کوره های پیوسته کربورایزینگ و کربونیترایدینگ

کوره های عملیات حرارتی

کوره های پیوسته کربورایزینگ و کربونیترایدینگ

مقایسه اتمسفرهای مورد نیاز برای کوره های کربورایزینگ

شرایط مورد نیاز برای کربورایزینگ

صرفنظر از روش یا فرایند کربورایزینگ جامد ، مایع ، گاز ، کربن در اثر واکنش بین عوامل گازی نظیر مونوکسید کربن ، دی اکسید کربن ، متان ، هیدروژن و بخار آب به داخل فولاد انتقال می یابد. بنابراین محیط کربورایزینگ باید حاوی نسبت های معینی از اجزای مذکور باشد تا خواص و نیازمندی های زیر تأمین گردد

الف) پتانسیل کربن به حد کافی برسد

ب) امکان تولید کربن وجود داشته باشد

ج) شرایط احیا کننده فراهم شود

معمول ترین منبع تولید کربن گاز طبیعی (CH4) یا یکی از مشتقات آن مثل پروپان (C3H8), بوتان ((C4H10 می باشد ولی به این دلیل که این گاز غنی از هیدروکربن می باشد در صورتی که به تنهایی استفاده شود بر روی قطعه دوده ایجاد می شود (در صورت وجود جریان هوا داخل کوره و در صورت عدم وجود جریان هوا استفاده از گاز طبیعی یا مشتقات آن به تنهایی در کوره موجب بروز انفجار می گردد)که مانع جذب کربن می شود بنابراین یک گاز حامل مثل گاز اندوترمیک یا یک هیدروکربن مایع مثل متانول و یا استات اتیل یا استیلن به اتمسفر اضافه می کنند ، گاز حامل با هیدروژن حاصل از تجزیه هیدروکربن وارد واکنش شده و بخار آب تشکیل می دهد و شرایط را برای تولید منواکسید کربن و وقوع کربورایزینگ آماده می کند برای جلوگیری از نفوذ هوا به داخل کوره می بایستی فشار گاز داخل کوره در حین کربن دهی بیشتر از فشار اتمسفر باشد.

اتمسفری متشکل از اجزای مذکور که خواص بالا را نیز داشته باشد ، از طریق احتراق ناقص سوخت های گازی مثل گاز طبیعی و پروپان یا تجزیه مایعات عالی نظیر متانول و استات اتیل قابل تولید است ، فرایند کربورایزینگ گازی بر اساس نحوه ی تأمین شرایط کربورایزینگ یا اتمسفر محافظ دسته بندی می شوند.

الف) روش ژنراتوری : روشی که در آن از احتراق ناقص سوخت های گازی استفاده می شود. در این روش سوخت گازی و هوا در داخل ژنراتور به طور جزئی با هم ترکیب شده و محصولات تولیدی وارد کوره می شوند.

ب) روش تغذیه قطره ای : روشی که از هیدروکربن تجزیه شده استفاده می شود در این روش هیدروکربن مایع مستقیماً وارد کوره می گردد.

ج) اتمسفر پایه ازت : روشی که در آن ازت به همرا ه هیدروکربن وارد کوره  می شود.

اتمسفرهای ژنراتوری :

اتمسفرهای تولید شده توسط سیستم ژنراتوری در کوره های عملیات حرارتی عموماً به عنوان شرایط محافظ استفاده می شوند ، محیط هایی بر پایه

الف) گاز اگزوترمیک ( exothermic gas)

ب)  اندوترمیک (endothermic gas)

ج) اگزوترمیک مختلط و آمونیاک تجزیه شده (cracked ammonia)

در کربورایزینگ عموماً از گاز اندوترمیک استفاده می شود.

گاز اندوترمیک در اثر واکنش تجزیه ای غیر قابل احتراق  مخلوط نسبتاً غنی هوا (که از طریق کمپرسور تأمین می گردد) و سوخت گازی ( یکی از انواع هیدروکربن مثل متان ، پروپان و یا بوتان و یا متانول ) در محفظه ای فولادی در حضور یک کاتالیست (عموماً نیکل) که از خارج تا دمای معینی  ( حدود ۱۰۵۰ درجه سانتی گراد ) گرم می شود ، تولید می گردد.

انواع کاربرد اتمسفر اندوترمیک :

الف) به عنوان گاز حامل یا گاز محافظ در کربورایزینگ یا کربونیترایدینگ

ب) سخت کاری درخشان بدون دکربوره شدن (مخصوص فولادهای زنگ نزن )

ج) بازپخت و نرمالایزینگ فولادهایی حاوی مقادیر مختلف کربن بدون دکربوره شدن یا تشکیل پوسته

د) جوش نقره و مس فولاد بدون دکربوره شدن

توجه : برای اینکه ترکیب گاز اندوترمیک تولید شده ثابت و معین باشد باید نسبت هوا و گاز وارد شده به محفظه ثابت بماند در غیر اینصورت ممکن است منو اکسید و هیدروژن لازم برای فرایند کربورایزینگ تولید نشده و یا دی اکسید کربن که عامل دکربورگی است تولید شود و یا بخار آب که عامل اکسیداسیون است تولید گردد به همین دلیل باید سیستم تنظیم نسبت اجزای ورودی به صورت اتوماتیک انجام گردد که هزینه تأمین و نگهداری و تعمیر تجهیزات مورد نیاز برای تولید اتمسفر اندومتریک را افزایش می دهد.

ظرفیت و ترکیب گاز اندوترمیک تولید شده علاوه بر درجه حرارت و نسبت هوا به گاز به طور چشم گیری به ابعاد دیگ و به ویژه نسبت قطر به طول آن بستگی دارد چون مدت زمان لازم برای رسیدن به دمای واکنش تعادلی با توجه به نسبت فوق تعیین می گردد.

فاکتورهای مورد نیاز برای تولید اتمسفر اندوترمیک :

الف ) نسبت هوا به گاز هیدروکربن

ب) دمای داخل محفظه

د) مقدار کاتالیزور

ه) نسبت قطر به طول دیگ

بعد از اینکه محصولات تولید شده که در این مرحله مونو اکسید کربن ، هیدروژن ، دی اکسید کربن و بخار آب می باشند از بستر کاتالیست عبور کردند توسط یک سیستم خنک کننده نظیر سرد کننده پره ای و یا خنک کننده دو جداره ی آبی تا دمای زیر ۳۰۰ درجه سانتی گراد سرد می شوند تا از انجام هر گونه واکنش به ویژه هیدروکربن های استفاده شده در این اتمسفر ، ترکیب متغیری از دی اکسید کربن ، هوا ، پروپن و گاز طبیعی بود ، مقادیر این اجزا به گونه ای انتخاب شده بود که در دمای کربورایزینگ حدود ۲ تا ۶ درصد مونو اکسید کربن و ۸ تا ۱۲ درصد هیدروژن تولید شود.

مزایای اتمسفر پایه ازت :

الف) نیازی به ژنراتور نیست , بنابراین مشکلات مربوط به ژنراتور نیز حذف می شود.

ب) به علت این که مقدار عوامل قابل احتراق خیلی کمتر است اتمسفر ذاتاً تمیز و ایمن تر است. علاوه بر این چون ازت مستقیماً وارد کوره می شود بنابراین از طریق تزریق ازت می توان با هرگونه خطرات مقابله کرد.

ج) سیستم مطمئن تر است ، مخازن ذخیره ازت کلاً از منبع انرژی خارجی مستقل هستند.

د) انعطاف پذیر است ، به این معنا که در این سیستم حداقل دبی مطرح نیست و می توان هر مقدار اتمسفر بزرگ یا کوچک را تهیه نمود.

ه) سریع آماده می شود.

معایب اتمسفر پایه ازت :

الف) کربورایزینگ قطعات شکل ساده در دمای معمولی قابل قبول بوده ولی برای عمق نفوذ بیشتر از ۵/۰ میلی متر به زمان سخت کاری زیادی نیاز می باشد و سرعت آن نسبت به دو اتمسفر دیگر پایین می باشد.

ب) در قطعاتی که سطح یکنواختی ندارند عمق نفوذ یکنواخت نمی باشد.

ج) ترکیب اتمسفر کوره نوسان زیادی دارد و درصورت وجود کوچکترین نشتی هوا اتمسفر به شدت کاهش می یابد.

مایب بالا مانع از آن شد که این اتمسفر کاملاً کنار گذاشته شود و در صورت حذف محدودیت های ذکر شده و نیاز به عمق نفوذ کمتر از ۵/۰ میلی متر و دمای سخت کاری بالاتر از ۹۲۵ رجه سانتی گراد می توان از این اتمسفر بهره برد.

توضیح مهم : منشأ معایب بالا به کم بودن مونو اکسید مربوط می شود از این جهت تولید کنندگان گازهای صنعتی مصمم شدند تا اتمسفر پایه ازتی تولید کنند که اولاً مزایای ذکر شده را داشته باشد ثانیاً منواکسید آن به اندازه منواکسید گاز اندوترمیک باشد. مسلماً میبایست منبع منواکسید ارزان و ایمن بوده و خیلی سریع تهیه می شد .شرکت انگلیسی (BOC) برای تولید منواکسید کربن و هیدروژن برابر با اتمسفر اندوترمیک تولید می کند که گر به سیستم مقدار مناسبی ازت اضافه شود در داخل کوره ، اتمسفر اندوترمیک مصنوعی تولید می گردد.

برای تولید این اتمسفر در دمای ۵۶۰ درجه ازت وارد کوره شده سپس در دمای ۷۵۰ درجه سانتی گراد متانول اضافه می گردد ، منواکسید کربن و هیدروژن حاصل از تجزیه متانول مشابه شرایط اندوترمیک روی آجرهای کوره به شرح زیر وارد واکنش می شود :

تجزیه متانول :

CH3OH → CO + 3 H2

H2 + O2 → 2H2O2

CO   + O2 → 2CO22

حین ورود شارژ سرد به کوره دمای کوره افت کرده و تجزیه ثانویه متانول طبق واکنش زیر اتفاق می افتد که منجر به تولید متان اضافی می گردد:                                        CH3OH → 2CH44 + CO2 + H2 + H2O3

واکنش هایی که در کوره کربورایزینگ اتفاق می افتند

۱-  واکنش تجزیه گاز غنی ساز (متان)                     CH4=C+2H2

۲- واکنش کربورایزیگ / دکربورایزینگ                     CO=C+CO22

۳-  واکنش احیای مونوکسید توسط هیدروژن             CO+H2=C+H2O

۴-  واکنش احیای دی کسید توسط هیدروژن             CO2+H2=H2O+CO

۵- واکنش کنترل اتمسفر                                      CO2+CH4=2CO+2H2

۶- تولید مونوکسید از متان                                    H2O+CH4=CO+3H2

۷- اکسید آهن توسط دی اکسید و تولید منو اکسید     FE+CO2=FEO+CO

۸- اکسید آهن توسط دی اکسید و تولید منو اکسید    FEO+CO2=FE3O4+CO3

۹- اکسید آهن توسط آب                                     FE+H2O=FEO+H2

۱۰- اکسید آهن توسط آب                                   FEO+H2O=FE3O4+H23

۱۱- واکنش دکربوره شدن توسط آب                       H2O+C=CO+H2

۱۲- واکنش دکربوره شدن توسط هیدروژن                H2+C=CH42

در دمای کربورایزینگ دی اکسید کربن با کربن فولاد وارد واکنش می شود تا اینکه یکی از طرفین واکنش تمام شود و اگر کربن سطح فولاد تمام شود دی اکسید کربن طبق واکنش ۷ و ۸ با آهن وارد واکنش شده و پوسته تولید می کند ، اضافه شدن ازت به اتمسفر باعث رقیق شدن اتمسفر و کند شدن سرعت واکنش ۷ و ۸ می شود.