АГРЕГАТ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ПРОЦЕССА НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ Российский патент 1995 года по МПК F27B19/02 C23C8/30 

Изобретение относится к цементации металлических изделий и может быть использовано, например, в нефтехимии, металлургии, машиностроении, авиастроении, автомобилестроении, приборостроении и других отраслях промышленности.

Известен агрегат для процесса нитроцементации, содержащий печь с патрубками подвода углеводородного газа и аммиака и эндогенератор, соединенные между собой [1]
Недостатками этого агрегата являются низкие экологичность и качество обрабатываемых изделий.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является агрегат экологически чистого процесса нитроцементации, содержащий печь с патрубками подвода углеводородного газа и аммиака и эндогенератор, соединенные между собой замкнутой системой рециркуляции эндогаза [2]
Недостатками его являются низкие экологичность, экономичность, а также качество обрабатываемых изделий.

Таким образом, возникла необходимость в создании агрегата экологически чистого процесса нитроцементации, в котором сокращается выброс вредных промышленных газообразных отходов в атмосферу, сокращается расход эндотермической контролируемой атмосферы и повышается качество процесса нитроцементации.

Предлагаемое изобретение позволяет повысить качество процесса нитроцементации за счет увеличения глубины науглероживания, повысить качество обрабатываемых изделий за счет более равномерного распределения диффузионного слоя, кроме того, повысить экологичность агрегата при сокращении расхода углеводородного газа.

В агрегате экологически чистого процесса нитроцементации, содержащем печь с патрубками углеводородного газа и аммиака и эндогенератор, соединенные между собой замкнутой системой рециркуляции эндогаза, возвратная ветвь последней снабжена патрубком подвода диоксида углерода, минимальная площадь поперечного сечения которого соотносится с суммарной площадью поперечного сечения патрубков подвода углеводородного газа и аммиака, как 1:0,9.

Предлагаемое изобретение по сравнению с известными позволяет улучшить экологичность агрегата и, соответственно, процесса нитроцементации за счет сокращения вредных промышленных выбросов в атмосферу на 960 м³ оксида углерода в год на 1 м³ эндогаза, что при производительности эндогенератора 125 м³/ч составляет 240000 м³ СO в год. Кроме того, предлагаемое изобретение позволяет сократить в среднем на 80% расход эндогаза за счет рециркуляции атмосферы в системе печь-генератор, улучшается также качество процесса нитроцементации за счет увеличения в 1,5 раза глубины науглероживания (скорости нитроцементации) и качество обрабатываемых изделий за счет улучшения равномерности распределения углерода по глубине диффузионного слоя в 1,3-1,5 раза.

На чертеже представлена схема агрегата экологически чистого процесса нитроцементации.

Агрегат экологически чистого процесса нитроцементации содержит смеситель 1 газовоздушной смеси, соединенный с газодувкой 2, подающей смесь в реторту 3 эндотермического генератора 4, соединенного системой 5 рециркуляции эндогаза с рабочим пространством печи 6. Печь 6 снабжена патрубком 7 подвода углеводородного газа и патрубком 8 подвода аммиака. Печь 6 через гидорозатвор 9 возвратной ветвью 10 замкнутой системы рециркуляции эндогаза через накопитель 11 соединена с газодувкой 2, с которой дополнительно соединен и патрубок 12 подвода диоксида углерода. Минимальная площадь поперечного сечения патрубка 12 подвода диоксида углерода соотносится с суммарной площадью поперечного сечения патрубка 7 подвода углеводородного газа и патрубка 8 подвода аммиака, как 1:0,9.

Агрегат экологически чистого процесса нитроцементации работает следующим образом.

Смесь углеводородного газа с воздухом в соотношении, обеспечивающем получение эндотермической контролируемой атмосферы через смеситель 1 газодувкой 2 подается в реторту 3 эндогенератора 4. Реторта 3 эндогенератора 4 заполнена катализатором конверсии углеводородного газа, которая осуществляется при температуре 1000-1100^oС. Покидающие реторту 3 продукты конверсии представляют собой эндотермическую контролируемую атмосферу (эндогаз), содержащую, например, ≈20% CO, ≈ 40% Н₂, ≈ 40% азота.

По герметичному трубопроводу замкнутой системы 5 рециркуляции эндогаза атмосфера поступает в рабочее пространство печи 6, куда одновременно по патрубку 7 подводится добавка углеводородного газа, а по патрубку 8 аммиака для создания в печи 6 требуемых углеродного и азотного потенциалов. Отработанная атмосфера через гидрозатвор 9 по возрастанию ветви 10 замкнутой системы рециркуляции эндогаза поступает в накопитель 11, откуда газодувкой 2 вторично подается в реторту 3 эндогенератора 4. Для поддержания постоянного соотношения оксид углерода водород в циркулирующем эндогазе в патрубок 12 подается диоксид углерода в количестве, обеспечивающем компенсацию снижения содержания оксида углерода и увеличения содержания водорода в процессе нитроцементации.

При подсчете величины сокращения вредных выбросов оксида углерода в окружающую среду пользовались следующими обозначениями:
V_эн расход эндогаза, м³/ч;
W коэффициент возврата, б/р;
τ_н время процесса нового, ч;
τ_с время процесса старого, ч;
С_СO концентрация CO в эндогазе,
Э_проц сокращение выбросов СO, м³/на процесс.

Экологичность процесса определяли согласно следующему соотношению:
Э_проц.= м³/ на процесс
Для проверки справедливости цифрового интервала, приведенного в формуле изобретения, проводили экспериментальные исследования на полупромышленном экспериментальном стенде.

Экспериментальный стенд содержит эндотермическую установку ЭН-60, соединенную герметичным трубопроводом с шахтной печью СШЦМ 6.30/9. Трубопровод, отводящий из печи отработанную атмосферу, соединен с патрубком подвода исходных продуктов в установку ЭН-60. Кроме того, этот патрубок также соединен с патрубком подвода диоксида углерода. Печь СШЦМ-6.30/9 также оборудована патрубками для подачи добавок углеродного газа и аммиака. Определение состава отработанной атмосферы проводили непрерывно при помощи газоанализаторов:
ГИАМ-5 0-1,0 об. CO₂
АГ-012 0-100 об. Н₂
ГИАМ-14 0-100 об. СO
Дополнительно определяли содержание СO₂, H₂, CO, CH₄, O₂ 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-60, 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. Для повышения точности измерения расхода газов в каждом конкретном случае ротаметры подбирали таким образом, чтобы пределы измерений лежали в верхней третьей части шкалы.

Установка ЭН-60 снабжена 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-6.3019 производили вручную при помощи указанных газоконденсаторов и устройства для определения углеродного потенциала методом фольги.

Эксперименты проводили в режиме промышленной нитроцементации деталей из стали 20Х при температуре 850-860^оС. Продолжительность обработки 6,2 ч.

Источником углеводородного газа являлись магистральный природный газ и (зимняя) пропан-бутановая смесь из подземной емкости сжиженного газа, оборудованной испарителем. Источником аммиака являлся 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
α · 100 где С_х содержание углерода в поверхностном слое;
С₁ содержание углерода на глубине, равной 1/3 δ от поверхности;
δ глубина диффузионного слоя.

Результаты экспериментальных исследований сведены в таблицу.

При проведении экспериментов суммарная производительность эндотермического генератора позволяла варьировать расходы эндогаза в пределах 40-60 м³/ч.

Для определения минимально допустимого диаметра (площади поперечного сечения) патрубка подвода диоксида углерода часть трубопровода выполнена сменной. Сменная часть представляет собой отрезок трубопровода со штуцерами на концах в виде резьбовых разъемов с уплотнениями из вакуумной резины. Для изготовления трубопроводов использованы стальные трубки с различными внутренними диаметрами.

Из таблицы следует, что в 1,5 раза увеличена скорость нитроцементации, в 1,3-1,5 раза улучшена равномерность распределения углерода по глубине диффузионного слоя. В результате экспериментов доказана справедливость цифрового интервала, приведенного в формуле изобретения. Кроме того, сократился выброс вредных промышленных отходов в атмосферу, что повысило экологичность агрегата, и существенно снизилась стоимость процесса нитроцементации за счет снижения расхода эндотермической контролируемой атмосферы и, соответственно, исходного углеродного газа.

Впервые в отечественной и зарубежной практике предложен агрегат, позволяющий использовать многократно контролируемую атмосферу при одновременном улучшении качества обрабатываемых изделий.

Изобретение относится к агрегатам экологически чистого процесса нитроцементации. Агрегат экологически чистого процесса нитроцементации содержит печь с патрубками (П) подвода углеводородного газа и аммиака и эндогенератор, соединенные между собой системой замкнутой рециркуляции эндогаза. Возвратная ветвь системы замкнутой рециркуляции имеет П подвода диоксида углерода, минимальная площадь поперечного сечения которого соотносится с суммарной площадью поперечного сечения П подвода углеводородного газа и аммиака, как 1 0,9. Это позволяет улучшить экологичность агрегата, сократить расход эндотермической атмосферы и повысить качество обрабатываемых изделий. 1 ил. 1 табл.

АГРЕГАТ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ПРОЦЕССА НИТРОЦЕМЕНТАЦИИ, содержащий печь с патрубками подвода углеводородного газа и аммиака, эндогенератор, соединенный системой замкнутой циркуляции с печью, отличающийся тем, что возвратная ветвь системы замкнутой циркуляции выполнена с патрубком подвода диоксида углерода, минимальная площадь поперечного сечения которого соотносится с суммарной площадью поперечного сечения патрубков подвода углеводородного газа и аммиака как 1,0:0,9.