RU2038413C1 - Method for regulation of ecologically clean process of carburizing - Google Patents

Abstract

FIELD: mechanical engineering. SUBSTANCE: method for regulation of ecologically clean process of carburizing includes continuous recirculation of endogas between endogenerator and furnace to whose working space hydrocarbon is added. Added to return flow of recirculation endogas is carbon dioxide whose amount is regulated by the signal arriving from computer of carbon oxide-hydrogen ratio regulator. Depending on type of initial hydrocarbon converted into endogas and added to furnace, carbon oxide-hydrogen ratio is regulated into endogas and added to furnace, carbon oxide-hydrogen ratio is regulated within the range given in invention description, ratio of volume of addition of carbon dioxide and value of addition of carbon being 1:(0.3-1.2). EFFECT: higher efficiency. 1 dwg

Description

Изобретение относится к области цементации и может быть использовано, например, в машиностроении, нефтехимии, металлургии, авиастроении, автомобилестроении и других отраслях промышленности. The invention relates to the field of cementation and can be used, for example, in mechanical engineering, petrochemicals, metallurgy, aircraft, automotive and other industries.

Известен способ регулирования процесса цементации, при котором осуществляют непрерывную рециркуляцию эндогаза между эндогенератором и печью, а регулирование производят установкой Ремик 3С со встроенной микроЭВМ Электроника МК 64 [1]
Недостатками известного способа являются низкая экологичность и низкое качество процесса цементации.A known method of regulating the cementation process, in which continuous endogas is recycled between the endogenerator and the furnace, and the regulation is carried out by installing Remik 3C with a built-in microcomputer Electronics MK 64 [1]
The disadvantages of this method are the low environmental friendliness and low quality of the cementation process.

Наиболее близким к предлагаемому является способ регулирования экологически чистого процесса цементации, включающий измерение и автоматическое регулирование концентрации диоксида углерода в атмосфере печи и эндометрическом генераторе. Closest to the proposed is a method of controlling an environmentally friendly cementation process, including measuring and automatically controlling the concentration of carbon dioxide in the atmosphere of the furnace and the endometric generator.

Недостатками известного способа являются низкая экологичность процесса, то есть загрязнение окружающей среды, и низкое качество процесса цементации. The disadvantages of this method are the low environmental friendliness of the process, that is, environmental pollution, and the low quality of the cementation process.

Цель изобретения существенное улучшение экологической обстановки, повышение качества процесса за счет улучшения равномерности распределения углерода по глубине диффузионного слоя, а также увеличение скорости науглероживания, снижение стоимости процесса цементации за счет снижения расхода эндотермической контролируемой атмосферы и, соответственно, исходного углеводородного газа. The purpose of the invention is a significant improvement in the environmental situation, improving the quality of the process by improving the uniformity of carbon distribution over the depth of the diffusion layer, as well as increasing the carbonization rate, lowering the cost of the cementation process by reducing the consumption of endothermic controlled atmosphere and, accordingly, the source of hydrocarbon gas.

В предлагаемом способе регулирования экологически чистого процесса цементации, включающем измерение и автоматическое регулирование концентрации диоксида углерода в атмосфере печи и эндотермическом генераторе, регулирование проводят при непрерывной рециркуляции эндогаза между эндогенератором и печью, в рабочее пространство которой добавляют углеводород, в возвратный поток рециркулирующего эндогаза добавляют диоксид углерода, а регулирование его количества проводят по сигналу, поступающему от вычислительного устройства регулятора соотношения оксид углерода-водород, и в зависимости от типа исходного углеводорода, конвертируемого в эндогаз и добавляемого в печь, соотношение оксид углерод-водород регулируют в пределах 1:(0,7-1,1), изменяя соотношение объема добавки диоксида углерода к объему добавки углеводорода, как 1:(0,3-1,2). In the proposed method for regulating an environmentally friendly cementation process, including measuring and automatically controlling the concentration of carbon dioxide in the atmosphere of the furnace and the endothermic generator, the regulation is carried out with continuous recirculation of endogas between the endogenerator and the furnace, into which the hydrocarbon is added to the working space, carbon dioxide is added to the return flow of the recirculating endogas , and the regulation of its amount is carried out according to the signal from the computing device is regulated and the ratio of carbon monoxide-hydrogen, and depending on the type of source hydrocarbon, converted to endogas and added to the furnace, the ratio of carbon-hydrogen oxide is regulated within the range of 1: (0.7-1.1), changing the ratio of the volume of carbon dioxide additive to the volume of hydrocarbon additives, as 1: (0.3-1.2).

Исходные данные по содержанию диоксида углерода и водорода поступают из возвратного потока рециркулирующего эндогаза через соответствующие газоанализаторы. The initial data on the content of carbon dioxide and hydrogen come from the return stream of the recycle endogas through the corresponding gas analyzers.

На чертеже представлена схема предлагаемого устройства. The drawing shows a diagram of the proposed device.

Устройство содержит эндогенератор 1, соединенный с печью 2, газоанализаторы 3, 4, выходы которых подключены к вычислительному устройству 5 регулятора соотношения оксид углерода-водород. Выход вычислительного устройства 5 регулятора соединен через исполнительный механизм 6 с регулирующим краном 7. The device comprises an endogenrator 1 connected to the furnace 2, gas analyzers 3, 4, the outputs of which are connected to the computing device 5 of the carbon monoxide-hydrogen ratio regulator. The output of the computing device 5 of the controller is connected through an actuator 6 with a control valve 7.

Способ регулирования экологически чистого процесса цементации реализуют следующим образом. A method of controlling an environmentally friendly cementation process is implemented as follows.

Углеводородный газ C_nH_2n+2 и воздух в соотношении α 0,25-0,3, обеспечивающем состав готовой эндотермической контролируемой атмосферы, например ≈ 20% СО, ≈ 40% Н₂, ≈ 40% азота, 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 пространство печи 2, куда одновременно поступает добавка углеродного газа C_nH_2n+2.Hydrocarbon gas C _n H _{2n + 2} and air in the ratio α 0.25-0.3, which provides the composition of the finished endothermic controlled atmosphere, for example, ≈ 20% СО, ≈ 40% Н ₂ , ≈ 40% nitrogen, enter the retort of endogenrator 1 filled with catalyst and heated to 1030-1050 ^о С. The reaction of hydrocarbon gas conversion by oxidizing agent takes place in the catalyst layer with the formation of the above composition at the endothermic controlled atmosphere. This atmosphere is supplied through an airtight pipeline to the working space of the furnace 2, where the addition of carbon gas C _n H _{2n + 2} simultaneously enters.

В рабочем пространстве печи 2 происходит взаимодействие металлических деталей с цементационной атмосферой, образующейся при взаимодействии эндотермической атмосферы с добавками углеводородного газа. В результате взаимодействия на поверхности металлических деталей выделяется активный углерод, который при температурах цементации диффундирует вглубь металла с образованием диффузионного слоя. In the working space of the furnace 2 there is an interaction of metal parts with a cementation atmosphere formed during the interaction of the endothermic atmosphere with additives of hydrocarbon gas. As a result of the interaction, active carbon is released on the surface of metal parts, which diffuses deep into the metal at cementation temperatures to form a diffusion layer.

Параметры слоя определяются углеродным потенциалом насыщающей атмосферы, содержанием в ней активных составляющих СО и Н₂, их соотношением, продолжительностью и температурой процесса насыщения. При одном и том же углеродном потенциале скорость насыщения будет более высокой при равном количестве СО и Н₂ и более высоком их общем содержании.The layer parameters are determined by the carbon potential of the saturating atmosphere, the content of the active components of CO and H _{2 in it} , their ratio, duration and temperature of the saturation process. With the same carbon potential, the saturation rate will be higher with an equal amount of CO and H ₂ and their higher total content.

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) добавки углеводорода часть воздуха, подаваемого в реторту эндогенератора 1, заменяют диоксидом углерода в количестве, соотносящемся с объемом добавки углеводорода, как 1:(0,3-1,2). The exhaust gas mixture through the water trap and the accumulator again returns to the retort of the endogenerator 1 together with an additional amount of hydrocarbon gas and air. To compensate for the increase in hydrogen content in the furnace 2 due to decomposition (dissociation) of the hydrocarbon additive, part of the air supplied to the retort of the endogenerator 1 is replaced with carbon dioxide in an amount corresponding to the volume of the hydrocarbon additive, as 1: (0.3-1.2).

Благодаря конверсии добавки углеводорода диоксидом углерода атмосфера, покидающая слой катализатора, имеет более высокое содержание окиси углерода. Для регулирования состава атмосферы посредством газоанализаторов 3,4 определяют содержание СО и Н₂ в возвратном потоке рециркулирующего эндогаза. Исходные данные по содержанию этих компонентов поступают в вычислительное устройство 5 регулятора соотношения оксид углерода-водород. По сигналу, поступающему от устройства 5 в зависимости от типа исходного углеводорода, соотношение поддерживают на заданном уровне в пределах 1:(0,7-1,1) посредством регулируемой подачи диоксида углерода с помощью исполнительного механизма 6 и регулирующего крана 7. Таким образом в рабочее простpанство печи 2 поступает контролируемая атмосфера с постоянным соотношением оксид углерода водород и улучшенными насыщающими свойствами. Многократное повторение описанного выше цикла работы позволяет значительно повысить содержание активных компонентов СО и Н₂ при регулируемом соотношении между ними.Due to the conversion of the hydrocarbon additive by carbon dioxide, the atmosphere leaving the catalyst bed has a higher carbon monoxide content. To control the composition of the atmosphere by means of gas analyzers 3,4, the content of CO and H ₂ in the return stream of the recirculating endogas is determined. The initial data on the content of these components enter the computing device 5 of the carbon monoxide-hydrogen ratio regulator. According to the signal from the device 5, depending on the type of the initial hydrocarbon, the ratio is maintained at a predetermined level within 1: (0.7-1.1) by means of a controlled supply of carbon dioxide using the actuator 6 and the control valve 7. Thus, the working space of furnace 2 enters a controlled atmosphere with a constant ratio of carbon monoxide to hydrogen and improved saturating properties. Repeated repetition of the work cycle described above can significantly increase the content of active components of CO and H ₂ with an adjustable ratio between them.

Экологичность процесса определялась согласно следующему соотношению
Э_проц=

м³ на процесс, где V_эн расход эндогаза, м³/ч;
W коэффициент возврата, б/р;
τ_н время нового процесса, ч;
τ_c время старого процесса, ч;
С_со концентрация оксида углерода в эндогазе,
Э_проц сокращение выбросов оксида углерода, м³ на процесс.The environmental friendliness of the process was determined according to the following ratio
E _percent =

m ³ for the process, where V _{en the} consumption of endogas, m ³ / h;
W return coefficient, b / r;
τ _{n the} time of the new process, h;
τ _c time of the old process, h;
With _{co the} concentration of carbon monoxide in the endogas,
E _percent reduction in carbon monoxide emissions, m ³ per process.

Исследования проводились на экспериментальном стенде, который 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. С патрубком подвода исходных продуктов соединен также патрубок подвода диоксида углерода. Печь СШЦМ-6.12/9 оборудована патрубком для подачи добавки углеводородного газа. The studies were carried out on an experimental bench, which contains an EN-16 endothermic unit connected by an airtight pipeline to a shaft furnace SShTsM-6.12 / 9. The pipeline that exhausts the spent atmosphere from the furnace is connected to the pipe for supplying the starting products to the EN-16 installation. A carbon dioxide supply pipe is also connected to the supply pipe of the starting products. The SShTsM-6.12 / 9 furnace is equipped with a nozzle for supplying hydrocarbon gas additives.

Определение состава отработанной атмосферы проводили непрерывно при помощи газоанализаторов: ГИАМ 5 0 1,0 об.СО₂ АГ 0012 0 100 об.Н₂ ГИАМ 14 0 100 об.СО
При помощи хроматографа ГАЗОХРОМ-3101 дополнительно определяли содержание СO₂, Н₂, СН₄, О₂.The composition of the spent atmosphere was determined continuously using gas analyzers: GIAM 5 0 1.0 vol. CO ₂ AG 0012 0 100 vol. N ₂ GIAM 14 0 100 vol. CO
Using a GAZOCHROM-3101 chromatograph, the content of CO ₂ , H ₂ , CH ₄ , and O _{2 was} additionally determined.

Посредством ротаметров серии РМ, протарированных для измерения расхода соответствующего газа, определяли расход поступающей в печь атмосферы, добавки углеводородного газа, а также расходы окислителей воздуха и диоксида углерода, и углеводородного газа, подаваемого в установку ЭН-16. Using rotameters of the PM series, calibrated to measure the flow rate of the corresponding gas, the flow rate of the atmosphere entering the furnace, the addition of hydrocarbon gas, as well as the flow rates of air oxidizers and carbon dioxide, and hydrocarbon gas supplied to the EN-16 unit were determined.

Установка ЭН-16 снабжена серийным оборудованием для регулирования влажности получаемого эндогаза и устройством, обеспечивающим плавное регулирование производительности установки без опасности перегрева газодувки. The EN-16 unit is equipped with serial equipment for regulating the humidity of the endogas produced and a device that provides smooth control of the unit's performance without the risk of overheating of the gas blower.

Регулирование процесса цементации в печи СШЦМ-6.12/9 производили вручную при помощи указанных выше газоанализаторов и устройства для определения углеродного потенциала методом фольги. The regulation of the cementation process in the SShTsM-6.12 / 9 furnace was carried out manually using the above gas analyzers and a device for determining the carbon potential by the foil method.

Предлагаемый способ был проверен в режиме промышленной цементации деталей из стали 20Х при 920^оС. Продолжительность обработки по предложенному способу составила 5,5 ч. Источником углеводородного газа являлись природный газ и бутан из емкости сжиженного газа, оборудованной испарителем.The proposed method was tested in a mode of industrial carburizing of steel parts 20X at 920 ° ^C. The duration of treatment according to the proposed method was 5.5 hours. The source of the hydrocarbon gas is natural gas and butane gas from a container of liquefied gas, equipped evaporator.

Глубину цементационного слоя определяли металлографически на поперечных срезах образцов, а распределение концентрации углерода посредством послойного химического анализа. Равномерность распределения углерода по глубине оценивали по соотношению
α

· 100% где С* содержание углерода в поверхностном слое;
С₁ содержание углерода на глубине, равной 1/3 δ от поверхности;
δ глубина цементованного слоя.The depth of the cementation layer was determined metallographically on transverse sections of the samples, and the distribution of carbon concentration by layer-by-layer chemical analysis. The uniformity of the depth distribution of carbon was evaluated by the ratio
α

· 100% where C * is the carbon content in the surface layer;
C ₁ carbon content at a depth equal to 1/3 δ from the surface;
δ depth of cemented layer.

Образцы для исследования распределения концентрации углерода по глубине выдерживались в устройстве для их охлаждения под потоком цементующей атмосферы. Hаличие сажи в печи после цементации определяли визуально. Регулиро- вание количества диоксида углерода осуществляли посредством регулирующего клапана и исполнительного механизма, управляемого микропроцессором ПРОТАР. Samples for studying the distribution of carbon concentration over depth were kept in a device for cooling them under a stream of cementing atmosphere. The presence of soot in the furnace after cementation was determined visually. The amount of carbon dioxide was controlled by means of a control valve and an actuator controlled by a PROTAR microprocessor.

Предложенное изобретение улучшает экологичность процесса за счет сокращения выбросов промышленных отходов в атмосферу. Сокращение выбросов составляет 90м³ СО в год на 1м³ оксида углерода в год. При производительности эндогенератора 125м³/ч это составит 120000м³ оксида углерода в год. Кроме того в 1,5 раза увеличена скорость науглероживания, в 1,3-1,5 раза увеличена равномерность распределения углерода по глубине диффузионного слоя, то есть повышается качество процесса цементации и существенно снижается стоимость процесса за счет снижения расхода эндотермической контролируемой атмосферы и, соответственно, исходного углеводородного газа на 70-90%
Впервые в отечественной и зарубежной практике достигнута возможность при полностью регулируемом процессе многократно использовать цементационную контролируемую атмосферу с одновременным улучшением качества процесса цементации.The proposed invention improves the environmental friendliness of the process by reducing emissions of industrial waste into the atmosphere. Emission reduction is 90 m ³ CO per year per 1 m ³ carbon monoxide per year. With an endogenerator capacity of 125 m ³ / h this will be 120,000 m ³ of carbon monoxide per year. In addition, the carbonization rate was increased 1.5 times, the uniformity of carbon distribution over the depth of the diffusion layer was increased 1.3-1.5 times, that is, the quality of the cementation process is increased and the cost of the process is significantly reduced by reducing the consumption of the endothermic controlled atmosphere and, accordingly , the source of hydrocarbon gas by 70-90%
For the first time in domestic and foreign practice, it has been possible to use a controlled cementation atmosphere repeatedly with a fully controlled process while improving the quality of the cementation process.

Claims (1)

СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОГО ПРОЦЕССА ЦЕМЕНТАЦИИ, включающий измерение и автоматическое регулирование концентрации диоксида углерода в атмосфере печи и эндотермическом генераторе, отличающийся тем, что регулирование проводят при непрерывной рециркуляции эндогаза между эндогенератором и печью, в рабочее пространство которой добавляют углеводород, а в возвратный поток рециркулирующего эндогаза диоксид углерода, и регулирование его количества проводят 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 оксида углерода и водорода регулируют в пределах 1 0,7 1,1, изменяя соотношение объема добавки диоксида углерода и объема добавки углеводорода 1 0,3 1,2. METHOD FOR REGULATING THE ECOLOGICALLY PURE CEMENTATION PROCESS, including measuring and automatically controlling the concentration of carbon dioxide in the atmosphere of the furnace and the endothermic generator, characterized in that the regulation is carried out with continuous recirculation of the endogas between the endogenerator and the furnace, into which the hydrocarbon is added to the working space and the recycle stream carbon dioxide, and the regulation of its amount is carried out according to the signal from the computing device of the regulator with the ratio of carbon monoxide is hydrogen, and depending on the type of the initial hydrocarbon, converted to endogas and added to the furnace, the ratio of carbon monoxide and hydrogen is regulated within the range of 1 0.7 1.1, changing the ratio of the volume of carbon dioxide additive and the volume of hydrocarbon additive 1 0, 3 1.2.

Images