DE102004047985A1

DE102004047985A1 - Verfahren zur Atmosphärengestaltung bei Wärmebehandlungen

Info

Publication number: DE102004047985A1
Application number: DE200410047985
Authority: DE
Inventors: Gerd Waning; Thomas Mahlo
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2004-10-01
Filing date: 2004-10-01
Publication date: 2006-04-06
Also published as: WO2006037459A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Behandlungsgas-Atmosphäre in einem Ofen für die Wärmebehandlung von metallischem Gut, wobei ein Hauptteil des Behandlungsgases oder dessen Bildungskomponenten über entsprechende Zuleitungsrohre, Verdüsungs-Lanzen, Eintropfvorrichtungen, innen liegende Generatoren und dergleichen eingebracht wird und andererseits weitere Komponenten des Behandlungsgases oder Anreicherungsgas eigenständig zugeführt werden. Erfindungsgemäß wird das Anreicherungsgas und/oder die weiteren Komponenten des Behandlungsgases mit einer oder mehreren speziellen Düsen, so genannten Filmdüsen, dem Ofen zugeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfahren zur Herstellung einer Behandlungsgas-Atmosphäre in einem Ofen für die Wärmebehandlung von metallischem Gut, wobei ein Hauptteil des Behandlungsgases oder dessen Bildungskomponenten über entsprechende Zuleitungsrohre, Verdüsungs-Lanzen, Eintropfvorrichtungen, innen liegende Generatoren und dergleichen eingebracht wird und wobei gegebenenfalls weitere Komponenten des Behandlungsgases eigenständig zugeführt werden und/oder gegebenenfalls zur Einstellung eines gewünschten Kohlenstoffpegels der Atmosphäre dem Ofen – zumindest in der Behandlungszone – zudem ein Anreicherungsgas/-mittel zugeführt wird.
Zahlreiche Wärmebehandlungsverfahren und insbesondere Wärmebehandlungen für metallische Werkstücke arbeiten mit Wärmebehandlungsöfen, die entweder als Kammer-, Durchlauf- oder Durchstoßofen ausgebildet sind. Die Erwärmung der Anlagen erfolgt meist über Strahlrohre und das zur Wärmebehandlung notwendige Behandlungsgas wird häufig in eigenständigen Gasgeneratoren oder in Katalysatorretorten erzeugt (Endogas). Ebenso kann neben dem generierten Gas weiteres geeignetes Gas, z.B. inerter Stickstoff, zusätzlich in den Wärmebehandlungsofen eingebracht werden (siehe EP-B1 261 461). Ferner ist oft die Zufuhr weiterer Mittel für gewünschte thermochemische Prozesse wie die Aufkohlung erforderlich (HTM 46/1991).
Eine vorteilhafte Ausgangslage in Verbindung mit durchzuführenden Wärmebehandlungen sind sich schnell einstellende, gleichmäßig und homogen sich verhaltende Atmosphären und gute Möglichkeiten diese zu überwachen und zu regeln. Nicht immer – und speziell bei größeren Ofenanlagen und Direktbegasungen – ist dies gegeben, und es ist auch nicht immer möglich, eine zutreffende Information über Zusammensetzung und Wirkung einer Atmosphäre zu erhalten, geschweige denn diese zuverlässig zu regeln. Ziel der vorliegenden Erfindung war es daher, eine Verbesserung dieser Verhältnisse zu schaffen.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Anreicherungsgas und/oder die weiteren Komponenten des Behandlungsgases mit einer oder mehreren Filmdüsen dem Ofen zugeführt wird/werden. Zumindest zum Teil liegen die Mängel im Stand der Technik darin begründet, dass bei der Zufuhr von letztlich Atmosphäre bildenden Komponenten inhomogene Verhältnisse in den Atmosphären entstehen. Diese werden durch die Anwendung einer erfindungsgemäßen Düse, die auch als Ansaug- und Impulseintrags-Düse näher gekennzeichnet werden kann, vermindert oder ganz behoben.
Das erfindungsgemäße Vorgehen bewirkt durch den zugehörigen starken Impulseintrag eine starke Vermischung der eingebrachten und der umgebenden Gase, die insbesondere auch räumlich weitreichender ist als die übliche Zufuhr mit Düsen mit kreisförmigem Strahlquerschnitt. Die Kennzeichen besagter Düsen bestehen darin, dass Druckgas aus darin vorgesehenen Kammern heraus über eine oder mehrere schmale Öffnungen in einen oder mehrere dünnen Gas-Filme – oder auch in eine Reihe nebeneinander liegender Strahlen – entspannt wird, wobei diese Filme dann mit dem Umgebungsgas in intensive Wechselwirkung treten. Typische Filmdicken liegen dabei in Bruchteilen von Zehntelmillimetern bis in den Millimeterbereich (0,01 bis 2 mm).
Wird eine derartige Düse mit beispielsweise ringförmigem Gasauslass aus der zugehörigen Druckkammer eingesetzt, entsteht eine großflächige Gashülle die mit der Umgebungsatmosphäre – auch thermisch – wechselwirkt und diese mitreißt. Neben einer schnellen, innigen Vermischung der beteiligten Gase erhält man einen, im Vergleich zu den üblichen Eintragsarten für Gase weit größeren, bewegten Gasstrom, d.h. einen Impulseintrag, der eine weitreichende Verwirbelungs- und Vermischungswirkung im gesamten, betreffenden Volumen der vorhandenen Atmosphäre ergibt. Auf diese Weise und bei günstiger Ausrichtung und Zufuhr – oder sogar dem Zusammenwirken mehrerer erfindungsgemäßer 'Gasströme'- ergeben sich günstige Verhältnisse für eine schnelle Abreaktion zugeführter Medien sowie für eine schnelle Homogenisierung und Durchmischung des gesamten Zufuhrbereichs.
Die freie Wirkstrecke, d.h. die freie Wegstrecke des zugeführten Gases bzw. der erzeugten Gasfilme bis zu einem Hindernis, muss hierfür ferner mit Vorteil mehr als 0,3 Meter betragen.
Besonders vorteilhaft sind zudem Film-Düsen mit verstellbarem Ringspalt. Derartige Düsen könne auf unterschiedlichste Bedingungen hinsichtlich Druck, Mitnahmeeffekt, Gasmenge und dergleichen angepasst werden
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
1: eine Düse mit angedeutetem, erfindungsgemäßem Gasfluss-Schema
2: eine Anwendung im Kammerofen
3: eine Anwendung im Durchlaufofen
In 1 ist eine erfindungsgemäße Film- oder Impulseintrags-Düse D mit einem ringförmigen Spalt 1 und einem in Abblasrichtung sich verjüngendem, konischen Verschlusskörper 2 dargestellt. Im ringförmigen Spalt 1 wird ein ringförmiger Gasfilm aus der vorgelagerten Kammer 3 heraus erzeugt. Die Ringspalt-Weite ist über eine lange, durch den rohrartigen Körper 5 längs hindurch reichende Verstellschraube 4 von der Düsenrückseite her variierbar. Generell weist die Düse eine lanzenartige Ausbildung auf, so dass diese besonders für den Einbau in großvolumige Kammern geeignet ist.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Anwendung einer entsprechenden Film-Düse 1 in einer Kammerofen-Ofenanlage. Die Düse 1 ist im gezeigten Fall von oben senkrecht nach unten zeigend in die Decke des Kammerofens eingesetzt, und zwar benachbart zur gleichsinnig orientierten Stickstoff-Methanol-Lanze 2. Methanol setzt sich bei laufendem Betrieb und üblichen Aufkohlungstemperaturen um 1000°C in CO und H2 um und bildet mit dem benachbart eingetragenen Stickstoff das sog. Trägergas für die Wärmebehandlung der metallischen Charge. Mit der Düse 1 wird das für den Kohlenstoff- oder C-Pegel Ausschlag gebende Anreicherungs- oder Fettungsmedium zugeführt. Diese Düse ist – wie erfindungsgemäß vorteilhaft angezeigt – im Weiteren so platziert, dass der sich ergebende Gasstrom eine größere Freie Weglänge durchqueren kann, im gezeigten Fall mehr oder weniger die gesamte Ofenkammerhöhe. Diese freie Wirkstrecke soll vorteilhaft mehr als 0,5 m betragen.
Als Anfettungsmedium wird – an Stelle der üblichen Medien Methan oder Propan – im vorliegenden Beispielfall speziell Acetylen eingesetzt, das, wie gezeigt, mit Stickstoff verdünnt werden kann. Die Stickstoff-Zumischung ergibt einen zusätzlichen Freiheitsgrad mit dem der gewünschte Impulseintrag ohne Veränderung der Chemie variiert werden kann. Die Zugabe des Anreicherungsmediums dient dazu, das beim Kohlenstoffübertrag auf das Werkstück entstehende CO₂ und H₂O abzureagieren und den Kohlenstoffübertrag – /bis zu einem gewünschten Maß – in Gang zu halten. Der C-Übertrag ist bekanntermaßen wesentlich durch CO + H₂ → (C) + H₂O oder 2 CO → (C) + CO₂ bestimmt. Das Anreicherungsgas Acetylen führt mit C₂H₂ + 2 CO₂ → 4 CO + H₂ C₂H₂ + 2 H₂O → 2 CO + 3 H₂ zu einer Abreaktion der hemmenden Komponenten und zu einer besonders effektiven Kohlenmonoxid-Nachlieferung, die – wie bekannt – die schnellste Aufkohlungsreaktion stützt.
Durch die erfindungsgemäße Zufuhr von Acetylen mit einer Filmdüse mit Impulseintrag wurde bei ansonsten üblichen Parametern in einem Vergleichsversuch eine hochwertige und besonders schnelle Aufkohlung von gängigen Chargen von Getriebeteilen erzielt, die mit üblicher Mess- und Regeltechnik problemfrei gestaltbar und kontrollierbar war.
Die erfindungsgemäß bewirkte, intensive Wechselwirkung des in der beschriebenen Weise zugeführten Anreicherungsgases mit dem übrigen Atmosphärengasen führt offenkundig zu einer günstigen und schnellen Beeinflussung des vorhandenen Atmosphärengasgemisches im Ganzen und insbesondere hinsichtlich dessen Wirksamkeit, Homogenität und Regelbarkeit.
Besonders auffällig ist ferner, dass mit der geschilderten Vorgehensweise der Formierprozess eines Ofens nach Stillstandszeiten erheblich schneller als bei konventioneller Fahrweise abläuft.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in einem Durchlaufofen mit zwei gegensinnig orientierten Filmdüsen FD.
Die zwei Düsen FD sind im Bereich der Heiz-/Hitzezone montiert. Die Einblasrichtung ist Quer zur Durchlaufrichtung des Gutes und vorteilhaft in einem Winkel von ca. 10 bis 15 ° nach oben. Die Platzierung ist ferner mit oberhalb des Transportweges des Behandlungsgutes und in etwa auf der Verbindungslinie des Gas erzeugenden Katalysatoreinsatzes KAT einerseits und der Stickstoffzufuhr N2O zum Oberofen andererseits näher definiert. Im unteren Ofenteil unterhalb des Transportweges ist ferner – voraus liegend und benachbart zum Katalysatoreinsatz KAT – eine Stickstoffzufuhr N2U zum Unterofen vorgesehen.
Mit dieser Anordnung findet nunmehr die Begasung des gezeigten Durchlaufofens statt. Dabei liefert der innen liegende Gaserzeuger KAT einen Hauptteil der Behandlungsatmosphäre, welcher aus Erdgas und Luft (beispielsweise aus 2,4 cbm pro Stunde Erdgas und 6,25 cbm/h Luft) erzeugt wird und also aus dem klassischen Endogas (20% CO, 40 % H₂,40 % N₂) besteht. Zu diesem kommt Stickstoff hinzu, womit eine – bezüglich Stickstoff – angereicherte und hinsichtlich der anderen Komponenten reduzierte Endogas-Atmosphäre entsteht – z.B. ca. 10 % CO. Diese Atmosphäre wird schließlich über die Zugabe von Anreicherungsgas für die jeweilige Behandlung geeignet eingestellt. Erfindungsgemäß erfolgt die Zugabe des Anreicherungsgases nunmehr über die zwei – von den beiden Ofenseiten her – eingebrachte und gegensinnig und leicht nach oben orientierte Düsen FD.
Mit dem gezeigten Begasungs-Schema mit zwischen Endo- und Stickstoffgaszufuhr liegender Einbringung von Anreicherungsgas mit zwei Impulsdüsen wird eine hocheffiziente Anreicherung bzw. C-Pegeleinstellung der vorhanden Atmosphäre erzielt, die insbesondere auch sehr schnell auf Nachregulierungen reagiert und die das zugeführte Anreicherungsgas sehr effektiv ausnutzt.
Beispielsweise ergibt sich mit den in 3 gezeigten Verhältnissen und dem Betrieb zweier Filmdüsen FD in der gezeigten Weise und jeweils der Zufuhr von 1,0 cbm Propan pro Stunde (bislang ca. 2,5 cbm/h seitliche Propanzugabe als Anfettung) eine hinsichtlich des C-Pegels – im Vergleich zu vorher – sogar leicht verbesserte Atmosphäre, wobei es sich im geschilderten Fall um die Präparation relativ niedriger C-Pegel um 0,2% handelt. Diese Atmosphäre ist ferner mit erfindungsgemäßem Vorgehen in kurzer Zeit variierbar. Generell können mit der Erfindung und entspechend variierten Begasungsystemen auch erhebliche höhere C-Pegel problemlos eingestellt werden.
Im oben beschriebenen Ofen wurde schließlich eine Rückkohlung von Rohren aus 34Cr Mo 4 erfindungsgemäß durchgeführt. Es wurden – bei ansonsten im wesentlichen herkömmlichen Einstellungen – 2 cbm Propan pro Stunde als Anfettungsmedium erfindungsgemäß mit der gezeigten Filmdüsenanordnung zugeführt (das Verfahren funktioniert – wie festgestellt wurde – ebenso mit Acetylen als Anreicherungsmedium). Aufgrund der offenbar effizienten Umsetzung des Anreicherungsgases und der messbar guten Gesamtkonstitution der Atmosphäre ergab sich ein problemfreier Ablauf mit vorzüglichen Eigenschaften hinsichtlich der Prozessführung und fehlerfreiem Behandlungsergebnis, wobei auf der Basis eines Carbodiffsensors gesteuert wurde.
Auffällig war ferner, dass erfindungsgemäß auch der Formierprozess erheblich schneller als bei üblicher, vorbekannter Verfahrensweise von statten ging.
Vorliegendes Verfahren stellt somit eine vorteilhafte Alternative bei der Atmosphärenherstellung im Wärmebehandlungsbereich dar.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Behandlungsgas-Atmosphäre in einem Ofen für die Wärmebehandlung von metallischem Gut, wobei ein Hauptteil des Behandlungsgases oder dessen Bildungskomponenten über entsprechende Zuleitungsrohre, Verdüsungs-Lanzen, Eintropfvorrichtungen, innen liegende Generatoren und dergleichen eingebracht wird und wobei gegebenenfalls weitere Komponenten des Behandlungsgases eigenständig zugeführt werden und/oder gegebenenfalls zur Einstellung eines gewünschten Kohlenstoffpegels der Atmosphäre dem Ofen – zumindest in der Behandlungszone – zudem ein Anreicherungsgas/-mittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Anreicherungsgas und/oder die weiteren Komponenten des Behandlungsgases mit einer oder mehreren Filmdüsen dem Ofen zugeführt wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Filmdüsen mit Filmdicken zwischen 0,01 und 2 mm, vorzugsweise 0,05 und 1 mm, und ein Durchsatz zwischen 0,2 und 50 Kubikmeter (cbm), vorzugsweise 0,5 und 20 cbm, pro Stunde zur Anwendung kommen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Filmdüsen mit verstellbarem Ringspalt verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine freie Wirkstrecke für die Filmdüsengasströme von wenigsten 30 cm, vorzugsweise mehr als 50 cm, vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmungsgröße der Atmosphäre gemessen und davon abhängig die Menge des über die Filmdüse(n) zugeleiteten Gases, insbesondere Anreicherungsgases, eingestellt und/oder geregelt wird.