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Carbonitriding: kinetic modeling of ammonia and acetylene decomposition at high temperature and low pressure

Carbonitruration : modélisation cinétique de la décomposition de l’ammoniac et de l’acétylène à haute température et basse pression

¹ Air Liquide, Paris-Saclay Research Center, 1 chemin de la Porte des Loges, 78354 Jouy-en-Josas, France
² Air Liquide, AL France Industrie − IM, 152 avenue Aristide Briand, 92227 Bagneux, France

^* e-mail: elena.vyazmina@airliquide.com

Received: 8 January 2018
Accepted: 13 June 2018

Abstract

The process of carbonitriding is similar to the process of carburization yet with additional ammonia to increase the hardness of the metal surface. Carbonitriding is performed at approximately 850 °C–880 °C, which is lower compare to carburizing and low pressure (10–50 mbar). The process consists of two stages: decomposition of ammonia and diffusion of “activated nitrogen”, and decomposition of acetylene and diffusion of carbon. The decomposition of acetylene is a very complex phenomenon, depending on the temperature, pressure and residence time (the time of presence of acetylene in a furnace). Different reaction products form: small molecules (H₂, CH₄, C₂H₄, C₆H₆, etc.), fine-crystalline graphite (the one that diffuses into the metal surface), polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), soot etc. The current investigation is based on detailed kinetic modeling (using Chemkin 17.1) of the acetylene decomposition in the atmosphere of a reactor. For this modeling three different comprehensive mechanisms from the literature are considered: the mechanism of K. Norinaga (including 227 species, 827 reactions), the mechanism of T. Bensabath (including 364 species, 1245 reactions) and the mechanism of C. Saggese (including 350 species, more than 10,000 reactions). Comparison of simulation results with experimental data from the literature showed good agreement, demonstrating their applicability for modeling of industrial process. A parametric study suggests the best parameters for acetylene decomposition in a furnace.

Résumé

Le procédé de carbonitruration est similaire au procédé de cémentation mais avec de l’ammoniac supplémentaire afin d’augmenter la dureté de la surface du métal. La carbonitruration est effectuée à environ 850 °C–880 °C – ce qui est inférieur à la cémentation – et à basse pression (10–50 mbars). Le procédé consiste en deux étapes : la décomposition de l’ammoniac et la diffusion de « l’azote activé », puis la décomposition de l’acétylène et la diffusion du carbone. La décomposition de l’acétylène est un phénomène très complexe, dépendant de la température, de la pression et du temps de séjour des molécules (temps de présence de l’acétylène dans un four). Différents produits de réaction se forment : de petites molécules (H₂, CH₄, C₂H₄, C₆H₆, etc.), du graphite fin (celui qui diffuse dans la surface métallique), des hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP), de la suie, etc. La présente étude est basée sur une modélisation cinétique (en utilisant Chemkin 17.1) de la décomposition de l’acétylène dans l’atmosphère d’un réacteur. Pour cette modélisation, trois mécanismes de la littérature sont considérés : le mécanisme de K. Norinaga (incluant 227 espèces et 827 réactions), le mécanisme de T. Bensabath (incluant 364 espèces et 1245 réactions) et le mécanisme de C. Saggese (incluant 350 espèces et plus de 10 000 réactions). La comparaison des résultats de la simulation avec les données expérimentales de la littérature a montré un bon accord, démontrant leur applicabilité pour la modélisation du procédé industriel. Une étude paramétrique suggère le meilleur jeu de paramètres pour la décomposition de l’acétylène dans un four.