尤蕾蕾

（洛陽LYC軸承有限公司、航空精密軸承國家重點實驗室）

　　滲碳工序是滲碳鋼制軸承生產的一個特殊工序，它的加工周期長短、原料氣的消耗的多少影響著軸承生產的成本高低。長期以來，我公司滲碳鋼制軸承零件均采用丙烷氣作為富化氣進行滲碳，具有較高的生產制造成本。采用天然氣在可控氣氛熱處理行業替代原有的丙烷氣或丙烷十丁烷混合氣進行滲碳，既節約企業原料氣消耗成本又緩解當今日益嚴重的能源問題。

　　國內使用天然氣作為滲碳劑進行滲碳處理的研究始于20世紀80年代，經過30多年的發展，相關氣氛控制及工藝技術已基本成熟。但目前常見應用領域主要為齒輪類產品的滲碳處理，雖然也有企業開始嘗試使用天然氣作為軸承類產品滲碳劑，但目前該類技術還未在行業內推廣普及。
　　我公司丙烷站建于80年代，站內設有兩個丙烷43m³貯罐和一個10m³殘液罐，壓縮機房一座，氣化裝置兩臺，減壓裝置兩套，室外埋地干管約2000m（DN125），丙烷減壓室8座，用氣總量為11.5～24.5t/月，近幾年運行過程中管網經常由于銹蝕出現泄漏，造成公司安全隱患。同時，隨著公司發展和生產需求以及周邊土地的商業化開發，急需解決熱處理用氣的替代問題。
 

　　1.兩種原料氣的氣體的化學反應式對比

　　利用天然氣來進行滲碳熱處理，其工藝原理與使用丙烷氣相似。
　　用天然氣制備吸熱式氣氛的主反應方程式為

CH4＋2.38空氣→CO+2H2+1.88N2　（1）

　　式中，NiO2為催化劑，CH4作富化氣，反應溫度≥1000℃。
　　由上式看出，采用天然氣滲碳天然氣與空氣的比例為1:2.38，而實際情況一般為1:2.5，甚至更高，因為天然氣不僅只含甲烷，還有丙烷等含碳較高的化合物以及有害雜質，RX氣氛制備參考如表1所示。

表1  RX氣氛制備參考數據

　　另外，天然氣滲碳機理CH4→Cad+H2Cad活性碳。

　　用丙烷氣制備吸熱式氣氛的主反應方程式為

C3H8＋7.14空氣→3CO+4H2+5.64N2　（2）

　　式中，NiO2為催化劑，C3H8作富化氣，反應溫度≥1000℃。

　　為了使滲碳爐內達到較高的碳勢，通在爐內添加原料氣（丙烷或甲烷等氣態烷烴）作為富化氣。當吸熱式可控氣氛中添加丙烷作富化時，由于丙烷會立即在熱處理爐工作溫度下（800～950℃）進行反應：

 C3H8→2[C]+CH4+2H2　（3）

 　　吸熱式氣氛中的CO2、H2O、CO和H2發生水煤氣反應：

CO+H2O=CO2+H2　（4）

　　滲碳時，消耗CO、H2，生成CO2、H2O。

CO+H2=[C]+H2O　（5）

2CO=[C]+CO2　（6）

　　加入富化氣（CH4）會反過來消耗CO2、H2O，補充CO、H2，促進滲碳反應進行，其反應式為

CH4+CO2=2CO+H2　（7）

CH4+H2O=CO+3H2　（8）

　　加入富化氣（C3H8），丙烷在高溫下Z終形成甲烷，再參加滲碳反應，其反應式為

C3H8=2[C]+2H2+CH4　（9）

C3H8=[C]+2CH4　（10）

　　2.兩種氣體的生成物對比

　　由表2可知，天然氣和丙烷氣相比，兩種反應原理一致，產生的氣氛成分也相差不多，只是通入的空氣比例不同。因此改用天然氣后，設備改造和工藝調整的工作量較小，同時有利于提高產品質量，縮短生產周期。結果表明利用天然氣為原料氣時，熱效率得到明顯的提高，由45%～68%提高到54%～89%，所以決定采用天然氣全面代替液化丙烷氣，作為熱處理生產中制備吸熱式氣氛。表2反應了不同產氣量所需要的氣源消耗量。

表2 不同原料氣制備的吸熱式氣體成分（體積分數）（%）

　　采用天然氣進行滲碳熱處理，連續氣體滲碳爐推料周期為46min，材料為G20CrNi2MoA，工藝如表3所示，滲碳零件實物樣（從套圈上切取試樣）的檢查結果如表4所示。從表4可看出，天然氣滲碳后的各項指標均滿足技術要求。

表3 滲碳工藝參數

表4 實物樣檢驗數據

　　1.節能效果

　　丙烷氣價格為4000元/t左右（新奧燃氣公司提供），氣化率約為550Nm³/t，折合單價7.27元/Nm³。天然氣的價格預計為2.88元/Nm³，按替代比例折合成丙烷價格為6.05元/Nm³。
　　我公司每年丙烷氣用量為220t，費用為220×550×7.27＝879670元，若以天然氣替代丙烷氣后每年天然氣用量220×550×2.1=254100Nm³，費用為254100×2.88=731808元，年節約燃氣費用為879670-731808≈14.8萬元。且隨著石油資源的不斷緊張，價格具有持續上漲的趨勢，因此從原料氣消耗成分方面分析，采用天然氣作為制備可控滲碳氣的氣源，可大大降低原料氣消耗成本。

　　2.減排效果及安全性

　　丙烷氣燃燒每公斤排放二氧化碳3.1kg，天然氣燃燒每公斤排放二氧化碳2.3kg，使用天然氣滲碳熱處理比丙烷氣減少二氧化碳排放25%左右。而且如有泄漏，天然氣飄向天空不會在地面堆積，不易造成安全隱患，而天然氣的爆炸極限與丙烷氣相比安全系數更高。

　　結語

　　采用天然氣在可控氣氛熱處理行業替代原有的丙烷氣進行滲碳，其設備改造和工藝調試工作量小，既節約企業原料氣消耗成本，又緩解當今日益嚴重的能源問題，同時也可減少用于安全防護的人力、物力成本，節約規劃用地，提高公司對周邊區域的文明建設。

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志