CH639697A5 - Verfahren und vorrichtung zur regelung der aufkohlungswirkung einer ofenatmosphaere. - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens.
Bekannte Regeleinrichtungen vorgenannter Art sind entweder in den Ofenraum eingebaut oder die Ofenatmosphäre wird in einen beheizten Messraum eingeführt. In beiden Fällen besteht der Festkörper-Elektrolyt aus einer Wand aus stabilisiertem Zirkondioxid. Eine Seite dieser Wand steht mit einem Referenzgas mit bekanntem Sauerstoffgehalt (meist Luft) in Berührung und ist mit einer Elektrode leitend verbunden (nachfolgend Innenelektrode genannt). Die andere Seite dieser Wand steht mit der Ofenatmosphäre in Berührung und ist mit einer anderen Elektrode leitend verbunden (nachfolgend Aussenelektrode genannt). Die Elektroden bestehen meist aus Platin. Als Messstelle gilt die gemeinsame Berührungsstelle zwischen Elektrode, Zirkondioxid und Ofenatmosphäre bzw. Referenzluft.
Die Auswertung der Messwerte erfolgt nach empirisch ermittelten oder berechneten Tabellen oder Kurven, die den Zusammenhang zwischen der Spannung am Festkörper-Elektrolyt, der Ofenraumtemperatur und dem Kohlenstoffpegel der Ofenatmosphäre beinhalten.
Diese Kurven gelten für gewisse Ausgangsbrennstoffe, deren Zusammensetzung bekannt ist. Die Aufkohlungswirkung ergibt sich unter Einbeziehung der Behandlungszeit.
Eine nachteilige Eigenschaft dieses Mess- und Regelprinzips sind unerwünschte örtliche Gasreaktionen an den Elektroden, die durch deren katalytische Wirkung ausgelöst werden. Weiterhin kann der keramische Werkstoff des Fest-körper-Elektrolyten keinen Kohlenstoff lösen, wie dies bei den Werkstücken aus Stahl der Fall ist. Bei längerer Verweilzeit in einer Ofenatmosphäre mit hohem Kohlenstoffpegel scheidet sich an der Messstelle des Elektrolyten allmählich
Russ ab. Der abgeschiedene Russ wiederum übt eine katalytische Wirkung auf die weitere Kohlenstoffabscheidung aus. Dieser sehr langsam ablaufende und später sich durch auto-katalytische Wirkung rasch beschleunigende Vorgang stört die Messgenauigkeit.
Aufgabe der Erfindung ist es, die unerwünschte Beeinflussung der Messgenauigkeit durch Gasreaktionen an den Elektroden des Festkörper-Elektrolyten zu verhindern.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst, indem die Aussenelektrode des Festkörper-Elektrolyten in wechselnder Folge einerseits mit der Ofenatmosphäre und andererseits mit einem nicht aufkohlend wirkenden Spülgas in Berührung gebracht wird.
Es hat sich gezeigt, dass eine sehr genaue Aufkohlungswirkung einer Ofenatmosphäre zu erzielen ist, wenn diese nur in gewissen Zeitabständen - dafür aber mit einer exakten Regelgrösse - überwacht bzw. korrigiert wird.
Bei einem im Ofenraum angeordneten Festkörper-Elek-trolyt strömt das Spülgas in den Ofenraum. Es muss daher die Art des verwendeten Spülgases den Qualitätsanforderungen der zu behandelnden Werkstücke angepasst werden. Bei der Wahl von Stickstoff als nicht aufkohlend wirkendes Spülgas tritt keinerlei Beeinflussung auf.
In den meisten Fällen kann ein entkohlend wirkendes Spülgas - z.B. Luft - angewandt werden.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 3 angeführten Merkmale gekennzeichnet.
Um möglichst schnell den augenblicklichen Zustand der Ofenatmosphäre oder des Spülgases zu erfassen, kann die Aussenelektrode so gestaltet sein, dass die Berührungsstellen von Aussenelektrode und Festkörper-Elektrolyt ohne Strömungsschatten vom Gas frei umströmt werden können. Dies ist beispielsweise gewährleistet, wenn die Aussenelektrode und der Festkörper-Elektrolyt sich an einer oder mehreren Stellen punktförmig berühren.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der schematisch eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur 1 eine in eine Ofenwandung eingesetzte Spülsonde im Schnitt.
Die dargestellte Messonde umfasst ein an einem Ende geschlossenes Röhrchen 1 aus stabilisiertem Zirkondioxid, an welchem innenseitig eine Innenelektrode 2 und aussen-seitig eine Aussenelektrode 3 befestigt sind. Im Bereich der Messstelle, die durch die gemeinsame Berührungsstelle zwischen den Elektroden mit dem Festkörper-Elektrolyten Zirkondioxid gebildet ist, bestehen beide Elektroden 2 und 3 aus Gold. Die Berührungsstelle der Aussenelektrode 3 mit dem Zirlcondioxidröhrchen 1 ist punktförmig ausgebildet, um eine freie Umströmbarkeit der Elektrode, ohne Strömungsschatten, zu gewährleisten. In den Bereich der Messstelle ist eine Leitung 4 zur Zuführung von Spülluft zur Aussenelektrode 3 herangeführt. Zur Förderung der Spülluft ist eine Pumpe P vorgesehen.
Der Festkörper-Elektrolyt 1 ist von einem Schutzrohr 6 umgeben. Das geschlossene Ende des Schutzrohres 6, welches in den Ofenraum 8 hineinragt, ist mit einer Mehrzahl von Öffnungen 7 versehen, die es ermöglichen, dass wechselweise einerseits Spülgas aus einem Messraum 9 im vorderen Bereich der Sonde in den Ofenraum 8 und andererseits die Ofenatmosphäre aus dem Ofenraum 8 in den Messraum 9 strömen kann. Die Zuführung des Spülgases zum Messraum 9 erfolgt über die an die Pumpe P angeschlossene Leitung 4. Um nach dem Spülvorgang die Messelektrode möglichst rasch wieder mit der Ofenatmosphäre in Berührung zu bringen, kann die Pumpe P wechselweise zur Absaugung der
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Ofenatmosphäre benutzt werden. Ein Distanzring 10 dient zum koaxialen Halten der geschlossenen Enden des Röhrchens 1 innerhalb des Schutzrohres 6.
Die oben beschriebene Vorrichtung wird zur Regelung der
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Schutzgasatmosphäre bei der Wärmebehandlung von Stahl, insbesondere zur Regelung des Kohlenstoffpotentials bei der Einsatzhärtung (Aufkohlung) in Ein-, Mehrkammer- oder Durchlauföfen verwendet.
1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Verfahren zur Regelung der Aufkohlungswirkung einer Ofenatmosphäre, wobei als Regelgrösse die elektrische Spannung eines sauerstoffionenleitenden Festkörper-Elektrolyten mit einer Aussen- und einer Innenelektrode dient, wobei die Aussenelektrode mit der Ofenatmosphäre und die Innenelektrode mit Luft oder einem anderen Stoff mit bekanntem Sauerstoffgehalt in Berührung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenelektrode des Festkörper-Elektrolyten in wechselnder Folge einerseits mit der Ofenatmosphäre und andererseits mit einem nicht aufkohlend wirkenden Spülgas in Berührung gebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenelektrode mit einem entkohlend wirkenden Spülgas in Berührung gebracht wird.
3. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein in den Ofenraum hineinragender stabförmiger Festkörper-Elektrolyt (1) mit einem Schutzrohr (6) umgeben ist, das einen Messraum von dem Ofenraum trennt, und dass das Schutzrohr zum Ermöglichen des wechselweisen Ausströmens eines Spülgases aus dem Messraum in den Ofenraum und des Strömens der Ofenatmosphäre aus dem Ofenraum in den Messraum mit mindestens einer Öffnung (7) versehen ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenelektrode und der Festkörper-Elektrolyt an allen ihren Berührungsstellen von der Ofenatmosphäre oder dem Spülgas ohne Strömungsschatten frei umströmt sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenelektrode und der Festkörperelektrolyt sich an einer oder mehreren Stellen punktförmig berühren.
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