制氮机在氮基气氛热处理氮气源评述

 制氮机在氮基气氛热处理氮气源评述
引言
早在40年代，美国的W.H.Holcoroft等就开始研究制氮机氮基气氛热处理并取得了成果，但是制氮机氮基气氛真正为人们所重视，并广泛用于生产还是70年代的事，即因石油天然气短缺而引起的国际能源危机，迫使了制氮机氮基气氛的应用和发展。然而国际能源危机持续的时间不长，于70年代末便基本结束，已经启动的氮基气氛热处理的应用过程并没有因此而停顿，恰恰相反仍在继续发展。
我国对氮基气氛热处理的研究开发，始于70年代后期，当时主要由于液化石油气的供应和消防部门关于使用安全等问题，使传统的吸热式和放热式气氛处于困难之中，不少可控气氛热处理设备处于无米之炊境地而长期搁置，从而转向应用氮基气氛，其技术发展曾刺激和促进了我国变压吸附工业的发展。
1、氮在热处理气氛中的作用
众所周知，氮是一种中性气体，在非活化状态下，氮可用作保护加热，防止钢件的氧化、脱碳，因而广泛的用于光亮淬火、光亮退火、光亮回火等热处理工艺中。在真空处理时，氮气常作为冷却介质使用；充氮加压油淬时，氮气即可保护真空炉的电热元件，又可通过调节氮气压力，提高钢件的淬硬性。在一定电压和低真空状态下，氮会电离，可进行离子渗氮和离子氮碳共渗。
在氮基气氛热处理领域，人们对氮的物理化学作用有了新的认识，氮气的应用范围越来越广。在可控气氛中，氮气是作为稀释气使用的，当气氛中加入一定量的氮气，可以减少原料气的消耗，减少碳黑的形成。试验证明，在渗碳气氛中的通入氮气，建立碳势的速度加快，碳势增高。这是由于经氮气稀释后，炉气的分解率提高，CO和H₂O含量降低，碳的活度增大，使反应加速，渗碳速度加快。在氮基渗碳气氛中，不仅CO₂和H₂O可以降低，而且CO也可以适当降低。由于CO₂和H₂O可用钢中的Cr、Mn、Si等元素发生氧化，无疑，氮基气氛渗碳可以降低钢件的内氧化程度，提高零件的疲劳强度和破断抗力。研究表明，氮基气氛渗碳共渗的渗速比吸热式氮碳共渗快，而渗层的硬度、耐磨性、耐腐性相当。这是由于氮的加入降低了氢的含量，降低了氢的阻渗作用，从而使氮碳共渗过程加速。
在渗碳、渗氮时，常用氮气进行炉内吹洗、排气，炉门的气帘密封，渗碳后的防氧化冷却；在停气断电时，将氮气送入炉内，可防止炉气爆炸，保证安全操作。
氮基气氛热处理具有节省能源、气源丰富、安全经济、适应性广等优点。业已表明，它能稳定的用于退火、淬火、渗碳、渗氮等多种热处理工序。
氮基气氛是以氮气为基本气体的合成热处理气氛。因此，解决它的氮气源问题是应用氮基气氛的前提，选择*佳供氮方式，提供质优价廉的氮气又是实施氮基气氛热处理工艺的一个基本技术经济条件。
2、供氮方式
我国地域辽阔，热处理厂、点众多，企业的生产规模和采用的热处理设备各不同，所采用的氮气源也各不一样。目前国内外的供氮方式，一般有以下几种：
1) 瓶装氮气（俗称瓶氮）：钢瓶容量40L，额定充压15MPa,瓶内贮有6m3氮气。按上海市价格（元/瓶）：普氮（99.5%N₂）为14元，99.99%N₂为30元，99.999%N₂为90元，其氮气单价（元/m3）分别为2.4元、10元、15元。瓶氮适合生产规模较小，氮气需求总量不大的场合。
2) 管道供氮：设有制氧站及其临近的工厂，氮气通过管道送到热处理车间使用地点，也是一种方便实惠的供氮方式。
3) 液氮：氮气液化后体积缩小643倍（即在标准状态下，1m3液氮可以气化成为643m3氮气），有利于贮运，同时容器的清点、检查和周转的工作量大为减少。
液氮纯度高，不需纯化处理便可直接使用。打开阀门，液氮经过汽化器的热交换器，吸收大气中的热量，气化成为气态氮。通常液氮贮罐可以租赁。
改革开放以来，世界上***工业气体公司目前有八个进入中国气体市场，他们采用的集中供气和液氮供气的供氮方式，从理论上看是合理的。
在氮基气氛热处理中，如以液氮作氮气源，其运输距离较近，一般在200公里以内，超过此距离，运输费过大，甚***过液氮的价格。采用液氮的氮气的综合价格约2.5元/m3左右。上海及其附近地区有不少采用液氮为供氮方式。
4) 现场制氮：一种方式是工厂购置制氮设备制氮（即PSA制氮系统），其氮气成本约在0.4-0.6元/m3。
  近年来在我国的国外气体公司以租赁制氮设备形式现场集中供气，其氮气成本约1.5元 /m3。
不同的供氮方式成本见表1。

供氮方式	瓶装氮气	管道氮气	液氮（气化后）	现场制氮
自购设备	租赁设备
氮气成本（元/m3）	2.4-15	制氧站自定价	2.5	0.6	1.5

基 本 性 能	深 冷 法	变 压 吸 附 法	备 注
原  理	分离介质		碳分子筛
分离原理	将空气液化根据氧和氮沸点达到分离	加压吸附
能  耗	耗能部件	压缩机、加压泵、加热设备	空压机
耗电KWh/m3	～0.62	0.4-0.6(平均)
成本(元/m3)	～0.6	0.15-0.3
设备性能	氮气量(m3/h)	5000	<5000
氮纯度(%)	99-99.9	98-99.9995	带纯化
氮压力(MPa)		0.6（波动）
露点(℃)		-60以下
启动时间	20小时	20分
维修量	运动部件多、维修量大、需定时大修	切换阀门易损，动作频繁，但维修工作量和故障率较小
分离介质寿命		国产8年，进口12年
设备参数	工艺流程	复杂	一般
设备状态	一般固定	固定、移动式、室外
厂房面积	*大	较小
冷却水	很多	很少（小设备没有）
厂房高度（m）	局部12	4-10
外形尺寸	体积较小	体积较小
增容	增容困难	增容困难
自动化程度	底	电脑控制反馈氮纯度稳定
设备参数	随意开/停车	不能	容易
基本投资	需专用厂房	少
操作工人	4人以上	可无人操作
设备参数	特殊要求	*安装、安装费占设备费15%	环境空气无毒性