El proceso de carburación es un proceso especial en la producción de cojinetes de acero carburizado.
La duración de su ciclo de transformación y el consumo de gas de alimentación influyen en el coste de producción del rodamiento.
Durante mucho tiempo, las piezas de acero carburizado para cojinetes de nuestra empresa se han carburizado con gas propano como gas rico, que tiene un elevado coste de producción.
El uso de gas natural en la industria del tratamiento térmico en atmósfera controlable para sustituir al gas propano original o a la mezcla de propano y decabutano para la carburación no sólo puede ahorrar a las empresas el coste del consumo de gas bruto, sino también aliviar el cada vez más grave problema energético actual.
La investigación sobre el uso de gas natural como agente carburante para el tratamiento de carburación en China comenzó en la década de 1980.
Tras más de 30 años de desarrollo, el control de la atmósfera y la tecnología de procesos pertinentes han alcanzado una madurez básica.
Pero en la actualidad, el campo de aplicación común es principalmente el tratamiento de carburación de productos de engranajes.
Aunque algunas empresas han empezado a utilizar gas natural como agente de cementación para productos de cojinetes, esta tecnología no se ha popularizado en la industria.
Nuestra estación de propano se construyó en los años ochenta.
Hay dos de 43 m3 tanques de almacenamiento de propano y un3 depósito de líquido residual, una sala de compresores, dos dispositivos de gasificación, dos juegos de dispositivos de alivio de presión, unos 2000 m (DN125) de tuberías enterradas exteriores y ocho cámaras de alivio de presión de propano.
El consumo total de gas es de 11,5~24,5t/mes.
En los últimos años, la red de tuberías suele tener fugas debido a la corrosión durante su funcionamiento, lo que supone un riesgo potencial para la seguridad de la empresa.
Al mismo tiempo, con el desarrollo y la demanda de producción de la empresa y el desarrollo comercial de los terrenos circundantes, es urgente resolver el problema de sustitución del gas de tratamiento térmico.
El principio del proceso de tratamiento térmico de cementación con gas natural es similar al del gas propano.
La principal ecuación de reacción para preparar atmósferas endotérmicas con gas natural es:
CH4＋2.38air→CO+2H2+1.88N2 （1）
En la fórmula, NiO2 es el catalizador, CH4 es el gas enriquecido, y la temperatura de reacción es ≥ 1000 ℃.
De la fórmula anterior se desprende que la relación entre el gas natural carburado y el aire es de 1:2,38, mientras que la situación real suele ser de 1:2,5, o incluso superior, porque el gas natural contiene no sólo metano, sino también propano y otros compuestos con mayor contenido en carbono e impurezas nocivas.
La referencia de la preparación de la atmósfera RX se muestra en la Tabla 1.
Además, el mecanismo de carburación del gas natural es el CH4 → Cad+H2 Cad carbón activado.
La principal ecuación de reacción para preparar una atmósfera endotérmica con gas propano es:
C3H8＋7.14air→3CO+4H2+5.64N2 （2）
En la fórmula, NiO2 es el catalizador, C3H8 es el gas enriquecido, y la temperatura de reacción es ≥ 1000 ℃.
Para conseguir un potencial de carbono más elevado en el horno de cementación, se añade al horno gas de alimentación (alcanos gaseosos como el propano o el metano) como gas enriquecido.
Cuando se añade propano a la atmósfera endotérmica controlada para el enriquecimiento, el propano reaccionará inmediatamente a la temperatura de trabajo del horno de tratamiento térmico (800~950 ℃):
C3H8→2[C]+CH4+2H2 （3）
CO2, H2O, CO y H2 en atmósfera endotérmica reaccionan con el gas del agua:
CO+ H2O=CO2+H2 （4）
Durante la cementación, el CO y el H2 y las emisiones de CO2 y H2O.
CO+H2=[C]+H2O （5）
2CO=[C]+CO2 （6）
Adición de gas rico (CH4) consumirán a su vez CO2 y H2O, suplemento de CO y H2y promover la reacción de carburación.
La fórmula de reacción es:
CH4+CO2=2CO+H2 （7）
CH4+H2O=CO+3H2 （8）
Añadir gas rico (C3H8), el propano formará finalmente metano a alta temperatura, y luego participará en la reacción de carburación.
La fórmula de reacción es:
C3H8=2[C]+2H2+CH4 （9）
C3H8=[C]+2CH4 （10）
En la Tabla 2 se puede observar que, en comparación con el gas propano, el gas natural y el gas propano tienen el mismo principio de reacción, y la composición de la atmósfera producida no difiere mucho, salvo que la proporción de aire introducido es diferente.
Por tanto, tras el cambio a gas natural, la carga de trabajo de transformación de equipos y ajuste de procesos es menor, lo que favorece la mejora de la calidad del producto y la reducción del ciclo de producción.
Los resultados muestran que cuando se utiliza gas natural como gas de alimentación, la eficiencia térmica mejora significativamente, de 45%~68% a 54%~89%.
Por lo tanto, se decide utilizar gas natural para sustituir al gas propano licuado como atmósfera endotérmica en la producción del tratamiento térmico.
La tabla 2 muestra el consumo de la fuente de gas necesario para diferentes producciones de gas.
Tabla 1 Datos de referencia de la preparación de la atmósfera RX
| Producción de gas/m3. h-1 | 25 | 32 | 37 | 42 | 56 | 61 | 66 |
| Gas natural/m3. h-1 | 5.0 | 6.5 | 7.5 | 8.5 | 11.5 | 12.5 | 13.5 |
| Aire/m3. h-1 | 12 | 16 | 18 | 2.1 | 28 | 30 | 33 |
Observaciones:
Tabla 2 Composición del gas endotérmico preparado a partir de diferentes gases de alimentación (fracción volumétrica) (%)
| Tipo de atmósfera | CO2 | CO | H2 | CH4 | H2O | N2 |
| gas natural | 0.3 | 20.7 | 38.7 | 0.4 | 0.6 | 39.8 |
| propano | 0.3 | 23 | 32 | 0.4 | 0.6 | 39.8 |
El gas natural se utiliza para el tratamiento térmico de carburación.
El ciclo de alimentación del horno continuo de cementación gaseosa es de 46min, y el material es G20CrNi2MoA.
El proceso se muestra en la Tabla 3. Los resultados de la inspección de muestras físicas de piezas carburizadas (muestras cortadas de virolas) se muestran en la Tabla 4.
De la tabla 4 se desprende que todos los indicadores del gas natural tras la carburación cumplen los requisitos técnicos.
Tabla 3 Parámetros del proceso de carburación
| Zonas de carburación | Zona de calefacción | Zona de permeabilidad fuerte 1 | Zona de permeabilidad fuerte 1 | Zona de difusión | Zona de enfriamiento rápido |
| Temperatura/℃ | 920 | 930 | 930 | 925 | 880 |
| Potencial de carbono (%) | – | 1.3 | 1.3 | 1.2 | 0.90 |
Cuadro 4 Datos de inspección de las muestras físicas
| Número de serie | Profundidad de la capa endurecida/mm | Contenido de carbono en la superficie (%) | Carburo grueso en superficie/grado | Red de superficie carburo/grado | Profundidad de descarburización capa/mm |
| 1 | 2.4 | 0.85 | 1 | 1 | 0 |
| 2 | 2.4 | 0.85 | 1 | 1 | 0 |
| 3 | 2.3 | 0.8 | 1 | 1 | 0 |
| 4 | 2.4 | 0.85 | 1 | 1 | 0 |
| 5 | 2.5 | 0.85 | 1 | 1 | 0 |
| 6 | 2.4 | 0.85 | 1 | 1 | 0 |
| 7 | 2.4 | 0.85 | 1 | 1 | 0 |
| 8 | 2.5 | 0.85 | 1 | 1 | 0 |
| 9 | 2.3 | 0.8 | 1 | 1 | 0 |
| Requisitos técnicos | 2.3~2.9 | 0.80~1.05 | 1~2 | 1~3 | ≤0.06 |
El precio del gas propano es de unos 4.000 yuanes/t (suministrado por ENN Gas), y la velocidad de gasificación es de unos 550 Nm.3/t, equivalente a 7,27/Nm3.
Se espera que el precio del gas natural sea de 2,88 yuanes/Nm3y el precio convertido en propano según la relación de sustitución es de 6,05 yuanes/Nm3.
El consumo anual de propano de nuestra empresa es de 220 t, y el coste es de 220 × 550 × 7,27=879670 yuanes.
Si el gas propano se sustituye por gas natural, el consumo anual de gas natural será de 220 × 550 × 2,1=254100Nm3, coste 254100 × 2,88=731808 yuanes, y el coste anual de gas ahorrado es 879670-731808 ≈ 148000 yuanes.
Y con la constante tensión de los recursos petrolíferos, el precio tiene una tendencia al alza continua.
Por lo tanto, desde la perspectiva de la composición del consumo de gas de alimentación, el uso de gas natural como fuente de gas para la preparación de gas de cementación controlable puede reducir en gran medida el coste del consumo de gas de alimentación.
La combustión de gas propano emite 3,1 kg de dióxido de carbono por kilogramo, y la combustión de gas natural emite 2,3 kg de dióxido de carbono por kilogramo.
El uso de gas natural para el tratamiento térmico de carburación reduce las emisiones de dióxido de carbono en aproximadamente 25% en comparación con el gas propano.
Además, en caso de fuga, el gas natural no se amontonará en el suelo al flotar hacia el cielo, lo que no es probable que cause riesgos potenciales para la seguridad.
El límite de explosión del gas natural es superior al del gas propano.
El gas natural se utiliza para sustituir al gas propano original en la industria del tratamiento térmico en atmósfera controlable para la carburación.
Sus trabajos de transformación de equipos y puesta en marcha de procesos son reducidos, lo que no sólo ahorra el coste del consumo de gas bruto de la empresa, sino que también alivia el cada vez más grave problema energético actual.
Al mismo tiempo, puede reducir los costes humanos y materiales para la protección de la seguridad, ahorrar el terreno previsto y mejorar la construcción de la civilización de la empresa en las zonas circundantes.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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