Bei den bekannten Verfahren zur Gasaufkohlung (DP 1192468 oder schweiz. Patent 404 338) hat sich gezeigt, dass über den Gehalt der Gasatmosphäre an einer für das Kohlenstoffpotential kritischen Komponente die Aufkohlung regelbar ist. Bei diesem Verfahren dient z.B. Methanol als trägergaserzeugende Flüssigkeit und z.B. Äthylacetat und/oder Aceton als eigentliches Kohlungsmittel. Die beiden Flüssigkeiten werden in den heissen Kohlungsofen eingetropft. Ihre Spaltprodukte bewirken die Aufkohlung, wobei diese eine kürzere Kohlungszeit benötigt als sie mit den üblichen endothermen Generatorgasverfahren unter Verwendung von z.B.
Propan oder Erdgas möglich ist, jedoch ist es in gewissen Fällen wünschenswert, die Kohlungsgeschwindigkeit noch weiter zu steigern.
Es hat sich gezeigt, dass die höchsten Aufkohlungsgeschwindigkeiten mit Gasgemischen enthaltend etwa 50 Vol.- % CO und 50 Vol.-OJo H2 erreicht werden können. Wird die Kohlenmonoxidmenge des Gasgemisches weitergesteigert, so sinkt die Aufkohlungsgeschwindigkeit wieder und ist bei CO-Gehalten über 90% sehr gering. Aus dieser Tatsache ergibt sich, dass somit nicht - wie allgemein angenommen das Boudouard'sche Gleichgewicht 2 CO S C + CO2 die wichtigste Kohlungsreaktion ist, sondern CO + H s C + H20.
Es wurde nun überraschenderweise festgestellt, dass man dann bei dem Verfahren zum regelbaren Aufkohlen der Oberflächenschicht von Werkstücken aus Stahl durch Gasauskohlung mit einem Gasgemisch eine besonders hohe Aufkohlungs geschwindigkeit erreicht, wenn man erfindungsgemäss ein Gasgemisch verwendet, das durch Überleiten von Wasserdampf über ein Kohlegranulat bei einer Temperatur zwischen 750 und 1 1000C hergestellt worden ist. Bei diesem Gasgemisch handelt es sich also im wesentlichen um ein Synthesegas mit etwa gleichem Anteil Kohlenmonoxid und Wasserstoff neben den gleichgewichtsbedingten Anteilen an Kohlendioxid und Wasserdampf. Mit einem derartigen Synthesegas kann das Kohlenstoffpotential im Kohlungsofen über die Temperatur bei der Herstellung dieses Gasgemisches gesteuert werden.
Es ist auch möglich, dem erfindungsgemässen Gasgemisch zusätzliche Kohlungsmittel in Form von flüssigen Kohlenwasserstoffen oder deren sauerstoffhaltige Derivate, insbesondere Isopropanol, Aceton oder Äthylacetat, in den Gasgenerator oder in den Kohlungsofen in der momentan benötigten Menge zuzusetzen. Bei Verwendung zusätzlicher Kohlungsmittel ist die Steuerung der Kohlungsreaktion über den Wasserdampfgehalt der Ofenatmosphäre besonders vorteilhaft. In diesem Fall kann der Taupunkt als Regelgrösse herangezogen werden. Zweckmässigerweise wird zumindest ein Teil der Ofengase in den Generator rückgeführt und mit frischem Synthese gas ergänzt.
Es zeigte sich, dass mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens nun eine Kohlenstoff-Obergangsgeschwindigkeit erzielt wird, die etwa 3mal höher ist, als unter Verwendung eines Gases, welches durch Umsetzen von Kohlenwasserstoffen mit Luft bei entsprechenden Temperaturen erhalten worden ist. Gegenüber dem oben erwähnten Verfahren der Aufkohlung unter Anwendung von 2 thermisch spaltbaren Flüssigkeiten besitzt das erfindungsgemässe Verfahren wesentliche Vorteile, insbesondere wenn es sich um kleine Ofeneinheiten handelt, da dann eine Regelung der zuzusetzenden Menge an Kohlungsmittel über den Taupunkt oder Kohlendioxid der Ofenatmosphäre als Regelkomponente mit den dafür erforderlichen Geräten nicht benötigt wird.
Bei dem erfindungsgemässen Verfahren lässt sich die Einstellung des Mischungsverhältnisses von Kohlenmonoxid und Wasserstoff und dadurch die gewichtsbedingten Anteile an Kohlendioxid und Wasserdampf und damit das Kohlenstoff-Angebot für die aufzukohlenden Flächen und das Kohlenstoffpotential in einfacher Weise durch die entsprechende Wahl der Temperatur des Wassergasgenerators erreichen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens liegt darin, dass für die Einbringung einer bestimmten Kohlenstoffmenge in das aufzukohlende Gut ein wesentlich geringeres Gasvolumen benötigt wird, als man es bei den bekannten Generator-Trägergasverfahren benötigt.
Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Gaszirkulation in dem Aufkohlungsofen um die Werkstücke durch deren Form oder Art der Ladung oder dergleichen behindert ist und sich sogar in den Werkstücken Vertiefungen, Hinterschneidungen oder Sacklöcher befinden.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird vorerst anhand der beiden Diagramme von Fig. 1 und 2 näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die Abhängigkeit des für ein bestimmtes Kohlenstoffpotential erforderlichen Taupunktes (OC) und Fig. 2 des COz-Gehaltes von der Zusammensetzung des Gasgemisches H2 + CO bei einer Ofentemperatur von 9000C.
Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist davon Åauszugehen, dass je nach aufzukohlendem Gut sowie dessen Oberfläche das erforderliche Kohlenstoffpotential oder -angebot festgelegt wurde (dies ist dem Fachmann bekannt). Nun ist es durch das erfindungsgemässe Verfahren möglich, jedes gewünschte Kohlenstoffpotential durch eine bestimmte Gaszusammensetzung zu gewährleisten. Die Gaszusammensetzung wird durch die Temperatur im Gasgenerator bestimmt. Somit wird dem die Aufkohlung durchführenden Personal die Möglichkeit an die Hand gegeben, das momentan benötigte Kohlenstoffpotential durch die entsprechende Gaszusammensetzung durch Wahl der Temperatur bei der Gaserzeugung einstellen und beliebig lang aufrechterhalten zu können.
Die in Tabelle 1 genannten Generatortemperaturen sind die für eine gewünschte Gaszusammensetzung aufgrund der Gasgleichgewichte errechneten. In der Praxis wendet man um etwa 10 bis 40 höhere Temperaturen an, um evtl. Kohlenstoffverluste beim Überleiten des Gasgemisches aus den Generator in den Kohlungsofen und dergleichen zu berücksichtigen.
Während der Aufkohlungsreaktion gibt das Gasgemisch Kohlenstoff an die Stahloberfläche ab, das Kohlenstoffpotential der Ofenatmosphäre sinkt damit. Die momentan benötigte Gasmenge für einen bestimmten Aufkohlungsgrad steigt mit der Aufkohlungstemperatur, ist proportional der aufzukohlenden Fläche und etwa umgekehrt proportional der Quadratwurzel der Zeit. Ein Abfall des Kohlenstoffpotentials zwischen Eintritt der Kohlungsgase in den Ofen und Austritt der Ofengase in der Grössenordnung von maximal etwa 0,1%, z.B. von 1% auf 0,9% ist zulässig.
TABELLE I Temperatur im Aufkohlungsofen 8750 900 925" Gewünschtes C-Potential % C 0,7 0,9 1,1 0,7 0,9 1,1 0,7 0,9 1,1 Generatortemperatur OC 835 585 875 850 870 890 870 890 910
In der Tabelle 2 ist der momentan benötigte Gasbedarf bei unterschiedlichen Ofentemperaturen, bezogen auf m2 aufzukohlende Fläche in Nm3/h nach verschiedenen Kohlungszeiten zusammengefasst.
TABELLE 2 Temperatur im Auf- 850 875 900 925 950 kohlungsofen OC nach 1 h 1,5 3,04 5,12 7,7 10,75 nach 4 h 0,75 1,54 2,56 3,85 5,375 nach 16 h 0,38 0,77 1,28 1,975 2,69 Tst ein Abfall des Kohlenstoffpotentials von 0,8 auf 0,7% zulässig, so ergeben sich folgende Werte für den Gasbedarf in Nm3/h.m2,
TABELLE 3 Temperatur im Auf- 850 875 900 925 950 kohlungsofen "C nach 1 h 1,0 2,0 3,5 5,7 8,2 nach 4 h 0,5 1,0 1,75 2,8 4,1 nach 16 h 0,25 0,5 0,9 1,4 2,0
Die angegebenen Gasmengen sind Minimalmengen. Es ist zweckmässig, mit Gasüberschuss im Kohlungsofen zu arbeiten Die Gefahr einer Überkohlung besteht nicht
Zu den theoretischen und technologischen Grundlagen des erfindungsgemässen Verfahrens kann noch folgendes ausgeführt werden.
Betrachtet man die beiden für die Aufkohlung in Frage kommenden Reaktionen, nämlich das Boudouard'sche Gleichgewicht und die Wassergasreaktion mit ihren Massenwirkungskonstanten, so ergibt sich:
EMI2.1
K3 a und Kz a stellen unter Berücksichtigung der Aktivität des Kohlenstoffs für bestimmte Kohlenstoffgehalte des Stahles im Gleichgewicht mit der Atmosphäre temperaturabhängige Konstanten dar. Der Kohlenstoffgehalt des Stahles im Gleichgewicht mit der Ofenatmosphäre wird, wie allgemein üblich, als C-Potential bezeichnet. Aus K5 a geht hervor, dass der CO2-Partialdruck nur dann ein eindeutiges Kriterium für das C-Potential ist, wenn das Quadrat des CO-Partialdrucks konstant bleibt.
Andererseits ist der Partialdruck des Wasserdampfes (oder des Taupunktes) nur dann für ein bestimmtes C-Potential kritisch, wenn das Produkt pCO pH2 konstant ist. Mit p2CO und pH2 pCO verändern sich somit auch die gleichgewichtsbedingten Gehalte der Ofenatmosphäre an CO2 und H2O bei gleichem C-Potential. Im System H2 + CO nimmt deshalb mit dem CO-Gehalt der gleichgewichtsbedingte CO2-Gehalt ständig zu, während der Wassergehalt (bzw. der Taupunkt) bei 50% H2 und 50% CO ein Maximum aufweist.
Die benötigte Leistungsfähigkeit des Generators ergibt sich aus der Grösse der aufzukohlenden Flächen und der Aufkohlungstemperatur. Für die Herstellung von 1 m3 Kohlungsgas benötigt man rund 0,27 kg Kohlengranulat und 1,3 kWh elektrische Energie zur Aussenbeheizung des Generators, wobei Wärmeverluste nicht berücksichtigt sind. Aus obigem geht hervor, dass gerade bei grossflächigem Einsatzgut eine beträchtliche Gasmenge benötigt wird. Aus wirtschaftlichen Überlegungen ist es daher angebracht, das den Ofen verlassende Ofengas nicht einfach abzufackeln, sondern in den Generator zur Wiederverwertung zurückführen. Für diese Regenerierung des Ofenabgases ist mit einem Energieaufwand von etwa 0,33 kWh/m3 zu rechnen.
Zu diesem Zweck wird in den Generator Wasser eingetropft, um gerade die Menge an Frischgas zu erzeugen, die durch die Kohlungreaktion, die Ofenundichtigkeiten, die Abnahme von Analysengas und für die Kontrollflamme verbraucht wird. Im allgemeinen beträgt diese Frischgasmenge höchstens 1 Nm3/h. Der für die Regenerierung des Ofengases benötigte Kohleanteil ist, was die kostenmässige Belastung des Kohlungsverfahrens anbelangt, bedeutungslos.
Aus obigen Tabellen geht hervor, dass zu Anfang des Aufkohlungsvorganges ein hoher Gasbedarf besteht ( nach 1 Stunde ). Es kann daher zweckmässig sein, während der 1.
Periode bekannte Kohlungsmittel, wie Kohlenwasserstoffe, und sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe, wie Isopropanol, Aceton oder Äthylacetat in den Generator oder den Kohlungsofen einzuführen und vorerst von einer Rückführung der Ofenatmosphäre in den Generator abzusehen. Man arbeitet nur mit einer beschränkten Frischgasmenge von ca. 0,5 bis 1 Nm3/h. In manchen Fällen können bis etwa zur Hälfte der benötigten Aufkohlungszeit diese Kohlungsmittel zugeführt werden. Die Aufkohlung führt man dann in einer 2. Periode zu Ende, in dem man keine zusätzlichen Kohlungsmittel mehr zuführt, jedoch das Ofengas zur Regeneration in den Generator rückführt und zur Erhaltung eines Oberdruckes nach wie vor die gleiche Frischgasmenge mit Hilfe von bis maximal 400 g/h Wasser erzeugt.
Die aus dem Kohlungsofen in den Generator zurückzuleitende Gasmenge ist abhängig von der aufzukohlenden Fläche. Bei dieser Verfahrensvariante ist jedoch die rückzuführende Gasmenge wesentlich kleiner, so dass auch bei grösseren Aufkohlungsöfen nach der Erfindung gearbeitet werden kann.
Bei sehr grossen Anlagen und/oder sehr grossen aufzu wohl enden Oberflächen lohnt sich die Rückführung des Ofengases nicht und man kann statt dessen - wie erwähnt - unter Normalbedingungen flüssige, einfache, gegebenenfall sauerstoffhaltige Kohlenwasserstoffe eintropfen. Die Frischgaserzeugung im Wassergasgenerator hat nun von Anfang an nur noch den Zweck der Bildung eines überdruckerhaltenden Trägergases. Die Reglung der Flüssigkeitszufuhr erfolgt wie bei dem bekannten Verfahren über die Taupunkt- oder Kohlendioxidbestimmung oder über Gasanalysengeräte mit gleichzeitiger Bestimmung von Kohlenmonoxid und -dioxid, wobei für die Steuerung über einen Rechner das Verhältnis der Partialdrücke von Kohlenmonoxid und Kohlendioxid herangezogen wird. Bei dieser Verfahrensvariante ist die im Generator herrschende Temperatur keine Regelgrösse mehr.
Durch die Einbringung bekannter flüssiger Kohlungsmittel zu dem erfindungsgemäss angewandten Kohlungsgas ändert sich die Zusammensetzung der Gasatmosphäre, abhängig von dem angewandten Stoff und der Menge. Für das Kohlenstoffpotential im Aufkohlungsofen sind die Kohlendioxidwerte nur bei konstantem Kohlenmonoxidgehalt und die > Tau- punkte nur bei konstantem Produkt CO - H2 eindeutige Kriterien. Ändert sich die Gaszusammensetzung, so kann es zu einer Veränderung der für ein bestimmtes Kohlenstoffpotential erforderlichen Gehalte aus Kohlendioxid und Wasserdampf kommen.
Wird als Kohlungsmittel Methylacetat angewandt, so kommt es zu keinen störenden Änderungen der Gaszusammensetzung, es kann also wieder der Taupunkt als negelgrösse für das Kohlenstoffpotential herangezogen werden. Äthylacetat führt zu einer geringfügigen Änderung der Gaszusammensetzung, die nur bei sehr hoher Belastung des Aufkohlungsofens eine geringfügige Korrektur des Taupunktes erforderlich machen würde. Äthylacetat oder Methylacetat verbieten jedoch eine Regelung des Kohlenstoffpotentials über den Kohlendioxidgehalt, da bei der thermischen Spaltung dieser Substanzen intermediär CO2 entsteht, dessen Reaktionsträgheit zu Fehlsteuerungen führen würde.
Aceton und besonders Isopropanol führen zu einer beträchtlichen Veränderung der Gaszusammensetzung, so dass der Kohlendioxidgehalt nur bei sehr geringer Belastung des Ofens ein annehmbares Kriterium für das Kohlenstoffpotential ist. Die thermische Zersetzung von z.B. Isopropanol wirkt sich deswegen auf die Gesamtanalyse des Kohlungsgases besonders deutlich aus, da aus 1 Mol Isopropanol neben 2 Mol Kohlenstoff 1 Mol Kohlenmonoxid und 4 Mol Wasserstoff gebildet werden, also Isopropanol liefert ein Gasgemisch mit 20% Kohlenoxid und 80% Wasserstoff. In diesen Fällen muss über p2CO/pCO2 geregelt werden, wenn aus irgendeinem Grund nicht der Wasserdampfgehalt als Regelgrösse herangezogen wird.
Man könnte dann auch zu einem entsprechenden Zeitpunkt über die Folien-Methodea das C-Potential ermitteln und danach die CO2-Regelwerte korrigieren.
Abgesehen von der hohen Aufkohlungsgeschwindigkeit besitzt das erfindungsgemässe Verfahren auch noch der Vorteil der Möglichkeit einer besonders einfachen Regelung des Ofenbetriebes über den Wasserdampfgehalt der Ofenatmosphäre, insbesondere über den Taupunkt Diese Möglichkeit wird nun an den beiden Diagrammen der Fig. 1 und 2 erläutert, in denen die Abhängigkeit des Taupunktes bzw. des CO2-Gehaltes der Ofenatmosphäre für verschiedene Kohlenstoffpotentiale bei einer bestimmten Ofentemperatur für unterschiedlich zusammengesetzte Kohlungsgase gezeigt ist.
Aus diesen Diagrammen ergibt sich, dass die Kurvenschar der Fig. I bei einem Volumen-Verhältnis H2 : CO = 1:1 ein deutliches Maximum zeigt. Dieses Maximum ist relativ flach, das heisst, um diesen Mittelwert wirken sich Änderungen in der Gaszusammensetzung nur wenig auf den Wasserdampfgehalt, also den Taupunkt aus. Die erfindungsgemäss angewandte Gaszusammensetzung ist also ganz besonders günstig hinsichtlich der Möglichkeit der Regelung des Aufkohlungsofens über den Wasserdampfgehalt der Ofengase.
Hingegen geht aus dem Diagramm der Fig. 2 hervor, dass sich die Kohlendioxidgehalte, die für eine Regelung in Frage kämen, bei den verschiedenen Kohlenstoffpotentialen sich mit der Gaszusammensetzung ausserordentlich stark ändern.
Arbeitet man z.B. mit einem Gas enthaltend 50% CO, so benötigt man für ein Kohlenstoffpotential im Ofen von 1,1 % einen Kohlendioxidgehalt von 0,7%. Wird nun Kohlungsflüssigkeit zugetropft und sinkt der Kohlenmonoxidgehalt auf 40%, so beträgt das Kohlenstoffpotential nur noch 0,8%.
Wird jedoch als Regelgrösse nicht der Kohlendioxidgehalt sondern der Taupunkt von z.B. + 6"C herangezogen (Fig. 1), so ist bei der gleichen Verringerung des Kohlenoxidgehaltes das Kohlenstoffpotential nur um 0,03 ovo auf 1,07% gefallen.
Keines der bekannten Verfahren bietet diese Regelmöglichkeit des Kohlungsvorganges über den Wasserdampfgehalt.
Als Kohlengranulat für den Generator kann man grundsätzlich jedes Kohleprodukt anwenden, soweit es die Anforderungen an Reinheit des Synthesegases erfüllt. Es ist vorteiihaft, wenn die irn Generator erzeugten Gasgemische weitge hend frei von teerartigen oder schwefelhaltigen Produkten silid und keine hohen Aschegehalte aufweisen;
mit anderen Gurten wird man in erster Linie aktive Kornkohlen, fein 1:;j;uiPen Kn'.s aber auch entgaste oder itxtrahierte, hochreine "Sshlensorter anwenden können. Die dem Synthesegas unterliegenden Reaktionen und verfahrenstechnischen Bedingun- gen sind als solche bekannt. Die Beheizung für diese endothermen Reaktionen erfolgt von aussen in beliebiger Weise.
Die zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Vorrichtungen werden anhand der beiliegenden Fig. 3 und 4 näher erläutert. Die Anlage nach Fig. 3 zeigt den Generator 1 und den Topfofen 2. Das Generatorsystem 1 besteht aus einer Ofenkammer 3, in welcher sich der rohrförmige Generator 4 mit der Füllung aus Kohlegranulat 5 befindet. Der Generator wird durch Aussenbeheizung auf Reaktionstemperatur gehalten. Es kann sich dabei um Heizleiter oder Brenner 6 handeln. Die Temperatur des Generators wird mit Hilfe des Thermoelements 7 auf dem Temperaturanzeigegerät 8 überwacht. Dem Generatorrohr wird aus dem Vorratsbehälter 9 über die Pumpe 10 in der Leitung 11 mit Hilfe der Dosiervorrichtung 12, z.B. ein Tropfglas, Wasser zugeführt.
Das den Generator verlassende Synthesegas wird durch die Leitung 13 mit Hilfe der Pumpe 14 durch den Deckel des Topfes in den Topf selbst eingeführt.
Das Ofensystem 2 weist einen beheizbaren Ofen 14 üblicher Bauart auf, in dem der Topf oder die Retorte 15, die mit dem Deckel 16 verschlossen ist, eingesetzt ist. In dem Topf 15 befindet sich das Gestell 17, auf dem sich die aufzukohlenden Gegenstände 19 befinden. Das Gestell gestattet einen freien Gaseintritt durch den Boden. Um im Topf eine entsprechende Gasführung zu gewährleisten, ist er mit einem oberen Leitblech 19 und seitlichen Leitblechen 20 sowie unterhalb des Deckels 16 mit einem Ventilator oder Gebläse 21 ausgestattet. Schliesslich führt durch den Deckel 16 eine Gasleitung 22 zum Abfackeln der Ofenatmosphäre bzw.
Zurückführung des Teiles der Ofenatmosphäre, die wieder über den Generator neuerlich in den Ofen gelangen soll. Ir diesem Fall zweigt von der Gasleitung 22 eine Rücklaufleis -ng 23 ab, in der sich gegebenenfalls ein Gasfilter 24 befindet.
Damit ist der Kreislauf des Synthesegases aus dem Genera durch den Topf und um das dort eingesetzte Gut und zurück über das Gasfilter und die Rücklaufleitung wieder zur Generator geschlossen.
Eine solche Anlage kann dimensioniert sein auf eine zuzt führende Wassermenge von 150 cm3/h bis etwa 4 lih je Ofen.
Ein derartiges Generator-Topfofensystem ist bereits erfindungsgemäss voll funktionsfähig.
Will man jedoch, wie in den folgenden Beispielen noch erläutert wird, zusätzlich Kohlungsmittel in den Ofen direkt einführen, so kann dies aus dem Vorratsbehälter 25 über die Leitung 26 und mit Hilfe der Dosiervorrichtung 27, die in die Leitung 13 mündet, geschehen.
Als grobe Richtlinie für die erforderliche Menge an Kohlungsmittel kann man pro m2 aufzukohlende Fläche bei Verwendung von Aceton als Kohlungsmittel etwa 50 cm3/h nennen. Die Zugabe von Kohlungsmittel erfolgt im allgemeinen nicht über die gesamte Kohlungszeit, sondern nur in der 1. Periode, wohingegen während der ganzen Kohlungszeit erfindungsgemäss Synthesegas aus dem Generatorsys'em in den Topf eingeführt wird. Dieses reicht zur Aufrechterhaltung des im Topf erforderlichen Überdrucks und der Fort- setzung der Kohlungsreaktion im allgemeinen aus.
Bei dieser Anlage wird während der Zutropfzeit von Koh lungsmittel nicht geregelt, weil das Kohlenstoffangebot ar.
das aufzukohlende Gut ausreicht. Während der 2. Periode des Kohlungsvorganges, wenn nur mit erfindungsgemässem Synthesegas gearbeitet wird, kann die Regelung des Kohlenstoffpotentials - wie oben bereits ausführlich dargelegt über die Temperatur der Synthesegashersteilung im Genen torsystem gesteuert werden.
Vünseht rn2n jedocn darüber hinaus auch nnch eine auto- maische Regelung des Zutrcpfvorgangs, so gschie dies zweckmässigerweise mit Hilfe des Taupunktes als Regelgrösse.
Zu diesem Zwecke wird in der Leitung 26 parallel zu dem Absperrventil 28 ein Magnetventil 29 vorgesehen. Anstelle der Rücklaufleitung 23 wird ein Gerät zur Bestimmung des Taupunktes und zur Steuerung der momentanen Menge an zuzuführendem Kohlungsmittel in Abhängigkeit von dem Taupunkt vorgesehen. Diese automatische Steuerung beeinflusst also über Sollwerte des Taupunkts die Zufuhr an Kohlungsmittel, wodurch das gewünschte Kohlenstoffpotential im Ofen aufrechterhalten werden kann. Derartige Regelsysteme sind in der Automationstechnik bekannt.
Die beiden Temperaturfühler 30, 31 mit dem Temperaturregelgerät 32 dienen zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Temperatur im Topf durch Einwirkung auf die Beheizung des Topfofens.
Hn der Fig. 4 wird nun eine Anlage gezeigt, bei der das Generator- und Ofensystem zu einer Anlage zusammengefasst sind, also wo sich das Generatorrohr 6 innerhalb des Topfes befindet.
Der Ofen 14 enthält den Topf 15, dieser enthält wieder das Gestell mit dem Einsatzgut sowie das Generatorrohr 4 mit der Kohlefüllung 5.
Beim Beginn des Kohlungsvorganges kann über die Zuleitung 40 die Luft mit Stickstoff ausgespült werden. In dem beheizten Ofen erwärmt sich der Topf auf eine Innentemperatur von z.B. 650 C, dann wird das Ventil 41 so gestellt.
dass aus dem Vorratsbehälter 42 über die Leitung 43 und die Speisevorrichtung 27 Methanol in den Topf eingebracht werden kann. Die Spaltprodukte des Methanols führen zum Aufbau einer Schutzgasatmosphäre ohne eine nennenswerte aufkohlende Wirkung. Hat das Einsatzgut die gewünschte Temperatur erreicht, dann wird - wie bei den bereits besprochenen Anlagen - über den Vorratsbehälter 9 und die Leitung 11 mit Hilfe der Dosiervorrichtung 12 in das Ge net torrohr 4 Wasser eingebracht. Das sich entwickelnde Syrthesegas verlässt über Bohrungen 44 das Generatorrohr und dringt in den Umwälzkreislauf der Ofenatmosphäre ein.
Ist das so erzeugte Synthesegas hinsichtlich des Kohlen stoffangebots an die aufzukohlenden Flächen nicht ausreichend, so wird Kohlungsmittel aus dem Vorratsbehälter 25 vorerst über das Ventil 41 mit Hilfe der Dosiervorrichtung 27 in den Ofen eingeführt. Die Spaltprodukte umstreichen im Sinne der Pfeile das Einsatzgut. Über die Leitung 22 wird eine Probe der Ofenatmosphäre teils abgefackelt, teils über das Filter 24 einem Messgerät für Taupunkt und einem entsprechenden Steuergerät 45 über die Leitung 46 zugeführt.
Mit Hilfe des Taupunkt-Steuergerätes wird die momentane Zufuhr der Kohlungsfiüssigkeit automatisch geregelt und zwar, indem das Steuergerät 45 auf das Magnetventil 29 einwirkt.
Bei dieser Ausführungsform kann also vollautomatisch die Sohlungsreaktion über den Taupunkt geregelt werden, wobei das erfindungsgemässe Synthesegas zusammen mit Spaltprodukten aus an sich bekannten Kohlungsgasen die für die Aufkohlungsreaktion erforderliche Kohlenstoffmenge zur Verfügung stellt.
Die Erfindung wird an folgenden Beispielen weiter erläutert.
Beispiel 1
Bs soll eine Charge aus 1200 Düsenstücken aus lEinsatz- stahl 14NiCrl4 mit einer gesamten aufzukohlenden Oberfläche von 0,9 m2 auf eine Einsatztiefe von 0,6 bis 0,75 mm aufgekohlt werden. Aufkohlungstemperatur 9000C. Gasvolumen des Ofens 3001.
i Die Kohlungsreaktion fand in einer Anlage entsprechend der Fig. 3 statt Die Düsenstücke, auf einem Gestell aufgeschichtet, wurden in eine Retorte mit Möglichkeit von Gasumwälzung eingesetzt, diese verschlossen und die Verbindung mit dem Generatorsystem hergestellt. Zuerst wurde die Retorte mit Stickstoff ausgespült, dann in den vorgewärmten Ofen gesetzt und dann das Gaserzeugungssystem in Betrieb genommen. Sobald sich die Retorte auf eine Temperatur von 900 C erwärmt hatte, konnte mit der Gaszuführung begonnen werden. In manchen Fallen ist es zweckmässig, nach der Stick- stoffspülung noch Methanol in den Kohlungsofen einzuführen, damit die Spaltprodukte des Methanols als Schutzgas vor evtl. Verzunderung wirken können.
Als Kohlegranulat für die Herstellung des erfindungsgemäss angewandten Gasgemisches wurden aktive, hochreine, entgaste Kohlestücke - sogenannte Kornkohle - verwendet.
Es wurde eine Reaktionstemperatur im Generator von 910 eingestellt. Das dabei erhaltene Gas, welches neben gleichgewichtsbedingten, geringen Anteilen von CO2 und H,O im wesentlichen ein Volumenverhältnis SO : H2 = 1:1 aufwies, wurde in den Kohlungsofen eingeleitet. Die für die Kohlungsreaktion benötigte und angebotene Gasmenge kann durch die dem Kohlegranulat zugeführte Wassermenge angegeben werden, in diesem Fall waren es 190 g/h, dies entspricht einer Frischgasmenge von etwa 0,5 Nm3/h.
Die Reaktionstemperatur im Generator entspricht einem Kohlenstoffpotential von 1,1%, welches aufrechterhalten wurde de. Dies erreichte man bei der oben angegebenen Frischgasmenge, indem von der Ofenatmosphäre 2,5 Nm3/h wieder in den Generator rückgeleitet wurden. Die angewandte Wassermenge, das im Kreislauf geführte Volumen der Ofenatmosphäre und der Kohlenstoffpegel im Kohlungsofen waren auf die aufznkohlende Fläche des Einsatzgutes u. die gewünschte Einsatztiefe abgestimmt (wie üblich wurde ein gewisses Überangebot an Kohlungsgas eingehalten).
Nach 1,5 h wurde die Generatortemperatur auf 890"C gesenkt, wodurch sich im Ofen ein Kohlenstoffpotential von nur noch 0,88% einstellte. Bei diesen Ofenbedingungen wurde noch 1 h aufgekohlt, so dass die gesamte Aufkohlungszeit 2,5 h betrug.
Nun wurde die geschlossene Retorte in die Kühlgrube versetzt und konnte dort unter Schutzgasatmosphäre durch Eintropfen von Methanol abkühlen.
Nach Austragen der Charge wurden folgende Bestimmungen gemacht. An einem Probestück wurde ein Randkohlenstoffgehalt von 0,75% festgestellt, die Oberflächenhärte wurde mit HRc 62 und die Einsatzhärtetiefe an einer ebenen Oberfläche mit 0,71 mm - bezogen auf HV 550 - ermittelt.
Daraus geht hervor, dass das erfindungsgemässe Verfahren eine einwandfreie Aufkohlung in dem gewünschten Ausmass ermöglicht, ohne dass eine sonst erforderliche Regeleinrichtung benötigt worden wäre. Die einzige Regelung für diesen Aufkohlungsvorgang stellt die Einstellung und Einhaltung des gewünschten Kohlenstoffpotentials mit Hilfe der Reaktionstemperatur im Generator dar.
Beispiel 2
Es wurde wieder die Anlage der Fig. 3 angewandt und darin eine Charge von 800 Achsen aus unlegiertem Einsatzstahl Ckl 5 mit einer Gesamtoberfläche von 5 m2 behandelt.
Die Soll-Einsatzhärtetiefe wurde mit 1,4 bis 1,6 mm festgelegt. Aufkohlungstemperatur: 9250, Gasvolumen des Topfes: 3001.
In der 1. Kohlungsperiode wurde ausser Zufuhr von Frischgas Kohlungsmittel zugetropft und keine Reglung vorgenommen, weil durch diese Massnahme des Zutropfens ein sicherer Überschuss an Kohlenstoff für die Aufkohlungsreaktion zur Verfügung stand. Während der 2. Kohlungsperiode mit nur erfindungsgemässem Gas erfolgte die Regelung des Kohlenstoffpotentials wie in dem vorhergehenden Beispiel.
Es wird also auch hier kein spezielles Regelgerät benötigt.
Die Temperatur im Generator, der diesmal Koksgries enthielt, wurde auf 930" eingestellt und 180 g/h Wasser zugetropft. Das entsprach einer Frischgasmenge von 0,5 Nm3/h.
Unter Berücksichtigung des Generators und des Ofensystems handelte es sich bei dieser Charge um ein besonders grossflächiges Material. Während der 1. Kohlungsperiode von 3 h wurden in den Kohlungsofen 350 g/h Aceton getropft und in der 2. Kohlungsperiode zwischen der 3. und 5 Behandlungsstunde noch 250 g/h. Nach diesen 5 h wurde die Zugabe von Aceton ganz eingestellt u. eine Nmlaufgasmenge von 4 Nm3/h in den Generator rückgeführt. Diese 3. Periode des Aufkohlungsvorganges dauerte 2 h. Zu diesem Zeitpunkt betrug das Kohlenstoffpotential 1,12%. In der folgenden 4. Periode von 3 h betrug die Generatortemperatur 890"C und das Kohlenstoffpotential 0,76%.
Die Analyse der so aufgekohlten Stücke ergab einen Randkohlenstoffgehalt von 0,77%, Einsatzhärtetiefe - bezogen auf HV 550 - 1,47 mm an ebener Fläche.
Beispiel 3
In diesem Fall wurde eine Anlage, wie sie in Fig. 4 gezeigt ist, angewandt.
Der Topf hatte einen nutzbaren Durchmesser von 1 m und eine Tiefe von 3,2 m. Es wurden Stangen, 15 mm 3 m Länge, stehend aufgekohlt, wobei die gesamte Oberfläche rund 45 m2 betrug. Das Gasvolumen des Topfes betrug etwa 3,5 m3. Die Stangen waren aus Stahl C10. Die Soll-Einsatzhärtetiefe wurde mit 0,5 bis 0,6 mm festgesetzt. Die Generatorfüllung war Holzkohle in der Grössenordnung von 0,5 bis 1 cm. Der hier innerhalb des Ofens angewandte Generator liefert eine ausreichende Gasmenge, um im Kohlungsofen den erforderlichen Überdruck aufrechtzuhalten, nämlich etwa 0,5 bis 1,5 Nm3/h. Als Kohlungsmittel wurde in den Ofen Äthylacetat zugetropft. Die momentan zuzutropfende Menge wurde automatisch über den Taupunkt der Ofenatmosphäre geregelt.
Zu diesem Zweck wurde eine Probe der Ofenatmosphäre kontinuierlich einem Analysengerät zur Bestimmung des Taupunktes zugeführt. Die dort festgestellten Werte - im Beispielsfall +3"C - wurden über an sich bekannte Steuerorgane auf die Dosiervorrichtung für das Kohlungsmittel zur Einwirkung gebracht.
Wie bei den anderen Beispielen wurde die eingesetzte Charge von Sauerstoffresten in der Atmosphäre befreit, insbesondere durch Zugabe von Methanol, dessen Spaltprodukte als Schutzgasatmosphäre wirken. Unter diesem Schutzgas wurde auf die Kohlungstemperatur von 9000C aufgeheizt.
Sobald diese erreicht war, wurde mit der Zugabe von Gasgemisch aus dem Generator und Äthylacetat begonnen. Von diesem Zeitpunkt an bis zur Beendigung des Kohlungsvorganges vergingen 110 min. Das Kohlenstoffpotential betrug während dieser Zeit 1,15%.
An einer Stangenprobe wurde eine Oberflächenhärte von HRc 66 und die Einsatzhärtetiefe - bezogen auf HV 550 0,58 mm gemessen. Der Randkohlenstoffgehalt betrug 0,9140.