高周电子管原理应用
 
天然气深冷处理工艺的应用与分析
     在油田开发中存在着丰富的油田伴生气和凝析气,轻烃回收装置能够充分利用这部分宝贵的天然气资源。目前,国内外轻烃回收的工艺方法主要有吸附法、油吸附法及冷凝分离法。中原油田第四气体处理厂是国内自行设计的一套以回收乙烷为主的大型气体处理装置,处理能力 100万立方米/d。工艺采用先进的膨胀机制冷加丙烷辅助制冷的混合制冷工艺,制冷温度最低可达-103℃,属于典型的深冷处理装置。原料为油田低压伴生气和凝析气田气(0.65MPa、32℃),产品为乙烷、丙烷、丁烷和天然汽油,干气外输压力2.3MPa。该装置通过两年的运行标定,各项实际指标均优于设计指标,并积累了很多操作方面的经验:
    
     (1)脱水系统。该厂天然气脱水工艺采用高压低温分子筛脱水,双塔流程切换操作,操作压力4.35MPa,温度27℃,脱水后天然气露点在-100℃以下。与常规的三塔脱水相比,减少了干燥器的结构尺寸,减少了分子筛的填充量,减少了操作程序。从两年运行效果看,脱水达到了设计指标,操作简便,运行可靠。(2)制冷系统。深冷型轻烃回收工艺制冷系统一般采用膨胀机制冷加冷剂辅助制冷。中原油田气体处理厂外部丙烷辅助制冷系统根据工艺所需制冷介质品位的不同,采用了三级压缩、三级节流的制冷工艺技术,在两个压力等级上的气相丙烷分别进入压缩机,此工艺与传统的一级压缩相比,节能249kW,节能效果明显。该装置膨胀机进口压力4.2MPa,进口温度-36℃,出口温度-85℃,膨胀机的等熵效率约80%,膨胀比约为3,膨胀机完全处于高效区运行。(3)凝液回收。设计过程中,通过多方案优化,确定了膨胀机前操作压力为4.2MPa,乙烷收率为85%的设计指标,使能耗控制在较适宜的水平上。(4)能量回收。通过对换热流程的优选,该厂利用两台多物流板翅式换热器,充分回收了脱甲烷塔塔顶干气、塔底物流的冷量,使原料气温度从27℃降到-60℃,干气温度从-99℃升至23℃,制冷单元的冷量得到了充分的利用与回收。(5)新工艺应用。当制冷温度过低,原料气中CO2超过一定含量,就易有CO2固体析出,造成管线和塔板冻堵。该厂没有设计脱CO2装置,而是采用奥尔特洛夫(Ortloff)公司提出的液体过冷法(LSP工艺)流程,既能有效防止CO2冻堵,同时乙烷收率保持在85%以上。LSP工艺流程采用过冷液体作为脱甲烷塔顶的回流,为脱甲烷塔顶提供冷源,控制压力1.40MPa,制冷温度-101℃,没有发生CO2冻堵(冻堵温度为104℃)。
    
     深冷型轻烃回收装置应针对不同的原料、环境状况,优化工艺技术方案,优选工艺设备,积极采用和开发新工艺、新技术,以达到节能降耗、提高轻烃收率、减少投资的目的
 
 
 
什么是深冷
随着机械工业的不断发展,对金属材料的要求也越来越高,如何在材料以及热处理工艺既定的前提下尽量提高金属工件的机械性能及使用寿命,这成为很多热处理行业前沿人士思考并探索的问题。
钢材在热处理工艺之后,其硬度及机械性能均大大提高,但热处理后依然有残存的以下问题:
1、 残余奥氏体。其比例大约有10%-20%,由于奥氏体很不稳定,当受到外力作用或环境温度改变时,易转变为马氏体,而奥氏体与马氏体的比容不一样,将造成材料的不规则膨胀,降低工件的尺寸精度。
2、 组织晶粒粗大,材料碳化物固溶过饱和。
3、 残余内应力。热处理后的残余内应力将降低材料的疲劳强度以及其他机械性能,在应力释放过程中且易导致工件的变形。

如何解决这些问题,经过国内外许多金属材料研究者的不懈研究,深冷及超深冷处理工艺被认为是解决这些问题的最优方法。为了更好的应用深冷及超深冷技术,深圳市德捷力化工有限公司专业研制开发了DJL系列程控深冷处理箱,该设备可广泛应用于金属材料以及非金属材料的深冷处理、超深冷处理、应力释放、样品冷冻。
DJL系列程控深冷处理箱整个箱体均由耐腐蚀的SUS304不锈钢制成,结构坚固、外型美观、操作安全。该设备可对工艺过程实现编程全/半自动控制,以液氮为制冷剂,利用液氮汽化吸热以及低温氮气吸热制冷,控温精度准确,降温过程缓慢、均匀,大大减少了低温对工件的冲击,避免了工件开裂的风险。
DJL系列程控深冷处理箱在实际生产中可对工件实施不同的冷处理工艺,能有效的对热处理后的不足进行以下有效的弥补:

1、它使硬度较低的残余奥氏体转变为较硬的、更稳定的、耐磨性和抗热性更高的马氏体。
2、通过深冷处理,可以使粗大的马氏体碎化并析出超细碳化物,从而对整体组织起到弥散强化的作用。过饱和的马氏体在深冷过程中,过饱和度降低,析出弥散尺寸仅为20-60A并与基体保持共格关系的超微细碳化物,可以使马氏体晶格畸变减小,微观应力降低,而细小弥散的碳化物在材料塑性变形时可以阻碍位错运动,从而强化基体组织。同时由于超微细碳化物颗析出,均匀分布在马氏体基体上,减弱了晶界催化作用,而基体组织的细化既减弱了杂质元素在晶界的偏聚程度,又发挥了晶界强化作用,从而改善了钢材的性能,使硬度、
冲击韧性和耐磨性都显著提高。
3、材料经深冷处理后内部热应力和机械应力大为降低,并且由于降温过程中使微孔或应力集中部位产生了塑性流变,而在升温过程中会在此类空位表面产生压应力,这种压应力可以大大减轻缺陷对工件局部性能的损害,从而有效地减少了金属工件产生变形、开裂的可能性。
 
 
一、   什么是深冷处理?
深冷处理是将金属在-185℃下进行处理,使柔软的残余奥氏体几乎全部转变成高强度的马氏体,并能减少表面疏松,降低表面粗糙度的一个热处理后工序,当这个工序完成后,不仅仅是表面,几乎可以使整个金属的强度增加,耐磨性增加,韧性增加,其他性能指标改善,从而使得模具和刀具翻新数次后仍然具有高的耐磨性和高的强度,寿命成倍增加。而未进行深冷处理的刀剪产品,翻新后寿命会显著降低。深冷处理不仅应用于刀剪产品,而且能应用于制作刀剪产品的模具上,同样可以使模具寿命显著提高。
二、   深冷处理的机理
1、消除残余奥氏体:
    一般淬火回火后的残余奥氏体在8~20%左右,残余奥氏体会随着时间的推移进一步马氏体化,在马氏体转变过程中,会引起体积的膨胀,从而影响到尺寸精度,并且使晶格内部应力增加,严重影响到金属性能,深冷处理一般能使残余奥氏体降低到2%以下,消除残余奥氏体的影响。如果有较多的残余奥氏体,强度降低,在周期应力作用下,容易疲劳脱落,造成附近碳化物颗粒悬空,很快与基体脱落,产生剥落坑,形成较大粗糙度的表面。
2、填补内部空隙,使金属表面积即耐磨面增大:
深冷处理使得马氏体填补内部空隙,使得金属表面更加密实,使耐磨面积增加,晶格更小,合金成分析出均匀,淬火层深度增加,而且不仅仅是表面,使翻新次数增加,寿命提高。
3、析出碳化物颗粒:
深冷处理不仅减少残余马氏体,还可以析出碳化物颗粒,而且可细化马氏体孪晶,由于深冷时马氏体的收缩迫使晶格减少,驱使碳原子的析出,而且由于低温下碳原子扩散困难,因而形成的碳化物尺寸达纳米级,并附着在马氏体孪晶带上,增加硬度和韧性。深冷处理后金属的磨损形态与未深冷的金属显著不同,说明它们的磨损机理不同。
深冷处理可以使绝大部分残余奥氏体马氏体化,并在马氏体内析出高弥散度的碳化物颗粒,伴随着基体组织的细微化,这种改变无法用传统的金属学,相变理论来解释,也不是以原子扩散形式来进行的,一般 -160℃~-180℃下,原子已经失去了扩散能力,只能以物理学能量观点来解释,其转变机理目前尚未研究清楚。因此有待人们进一步探讨。
4、减少残余应力。
5、 使金属基体更加稳定。
6、 使金属材料的强度、韧性增加
7、 使金属硬度提高约HRC1~2
9、  红硬性显著增加。
低温深冷处理工艺
低温深冷处理工艺是一种将材料或零部件置于-130~-190℃的低温下,按一定的工艺进行处理的过程。它不仅可以对黑色金属、有色金属、金属合金和碳化物进行处理,还能对非金属材料进行处理。深冷处理是对切削材料进行处理的有效工艺手段。

1 机理概述

深冷处理的机理如今有几种不同的观点,现存的理论也有几种。物理学家对刀具深冷导致金属结构变化的分析认为,深冷改变了金属的原子和分子的结构。冶金专家认为残余奥氏体转变为马氏体是问题所在。但确切发生了什么变化尚待进一步研究。

2 工艺方法

1) 使用设备 带有计算机连续监控并能自动调节液氮进入量、自动升降温的深冷处理箱。
2) 处理过程 处理过程由精确编制的降温、超低温保温和升温3个程序组成。

适当缓慢的降温随之进行最少24h的-190℃超低温的保温以及合理的升温,3个过程合需36~74h,通过这种合理的过程和精密的监控可防止被处理工件的尺寸变化和“热冲击”的产生。

因此,要进行此项工作必须掌握好深冷工艺,并对工艺过程进行严格控制;还要知道刀具材料的成分和热处理的工艺过程。深冷处理不同于一般的表面处理,它可以使被处理工具的全部材料性能都得到提高,这样刀具经过多次修磨后仍能保持一致的性能。深冷处理并不能代替热处理工艺,它是提高经热处理后材料机械性能的一种有效补充手段。

3 深冷处理后效果对比

硬质合金刀具经深冷处理后效果比较见附表。实验条件:切削试件为灰铸铁(HT250);刀具材料为硬质合金;深冷处理前、后切削参数相同。
硬质合金刀具经深冷处理前后的刀具寿命对比表
序号
名称
加工内容
规格型号
实验
次数
原使用
寿命
处理后
使用寿命
(件/次)
1
铣键槽
f7.5-2NT
第1次
400
3435
2
铣刀
铣键槽
f7.5-2NT
第2次
400
3306
3
铣刀
铣键槽
f7.5-2NT
第3次
400
3325
4
阶梯钻
钻孔
f4.2、23、133
第1次
100
405
5
阶梯钻
钻孔
f4.2、23、133
第2次
100
392
6
阶梯钻
钻孔
f4.2、23、133
第3次
100
416
7
铣刀
铣气孔口
f11.5、32-2NT
第1次
150
300
8
铣刀
铣气孔口
f11.5、32-2NT
第2次
150
290
9
铣刀
铣气孔面
f12、48-2NT
第1次
200
300
10
铣刀
铣气孔面
f12、48-2NT
第2次
200
315
11
铣刀
铣气孔端
f13、48-2NT
第1次
250
385
12
铣刀
铣气孔端
f13、48-2NT
第2次
250
406
经过深冷处理后,材料稳定性得到提高,有害应力得到减小,刀具寿命有所提高。通过对灰铸铁零件的加工试验证实,以同样的切削参数加工同一零件,从附表中可看出,经过深冷处理的刀具的平均寿命明显提高约1.53~8.4倍左右。

试验中也发现以下问题:若对刀具进行深冷处理后,不在-200℃进行4~5h的保温,而将刀具在室温中放置半个月左右,则刀具的寿命变得与未经深冷处理时一样。其次,不能将刀具直接放到液氮中,这样会使刀具遭到“热冲击”损害。另外,若原热处理不合理也会造成深冷处理后效果甚微。劣质的合金不可能通过深冷处理来变成优质合金。

4 提高刀具性能的原因分析

由于温度接近绝对零度时材料表现出的一种由无序向有序转变的奇特现象,世界各国近年来开展的有关液氮温度范围超导材料的研究已经取得举世瞩目的成就,尽管对这类现象进行解释的理论尚未形成,超低温对材料的影响尚未完全认识,但如何应用这些已发现的物理现象来改进产品质量、降低成本,正在从试验室进入工厂。对于深冷处理能提高刀具性能的原因分析如下:

1) 它使硬度较低的奥氏体转变为较硬的、更稳定的、耐磨性和抗热性更高的马氏体;
2) 通过超低温处理,使被处理材料的晶格具有更加广泛分布的硬度较高、粒度更细化的碳化物微粒;
3) 在金属晶粒中可产生更均匀、更微小,且带有更大密度的微小材料组织;
4) 由于有附加微碳化物粒子和更细密的晶格,故导致了更密集的分子结构,使材料内部微小的空洞被大大减少;
5) 材料经超低温处理后内部热应力和机械应力大为降低,从而有效地减少了造成工具和刀具产生裂纹、崩刃的可能性。此外,由于刀具中的残余应力影响切削刃吸收动能的能力,经过超低温处理的刀具不仅具有较高的抗磨性,而且其自身的残余应力的危害也比未经处理的刀具大大降低;
6) 在被处理的硬质合金中,由于其电子动能的减少而使分子结构产生新的组合。

5 结论

通过对刀具进行深冷处理,可以增强刀具材料的抗磨性、强度、韧性和抗冲击性,提高抗疲劳强度和消除内应力。由于提高了材料的稳定性和机械性能,因此延长了刀具使用寿命,减少了换刀、磨刀次数,降低了生产成本。(end)