退火炉保护气体的制造与纯化

顺德职业技术学院

毕业设计题目退火炉保护气体的制造与纯化

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目录

第1章绪论 (3)

1.1汽车行业的现状 (3)

1.2汽车用精密钢管的现状 (1)

1.3 汽车用精密钢管工艺与氮气制造 (1)

第2章制氮机与氮纯化装置的总体状况 (2)

第3章制氮机辅助准备器件 (3)

3.1 空压机 (3)

3.1.1 空压机的类型及选型 (3)

3.1.2 空压机的工作原理 (4)

3.2冷干机的工作原理 (5)

第4章制氮机 (6)

4.1 氮气产生装置介绍 (6)

4.1.1 空气分离原理 (7)

4.1.2 变压吸附原理 (8)

4.1.3 工艺流程 (9)

4.1.4 压缩空气的生成与提纯 (9)

4.1.5 分离空气 (10)

4.1.6 氮气储存与供气 (11)

4.2 制氮机操作 (11)

4.2.1 操作系统 (11)

4.2.2 控制过程 (12)

4.2.3 制氮机PLC系统设计原理 (13)

第5章氮气纯化装置 (14)

5.1 纯化装置简介 (14)

5.2 氮气纯化的流程 (15)

5.2.1 工作流程 (15)

5.2.2 再生流程 (15)

5.3纯化装置PLC设计原理 (16)

第6章氮气设备操作与保护 (18)

第7章制氮机与纯化装置工作部分PLC设计 (20)

7.1 制氮机PLC工作部分设计 (20)

7.1.1 部分I/O分配点确定 (20)

7.1.2 制氮机PLC部分梯形图 (20)

7.2纯化装置工作部分设计 (20)

7.2.1 部分I/O分配点确定 (20)

7.2.2 氮气纯化装置PLC部分梯形图 (21)

设计小结 (21)

致谢 (22)

参考文献 (22)

第1章绪论

1.1汽车行业的现状

我国已开始步入大众汽车消费的时代，随着汽车制造业的迅猛发展，人们对汽车产业发展初期盛行的进口零部件国内组装生产方式的局限性的认识越来越深入，实现大宗原材料的国产化，成为降低成本，增强市场竞争力的有效途径。就汽车用精密钢管生产而言：由于受装备能力、工艺技术配套、优质原材料资源供应等因素制约，已明显滞后于汽车零部件制造业的发展，难以满足中高档乘用车的国产化配套供应要

求。因此，需要在立足于当前稳定质量、增加产量的同时，确立着眼于汽车用精密钢管国产化发展的中长期战略。

1.2汽车用精密钢管的现状

由于汽车用材的特殊性，要求所用钢管外型美观、重量轻、行驶安全、平稳可靠。为确保汽车用钢管的使用时效，要求钢管用材质具有良好的耐腐蚀性，具有一定的使用寿命，所以根据使用部位的不同，分别对汽车用钢管的材质、尺寸精确度、机械性能、工艺性能及表面质量等各方面都有严格的要求。部分特殊产品还对钢管有耐磨性、抗疲劳性能、焊接性能等相应要求。许多情况下钢管需要有良好的焊接性能，而且要有很好的再加工性能和热处理性能。部分最终零部件有表面镀、涂层要求的钢管，要求光亮热处理状态交货。

1.3 汽车用精密钢管工艺与氮气制造

汽车用精密钢管由于要求比普通钢管要求更高，所以在生产当中需要把尺寸还不精确的钢管集中运输到统一地点，核对胚管的来料标识，根据工艺指导书的顺序把胚管转到脱脂工序。脱脂分初步脱脂，再次脱脂以及清洗。把胚管放到脱脂池、清水池中清洗内外表面，防止钢管的退火途中出现杂质令钢管表面不良。然后上架用气枪吹水令外表面在目视的程度中没有发现挂水现象。通过输送机传说到上料台中送进退火炉。退火过后放在料架中冷却。等冷却完毕转移酸洗磷化中把外表面的锈迹再次去掉，然后磷化作为保护膜后转移到打尖区。打尖是冷拉拔的前提工作，让钢管一端夹细，方便拉拔机夹紧，通过模具一拉一夹，使钢管尺寸达到精确的要求，同时改变它的物理性质。冷拉拔当中产生的弯曲由矫直机修正，再把打尖的一段切掉，同时浸油保护再包装入库。

本文的重点在退火工艺上。退火是一种金属热处理工艺，指的是将金属缓慢加热到一定温度，保持足够时间，然后以适宜速度冷却。目的是降低硬度，改善切削加工性；消除残余应力，稳定尺寸，减少变形与裂纹倾向；细化晶粒，调整组织，消除组织缺陷。

在热处理中，为了避免钢管高温时与氧气等气体发生化学反应影响工艺，退火炉中都采取惰性气体来保护钢管。惰性气体由气房负责输出。氮在自然界中分布很广，是空气的主要成分（约占78%），在常温常压下无色、无味、无毒、不燃、不爆，使用上很安全。氮分子结构十分稳定，化学性质很不活泼，通常难以同其它物质发生化学

反应，表现为很大的惰性，被广泛用于保护气体。

工业用氮气的制取是以空气为原料，将其中的氧和氮气分离而获得，其方法主要有深冷空气法等。

本系列氮气发生装置是利用变压吸附原理、通过碳分子筛将空气中的氧气与氮气进行分离从而制取氮气，它具有工艺流程简单、占地小、投资省、操作简单，维护方便等优点，产品氮气纯度可按实际需要任意调节，装置适应性好。整套装置连续循环操作，可完全实现自动化。

第2章制氮机与氮纯化装置的总体状况

如图所示，退火炉所需要的氮气产生过程流程图。

第3章制氮机辅助准备器件

3.1 空压机

3.1.1 空压机的类型及选型

空气压缩机（英文为：air compressor）是气源装置中的主体，它是将原动机（通常是电动机）的机械能转换成气体压力能的装置，是压缩空气的气压发生装置。

现在常用的空气压缩机有活塞式空气压缩机，螺杆式空气压缩机，离心式压缩机以及滑片式空气压缩机，涡旋式空气压缩机。凸轮式，膜片式和扩散泵等压缩机没有列入其中，是因为它们用途特殊而尺寸相对较小。

本厂气房采用的是阿特拉斯GA75型的空压机。它是属于螺杆式空气压缩机。螺杆压缩机--是回转容积式压缩机，在其中两个带有螺旋型齿轮的转子相互啮合，从而将气体压缩并排出。它拥有占地少，噪音低，内置了空气和冷凝水处理装置，为客户的生产保驾护航。GA集成化的设计使压缩机可以放置在生产现场，降低了外接管道的费用，降低了整个系统的压力损失。增加的效率可以为客户在节能上大有收益现场型机器，管路较少，降低了整个系统的压降。干燥和过滤系统过滤出洁净的

空气，保护了管网，避免了腐蚀—降低了能耗、维修和保养成本。

3.1.2 空压机的工作原理

双螺杆压缩机的工作过程：电动机经联轴器、增速齿轮或皮带带动主转子，由于两转子互相啮合，主转子即直接带动副转子一同旋转，在相对负压作用下，空气吸入，在齿峰与齿沟吻合作用下，气体被输送压缩，当转子啮合面转到与机壳排气口相通时，被压缩气体开始排出。

1、吸气过程：

螺杆式的进气侧吸气口，必须设计得使压缩室可以充分吸气，而螺杆式压缩机并无进气与排气阀组，进气只靠一调节阀的开启、关闭调节，当转子转动时，主副转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子的齿沟空间与进气口之自由空气相通，因在排气时齿沟之空气被全数排出，排气结束时，齿沟乃处于真空状态，当转到进气口时，外界空气即被吸入，沿轴向流入主副转子的齿沟内。当空气充满整个齿沟时，转子之进气侧端面转离了机壳之进气口，在齿沟间的空气即被封闭。

2、封闭及输送过程：

主副两转子在吸气结束时，其主副转子齿峰会与机壳闭封，此时空气在齿沟内闭封不再外流，即[封闭过程]。两转子继续转动，其齿峰与齿沟在吸气端吻合，吻合面逐渐向排气端移动。

3、压缩及喷油过程：

在输送过程中，啮合面逐渐向排气端移动，亦即啮合面与排气口间的齿沟间渐渐减小，齿沟内之气体逐渐被压缩，压力提高，此即[压缩过程]。而压缩同时润滑油亦因压力差的作用而喷入压缩室内与室气混合。

4、排气过程：

当转子的啮合端面转到与机壳排气相通时，（此时压缩气体之压力最高）被压缩之气体开始排出，直至齿峰与齿沟的啮合面移至排气端面，此时两转子啮合面与机壳排气口这齿沟空间为零，即完成（排气过程），在此同时转子啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，其吸气过程又在进行。

如图为双螺杆结构

3.2冷干机的工作原理

冷干机（DRYER）是冷冻式干燥机的简称，属于气动系统中的气源处理元件。

利用冷媒与压缩空气进行热交换，把压缩空气冷却至2～10℃的范围，以除去压缩空气中的水分（水蒸气成分）。

当压缩空气的压力高、温度低、环境温度低、

且处理空气量小时，则可得到低压力露点。大气

压露点只能达到－17℃

气温愈低，饱和水气压就愈小。所以对于含有一定量水汽的空气，在气压不变的情况下降低温度，使饱和水汽压降至与当时实际的水汽压相等时的温度，称为露点。

形象地说，就是空气中的水蒸气变为露珠时候的温度叫露点。

冷干机系统流程：1-气液分离器2-制冷压缩机3-压力开关4-风扇压力开关5-冷凝器风扇6-冷凝器7-冷媒过滤器8-毛细管9-热气旁路10-空气进入口11-气/制冷剂热交换器12-气热交换器

13-气水分离器14自动排水器15空气出气口

第4章制氮机

4.1 氮气产生装置介绍

氮在自然界中分布很广，是空气的主要成分（约占78%），在常温常压下无色、无味、无毒、不燃、不爆，使用上很安全。但分子结构十分稳定，化学性质很不活泼，通常难以同其它物质发生化学反应，表现为很大的惰性，被广泛用于保护气体。

工业用氮气的制取是以空气为原料，将其中的氧和氮气分离而获得，其方法主要有深冷空气法等。

本系列氮气发生装置是利用变压吸附原理、通过碳分子筛将空气中的氧气与氮气进行分离从而制取氮气，它具有工艺流程简单、占地小、投资省、操作简单，维护方便等优点，产品氮气纯度可按实际需要任意调节，装置适应性好。整套装置连续循环操作，可完全实现自动化。

制氮机系统应置于固定的位置，放在平整的地面上。要避免把装置放在温差很大的地方，同时还应位于通风良好的区域。如果装置处于房间内有限的区域内，则必须将富氧放空气体和不合格的氮气用管路排至室外。

PSA制氮机

4.1.1 空气分离原理

用一种特殊处理过的活性碳即碳分子筛（CMS）分离空气。

CMS的孔直径在氮气和氧气分子直径范围内。由于氧分子比氮分子体积小，重量轻，因此先被吸附在碳分子筛表面。

碳分子筛分离空气过程分离空气所用碳分子筛

4.1.2 变压吸附原理

空气压力越高，CMS表面所吸附的气体分子越多。

吸附塔内充满了CMS，气体通过时，氧分子和氮分子在CMS表面吸附。由于分子直径不同，氧分子吸附在CMS表面多于氮分子。根据流经吸附塔空气的速度，大多数氧分子被吸附，氮分子由吸附塔上端流出。

流量速度决定了气体在吸附塔中的吸附时间，即氧分子的吸附时间：

流速高→氧吸附时间短→产品气中剩余氧含量高→氮气纯度低

流速低→氧吸附时间长→产品气中剩余氧含量低→氮气纯度高

经过一段时间后，CMS被所吸附的氧分子饱和需进行再生，再生是通过降压实现的。由于CMS在低压时不能再吸附气体分子，大多数分子在降压时被排空。这一过程称为解吸。

为达到连续供气，在一个吸附塔处于再生状态时，另一个吸附塔为生产状态。

碳分子筛的性能通常是由产气量和回收率来描述的，这两个性能指标是与产生的氮气纯度、运行压力直接相关的。一般来讲，纯度不变时，产气量是随运行压力的提高而增加的，而回收率只随压力升高稍有增长，当压力一定时，回收率和产气量都随

产生的氮气中的氧含量增加而增大, PSA系统的最佳操作压力为0.7Mpa左右。

4.1.3 工艺流程

制氮分为三部分：

压缩空气提纯

分离空气

氮气储存和供气

4.1.4 压缩空气的生成与提纯

由外界送来的压缩空气（0.75Mpa），经过冷干除去空气中的大部分油，水和灰尘。

进入一级聚合微粒过滤器，除去大部分粉尘与油水滴，尔后进入二级聚合微粒过滤器，进一步除去粉尘及油水滴，经过第三级除油过滤器后，达到PSA所需空气质量，空气进入吸附塔前，先经活性碳吸附器。

活性碳吸附器为一只装有活性碳吸附剂的压力容器。活性碳吸附器安装在吸附塔的前级，起保护分子筛的作用，当压缩空气净化系统中的冷干机或过滤器出问题又未被发现时活性碳吸附器可起到短时间除水、除油、除尘的作用，以避免污染分子筛。活性碳吸附器只起预防功能，不可以只依靠它长时间工作。

聚合微粒过滤器活性碳吸附器

4.1.5 分离空气

压缩后的空气通过PC阀AV101、AV102或AV103进入吸附塔A或B。

图示为PSA制氮机分离空气原理图

吸附塔A或B为两只装有碳分子筛的压力容器，是制氮机的主体部分，对氧氮的分离即在此处完成。碳分子筛的压紧采用自动压紧装置。为保证吸附塔运行良好，需定期补充碳分子筛。

PSA工艺是由PC阀AV101- 108八个阀所控制的。

完整周期步骤

生成的氮气通过PC阀AV106或AV107、AV108流出吸附塔A或B进入氮气缓冲罐。

在制氮机顶部安装有反吹气手动阀，适当调节此阀开度来给予再生塔一定量的再生气以帮助再生塔解吸，此阀在第一次开机调试好后以后使用过程中基本不用再调节，保持当初的开度即可。

4.1.6 氮气储存与供气

氮气缓冲罐

·缓冲由PSA过程后引起的压力波动

·保证吸附塔A和B在吸附开始时的压力最小值

PSA运行过程中产生的氮气，其压力、流量和组成都发生周期性的变化，而作为退火炉的燃料气应当具有稳定的压力、流量，故PSA装置设置了氮气缓冲罐，其作用就是为退火炉提供流量、压力和组成接近均匀一致的保护气。

4.2 制氮机操作

4.2.1 操作系统

PSA系统是由程序逻辑控制器（PLC）、氧分仪、流量计及辅助线路构成。控制系统按一定的时序发出信号，控制8个程序阀的开闭，氧分仪在线分析产品氮气中的氧含量，如氧含量超过报警值时，控制器发出信号提醒打开不合格气出口阀，关闭氮气出口阀，让气体直接放空，防止不合格气进入下工段。

4.2.2 控制过程

由可编程序逻辑控制器（PLC）、电磁阀、气动控制阀组成。程控阀按事先编制的时序开启和关闭，自动完成PSA过程的吸附，均压和解吸。

控制柜面板介绍：

控制柜4个仪表分别为：A塔压力、B塔压力、氮气罐压力和出口压力往下为氧分仪及

氧高报警流程显示铭牌开关键

AIA氧分仪及氧高报警

在线分析产品气中的氧含量。以数字直接显示，当产品气的氧含量超过设定值后，产品气氧浓度高限报警（报警值在氧分仪上设定）。

电源开关

两位选择开关，通断控制柜的工作电源即启动和关闭PSA系统。

压力表

P1-P4压力表分别显示A塔压力、B塔压力、氮气罐压力和出口压力。

4.2.3 制氮机PLC系统设计原理

空气压缩机用来提供足够的气量和相对恒定的输人压力 ( 0.7 5 – 0.8 Mpa) 的原料气，经冷干机除水，除油、除固态粒子等净化处理后．为了能连续不断地输出恒定的氮气，系统设置 A、 B两个吸附塔进行交替工作，由气源系统来的纯净压缩空气，经电磁气动控制阀av101、av102由吸附塔 A下部进人塔体，经吸附塔中碳分子筛床吸附，并逐步向上推进，在此过程中，空气中的氧分子被吸附在碳分子筛微孔中，而氮被浓缩在气相中．由塔上部流出，经电磁控制阀av106、av108 进入氮气贮罐，此过程即为A塔吸附制氮。

与此同时，B吸附塔中吸附的氧分子经由电磁气动控制阀av105排空，即B塔解吸至常压。A、B两塔交替进行连续供氮：当A塔中碳分子筛对氧的吸附量将达到平衡时．则该塔立即停止吸附。

此时av101、av104、av105、av108处于关闭状态，而另外四个处于开启状态， A、B两吸附塔均压，均压后即切换进入B塔吸附、A塔解吸状态。

此时压缩空气经电气控制阀av101、103到B吸附塔下部，经B塔中碳分子筛床层吸附。分离出来的氮气经av107、av108进入氯气贮罐，即B塔吸附制氮。

这样A、B两塔交替吸附解吸，即形成连续不断的向氮气贮罐输送氮气。以上是AV101到AV108电气控制阀的动作顺序，切换时间等都由plc控制，使二塔不断供应合格的氮气。

在正常工作时自动循环过程如下：

按程序启动键延时X秒进入附A ，B排空延时X秒均压 A：B 延时X秒吸附B，A排空延时X秒均压 B：A 延时X秒再次进人吸附A，B排空如此自动循环按停止键系统全部停止工作

PLC控制电气控制阀

第5章氮气纯化装置

5.1 纯化装置简介

由于退火炉保护气体要求纯度高（99.9%以上），制氮机不能保证持续提供高纯度气体，所以就需要另外加设纯化装置。纯化装置靠高效吸附剂和高效过滤器除去氮气中的杂质氧、水汽和尘埃等。

纯化装置主要用两只吸附干燥器并联，一只工作，同时另一只可以进行再生处理。相互交替工作和再生，以保证连续运行。干燥器在常温下工作。干燥器再生时需加温

至350℃用纯气冲洗再生。

5.2 氮气纯化的流程

氮气纯化装置流程图

5.2.1 工作流程

由制氮机生产出来的原料氮气与由液氨分解、纯化后的原料氢气一起进入除氧器中，除氧器中本身的钯催化剂与氮气、氢气产生化合反应，生成大量水汽。水汽与氮气离开除氧器后经冷却器慢慢冷却，再进入冷干机降温后最终进入干燥塔，氮气中水分都被分子筛物理吸附而除去，纯化后氮气经氮气出口阀去用户工艺点。

5.2.2 再生流程

部分纯氮被导向另一处于再生状态的干燥塔，此时，再生干燥塔内温度升至300℃，在此温度下，被分子筛吸入的水分获得大量能量，迅速从分子筛中逸出，被导入塔内的高纯氮带离分子筛，经放空阀排出，由于程控器的控制作用，再生干燥塔继续通入纯氮（此时加热棒停止加热）使之冷却至常温，以便切换时即可进入工作状态。

一塔可连续工作12小时，另一塔再生加热5小时，强迫吹冷7小时，当冷却到常温时，切换二个干燥器塔，使之连续工作。

5.3纯化装置PLC设计原理

纯化装置工艺

原料氮气与原料氢气在经过除氧器、冷却器、冷干机处理后，产生的大量水汽与氮气一同经由电气控制阀av101进入干燥塔，氮气中水分都被分子筛物理吸附而除去，纯化后氮气通过电气控制阀av107和av109流出。干燥塔A工作。

当干燥塔A的分子筛不能再吸附水汽时，纯化装置就会实现双塔交换工作使之连续下去。交替中，氮气会从av102通向干燥塔B，此时电气控制阀av108和av109 通过氮气。干燥塔B开始工作。

在此时部分氮气会从av101通向干燥塔A，av107电气控制阀关闭。再生干燥塔A 温度升至300℃。经过再生加热10小时后，电气控制阀av103导通，被分子筛吸入的水分获得大量能量，迅速从分子筛中逸出，被导入塔内的高纯氮带离分子筛从放空阀

排出。干燥塔B再生加热完毕。

再生加热完毕后av103关闭，同时av101导通再次通入纯氮（此时加热棒停止加热）使之冷却至常温，以便切换时即可进入工作状态。吹冷完毕后氮气通过av105把再生气体排出。

这样A、B两塔交替干燥再生，即形成连续不断的提纯氮气。以上是AV101到AV109电气控制阀的动作顺序，切换时间等都由plc控制，使二塔不断供应高纯度的氮气。在正常工作时自动循环过程如下：

按程序启动键除氧器启动延时 X秒冷却器启动延时X秒冷干机启动延时X秒干燥塔A工作 12小时后干燥塔B工作延时X秒干燥塔A再生 5小时后干燥塔A吹冷 7小时后干燥塔A工作延时X秒干燥塔B再生 5小时后干燥塔B吹冷 7小时后干燥塔A工作如此自动循环按停止键系统全部停止工作

纯化装置工艺是由PC阀AV101- 109九个阀所控制的。