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Verfahren und Vorrichtung zum entkohlenden und entstickenden sowie zum Blankglühen von Stahl
Es ist bekannt, Stahlblechen Kohlenstoff und Stickstoff durch Ausglühen in einer feuchten Wasserstoff- atmosphäre zu entziehen. Man weiss auch seit langem, dass man durch diese Behandlung beim Entziehen der letzten Spuren von Kohlenstoff und Stickstoff aus einem Blech aus unberuhigte Stahl dieses vollkom- men unempfindlich gegen Altern machen kann. Über diesen Gegenstand sind zahlreiche Studien und Experimente angestellt worden. Es sei insbesondere auf das sehr gründliche Exposé von J. R. Low und H. Jensamer in "Metals Technology", Dezember 1943, verwiesen.
Trotz des grossen technischen Interesses an einem solchen Verfahren für die Herstellung von Tiefziehblech fand keine praktische Anwendung statt, weil die Kosten eines solchen Ausglühvorganges im Verhältnis zum Preis eines guten Bleches viel zu hoch waren. Zwei Hauptfaktoren belasten nämlich die Herstellungskosten : Einerseits die sehr geringe Produktionskapazität der kontinuierlich betriebenen Glüh- öfen, die an Stelle der Haubenglühöfen verwendet werden müssen, um die Gasatmosphäre auf das Blech einwirken zu lassen, und anderseits die hohen Auslagen für reines Wasserstoffgas. Da die Behandlung zugleich kohlenstoff- und stickstoffentziehend sein soll, muss das Wasserstoffgas in bezug auf Kohlenoxyd, Kohlenwasserstoffe und Stickstoff ganz besonders rein sein.
Derzeit scheint der erste der erwähnten Faktoren eine Lösung gefunden zu haben : Man rollt die Bleche zu nicht fugendichten Spiralen mit solcher Genauigkeit, dass das im Haubenglühofen zirkulierende Gas zwischen den einzelnen Lagen der Spirale hindurchstreichen und auf die ganze Fläche des so eingerollten Bleches hinreichend gleichmässig einwirken kann.
Der zweite Faktor ist dagegen nicht zufriedenstellend gelöst worden : Damit das Verfahren angewendet werden kann, ist es notwendig, die Kosten der grossen Mengen reinen Wasserstoffes, die sich in der Praxis als erforderlich herausgestellt haben, beträchtlich herabzusetzen.
Infolge der Kohlenstoff- und Stickstoffentziehung wird das im Ofen zirkulierende feuchte Wasserstoffgas mit Kohlenoxyd und freiem oder gebundenem Stickstoff angereichert. Das Ausmass der Entkohlung und Denitrierung, das notwendig ist, um die Alterungstendenz zu unterdrücken, ist besonders hoch : Tatsächlich entziehen sich die Spuren von Kohlenstoff und Stickstoff, die man bestehen lassen kann, den gegenwärtigen Möglichkeiten der Analyse.
Die Erfindung zeigt, dass so geringe Gehalte an Kohlenstoff und Stickstoff bei annehmbarer Gluh- dauer nur erlangbar sind, wenn die in der Atmosphäre des Ofens bzw. der Öfen zirkulierenden Gase hinreichend erneuert werden, um ihren eigenen Gehalt an Kohlenoxyd und Stickstoff sehr niedrig zu halten. Es ist tatsächlich gelungen, nicht alternde Bleche zu erzeugen, indem man Wasserstoff in Mengen von etwa 10 m3 je Stunde und pro Tonne Stahl durch 20 Stunden hindurch anwendet. Diese Zahlen stellen wohl nicht die unbedingt notwendigen Grenzen dar, legen jedoch die Grössenordnung fest und veranschaulichen die Bedeutung der Ausgaben für Wasserstoff.
Gemäss der vorliegenden Erfindung werden nun die in der Atmosphäre des Glühofens zirkulierenden und im Laufe ihres Durchstreichens durch den Ofen durch Kohlenoxyd und Stickstoff verunreinigten Gase einer Reinigung unterzogen und dann wieder in den Kreislauf zurückgeführt. Diese Reinigung entfernt aus dem feuchten Wasserstoff nur das Kohlenoxyd und gegebenenfalls Spuren von gebundenem Stickstoff, nicht
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aber den freien Stickstoff. Die vollständige Reinigung von Kohlenoxyd und molekularem und atomarem
Stickstoff, die an sich eine logische Massnahme wäre, ist zu kostspielig.
Gemäss der Erfindung begrenzt man den Stickstoffgehalt durch folgenden Kunstgriff : Beim Austritt der Reinigungsvorrichtung für Kohlen- oxyd zweigt man einen Teil des Gases ab, der hinreichend ist, um eine merkliche Zunahme des Stick- stoffgehaltes des im Ofen zirkulierenden Gases zu verhindern. Dieses abgezweigte Gas, das aus Wasser- stoff mit einer geringen Beimengung von Stickstoff und Wasserdampf besteht, findet normalerweise eine wirtschaftliche Verwendung bei der Erzeugung von HNX-Gas für die traditionellen Glühöfen.
Unter'merklicher Zunahme des Stickstoffgehaltes ist eine Zunahme bis zur Grössenordnung von 0, o zu verstehen. Das"HNX"-Gas ist bekanntlich ein Gemisch von trockenem Stickstoff mit Wasserstoff, in welchemderGehaltan molekularem Wasserstoff im allgemeinen 5-10'/0 beträgt. Dieses Gas ist als Glüh- atmosphäre sehr beliebt, denn es ermöglicht die Herstellung von Blechen mit besonders reiner Oberfläche und kann kein explosibles Gemisch bilden. Gemäss der Erfindung erzeugt man das HNX-Gas,. indem man zu reinem Stickstoff im angemessenen Verhältnis das aus der Reinigungsanlage des feuchten Wasserstoffes entnommene, gegebenenfalls getrocknete Gas hinzufügt.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass das Wasserstoffgas zweimal verwendet wird, nämlich zuerst in reinem Zustand und feucht im Ofen zum Glühen von nicht alternden Blechen und dann in einem ge- wöhnlichen Ofen mit HNX-Atmosphäre.
Auf welche Art der Stickstoff zur Erzeugung des HNX-Gases gewonnen wird, ist an sich gleichgültig.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass grosse Anlagen zur Erzeugung von Sauerstoff durch Fraktionieren flüssiger Luft in der Eisenindustrie und besonders in Blechwalzwerken immer gebräuchlicher werden.
Gemäss der Erfindung wird ein Teil des durch Stickstoff verunreinigten Wasserstoffgases abgezweigt, der eine besonders wirtschaftliche Verwendung findet, indem durch Mischung mit Stickstoff HNX-Gas erzeugt wird. Der Stickstoff kann in den Anlagen zur Gewinnung von Sauerstoff in grossen Mengen und mit einem Sauerstoffgehalt von höchstens 30 Teilen pro Million gewonnen werden.
Übrigens ist auch der weniger wirtschaftliche Weg, das abgezweigte Gas, statt zur Erzeugung von HNX-Gas zu verwenden, zu verbrennen oder abzublasen im Rahmen der Erfindung gangbar. Unter den gegenwärtigen wirtschaftlichen Bedingungen besteht die günstigste Methode zur Erzeugung von Wasserstoff ohne Stickstoff oder Kohlenstoffverbindungen darin, flüssige oder gasförmige Kohlenwasserstoffe in Gegenwart von Sauerstoff bzw. Wasserdampf zu kracken. Das schliesst jedoch ein Verfahren zur Reinigung des beim Kracken auftretenden Kohlenoxydes ein, welches in der Umwandlung des Kohlenoxydes in Wasserstoff und Kohlensäure unter der Einwirkung von Wasserdampf und dem Entzug der Kohlensäure durch Waschen besteht.
Um den geforderten hohen Reinheitsgrad zu erreichen, ist es wünschenswert, die beiden Reinigungsstufen in Serie durchzuführen. Das Reinigungsverfahren ist im Prinzip das gleiche wie das bei der Erfindung benützt, um die wieder in den Kreislauf gebrachten Gase der Atmosphäre von Kohlenoxyd zu befreien. Die Anlage kann erfindungsgemäss vereinfacht werden, indem man die Reinigungsvorrichtung gleichzeitig für das aus dem Ofen kommende, wieder in Umlauf zu bringende Gas und-als zweite Stufezur Reinigung des zugesetzten Wasserstoffes verwendet.
In diesem Fall wird die Kapazität der Anlage wesentlich grösser als jene der ersten Stufe zur Reinigung des Zuschussgases ; das Verhältnis der Kapazitäten beträgt zwischen 5 und 15. Diese Reinigungsvorrichtungen sind vorgesehen, um den Gehalt an Kohlenoxyd unter 0, 3% zu halten.
In der Zeichnung sind das Verfahren und die Vorrichtung gemäss der Erfindung an Hand eines Beispieles schematisch veranschaulicht.
Die durch die Leitung 1 kommenden Kohlenwasserstoffe werden in der Krackvorrichtung 4 in Gegenwart von Sauerstoff und Wasserdampf, die durch die Leitungen 2 bzw. 3 kommen, gekrackt. Das Krackgas gelangt durch die Leitung 5 in die Reinigungsvorrichtung 6, in welcher es eine Reinigung durch Umwandlung des Kohlenoxydes und Absorption der Kohlensäure erfährt.
Das Gas gelangt hierauf durch die Leitung 7 in die zweite Reinigungsvorrichtung 8, die analog der ersten, aber ungefähr zehnmal grösser ist. Das von Kohlenoxyd gereinigte und gegebenenfalls mit Wasserdampf versetzte Gas gelangt dann durch die Leitung 9 zu dem Ofen (den Öfen) 10. In diesem wird das zu einer lose geschichteten Spirale gerollte Blech 11 geglüht und der Einwirkung der durch einen Ventilator 12 in Umlauf gesetzten Atmosphäre ausgesetzt. Ein Teil des Gases, der praktisch der durch die Leitung 9 in den Ofen eingeführten Gasmenge gleich ist, wird durch die Leitung 13 abgezogen und nach Durchgang durch die Reinigungsvorrichtung 8 wieder in den Ofen zurückgeführt.
Aus der Leitung 9 wird ein Teil des Gases, der etwa der in der Krackvorrichtung 4 erzeugten Wasserstoffmenge entspricht, durch die Leitung 14 abgezweigt und sodann mit reinem Stickstoff gemischt, der durch die Leitung 15 zugeführt
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wird, um HNX-Gas zu erzeugen. Dieses wird durch die Leitung 16 auf Glühöfen 17 und 18 verteilt. Durch eine Leitung 19 kann gegebenenfalls Wasserdampf zugeführt werden.
PATENTANSPRÜCHE-
1. Verfahren zum entkohlenden und entstickenden sowie zum Blankglühen von Stahl in einer feuchten Wasserstoffatmosphäre einerseits sowie in einer aus überwiegend Stickstoff neben kleineren Mengen Wasserstoff enthaltenden BIankglühatmosphäre anderseits, dadurch gekennzeichnet, dass von der entkohlenden und entstickenden, Im Ofen umgewälzten feuchten Wasserstoffatmosphäre kontinuierlich ein Teil entnommen und nach einer Reinigungsbehandlung von Kohlenoxyd und Stickstoffverbindungen durch Konver-
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führt wird und gleichzeitig der Stickstoffgehalt dieses zirkulierenden Gases dadurch kontrolliert wird, dass ihm kontinuierlich ein Teil entnommen wird, welcher vorzugsweise einer Uberwiegend aus Stickstoff bestehenden Blankglühatmosphäre vom Typ HNX zugeführt wird,
welche in den dafür geeigneten Öfen gleichzeitig verwendet wird.