Không khí bên trong lò nung băng tải lưới không chỉ đơn thuần là không khí nóng — mà là một môi trường hóa học được kiểm soát chính xác, quyết định xem các chi tiết sau khi xử lý nhiệt sẽ sáng bóng và sạch sẽ hay bị oxy hóa và mất cacbon. Việc kiểm soát môi trường là yếu tố phân biệt một máy xử lý nhiệt chất lượng với một máy kém chất lượng.
Lò nung băng tải lưới MONTE INTELLIGENCE hoạt động với nhiều hệ thống khí quyển khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của quy trình. Bài viết này đề cập đến ba loại khí quyển được kiểm soát phổ biến nhất, thiết bị tạo ra chúng và các thông số điều khiển quyết định chất lượng khí quyển.
Khí thu nhiệt — hay còn gọi là khí thu nhiệt trong các xưởng xử lý nhiệt — là môi trường chủ lực để tôi cứng trung tính, thấm cacbon và thấm cacbonitrit các chi tiết thép. Nó được tạo ra bằng cách cho khí tự nhiên (hoặc propan) phản ứng với không khí trong một máy phát khí bên ngoài ở nhiệt độ khoảng 1050°C, trên chất xúc tác niken. Phản ứng xấp xỉ CH4 + 2,38 (0,21 O2 + 0,79 N2) → CO + 2 H2 + 1,88 N2, tạo ra một loại khí có thành phần xấp xỉ 20% CO, 40% H2 và 40% N2 theo thể tích.
Khả năng cacbon của khí endo — khả năng thêm hoặc loại bỏ cacbon khỏi bề mặt thép — phụ thuộc vào tỷ lệ CO/CO2 và nhiệt độ lò. Ở 850°C, khí endo có điểm sương +5°C có khả năng cacbon khoảng 0,35% C. Giảm điểm sương xuống -5°C làm tăng khả năng cacbon lên khoảng 0,60% C. Mối quan hệ này được chi phối bởi phản ứng chuyển hóa khí nước: CO + H2O ↔ CO2 + H2, có nghĩa là việc kiểm soát hàm lượng hơi nước (điểm sương) sẽ kiểm soát khả năng cacbon.
Bộ tạo khí thu nhiệt là một thiết bị cực kỳ quan trọng. Nó bao gồm một bình phản ứng được gia nhiệt chứa chất xúc tác niken, trong đó hỗn hợp khí-không khí đi qua. Phản ứng này là phản ứng thu nhiệt — nó hấp thụ nhiệt — do đó có tên gọi như vậy. Bình phản ứng hoạt động ở nhiệt độ 1000-1100°C và phải được chế tạo bằng hợp kim chịu nhiệt cao, thường là RA330 hoặc Incoloy 800HT, với tuổi thọ thiết kế từ 3-5 năm hoạt động liên tục. Hỏng bình phản ứng là nguyên nhân phổ biến gây ra thời gian ngừng hoạt động ngoài kế hoạch của lò nung, và mọi nhà máy xử lý nhiệt sử dụng khí thu nhiệt đều nên dự trữ một bình phản ứng dự phòng.
Chất xúc tác trong máy phát điện bị suy giảm theo thời gian do sự lắng đọng carbon (tạo cốc) và nhiễm độc lưu huỳnh từ khí tự nhiên. Lưu huỳnh là vấn đề lớn hơn: chất xúc tác niken bị nhiễm độc vĩnh viễn bởi lưu huỳnh ở nồng độ thấp chỉ vài phần triệu. Thông số kỹ thuật của khí tự nhiên thường cho phép tối đa 30 ppm lưu huỳnh, cao hơn nhiều so với giới hạn chịu đựng của chất xúc tác. Một lớp lọc loại bỏ lưu huỳnh — than hoạt tính hoặc oxit kẽm — đặt trước máy phát điện là rất cần thiết, và lớp lọc này phải được thay thế sau mỗi 6-12 tháng tùy thuộc vào hàm lượng lưu huỳnh trong khí.
Môi trường nitơ-metanol là giải pháp thay thế cho khí endo đối với các nhà máy không muốn vận hành máy tạo khí endo. Môi trường này được tạo ra bằng cách bơm trực tiếp metanol lỏng (CH3OH) và khí nitơ vào lò đốt. Ở nhiệt độ lò đốt, metanol phân ly: CH3OH → CO + 2 H2, tạo ra tỷ lệ CO:H2 là 1:2 giống như khí endo. Nitơ làm loãng hỗn hợp để đạt được tiềm năng cacbon mong muốn.
Ưu điểm của hệ thống nitơ-metanol là sự đơn giản — không cần máy phát điện, không cần chất xúc tác, không cần bình chưng cất. Hệ thống bao gồm một bể chứa metanol lỏng, nguồn cung cấp nitơ (bể chứa nitơ lỏng hoặc máy phát điện nitơ màng), bảng điều khiển lưu lượng và các vòi phun trong lò nung. Thời gian khởi động chỉ mất vài phút thay vì hàng giờ như khi làm nóng máy phát điện nội sinh.
Nhược điểm là chi phí. Methanol lỏng đắt hơn khí tự nhiên tính theo đơn vị áp suất tạo ra. Với giá methanol thông thường từ 0,40 đến 0,60 đô la Mỹ/lít, chi phí tạo áp suất cho lò nung băng tải lưới tiêu thụ 40 lít methanol mỗi giờ là từ 16 đến 24 đô la Mỹ/giờ, hoặc khoảng 380 đến 580 đô la Mỹ/ngày hoạt động liên tục. Máy phát áp suất nội tại sử dụng khí tự nhiên tạo ra cùng một lượng áp suất với chi phí thấp hơn khoảng 30-40%. Việc lựa chọn giữa hai loại này phụ thuộc vào chi phí đầu tư ban đầu so với chi phí vận hành, và liệu nhà máy có khả năng bảo trì để vận hành máy phát áp suất nội tại một cách đáng tin cậy hay không.
Amoniac phân ly được sử dụng để ủ sáng thép không gỉ, đồng và đồng thau — các quy trình mà môi trường phải có tính khử nhưng không gây cacbon hóa. Amoniac khan (NH3) được phân ly trong một thiết bị bên ngoài: 2 NH3 → N2 + 3 H2, tạo ra một loại khí có 75% hydro và 25% nitơ theo thể tích. Môi trường này có tính khử mạnh — hàm lượng hydro cao giúp khử bất kỳ oxit kim loại nào trên bề mặt chi tiết — và không chứa cacbon, do đó không có nguy cơ gây cacbon hóa hoặc khử cacbon.
Thiết bị phân ly hoạt động ở nhiệt độ khoảng 950°C với chất xúc tác sắt-niken trong một bình phản ứng tương tự như máy tạo khí nội sinh nhưng nhỏ hơn vì phản ứng phân ly amoniac đơn giản và nhanh hơn. Việc cung cấp amoniac đòi hỏi sự cẩn thận: amoniac khan là một hóa chất nguy hiểm, cần được bảo quản chuyên dụng, có hệ thống phát hiện rò rỉ và các quy trình ứng phó khẩn cấp. Khí phân ly dễ cháy do hàm lượng hydro cao và phải được xử lý theo các quy tắc an toàn khí thích hợp.
Hệ thống thiết bị điều khiển khí quyển đã phát triển từ việc đo điểm sương thủ công đến điều khiển tiềm năng cacbon tự động. Phương pháp hiện đại sử dụng một đầu dò oxy (cảm biến zirconia) được đặt trực tiếp vào vùng nóng của lò. Đầu dò đo áp suất riêng phần của oxy trong khí quyển lò, từ đó tính toán tiềm năng cacbon dựa trên hàm lượng CO và nhiệt độ lò. Tín hiệu từ đầu dò điều khiển việc bổ sung khí làm giàu (khí tự nhiên hoặc propan) để duy trì điểm đặt tiềm năng cacbon.
Đầu dò oxy cần được bảo dưỡng định kỳ. Đầu dò phải được làm sạch muội than và cặn carbon, thông thường cứ 1-3 tháng một lần tùy thuộc vào độ cacbon cần duy trì. Đầu dò nên được hiệu chuẩn so với một mẫu chuẩn — hoặc phân tích cacbon trên tấm chuẩn hoặc máy đo điểm sương cầm tay — ít nhất mỗi quý một lần. Một đầu dò bị sai lệch 0,05% trong chỉ số độ cacbon có thể tạo ra các chi tiết có độ cứng lệch 1-2 điểm HRC so với mục tiêu, điều này có thể tạo ra sự khác biệt giữa lô hàng đạt và lô hàng không đạt.
MONTE INTELLIGENCE cung cấp lò nung băng tải lưới với hệ thống điều khiển khí quyển tích hợp, bao gồm máy tạo khí nội sinh, tấm nitơ-metanol và thiết bị phân ly amoniac. Chúng tôi cũng cung cấp thiết bị đo lường điều khiển khí quyển và hỗ trợ vận hành.
Để biết thông số kỹ thuật hệ thống khí quyển cho quy trình xử lý nhiệt của bạn, vui lòng liên hệ helenxu@cnlymonte.com.
