1.天然氣使用技術(shù)要求：

　　一般情況下天然氣指標(biāo)硫(包括有機(jī)硫和無機(jī)硫)含量≤10mg/m³,甲烷含量≥95%，水含量：無游離水。這是天然氣公司將天然氣送至用戶前已進(jìn)行過一次凈化處理的結(jié)果，但在熱處理爐中使用仍不能達(dá)到設(shè)備要求，因此在使用前再進(jìn)行一次凈化處理，處理過后的天然氣可達(dá)到如下指標(biāo)：硫含量≤4mg/m³，甲烷含量≥97%，水含量：無游離水，滿足設(shè)備使用要求。

　　2.天然氣滲碳介質(zhì)的原理

　　天然氣的完全裂解需在1000℃以上，而一般的工件熱處理滲碳溫度均在900℃左右，如果直接將天然氣通入爐內(nèi)進(jìn)行分解，大量的天然氣作為滲碳介質(zhì)通入爐內(nèi)，在較低的溫度下不能充分裂解，易在爐內(nèi)產(chǎn)生炭黑。所以，我們采用在爐外進(jìn)行高溫裂解的方式，即使用氣體發(fā)生爐，空氣和天然氣以一定比例混合后，在1035℃左右在氣體發(fā)生爐內(nèi)進(jìn)行裂解，生成RX氣(H₂、CO、N₂的混合氣)，用天然氣制備吸熱式氣氛的公式為：CH4+2.38空氣——>CO+2H2+1.88N2 ，Ni為催化劑，反應(yīng)溫度≥1000℃ 。

　　由于，RX氣含碳量較低，而天然氣分解后含碳量較高。所以大量的RX氣作為載體氣形成滲碳?xì)夥?，少量的天然氣作為富化氣起到調(diào)節(jié)碳勢的作用，使?fàn)t內(nèi)氣氛碳勢滿足工藝要求。由于作為富化氣的天然氣是調(diào)節(jié)碳勢用氣，正常工作時需供給量較小，所以爐內(nèi)不易積碳。

　　3.滲碳工藝及滲碳質(zhì)量的比較

　　連續(xù)爐滲碳工藝近幾年來隨著技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，連續(xù)爐滲碳設(shè)備對淬火區(qū)域劃分的越來越細(xì)，下面是不同時期連續(xù)爐工藝方案，最早為3^#線，最近為1^#線：

1#線：工件清洗→升溫區(qū)→ 強(qiáng)滲區(qū)→ 擴(kuò)散區(qū)→降溫區(qū)→ 保溫區(qū) →淬火→ 清洗 →回火

2#線：工件清洗 →預(yù)熱區(qū) →加熱區(qū)→強(qiáng)滲區(qū)→ 硬化區(qū) →淬火區(qū) →清洗 →回火

3#線：工件清洗 →預(yù)熱區(qū) →滲碳、淬火區(qū)→ 淬火區(qū)→ 淬火 →清洗→ 回火

　　下面以1#線為例進(jìn)行工藝分析，該爐工藝參數(shù)見表1，產(chǎn)品處理質(zhì)量通過九點(diǎn)試驗(yàn)均滿足要求，見表2。通過與其他滲碳爐對比四項(xiàng)產(chǎn)品參數(shù)差距不大，但對產(chǎn)品的變形量，不同的設(shè)備存在不同的變形量，1#線優(yōu)于其他滲碳爐。這是在使用過程中，由于1#連續(xù)爐分為5個區(qū)，升溫區(qū)、強(qiáng)滲區(qū)、擴(kuò)散區(qū)溫度分別為880℃、880℃、860℃，對于各區(qū)作為調(diào)節(jié)碳勢的天然氣，因進(jìn)氣量較小，分解相對比較充分，降溫區(qū)不通天然氣，保溫區(qū)溫度只有820℃，而天然氣在850℃以下分解效果相對較差，導(dǎo)致降溫區(qū)碳勢上升較慢，不能達(dá)到工藝要求的碳勢，這也反映了在較低溫度下天然氣分解不充分的現(xiàn)象。如果保溫區(qū)碳勢不能滿足工藝要求，工件滲碳淬火后的表面質(zhì)量就要受到影響。

　　表1 連續(xù)爐滲碳工藝參數(shù)

　　表2 九點(diǎn)滲層均勻性檢測

　　表3 不同爐型不同介質(zhì)滲碳質(zhì)量比較

　　在此狀況下，要滿足工藝碳勢的要求，可以有三種方式：

　?、艑⒈貐^(qū)溫度提高至850℃，提高天然氣的分解率;

　?、圃黾颖貐^(qū)天然氣的流量;

　?、鞘?fàn)t內(nèi)氣氛形成由高碳勢區(qū)向低碳勢區(qū)流向。

　　顯然，第一種方式可以解決碳勢問題，但是對于精度要求較高的產(chǎn)品，這就要求熱處理變形量最小，且穩(wěn)定性最好，而提高保溫區(qū)溫度后，工件的淬火變形量將會增加。所以，第一種方式不可行;第二種方式也可以解決碳勢問題，但是將導(dǎo)致天然氣的分解率更低，進(jìn)而導(dǎo)致爐內(nèi)大量的積碳，所以這一方式也不可行。第三種方法是在爐內(nèi)使氣氛形成由高碳勢區(qū)向低碳勢區(qū)流向。由于強(qiáng)滲區(qū)、擴(kuò)散區(qū)碳勢高于保溫區(qū)碳勢，擴(kuò)散區(qū)門和降溫區(qū)門都沒有徹底將爐內(nèi)封死，爐門底部與爐膛底部有約10Cm的縫隙，如果提高強(qiáng)滲區(qū)和擴(kuò)散區(qū)RX氣的進(jìn)氣量，同時通過調(diào)整前后廢氣排放口的排氣量，可以使?fàn)t內(nèi)形成氣氛由強(qiáng)滲區(qū)流向擴(kuò)散區(qū)再流向降溫區(qū)、保溫區(qū)得的流向，由于強(qiáng)滲區(qū)、擴(kuò)散區(qū)碳勢均高于保溫區(qū)碳勢，所以當(dāng)高碳是氣氛流向保溫區(qū)時，降溫區(qū)就只需進(jìn)很少量的天然氣即可滿足碳勢的工藝要求，且由于天然氣的通入量非常少，所以不會造成保溫區(qū)積碳。所以第三種方式可以有效地解決碳勢不能滿足工藝要求的問題。

　　4.天然氣滲碳介質(zhì)與甲醇+丙酮滲碳介質(zhì)的比較

　　4.1.經(jīng)濟(jì)性能比較

　　下面就1^#連續(xù)爐同2^#連續(xù)爐經(jīng)濟(jì)性能進(jìn)行比較，因?yàn)?^#連續(xù)爐產(chǎn)能大于1^#連續(xù)爐，為了更加準(zhǔn)確的比較天然氣作為滲碳介質(zhì)和甲醇、丙酮作為滲碳介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)型，現(xiàn)將單位成本細(xì)分到加工每公斤產(chǎn)品的成本，設(shè)備產(chǎn)能以理論產(chǎn)能計(jì)算，見表4和表5。

　　表4 2^#連續(xù)爐滲碳介質(zhì)成本

　　表5 1#連續(xù)爐滲碳介質(zhì)成本

　　顯然，使用天然氣作為滲碳介質(zhì)的成本僅為甲醇+丙酮作為滲碳介質(zhì)使用成本的1/3左右。

　　1^#連續(xù)爐單條生產(chǎn)線年可節(jié)約成本(每年按照300天計(jì)算)：

　　(0.14-0.05)*100*60*300=162000元。

　　4.2.安全性能的比較

　　甲醇+丙酮作為滲碳介質(zhì)，就必須有介質(zhì)儲存罐及介質(zhì)房，按照安全標(biāo)準(zhǔn)，介質(zhì)罐最多可儲存400L甲醇、丙酮，介質(zhì)房現(xiàn)場常規(guī)會儲存兩桶甲醇、兩桶丙酮和10罐液化氣，共計(jì)650L介質(zhì)，見表6。且每天需要用介質(zhì)泵將介質(zhì)由介質(zhì)桶抽到高空中的介質(zhì)罐里，介質(zhì)儲存量較大，危險(xiǎn)系數(shù)較高，每天需要補(bǔ)充介質(zhì)，不方便。爐門點(diǎn)火和廢氣排放口點(diǎn)火還需要用液化氣，這就需要建一個液化氣房，存放一定數(shù)量的液化氣，液化氣易燃、易爆且為有毒氣體，危險(xiǎn)系數(shù)較高。

　　用天然氣作為滲碳介質(zhì)，不需要介質(zhì)房，氣源接口是通過管道接入，接口處有用于安全控制的電磁閥，電磁閥后端接入設(shè)備用氣，前段埋在地下，如果氣體發(fā)生泄漏，氣體泄漏檢測器立即發(fā)送信號給電磁閥，可以馬上切斷氣源，所以天然氣相當(dāng)于零庫存，安全系數(shù)較高。且使用天然氣作為滲碳介質(zhì)，也可用于爐門點(diǎn)火。

　　表6 天然氣與甲醇+丙酮安全性比較

　　5.結(jié)論

　　綜上所述，使用天然氣作為滲碳介質(zhì)，有效地降低了熱處理滲碳淬火成本，由于天然氣采用管道輸送，大大減少輸送介質(zhì)和更換天然氣的工作量，也不需要介質(zhì)房和介質(zhì)儲存罐，更不需要建立液化氣房，故安全系數(shù)大大提高。使用甲醇+丙酮，不但每天往介質(zhì)儲存罐輸送介質(zhì)，而且遇到明火極易產(chǎn)生爆炸危險(xiǎn)。通過以上分析說明，天然氣作為滲碳介質(zhì)無論在經(jīng)濟(jì)性上、產(chǎn)品質(zhì)量保證上還是在安全性上，大大優(yōu)于傳統(tǒng)滲碳介質(zhì)甲醇+丙酮。