CN1098121C - 制备用于金属热处理的保护气体和反应气体的方法 - Google Patents
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Abstract
制备用于金属热处理的保护气体或反应气体的方法，包括把氧沾污的氮气和碳氢化合物作为气流供入吸热的催化反应器，探测出氮中的含氧量，并作为实际值提供给控制装置。为了以降低的制造成本制得要求的保护气体或反应气体的成分，至少氮或氧作为测到的实际值的函数计量进入气流中。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备用于金属热处理的保护气体或反应气体的方法，包括把氧沾污的氮气和碳氢化合物作为气流供入吸热的催化反应器，探测出氮中的含氧量，该含氧量作为实际值提供给控制装置，和作为探测的实际值的函数把至少氮或氧气计量供入气流中。
背景技术
金工车间的热处理在已知的热处理炉中在保护气体或反应气体的气氛下进行。气氛主要包括带变化量的氢气和一氧化碳的惰气成分氮。氢气用来把已渗入炉子空间的杂质(如氧)与氢结合，而在保护气体气氛中的碳的水平用CO调节，用来例如在含碳钢的情形下避免表面脱碳。按照现有技术，在低温空气分离设备中得到很纯形式的低氧含量的惰气成分氮，并液化。使用者把氮储存在真空绝缘桶中。反应气体成分H2和CO类似地储存在压力容器中或通过分解甲醇，或通过碳氢化合物和空气的吸热转变就地制造。通过与低温氮混合，制备出要求成分的具有低的露点及低的CO2浓度的很纯的保护气体气氛。除了低温分离外，现在也可以通过吸收或渗透方法得到氮。在就地制造单元中得到的氮由压力回转吸收(PSA)或薄膜方法制造。
把这种就地制氮单元制造的氮用于例如非氧化退火和中性渗碳退火很受限制，因为这些方法造成的残余含氧量约为0.1-5％(体积)。这样高的氧含量影响金属的氧化或氧化皮和例如含碳钢的脱碳。在非氧化退火中，要求保护气体中氧含量低于10vpm。
因此非低温制出的氮必须进一步纯化。在已知的进一步纯化的方法中，与碳氢化合物一起把含氧氮供入到吸热的催化反应器中，其中氮中含有的氧随着生成CO和H2而移去。这样得到了保护气体或反应气体，主要含N2，H2和CO，其成分取决于非低温制的氮的氧含量。在“MetalScience and Heat Treatment”20卷5/6期，1978年5月，第377-381页中，更详细地说明了在填镍的反应器中转换后保护气体或反应气体中氮中氧含量及CO和H2含量之间的关系。在这一情形下，氧含量为1-21％的氮/空气混合物供入反应器中。为了使有变化成分的氮/空气混合物保持稳定，在氮/空气混合物进入反应器前测量氮/空气混合物的氧含量，并通过计量进入混合物中的空气设定氮气中的氧含量。在这一情形下，供入热处理炉的气体体积增加。
另外，DE 4212 307 C2公开了借助于压力回转吸收(PSA)或薄膜方法制造用于金属热处理的保护气体或反应气体的方法，其中通过增加压力回转吸收或薄膜单元的生产率或通过把空气混合到非低温氮中设定氮中更高的氧含量。通过混合空气和/或增加压力回转吸收或薄膜单元的生产率，可以作为压力回转吸收或薄膜单元的输出率的函数在宽的范围内调节氮中的氧含量。在该情形下，要求一种方法，借助于这种方法，可调节保护气或反应气体的整个带宽，并保持与加压回转吸收或薄膜单元的率无关的稳定值，因此可经济地制备保护气体或反应气体。
发明内容
因此本发明的目的是提供制备用于金属热处理的保护气体或反应气体的方法，其可以低的制造成本制出用于金属热处理的任何所需成分的保护气体或反应气体。
为实现本发明的上述目的，本发明提供一种制备用于金属热处理的保护气体或反应气体的方法，包括把氧沾污的氮气和碳氢化合物作为气流供入吸热的催化反应器，探测出氮中的含氧量，该含氧量作为实际值提供给控制装置，和作为探测的实际值的函数把至少氮或氧气计量供入气流中，其特征在于所述的氧沾污的氮气是由压力回转吸收或薄膜方法制备出，和作为探测的实际值的函数把空气和/或氮气和/或氧气计量供入气流中。
本发明还提供了一种实施上述方法的装置，包括：一个制备氧沾污的氮的就地制氮装置，和一个碳氢化合物源，它们通过管道与反应器连接；一个氧气测定仪，与管道连接，用来测出在氮中氧含量的实际值；一个控制装置，可供入氧气测定仪探测的实际值及接收一个设定值的输入单元，通过供应管道与管道相连的用来低温制氮的氮气源和/或低温制氧的氧气源，和位于供应管道中的至少一个阀，它可作为实际值/设定值的函数致动。
最好，调节气流的流速限制器位于就地制氮装置和反应器之间的管道中。
最好，流速限制器设计成一个阀，其可以由控制装置致动。
最好，在流速限制器和氧气测定装置之间一个空气或氧气供应源连到管道。
最好，就地制氮装置具有一个压缩空气源，其可被控制装置致动，并且压缩空气流量是可变的。
本发明有利地可在用加压回转吸收或薄膜方法在就地制氮单元中制出的含氧氮的基础上附加供入碳氢化合物而在一个反应器中产生为金属热处理需要的所有的保护气体和/或反应气体。这种方法制出的保护气体或反应气体与就地制氮单元的输出率无关，因为氮中的氧含量可按要求通过加入低温制的氮而增减，和用加压回转吸收或薄膜方法的制氮单元操作的最经济的模式无关。借助于本发明的方法，就地制氮单元总能以最低的能量成本在其经济的工作最佳条件范围内进行工作，可以用计量加入低温制氮和/或低温制氧或空气来覆盖要求的峰。另外，本发明允许实际调节氮中的氧含量，因为根据具体的要求，可在反应器的上游计量供入氮和/或氧和/或空气。就地制氮单元的输出波动可在操作中用本发明的方法补偿，并可把保护气体或反应气体调节到要求的CO和H2含量。
附图说明
下面通过附图更详细地说明本发明的实施例，附图中：
图1示出本发明的工艺过程图；和
图2示出借助加压回转吸收装置由非低温学制备的氮中氧含量及输出率之间的关系。
具体实施方式
图2示出氮中的含氧量，以就地制氮装置13产生的氧沾污的氮气的输出率的函数表示。在横座标11上示出以Nm3/h表示的输出率，在纵座标12上示出制氮装置产生的氮气中的含氧量，以体积百分比表示。从图中可看出，在输出率为40Nm3/h下含氧量从0.1％(体积)升高到在输出率为180Nm3/h下的4.8％(体积)。
图1表示本发明的设备，它包括一个就地制氮装置13，其包括压缩空气源14，压缩空气处理器15及由膜技术操作的薄膜微型组件16，设备还包括低温制氮的氮气源17和一个吸热催化反应器18。就地制氮装置13通过管道19与反应器18连接。一个流速限制器21(最好是一个可致动的阀)，一个氧气测定仪22和一个计量装置23位于薄膜组件16的出口下游的管道19中。一个碳氢化合物源24，例如一个天然气源通过计量装置23与管道19连接。氮源17通过供应管道25与管道19连接。供应管道25有从其分出分别延伸的分管道26，27，它们在流速限制器21和计量装置23之间与管道19连接。
一个可致动阀28(例如一个电动控制阀)设在分管道26中，而稳压阀29位于分管道27中。沿压缩空气流30的方向，在压缩空气处理器15的下游，分叉出一旁路管道31，它可选择地与阀28下游的供应管道25的分管道26或流速限制器21下游的管道19连接。
按照另一个实施例(未示出)，旁路管道31也可以在进口32与分开的压缩空气源(例如压缩空气管道网)或氧气源(例如装有低温制出的氧的供氧桶)连接。一个可致动阀33(例如一个电动控制阀)位于旁路管道31中。
阀28，33，氧气测定仪22，流速限制器21和有选择地计量装置23通过控制管道35，36，37，38和39与一个控制装置34连接。控制装置34设计成例如一个有记忆程序的控制系统。控制装置34具有一个只是示意地示出的输入单元40。
图1所示的设备按如下方式工作：
压缩空气源(例如一个压缩机)提供的压缩空气流过压缩空气处理器15之后通过一个或更多的用空心纤维塞满的薄膜组件，该处理器15例如包括一个初级过滤器、冷冻干燥器、亚微过滤器、活性碳过滤器及加热器。单种气体成分通过空心纤维壁(薄膜)的不同的扩散速度影响压缩空气的分离过程。如此产生的氮气流以95-99％的纯度离开薄膜组件16。按照一个实施例，被相应的氧含量为1-5％(体积)的沾污的氮气借助流速限制器21调节到理想的流速，在该流速下，氮气中的的氧含量达到要求值。为调节流速，通过控制装置34的输入单元40预定一个流速设定值。作为该设定值的函数，控制装置34通过控制管道35致动流速限制器21，并增减流道的横截面。这里把氧气沾污的氮的比例调节到金属热处理要求的保护气体或反应气体的理想流速仅仅是一个实例。但是并不局限于这个实例并可以以这个实例的改型进行，例如通过就地制氮装置13的输出调节，或通过在那里设置的孔板的旁路管路，或由按照要求的流速用控制装置开闭的手动计量阀和上游开/闭阀。
在流速限制器21的下游，氧沾污的氮气流到计量装置25，通过该装置从碳氢化合物源24计量供入碳氢化合物。为此，在计量装置23上游的管道19中，氧气测定装置22探测出氧含量，并作为实际值供到控制装置34。作为实际值的函数，碳氢化合物，例如天然气计量进入氧沾污的氮。
按照本发明将由氧气测定装置22探测出的氮气中氧含量的实际值与通过输入单元40输入控制装置34的设定值比较，并在实际值与设定值偏离或与和设定值相配的精确范围偏离的情形下重新调节。在氮气流中氧含量的调节通过把氮和、或空气和/或氧气加到就地制氮装置13中产生的含氧氮气中，或作为沾污的氮的替换物而进行。
当输出率降低，残余氧含量相应减小(图2)。与设定值的偏离由氧气测定装置22探测出，并供到控制装置34，其相应打开旁路管路31中的电动控制阀33，直到流进的压缩空气把氮气流中的残余的氧含量提高到预定值。由于在就地制氮装置13中的压降大于旁路管道31中的压降，可计量供入管道19中的空气。按照一个实施例(没有详细示出)，旁路管道31在进口32处与氧气源连接。在该情形下，低温产生的氧通过电动控制阀33计量供入直到达到设定值。
当输出率增加，氧含量相应上升，如图2所示。与设定值的偏差由氧气测定装置22探测出，实际的氧含量送到控制装置34，它相应地打开供应管道25的分管道26中的电动控制阀28，直到流入的低温氮气把氮气流中的氧含量降到设定值。高于和超出就地制氮装置13产生的产出率的输出率导致管道19中的压降。在管道19中的压降影响了供应管道25中的分管道27中的稳压阀29的开度。低温的氮气从氮气源17流经供应管道25到达管道19，直到达到稳压阀29上预设的设定压力。氧量通过氧气测定装置22探测出，压缩空气或氧气按照上述计量。在薄膜组件16失效或干扰和/或维修的情形下，阀21关闭，所有保护气体或反应气体与经过氮气源17的低温氮气一起供应，和与经过旁路管道31与压缩空气或氧气一起供应。
使用按照本发明的设备，通过按要求计量供入空气和/或氧气和/或氮气，而以不同的输出率和/或不同的保护气体或反应气体可调节或重新调节稳定的氧含量。这样可在吸热催化反应器18中产生具有要求的CO及H2量的保护气体或反应气体。实例
一个制管机用三个连续的辊底式炉进行中间退火及最终退火。所用的反应气体包括：
H2＝6％(体积)；
CO＝3％(体积)；
余为N2。
由于订单情况和维修或中断，不同的炉子使用时产生：
在退火设备中的技术数据
| 炉号 | 使用(小时/年) | 气体要求(m3/h的N2) |
| 1 | 8000 | 70 |
| 2 | 8000 | 70 |
| 3 | 2000 | 40 |
为了得到要求的反应气体成分，要求在氮气中氧含量为约2.3％(体积)。基础是简化的吸热催化反应：
对供应保护气体的工业实施有3种可能的途径：
1.设计残余氧量为2.3％(体积)的标准输出180m3/h的就地制氮装置。炉子装置了关闭时，要求减小到140m3/h。要求的2.3％(体积)的残余含氧量通过控制供入空气而得到。
能量要求＝80Kw。
2.设计标准输出140m3/h的就地制氮装置。炉子装置3工作时，通过把低温氮及压缩空气混合起来满足附加的要求。
附加的要求：低温氮气＝35.4m3/h
压缩空气＝4.6m3/h
就地制氮装置的能量要求＝55KW
3.对标准输出为140m3/h的就地制氮装置的设计。炉子装置3工作时，通过增加就地制氮装置的输出率和混合低温氮满足附加的要求。
就地制氮装置的输出率＝150m3/h(在2.76％O2)
低温氮气＝30m3/h
就地制氮装置的能量要求＝55KW。
通过相对能量要求的差限定个别的工业技术方案。
低温制出的氮气的能量要求为约2KWh/m3(制造、运输、储存等)。
| 方案 | 1 | 2 | 3 |
| 就地制氮单元 | 80KW×8000h＝640,000KWh | 55KW×8000h＝440,000KWh | 55KW×8000h＝440,000KWh |
| 低温氮 | 35.4m3/h×2KWh/m32000h＝141,600KWh | 30.0m3/h×2KWh/m32000h＝120,000KWh | |
| 每年总能量 | 640,000KWh | 581,600KWh | 560,000KWh |
| 百分比 | 100％ | 90.9％ | 87.5％ |
比较可见，方案3的特点是最低的能量要求。
Claims (6)
1.一种制备用于金属热处理的保护气体或反应气体的方法，包括把氧沾污的氮气和碳氢化合物作为气流供入吸热的催化反应器，探测出氮中的含氧量，该含氧量作为实际值提供给控制装置，和作为探测的实际值的函数把至少氮或氧气计量供入气流中，
其特征在于所述的氧沾污的氮气是由压力回转吸收或薄膜方法制备出，和
作为探测的实际值的函数把空气和/或氮气和/或氧气计量供入气流中。
2.实施权利要求1的方法的设备，包括：
一个制备氧沾污的氮的就地制氮装置(13)，和一个碳氢化合物源(24)，它们通过管道(19)与反应器(18)连接；
一个氧气测定仪(22)，与管道(19)连接，用来测出在氮中氧含量的实际值；
一个控制装置(34)，可供入氧气测定仪(22)探测的实际值及接收一个设定值的输入单元(40)，
通过供应管道(25)与管道(19)相连的用来低温制氮的氮气源(17)和/或低温制氧的氧气源，和
位于供应管道(25)中的至少一个阀(28，33)，它可作为实际值/设定值的函数致动。
3.按照权利要求2的设备，其特征在于调节气流的流速限制器(21)位于就地制氮装置(13)和反应器(18)之间的管道(19)中。
4.按照权利要求2或3的设备，其特征在于流速限制器(21)设计成一个阀，其可以由控制装置(34)致动。
5.按照权利要求4的设备，其特征在于在流速限制器(21)和氧气测定仪(22)之间一个空气或氧气供应源连到管道(19)。
6.按照权利要求2、3或5的设备，其特征在于就地制氮装置(13)具有一个压缩空气源(14)，其可被控制装置(34)致动，并且压缩空气流量是可变的。
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