水溶性淬火介质与淬火油数据分析

个世纪九十年代,PAG水溶性淬火介质从国外悄然而至,进入中国热处理行业中,代替传统的淬火油,国内企业使用后认为:工作环境清洁卫生,无油腻感,不燃烧,无烟气,无火灾危险;淬火灵活性强,通过控制浓度、温度、搅拌循环等工艺参数,可实现从水到油之间各种冷却数率,满足中低碳钢、高碳钢,中低合金钢、高合金钢和渗碳钢的热处理要求,PAG水溶性淬火介质代替淬火油的比例、应用领域近几年在迅速增加。例如:鞍山天丰机械有限公司,将辽宁海明化学品有限公司生产的PAG水溶性淬火介质,成功应用在4Cr5MoSiV1(H13)不锈钢芯棒的热处理上。辽宁富美特殊钢贸易有限公司,将辽宁海明化学品有限公司的PAG水溶性淬火介质,应用在1Cr13、2Cr13、13Cr等不锈钢的工艺上。究竟PAG水溶性淬火介质与淬火油对环境的友好程度如何,使用成本如何,安全性如何,我们在中国热处理行业协会佟晓辉秘书长指导下,在辽宁省机械工业学会副秘书长、沈阳市热处理行业学会王家良秘书长大力协助下,做了如下工作,敬请与大家共同探讨:

   1PAG水溶性淬火介质、淬火油烟气(废气)采集与检测

   1.1烟气收集

   辽宁海明化学品有限公司技术中心到辽宁五一八内燃机配件有限公司,在使用PAG水性介质现场,应用准备好的连杆试样加热860℃,保温30分钟,放到事先准备好密封的装有10%PAG水性介质的容器中,容器上面连有气孔,接入导管至集气囊里,收集产生的气体,封存待检测。

   同样到丹东市宏升热处理有限公司淬火油现场,采用同样办法收集淬火油产生的烟气样品,封存待检测。

   1.2烟气定性定量检测

   分别把应用PAG水溶性淬火介质及淬火油产生的烟气(废气)送到辽宁省分析科学研究院,采用气相色谱-质谱联用,面积归一法-GCTCD,测得PAG水溶性淬火介质、淬火油烟气样品体积百分数见表1。

   1.3CO、SO2、氮氧化物(NO、NO2)现场检测

   丹东市环境监测中心站大气测定室到辽宁五一八内燃机配件有限公司热处理一分厂一车间第六号水溶性介质槽,采用崂应3022型烟气综合分析仪检测淬火现场(没开排风),测定CO、SO2、NO、NO2浓度;同样又到丹东市洪升热处理有限公司淬火油生产现场进行测定(也不开排风),检测结果见表1(CO2虽属减排重要指标,一般不测定)。

   1.4苯并芘测定

   

   辽宁海明化学品有限公司采用上述PAG样品及上述淬火油样品,送辽宁省分析科学研究院,测定苯并芘含量,结果见表1。

   表1PAG水溶性淬火介质、淬火油烟气(废气)检测数据

   序号气体排放物PAG水溶性淬火介质淬火油

   密度1.2790(kg/m3)1.3126(kg/m3)

   1氧气19.1718.11

   2氮气78.0579.13

   3氢气1.290.05

   4一氧化碳00.10

   5二氧化碳01.20

   6二氧化硫0(76mg/m3)

   7一氧化氮(0)(0)

   8二氧化氮(0)(0)

   9乙稀0.250.13

   10丙烯0.110.09

   111-丁烯00.96

   12甲烷00.17

   13丙烷1.130

   14正丁烷00.04

   15异丁烷00.02

   16苯并[a]吡,mg/L未检出1~20

   注1:测试单位:辽宁省分析研究院、丹东市环境监测中心站。

   注2:测试手段:气相色谱热导检测器GCTCD气体分析法、崂应3022型烟气综合分析仪。

   注3:()中数据采用崂应3022型烟气综合分析仪测得,单位:mg/m3;其余均为体积百分数,由GCTCD气体分析法测得。

   注4:淬火油样品取自丹东市宏升热处理有限公司,PAG水溶性淬火介质样品取自辽宁五一八公司及辽宁海明化学品有限公司。

   

   2数据分析与比较

   2.1从表1可以看出:淬火油烟中的主要有害物质包括CO、CO2、SO2、乙稀、丙烯、1-丁烯和甲烷(氮氧化物未检出),有害物质总量约占5.22%;PAG水溶性淬火介质排出气体中含有乙稀、丙烯和丙烷,有害物质总量约占1.49%,仅为淬火油烟有害物质的28%。测定结果表明:与淬火油相比,PAG淬火介质具有明显减排优势。

   2.2苯并芘又称苯并(а)芘,英文缩写BaP,是一种高活性间接致癌物,释放大气后,会导致肺癌和心血管疾病。从表1可知,油烟中含有苯并芘20mg/L,PAG淬溶火介质未检出,表明PAG淬火介质环保性好。

   2.3我们上述测定的有害气体项目是依据GB3095-1996《环境空气质量标准》和JB8434-1996《热处理环境保护技术要求》这两个标准,文中提到的基本含盖了主要的有害气体,包括CO、CO2、SO2、NO、NO2、苯并芘都测定了,可吸入颗粒物(PM10)上述两种介质都微乎其微,可不考虑,我们是在无组织排放条件下取样测定的,即工件淬火时的瞬时值,会有误差,可作为定性分析。定量时,取下限或平均值。

   2.4应用PAG水溶性淬火介质在回火时会感觉辣眼、呛人,是因为水溶性介质产生高温过热态【1】,聚合物会分解出乙稀、丙烯和丙烷等有害气体,建议加强通风、降低出液温度。

   3淬火介质与淬火油对环境的影响

   3.1生化需氧量(BOD)、化学需氧量(COD)测定

   同上1.4测得BOD、COD结果见表2。

   表2PAG水溶性淬火介质、淬火油BOD、COD检测数据

   序号气体排放物PAG水溶性淬火介质淬火油

   1生化需氧量(BOD5),mg/L1.23×1033.58×103

   2化学需氧量(COD),mg/L11749mg/L35997mg/L

   注:生化需氧量采用HJ505-2009标准测得。

   化学需氧量采用GB/T11914-1989测得。

   

   3.2生化需氧量(BOD),是生物化学需氧量的简称,指在水体中有氧条件下微生物分解单位体积水中有机物所消耗的溶解氧,BOD5越高,表明污染物越重,表2可知,淬火油的生化需氧量(BOD5)3.58×103mg/L,PAG淬溶火介质的1.23×103mg/L,淬火油的BOD5是PAG淬溶性淬火介质的2.91倍,表明PAG淬火介质环保性好。

   3.3化学需氧量(COD)是在一定严格的条件下,用化学氧化剂(重铬酸钾K2Cr2O7)氧化水中的有机污染物时所需的溶解氧,需氧量越高,证明污染物越重。由表2可知,淬火油的化学需氧量(COD)35997mg/L,PAG淬溶火介质的11749mg/L,淬火油的COD是PAG淬溶性淬火介质的3.06倍,表明PAG淬火介质环保性好。

   4淬火介质、淬火油消耗分析比较

   4.1情况介绍

   介质消耗直接关系到企业成本与经济效益,为了测量并确定单位热处理产品消耗,辽宁海明化学品有限公司与辽宁省机械工业学会,沈阳市热处理学会经过广泛社会调查,取得社会数据,又在两家企业进行实际测定。

   淬火油槽;丹东市宏升热处理有限公司淬火油槽,外面储罐是75立方米,内槽22立方米,内槽标有刻度;外罐储量固定,内槽计量准确(考查半年,生产663吨零件,消耗淬火油4.356吨)。

   PAG水溶性淬火介质槽:辽宁五一八内燃机配件有限公司,只做斯太尔曲轴调质处理,每天三班倒,生产量固定,每周加PAG水溶性淬火介质固定(取一周时间考查,每天加工曲轴580根,每根128KG,每周产量519.68吨,消耗介质220KG)。

   表3PAG水溶性淬火介质、淬火油吨工件消耗介质的量

   介质名称生产每吨工件消耗介质的量KG处理一吨工件

   成本

   经验消耗实际消耗

   PAG水溶性淬火介质<30.4210.92元∕吨

   淬火油5-106.5798.55元∕吨

   注:PAG水性淬火介质消耗是由辽宁五一八内燃机配件有限公司锻冶处提供的

   淬火油消耗是由丹东市宏升热处理有限公司提供

   4.2数据分析

   4.2.1表3是每生产1吨热处理零件消耗介质的量,由于淬火工件品种、复杂程度不同消耗介质数量也不同,PAG水溶性淬火介质,一般消耗在1KG-2KG,最多不到3KG,由辽宁五一八内燃机配件有限公司测定的每吨消耗为0.42【2】;根据多个厂家反映数据,淬火油经验消耗5KG-10KG,丹东市宏升热处理有限公司测定为6.57【3】。

   4.2.2废气产生量

   中国热处理行业协会在2008年4月由30多位专家组成的调查组,完成的《热处理行业基本情况调查分析报告》,介绍2007年全国实际热处理加工量约2800万吨,各种工艺处理零件约4000万吨,其中仅淬火工艺一项1500万吨【4】,随着我国GDP迅猛增长,每年按5%递增,到2010年热处理淬火工艺加工量应在1736万吨,一般来讲有80%左右的工件应用淬火油淬火,即有1389万吨,生产每吨零部件需要5-10KG(经验消耗),我们测定是6.57,具体工艺、具体零件消耗有所不同,这样全年消耗淬火油约9.13万吨(13896.57),其中有40%挥发到大气中,60%被工件带走,进入清洗工序中,即近3.65万吨,产生有害物质(废气)2610万立方米(淬火油燃烧产生废气3.65715立方米/吨【5】),其中CO26100立方米;重量:32.6吨;CO231.32万立方米重量615.2吨;SO2694.3立方米,重量:1984KG;

   如果“十二五”期间每年节省50%的淬火油,则每年会减少有害物质排放48.7万立方米,其中CO、CO2、SO2、苯并芘等有害气体在PAG水性淬火介质中无排放或微量,可忽略不计,即CO减排13050立方米,重量:16.3吨,CO2减排156600立方米,重量:307.6吨;SO2减排992KG,347.1立方米。

   采用水性淬火介质与淬火油相比,如果单纯从CO、CO2、SO2、苯并芘来看,有害减排100%;如果总体来讲,有害物质减少排放71.5%{淬火油有害物质总量约占5.22%;PAG水溶性淬火介质排出气体中含有乙稀、丙烯和丙烷,有害物质总量约占1.49%,(5.22%—1.49%)/5.22%)},可大大改善环境!

   5经济效益分析

   按现有市场价计算,生产每吨工件采用PAG水溶性淬火介质成本:0.4226元/KG=10.92元,淬火油成本:6.5715元/KG=98.55元,PAG水溶性淬火介质成本只占淬火油的11.08%,每吨节省87.63元,如果50吨淬火槽,用淬火油需75万元(501.5),用PAG水溶性淬火介质(10%浓度)只需13万元(5010%2.6),即可节60多万元,对企业经营者来说,可大大降低一次性投入,如果全国每年达到50%用PAG水溶性淬火介质代替淬火油,“十二五”每年节省成本60859万元(1389万吨87.63/2),即6.1个多亿!

   6安全性分析

   热处理车间使用淬火油在大型及超大型工件刚放入瞬间及停电等情况下,工件都会露出淬火油面一部分,产生明火,处理不当就会发生火灾,据不完全统计,我国每年因使用淬火油引起的火灾达上千起,不仅经济损失很大,对操作者身心健康都有较大影响,而采用水性淬火介质就无后顾之忧了。

   

   7结论

   7.1通过PAG水溶性淬火介质与淬火油的热处理工艺数据分析,即对大气产生有害物质比较,认为PAG水溶性淬火介质具有鲜明的环保性,是环境友好型介质。

   7.2PAG水溶性淬火介质具有淬火油无法比拟的廉价性、经济性。在全球石油紧缺的今天由为重要。

   7.3PAG水溶性淬火介质属水性介质,不燃烧,显示出在安全方面的优越性。

   参考文献

   【1】唐在兴《热处理技术与装备》2010年6月第3期,有关UCONE淬火介质的使用及对环境影响的讨论P56-59

   【2】辽宁五一八内燃机配件有限公司-应用环保型PAG水溶性淬火介质消耗分析

   【3】丹东市洪升热处理有限公司-应用淬火油消耗分析

   【4】佟晓辉秘书长—《热处理行业基本情况调查分析报告》[中国热处理年鉴]2008.8P38-39

   【5】经专家计算淬火油燃烧产生废气量为715立方米∕吨

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   作者简介:姜聚满,男,高级工程师,辽宁岫岩人。主要从事热处理介质研发、生产及应用工作。联系电话:0415-613568813842527518E-mail:haiming11168@163.Com

   PAG水溶性淬火介质与淬火油数据分析

   计算备忘录

   排放总体积:36500吨715M3/年=2610万立方米

   有害气体排放体积:26105.22%=136.24万立方米

   其中CO排放体积:26100,1%=26100立方米;重量26100100028/22.4=32.6吨

   CO2排放体积26101.2%=31.32万立方米重量313200100044/22,4=615.2吨

   SO2排放体积2610000076MG/M3=1984KG体积1984000/6422.4=694.3立方米

   总计减排有害气体:339994.3立方米,649.8吨

   如果50%用介质代油,消耗油18250吨,减排排放体积18250715=1305万立方米

   有害气体排放体积13050000(5.22%-1.49%)=48.7万立方米

   其中CO减排体积130500000.1%=13050立方米重量:1305028/22.4=16.3吨

   CO2减排体积130500001.2%=156600立方米重量156600100044/22.4=307.6吨

   SO2重量1305000076MG/M3=992KG体积992/6422.4=347.1立方米

   仅此三项即可减排169997.1立方米,重量324.9吨

   因PAG水溶性淬火介质不排放COCO2SO2或微量如从这三项减排近100%

   介质与油比减排(5.22%-1.49%)/5.22%=71.5%


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