Verfahren und Vorrichtung zur Aufkohlung von Eisen und Eisenlegierungen Das Verfahren der vorliegenden Erfin- clung betrifft die Einbringung von Kohlen stoff in Eisen und Eisenlegierungen, insbe sondere in kohlenstoffarme Stähle, über die Gasphase. Es ist zwar bekannt, kohlenstoff- arme Stähle dadurch aufzukohlen, dass man sie mit kohlenden Gasen bei Temperaturen oberhalb 800 behandelt, wobei die Gase ausser halb des Kohlungsraumes erzeugt werden.
Zu diesem Zweck verwendet man Generatoren, in denen feste kohlenstoffhaltige Substanzen unter beschränktem Sauerstoffzutritt ver gast werden. Es ist auch üblich, Gase, wie Stadtgas oder Naturgas, unter Luftmangel in speziellen Generatoren zu verbrennen und das Verbrennungsprodukt nach Abtrennung von Wasser und Kohlendioxyd in den Koh- lungsofen einzuleiten. Dabei können diese Gase gegebenenfalls auch durch Zusatz von Kohlenwasserstoffen, wie Butan oder Propan, in genau dosierten Mengen karburiert werden.
Man kann auch derartig verfahren, dass das aufzukohlende Gut in kohlenstoffhaltige Pulver eingepackt oder mit einer Paste aus derartigen Stoffen bestrichen und unter Luft- absehluss auf die Kohlungstemperatur, die im allgemeinen zwischen 800 und 950 liegt, er wärmt wird, bis die Kohlung die gewünschte Tiefe erreicht hat.
Diese Verfahren erfordern entweder erheb liche Aufwendungen für Einrichtungen zur Herstellung, Kontrolle und Dosierung der Kohlungsgase oder sind nicht genügend regu lierbar, um eine gleichmässige Kohlung von beliebig grossen Einsätzen zu ermöglichen. Das Einpackverfahren schliesst die Gefahr der Überhitzung und damit Überkohlung oder gar der lokalen Aufschmelzung des zu kohlenden Gutes nicht mit Sicherheit aus und arbeitet zudem wegen der schlechten Wärmeleitfähig keit der Kohlungsmittel mit schlechtem ther mischem Wirkungsgrad.
Mit dem Verfahren der vorliegenden Er findung können diese Nachteile wirksam ver mieden werden. Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkohlung von Eisen und Eisenlegierungen über die Gasphase, das da durch gekennzeichnet ist, dass das Kohlungs- gas im Kohlungsraum selbst durch Umsetzung von in diesem getrennt von dem zu kohlenden Gut angeordneten festen kohlenstoffhaltigen Substanzen mit einem sauerstoffhaltigen Gas erzeugt wird, wobei die das Kohlungsgas lie fernden festen Substanzen höchstens<B>115</B> vom Volumen des Kohlungsraumes einnehmen. Als sauerstoffhaltiges Gas kann insbesondere Luft verwendet werden.
Die zur Lieferung des Kohlungsgases be fähigten festen kohlenstoffhaltigen Substan zen können vorzugsweise etwa 1110 oder höch stens 1/1o vom Volumen des Kohlungsraumes einnehmen. Im Gegensatz zum Einpackv erfahren wird somit das Kohlungsgas zwar ebenfalls im Koh- lungsraum, jedoch von dem zu kohlenden Gut räumlich getrennt erzeugt.
Gegenüber den bis her für die Kohlung benutzten Verfahren wird jeglicher Aufwand für die Erstellung und Beheizung besonderer Generatoren vermieden, ohne dass, wie beim Einpacken in kohlenstoff haltiges :Material, die Gefahr der partiellen Überkohlung und Zerstörung der Oberfläche der Werkstücke durch den unmittelbaren Kon takt mit den kohlenstoffhaltigen Substanzen besteht.
Das Arbeiten nach dem Verfahren der Er findung gestaltet sich ausserordentlich ein fach, da es lediglich erforderlich ist, das be nutzte kohlenstoffhaltige Material in den Ofen, zweckmässigerweise in darin befindliche Behälter, einzubringen, den Ofen auf die Koh- lungstemperatur zu erwärmen und das zu kohlende Gut in den Kohlungsraum einzufah ren.
Bei der für den Kohlungsvorgang erfor derlichen Temperatur bildet sich automatisch mit dem im Kohlungsraum befindlichen oder zusätzlich eingeleiteten sauerstoffhaltigen Gas das Kohlungsgas, dessen Zusammensetzung in einfacher Weise durch die Menge des sauer stoffhaltigen Gases, die Temperatur und die Art und Verteilung des kohlenstoffhaltigen Materials gesteuert werden kann.
Sobald die erforderliche Kohlungstiefe unter den durch einfache Versuche festzulegenden Bedingun gen erreicht ist, kann das Bekohlte Gut aus gefahren und durch frisches ersetzt werden, solange noch ausreichende Mengen der das Kohlungsgas erzeugenden festen Substanzen im Kohlungsraum vorhanden sind.
Als feste Substanzen zur Erzeugung des Kohlungsgases haben sich Formkörper aus Kohle, insbesondere aus Holzkohle, ganz ausserordentlich bewährt. Solche Formkör per werden vorzugsweise aus Holzkohlenstaub mit oder ohne Bindemittel, gegebenenfalls unter Zusatz von Aktivatoren, wie Karbo- naten von Alkalien oder Erdalkalien herge stellt. Die erhaltenen Presslinge werden dabei vor der Verwendung zweckmässig getrocknet und eventuell geglüht. Sie können auch als Granulat in Körnungen zwischen 3 und 6 mm für die Kohlung benutzt werden.
Als besonders wirksam haben sich für die Durchführung des Verfahrens der Erfindung Holzkohlenformkörper erwiesen, denen fein verteilte Metalle oder Metallgemische entweder in Form von Metallpulver oder geeigneten organischen oder anorganischen Verbindun gen, die beim Glühen des Materials in fein verteiltes Metall übergehen, zugesetzt sind.
Gut geeignet sind die Metalle der Eisen gruppe, insbesondere Visen oder Nickel. Durch Anwendung der Metallaktivatoren kann der Zusatz an Karbonaten der Alkalien oder Erd alkalien in vorteilhafter Weise herabgesetzt. werden, so dass die nach dem Verbrauch der das Kohlungsgas liefernden kohlenstoffhal tigen Substanz gebildete Asche arm an Alkali- oder Erdalkaliverbindungen ist und dadurch weniger schädigend auf das Ofenbaumaterial wirken kann.
Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist gekenn zeichnet durch einen der Aufnahme des zu kohlenden Gutes dienenden Ofen, in dessen Innenraum gasdurchlässige Behälter zur Auf nahme der das Kohlungsgas liefernden Sub stanz angeordnet sind.
Als gasdurchlässige Behälter für die das Kohlungsgas erzeugenden kohlenstoffhaltigen Substanzen kommen z. B. an den Wandun gen des Kohlungsraumes befestigte Taschen oder andersartige Behälter aus gelochten Ble chen, Drahtgewebe oder Streckmetall in Be tracht. Mit gleichem Erfolg können die Be hälter auch in Form von gelochten Siebböden unter, zwischen oder über dem Kohlungsgut vorgesehen werden. Die Behälter werden vor zugsweise derart eingeriehtet, dass sie aus dem Kohlungsraum zwecks Auffrischung der Füllung leicht entfernt werden können.
Nach einer andern Ausführungsform der Erfin dung werden diese Behälter an den Wänden oder den Deckeln des Kohlungsraumes derart angebracht, dass sie ohne Störung des Ofen betriebes von aussen durch Füllklappen, Stut zen oder ähnliche an sich bekannte Vorrieh- tungen neu beschickt werden können.
Die Verteilung der Behälter für die das Kohlungsgas im Kohlungsraum erzeugenden kohlenstoffhaltigen Materialien richtet sich weitgehend nach der Konstruktion des Koh- lungsraumes, nach der Art der Beheizung sowie nach der Menge und der Beschaffenheit des einzusetzenden zu kohlenden Gutes.
Als Kohlungsraum können Öfen beliebiger Art verwendet werden, und zwar sowohl dis kontinuierlich wie kontinuierlich arbeitende. Das Verfahren kann demgemäss beispielsweise in normalen Kammeröfen, die seitlich oder auch von oben geschlossen werden können, durehgeführt werden. Man kann jedoch auch kontinuierliche Öfen verwenden, die laufend beschickt. und entleert werden. Der Trans port des Aufkohlungsgutes kann dabei in Kästen oder Siebböden auf beliebig gestalteten Unterlagen erfolgen, die mittels Einstossvor- riehtungen oder durch Hubbalken oder auf ähnliche Weise durch den Ofen bewegt wer den.
Für einen raschen und gleichmässigen Ver lauf der Kohlung ist es wesentlich, dass die im Ofen befindlichen oder in ihn eingeleiteten sauerstoffhaltigen Gase leicht Zutritt zu dem das Kohlungsgas bildenden festen kohlenstoff- lialtigen Material haben. Es kann daher zweckmässig sein, die Zuleitungen für die sauerstoffhaltigen Gase in den Kohlungsraum so vorzusehen, dass die Gase die kohlenstoff haltigen Substanzen bei ihrem Eintritt auf einer möglichst grossen Fläche durchstrei chen.
Dabei ist es für eine schnelle Bildung des Kohlungsgases weiterhin günstig, die sauerstoffhaltigen Gase, insbesondere Luft, vor dem Durchtreten durch die kohlenstoffhaltigen Substanzen vorzuwärmen, was etwa durch die Abgase des Kohlungsofens oder durch geeig nete Führung der Zuleitungen in der Wan dung des geheizten Kohlungsraumes erfolgen kann.
Um eine ständige Berührung mit den das Kohlungsgas bildenden Substanzen zu ge währleisten, werden mit Vorteil im Kohlungs- raum Mittel angebracht, die die Ofenatmo sphäre in Bewegung halten und umwälzen. Hierdurch wird erreicht, dass nicht nur die zur Bildung des Kohlungsgases führende Re aktion beschleunigt, sondern auch dessen Re generation gefördert und überdies eine schnelle und gleichmässige Erwärmung des zu kohlenden Gutes erfolgen kann.
Wie schon erwähnt, sind für die Durch führung des Verfahrens verschiedenartige Vorrichtungen brauchbar, von denen einige Ausführungsformen an Hand der Fig. 1 bis 3 beispielsweise erläutert werden.
Fig. 1 zeigt einen Kammerofen im Längs schnitt, bei dein der besseren Übersicht halber, die ausserhalb des Ofenraumes liegende Hei zung fortgelassen ist. In Fig. 2 ist eine Ofen form dargestellt, bei der die Beschickung durch Abheben des Deckels von oben erfolgt, während Fig. 3 einen kontinuierlich arbei tenden Ofen mit Hubbalkenförderung wieder gibt. Auch in diesen Figuren sind die zweck mässig ausserhalb des Kohlungsraumes lie genden Elemente nicht gezeichnet.
In Fig. 1 bedeutet 1 den eigentlichen Kohlungsraum, der durch die mit dem Deckel 2 verschlossene seitliche Öffnung beschickt wird. Das Härtegut 4 befindet sich auf einer auf dem Boden der Kammer stehenden Unter lage 3. An den Seitenwänden der Kammer sind bei 5 und 6 Kästen aus Siebblech für die Aufnahme der das Kohlungsgas erzeu genden kohlenstoffhaltigen Substanz vorge sehen, während sich an der Decke des Koh- lungsraumes der Ventilator 7 befindet.
In die Decke der Kammer ist die Luftzuleitung 8 in Form einer Rohrschlange eingelassen und mündet bei 9 in den Kohlungsraum. Die Abzweigleitung 10 ermöglicht es weiterhin, das Gas ganz oder zum Teil durch die Beschik- kung der Behälter 5 und 6 in den Ofenraum einzuführen.
Bei der Ausführungsform der Fig. 2 liegt die Öffnung des Kohlungsraumes auf der Oberseite, so dass das Kohlungsgut auf Ge stellen oder in Kästen 11 von oben in den Ofen eingebracht werden kann. Der Deckel 12 ist in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer Sandtasse oder durch einen Flüssigkeitsver- schluss 13 abgedichtet. Das Kohlungsgut ist auf einer gasdurchlässigen Unterlage etwa aus Lochblechen oberhalb des Behälters 14 für die das Kohlungsgas liefernde kohlen stoffhaltige Substanz angeordnet.
Zweck mässig besteht dabei auch der Behälter 14 zu mindest an der dem Kohlungsgut zugekehrten Seite aus gasdurchlässigem Material, wie z. B. Lochblechen. Die Vorrichtung enthält ausser dem noch an den Schmalseiten des Kohlungs- raumes Ventilatoren 15 und 16 für die Gas umwälzung sowie eine Zuführung 17 für die sauerstoffhaltigen Gase, z. B. Luft. Gege benenfalls können durch diese Zuführung auch karburierende Stoffe zusätzlich einge führt werden.
Bei der Vorrichtung gemäss Fig. 3 wird das Einsatzgut 18 in flachen Kästen 19 durch den Ofenraum mit Hilfe eines Hubbalkens 20 ge fördert. An den Längswänden des Ofens sind die Behälter 21 für die kohlenstoffhaltige Sub stanz zur Erzeugung des Kohlungsgases an gebracht. Der Ofenraum ist mit Hilfe der Federtüren 22 beiderseitig verschlossen. An sich ist es möglich, auch bei derartigen Öfen etwa an der Decke des Kohlungsraumes einen oder mehrere Ventilatoren für die Gasumwäl zung anzubringen, jedoch ist durch das häu fige Öffnen und Schliessen des Ofens bei der kontinuierlichen Art der Beschickung und Austragung eine gewisse Bewegung der Ofen atmosphäre unter weiterem Zutritt von Luft zwangläufig gegeben.
Aus diesem Grunde ist es auch nicht unbedingt erforderlich, zu sätzliche Luftmengen einzuleiten, was jedoch im Bedarfsfalle beispielsweise durch die Zu leitungen 23 an verschiedenen Stellen des Kohlungsraumes erfolgen kann. Bei der kon tinuierlichen Durchführung der Kohlung, wie sie etwa in einer Vorrichtung gemäss Fig.3 vorgenommen werden kann, ist die Möglich keit einer Neubeschickung der das kohlen stoffhaltige Material aufnehmenden Behälter 21 von aussen von besonderer Wichtigkeit. Man kann im übrigen auch das kohlenstoff haltige Material getrennt vom Kohlungsgut durch den Ofen befördern, indem Behälter mit diesem Material abwechselnd mit den Be hältern für das zu kohlende Gut in den Ofen eingefahren werden.
Im Hinblick auf eine weitgehende Ausnutzung der kohlenstoffhal tigen Substanzen für die Erzeugung des Koh- lungsgases und die Gleichmässigkeit des Koh- l.ungsvorganges ist. es jedoch vorteilhafter, wie ausführlich beschrieben, feste Behälter für dieses Material vorzusehen, in denen es bei weitgehend konstanter Temperatur gleich mässig mit der sauerstoffhaltigen Ofenatmo sphäre reagiert.
Method and device for the carburization of iron and iron alloys The method of the present invention relates to the introduction of carbon into iron and iron alloys, in particular into low-carbon steels, via the gas phase. It is known that low-carbon steels can be carburized by treating them with carburizing gases at temperatures above 800, the gases being generated outside the carburizing area.
For this purpose, generators are used in which solid carbonaceous substances are gasified with restricted access to oxygen. It is also common practice to burn gases such as town gas or natural gas in special generators with a lack of air and to pass the combustion product into the coal furnace after separating the water and carbon dioxide. These gases can optionally also be carburized by adding hydrocarbons such as butane or propane in precisely metered amounts.
One can also proceed in such a way that the material to be carburized is wrapped in carbonaceous powder or coated with a paste of such substances and heated to the carburization temperature, which is generally between 800 and 950, with the exclusion of air until the carburization is the desired depth has reached.
These methods either require considerable expenses for facilities for the production, control and metering of the carbonization gases or are not sufficiently regulatable to enable uniform carbonization of any size of operation. The packing process does not rule out the risk of overheating and thus overcarburization or even local melting of the goods to be carbonized and also works with poor thermal efficiency due to the poor thermal conductivity of the carbonic agents.
With the method of the present invention, these disadvantages can be effectively avoided. The invention relates to a method for carburizing iron and iron alloys via the gas phase, which is characterized in that the carburizing gas is generated in the carburizing chamber itself by reacting solid carbonaceous substances with an oxygen-containing gas, which are arranged separately from the material to be carbonized , wherein the solid substances delivering the carbonization gas take up at most <B> 115 </B> of the volume of the carbonization space. Air in particular can be used as the oxygen-containing gas.
The solid carbonaceous substances capable of delivering the carbonaceous gas can preferably occupy about 1110 or at most 1 / 1o of the volume of the carbonized space. In contrast to the packing method, the carbonization gas is also generated in the carbonization space, but spatially separated from the material to be carbonized.
Compared to the processes previously used for carbonization, any effort for the creation and heating of special generators is avoided without the risk of partial overcarburization and destruction of the surface of the workpieces through direct contact, as is the case with packaging in carbonaceous material the carbonaceous substances.
Working according to the method of the invention is extremely simple, since it is only necessary to bring the carbonaceous material used into the furnace, expediently in the container located therein, to heat the furnace to the coal temperature and to bring the material to be carbonized Easy to drive into the carbonization area.
At the temperature required for the carbonization process, the carbonation gas is formed automatically with the oxygen-containing gas located in the carbonization room or additionally introduced, the composition of which can be controlled in a simple manner by the amount of the oxygen-containing gas, the temperature and the type and distribution of the carbon-containing material .
As soon as the required carbonization depth is reached under the conditions to be determined by simple experiments, the coaled goods can be driven out and replaced with fresh ones, as long as sufficient quantities of the solid substances producing the carbonization gas are still present in the carbonization space.
Shaped bodies made of charcoal, in particular charcoal, have proven to be extremely useful as solid substances for generating the carbonization gas. Such shaped bodies are preferably made from charcoal dust with or without binders, optionally with the addition of activators, such as carbonates of alkalis or alkaline earths. The pellets obtained are expediently dried and possibly calcined before use. They can also be used as granules in grain sizes between 3 and 6 mm for carburization.
Charcoal moldings to which finely divided metals or metal mixtures either in the form of metal powder or suitable organic or inorganic compounds which are converted into finely divided metal when the material is annealed have been found to be particularly effective for carrying out the process of the invention.
The metals of the iron group, in particular Visen or nickel, are very suitable. By using the metal activators, the addition of carbonates of the alkalis or alkaline earths can be reduced in an advantageous manner. so that the ash formed after the consumption of the carbonaceous substance supplying the carbonaceous gas is poor in alkali or alkaline earth compounds and can therefore be less damaging to the furnace construction material.
The device for carrying out the method according to the invention is characterized by a furnace serving to receive the material to be carbonated, in the interior of which gas-permeable containers for receiving the substance supplying the carbon gas are arranged.
As a gas-permeable container for the carbonaceous substances generating the carbonaceous gas, z. B. on the Wandun gene of the Kohlungsraumes attached bags or other types of containers made of perforated Ble surfaces, wire mesh or expanded metal in Be tracht. With the same success, the loading containers can also be provided in the form of perforated sieve bottoms under, between or over the carbon material. The containers are preferably lined up in such a way that they can be easily removed from the carbonization space in order to freshen up the filling.
According to another embodiment of the invention, these containers are attached to the walls or the lids of the carbonization space in such a way that they can be reloaded from the outside through filling flaps, stubs or similar devices known per se without disturbing the furnace operation.
The distribution of the containers for the carbonaceous materials that produce the carbon dioxide in the carbon dioxide chamber is largely based on the construction of the carbon chamber, the type of heating and the quantity and nature of the material to be carbonated.
Furnaces of any type can be used as the carbonation chamber, both continuously and continuously. The process can accordingly be carried out, for example, in normal chamber furnaces that can be closed from the side or from above. However, you can also use continuous ovens that are continuously loaded. and be emptied. The material to be carburized can be transported in boxes or sieve trays on any shaped base that is moved through the furnace by means of push-in devices or by walking beams or in a similar manner.
For a rapid and uniform course of the carbonization, it is essential that the oxygen-containing gases located in the furnace or introduced into it have easy access to the solid carbonaceous material forming the carbonization gas. It can therefore be expedient to provide the feed lines for the oxygen-containing gases in the carbonization chamber in such a way that the gases cross the carbon-containing substances on as large an area as possible when they enter.
For the rapid formation of the carbon dioxide gas, it is still beneficial to preheat the oxygen-containing gases, especially air, before they pass through the carbon-containing substances, which can be done, for example, by the exhaust gases from the carbon furnace or by appropriately routing the supply lines in the wall of the heated carbon chamber can.
In order to ensure constant contact with the substances forming the carbon dioxide gas, it is advantageous to place means in the carbon dioxide chamber which keep the furnace atmosphere moving and circulate it. This ensures that not only the reaction leading to the formation of the carbonization gas is accelerated, but also its regeneration is promoted and, moreover, the material to be carbonized can be heated quickly and evenly.
As already mentioned, various types of devices can be used to carry out the method, some of which embodiments are explained with reference to FIGS. 1 to 3, for example.
Fig. 1 shows a chamber furnace in the longitudinal section, in your sake of clarity, the heating outside the furnace space is omitted. In Fig. 2, a furnace is shown shape in which the loading is carried out by lifting the lid from above, while Fig. 3 is a continuously arbei border furnace with walking beam conveyor again. In these figures, too, the elements that are expediently located outside the carbonization space are not shown.
In Fig. 1, 1 denotes the actual carbonization space, which is charged through the side opening closed with the cover 2. The hardening material 4 is on a standing on the bottom of the chamber document 3. On the side walls of the chamber are 5 and 6 boxes made of sieve plate for the inclusion of the carbonaceous gas erzeu lowing carbonaceous substance see easily, while on the ceiling of the Koh - ventilation space of the fan 7 is located.
The air supply line 8 is let into the ceiling of the chamber in the form of a pipe coil and opens at 9 into the carbonization space. The branch line 10 also makes it possible to introduce all or part of the gas into the furnace space through the loading of the containers 5 and 6.
In the embodiment of FIG. 2, the opening of the carbonization space is on the top side, so that the carbonization material can be placed on Ge or placed in boxes 11 from above into the furnace. The cover 12 is sealed in a manner known per se with the aid of a sand cup or a liquid seal 13. The carbon material is arranged on a gas-permeable base, for example made of perforated metal sheets, above the container 14 for the carbon-containing substance which supplies the carbon gas.
Appropriately, there is also the container 14 at least on the side facing the coal material made of gas-permeable material, such as. B. perforated sheets. The device also contains fans 15 and 16 on the narrow sides of the carbon dioxide chamber for circulating the gas and a feed 17 for the oxygen-containing gases, e.g. B. Air. If necessary, carburizing substances can also be introduced through this feed.
In the device according to FIG. 3, the charge 18 is promoted in flat boxes 19 through the furnace chamber with the help of a walking beam 20 ge. On the longitudinal walls of the furnace, the container 21 for the carbonaceous substance are brought to generate the carbon dioxide. The furnace chamber is closed on both sides with the aid of the spring doors 22. In principle, it is possible to install one or more fans for the gas circulation in such ovens, for example on the ceiling of the carbonization room, but the frequent opening and closing of the oven with the continuous type of loading and unloading causes a certain movement of the oven atmosphere inevitably given with further admission of air.
For this reason, it is also not absolutely necessary to introduce additional amounts of air, which, however, can be done if necessary, for example through the lines 23 at different points in the carbonization space. When the carbonization is carried out continuously, as can be done in a device according to FIG. 3, the possibility of refilling the container 21 containing the carbon-containing material from the outside is of particular importance. You can also convey the carbon-containing material separately from the material to be carbonated through the furnace by moving containers with this material alternately with the loading containers for the material to be carbonated into the furnace.
With regard to the extensive utilization of the carbon-containing substances for the generation of the carbon gas and the uniformity of the carbonization process. However, it is more advantageous, as described in detail, to provide solid containers for this material, in which it reacts uniformly with the oxygen-containing furnace atmosphere at a largely constant temperature.