不可行;第二种方式也可以解决碳势问题，但是将导致天然气的分解率更低，进而导致炉内大量的积碳，所以这一方式也不可行。第三种方法是在炉内使气氛形成由高碳势区向低碳势区流向。由于强渗区、扩散区碳势高于保温区碳势，扩散区门和降温区门都没有彻底将炉内封死，炉门底部与炉膛底部有约10Cm的缝隙，如果提高强渗区和扩散区RX气的进气量，同时通过调整前后废气排放口的排气量，可以使炉内形成气氛由强渗区流向扩散区再流向降温区、保温区得的流向，由于强渗区、扩散区碳势均高于保温区碳势，所以当高碳是气氛流向保温区时，降温区就只需进很少量的天然气即可满足碳势的工艺要求，且由于天然气的通入量非常少，所以不会造成保温区积碳。所以第三种方式可以有效地解决碳势不能满足工艺要求的问题。

　　4.天然气渗碳介质与甲醇+丙酮渗碳介质的比较

　　4.1.经济性能比较

　　下面就1#连续炉同2#连续炉经济性能进行比较，因为2#连续炉产能大于1#连续炉，为了更加准确的比较天然气作为渗碳介质和甲醇、丙酮作为渗碳介质的经济型，现将单位成本细分到加工每公斤产品的成本，设备产能以理论产能计算，见表4和表5。

　　显然，使用天然气作为渗碳介质的成本仅为甲醇+丙酮作为渗碳介质使用成本的1/3左右。

　　1#连续炉单条生产线年可节约成本(每年按照300天计算)：

　　(0.14-0.05)*100*60*300=162000元。

　　4.2.安全性能的比较

　　甲醇+丙酮作为渗碳介质，就必须有介质储存罐及介质房，按照安全标准，介质罐最多可储存400L甲醇、丙酮，介质房现场常规会储存两桶甲醇、两桶丙酮和10罐液化气，共计650L介质，见表6。且每天需要用介质泵将介质由介质桶抽到高空中的介质罐里，介质储存量较大，危险系数较高，每天需要补充介质，不方便。炉门点火和废气排放口点火还需要用液化气，这就需要建一个液化气房，存放一定数量的液化气，液化气易燃、易爆且为有毒气体，危险系数较高。

　　用天然气作为渗碳介质，不需要介质房，气源接口是通过管道接入，接口处有用于安全控制的电磁阀，电磁阀后端接入设备用气，前段埋在地下，如果气体发生泄漏，气体泄漏检测器立即发送信号给电磁阀，可以马上切断气源，所以天然气相当于零库存，安全系数较高。且使用天然气作为渗碳介质，也可用于炉门点火。

　　5.结论

　　综上所述，使用天然气作为渗碳介质，有效地降低了热处理渗碳淬火成本，由于天然气采用管道输送，大大减少输送介质和更换天然气的工作量，也不需要介质房和介质储存罐，更不需要建立液化气房，故安全系数大大提高。使用甲醇+丙酮，不但每天往介质储存罐输送介质，而且遇到明火极易产生爆炸危险。通过以上分析说明，天然气作为渗碳介质无论在经济性上、产品质量保证上还是在安全性上，大大优于传统渗碳介质甲醇+丙酮。