CH639697A5 - METHOD AND DEVICE FOR REGULATING THE CARBONING EFFECT OF AN OVEN ATMOSPHERE. - Google Patents

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CH639697A5 CH311578A CH311578A CH639697A5 CH 639697 A5 CH639697 A5 CH 639697A5 CH 311578 A CH311578 A CH 311578A CH 311578 A CH311578 A CH 311578A CH 639697 A5 CH639697 A5 CH 639697A5
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Werner Goehring
Cornelius Hendrikus Luiten
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Ipsen Ind Int Gmbh
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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens. The invention relates to a method according to the preamble of claim 1 and an apparatus for performing the method.

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. Known control devices of the aforementioned type are either built into the furnace space or the furnace atmosphere is introduced into a heated measurement space. In both cases, the solid electrolyte consists of a wall made of stabilized zirconium dioxide. One side of this wall is in contact with a reference gas with a known oxygen content (usually air) and is conductively connected to an electrode (hereinafter referred to as the inner electrode). The other side of this wall is in contact with the furnace atmosphere and is conductively connected to another electrode (hereinafter referred to as the outer electrode). The electrodes are usually made of platinum. The common point of contact between the electrode, zirconium dioxide and the furnace atmosphere or reference air is the measuring point.

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. The measurement values are evaluated according to empirically determined or calculated tables or curves, which contain the relationship between the voltage at the solid electrolyte, the furnace chamber temperature and the carbon level of the furnace atmosphere.

Diese Kurven gelten für gewisse Ausgangsbrennstoffe, deren Zusammensetzung bekannt ist. Die Aufkohlungswirkung ergibt sich unter Einbeziehung der Behandlungszeit. These curves apply to certain starting fuels, the composition of which is known. The carburizing effect results from the treatment time.

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 A disadvantageous property of this measuring and control principle is undesired local gas reactions on the electrodes, which are triggered by their catalytic effect. Furthermore, the ceramic material of the solid electrolyte cannot dissolve carbon, as is the case with steel workpieces. With a longer residence time in a furnace atmosphere with a high carbon level, the measuring point of the electrolyte gradually separates

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. Soot. The deposited soot in turn exerts a catalytic effect on the further carbon separation. This very slow process, which later accelerates due to the auto-catalytic effect, interferes with the measuring accuracy.

Aufgabe der Erfindung ist es, die unerwünschte Beeinflussung der Messgenauigkeit durch Gasreaktionen an den Elektroden des Festkörper-Elektrolyten zu verhindern. The object of the invention is to prevent the undesirable influencing of the measurement accuracy by gas reactions at the electrodes of the solid electrolyte.

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. The object is achieved according to the invention in that the outer electrode of the solid-state electrolyte is brought into alternating contact with the furnace atmosphere on the one hand and with a non-carburizing purge gas on the other hand.

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. It has been shown that a very precise carburizing effect of a furnace atmosphere can be achieved if it is only monitored or corrected at certain time intervals - but with an exact control variable.

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 the case of a solid-state electrolyte arranged in the furnace chamber, the purge gas flows into the furnace chamber. The type of purge gas used must therefore be adapted to the quality requirements of the workpieces to be treated. When nitrogen is selected as the non-carburizing purge gas, there is no influence whatsoever.

In den meisten Fällen kann ein entkohlend wirkendes Spülgas - z.B. Luft - angewandt werden. In most cases, a decarburizing purge gas - e.g. Air - can be applied.

Die erfindungsgemässe Vorrichtung ist durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 3 angeführten Merkmale gekennzeichnet. The device according to the invention is characterized by the features stated in the characterizing part of patent claim 3.

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. In order to record the current state of the furnace atmosphere or the purge gas as quickly as possible, the outer electrode can be designed in such a way that the contact points of the outer electrode and solid electrolyte can be freely flowed around by the gas without flow shadows. This is ensured, for example, if the outer electrode and the solid electrolyte touch at one or more points.

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. Further details and advantages of the invention will become apparent from the following description of the accompanying drawing, in which an embodiment of the invention is shown schematically. In the drawing, the only FIG. 1 shows in section a flushing probe inserted into a furnace wall.

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. The measuring probe shown comprises a tube 1 made of stabilized zirconium dioxide which is closed at one end and to which an inner electrode 2 is fastened on the inside and an outer electrode 3 is fastened on the outside. In the area of the measuring point, which is formed by the common point of contact between the electrodes and the solid-state electrolyte zirconium dioxide, both electrodes 2 and 3 consist of gold. The point of contact of the outer electrode 3 with the Zirlcondioxidröhrchen 1 is punctiform to ensure a free flow around the electrode, without flow shadow. A line 4 for supplying purge air to the outer electrode 3 is brought into the area of the measuring point. A pump P is provided to convey the purge air.

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 The solid electrolyte 1 is surrounded by a protective tube 6. The closed end of the protective tube 6, which projects into the furnace chamber 8, is provided with a plurality of openings 7, which make it possible, on the one hand, for purge gas from a measuring chamber 9 in the front region of the probe to enter the furnace chamber 8 and, on the other hand, the furnace atmosphere from the Oven chamber 8 can flow into the measuring room 9. The purging gas is supplied to the measuring chamber 9 via the line 4 connected to the pump P. In order to bring the measuring electrode back into contact with the furnace atmosphere as quickly as possible after the purging process, the pump P can alternately be used to extract the

2 2nd

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

3 3rd

Ofenatmosphäre benutzt werden. Ein Distanzring 10 dient zum koaxialen Halten der geschlossenen Enden des Röhrchens 1 innerhalb des Schutzrohres 6. Oven atmosphere can be used. A spacer ring 10 serves to hold the closed ends of the tube 1 coaxially within the protective tube 6.

Die oben beschriebene Vorrichtung wird zur Regelung der The device described above is used to regulate the

639 697 639 697

Schutzgasatmosphäre bei der Wärmebehandlung von Stahl, insbesondere zur Regelung des Kohlenstoffpotentials bei der Einsatzhärtung (Aufkohlung) in Ein-, Mehrkammer- oder Durchlauföfen verwendet. Protective gas atmosphere used in the heat treatment of steel, in particular to regulate the carbon potential in case hardening (carburizing) in single, multi-chamber or continuous furnaces.

1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims (5)

639 697 PATENTANSPRÜCHE639 697 PATENT CLAIMS 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. 1. A method for regulating the carburizing effect of a furnace atmosphere, the electrical voltage of a solid-state electrolyte conducting oxygen ions serving as the control variable with an outer and an inner electrode, the outer electrode in contact with the furnace atmosphere and the inner electrode in contact with air or another substance with a known oxygen content stands, characterized in that the outer electrode of the solid electrolyte is brought into contact with the furnace atmosphere in alternating sequence on the one hand and on the other hand with a non-carburizing purge gas. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenelektrode mit einem entkohlend wirkenden Spülgas in Berührung gebracht wird. 2. The method according to claim 1, characterized in that the outer electrode is brought into contact with a decarburizing purge gas. 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. 3. Device for performing the method according to claim 1 or 2, characterized in that a rod-shaped solid electrolyte (1) projecting into the furnace chamber is surrounded by a protective tube (6) which separates a measuring chamber from the furnace chamber, and that the protective tube is provided with at least one opening (7) to enable an alternating outflow of a purge gas from the measuring space into the furnace space and the flow of the furnace atmosphere from the furnace space into the measuring space. 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. 4. The device according to claim 3, characterized in that the outer electrode and the solid electrolyte are freely flowed around at all their contact points by the furnace atmosphere or the purge gas without flow shadow. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenelektrode und der Festkörperelektrolyt sich an einer oder mehreren Stellen punktförmig berühren. 5. The device according to claim 4, characterized in that the outer electrode and the solid electrolyte touch at one or more points.
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