-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufkohlung von
Stahl mit einer Aufkohlungskammer, die über eine Zuleitung
mit einem Reservoir für in einem Lösungsmittel
gelöstes Kohlungsgas verbunden ist und für einen
Betrieb mit einem Druck im Inneren der Aufkohlungskammer, der kleiner
ist als der Atmosphärendruck, insbesondere mit einem Druck
aus dem Bereich von 1 bis 100 mbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung
ein Verfahren zur Aufkohlung von Stahl bei dem der aufzukohlende
Stahl, insbesondere Stahlwerkstücke oder Stahlhalbzeuge,
in eine Aufkohlungskammer eingebracht und mit einem Kohlungsgas
beaufschlagt werden, das aus einem Reservoir für in einem
Lösungsmittel gelöstes Kohlungsgas entnommen und
der Aufkohlungskammer zugeführt wird, wobei für
das Innere der Aufkohlungskammer ein Druck, der kleiner ist als
der Atmosphärendruck, insbesondere der im Bereich von 1
bis 100 mbar liegt, eingestellt wird.
-
Bei
der Stahlaufkohlung im sog. Niederdruckbereich, also wie eingangs
beschrieben mit einem Druck im Inneren der Aufkohlungskammer, der kleiner
ist als der Atmosphärendruck, insbesondere mit einem Druck
aus dem Bereich von 1 bis 100 mbar, besonders bevorzugt von 1 bis
20 mbar, wird der härtende Einfluss kurzkettiger Kohlenwasserstoffe
als Kohlungsgas während einer Wärmebehandlung
mit Temperaturen im Bereich von 900 bis 1050°C auf den
Stahl benutzt. Zu den herkömmlich dazu als Kohlungsgas
verwendeten kurzkettigen Kohlenwasserstoffen zählen vor
allem Acetylen (Ethin, Summenformel C2H2), Ethen (C2H4), Propan (C3H8) und Vinylacetylen (C4H4). Das Acetylen hat sich für die
hier beschriebene Wärmebehandlung und Härtung
von Stahl durch Aufkohlen als besonders vorteilhaft erwiesen. Es
weist z. B. die höchste Kohlenstoffverfügbarkeit
auf und zeigt nahezu keine Russbildung.
-
Die
bei einer Aufkohlung von Stahl unter Niederdruck-Bedingungen mit
kurzkettigen Kohlenwasserstoffen ablaufenden Reaktionen in der Gasphase in
der Aufkohlungskammer und auf der Oberfläche des Stahls
sind nur zum Teil bekannt und wissenschaftlich noch nicht hinreichend
beschrieben. In der Gasphase finden, soweit bekannt, homogen ablaufende
Reaktionen der Einsatzgase und der Pyrolysegase statt. An dem aufzukohlenden
Stahl sind dagegen heterogen katalysierte Reaktionen beschrieben worden,
die mit der eigentlichen Aufkohlung in Zusammenhang gebracht werden.
Diese Reaktionen nehmen nach bestehender Lehrmeinung wiederum Einfluss
auf die Pyrolysevorgänge in der Gasphase in der Aufkohlungskammer
und damit auf die bei der Aufkohlung erzielbare Qualität,
da sie z. B. die Entstehung von hochmolekularen Aufbauprodukten durch
die aufkohlungsbedingte Freisetzung von Wasserstoff hemmen.
-
Am
Beispiel des Acetylens soll nun eine gängige Schwierigkeit
erläutert werden: Die Bevorratung des Kohlungsgases in
einem Lösungsmittel.
-
Aus
Sicherheitsgründen und zur besseren Ausnutzung des Volumens
eines Reservoirs für Kohlungsgas, z. B. für Acetylen,
liegt dieses in einem Lösungsmittel gelöst im
Reservoir vor. Als Lösungsmittel kommt dazu üblicherweise
Aceton zum Einsatz, in jüngster Zeit auch vermehrt Dimethylformamid (C3H6O) oder auch C3H7NO. Dieses Lösungsmittel wird
bei der Entnahme des Acetylens aus dem Reservoir, in der Regel aus
einer Flasche oder aus einem Flaschenbündel, entsprechend
seinem temperaturabhängigen Dampfdruck mit ausgetragen,
wodurch das Kohlungsgas verunreinigt in der das Reservoir verlassenden
Leitung vorliegt.
-
Am
Beispiel von in Aceton gelöstem Acetylen im Reservoir lassen
sich folgende Betrachtungen anstellen: Der Dampfdruck des reinen
Acetons liegt für eine Temperatur von 0°C bei
86,1 mbar und für eine Temperatur von 25°C bei
291,4 mbar (vgl. 1). Bezogen auf einen üblichen
Druck in einer als Reservoir dienenden Flasche von 18,1 bar liegt
für dieses Beispiel der Volumenanteil des in die Aufkohlungskammer
eingetragenen Acetons, unter der Annahme es würde sich
um ein ideales Gas handeln, bei 0,5 bis 1,8 Vol.-%. Das in dem Aceton
gelöste Acetylen scheint dabei keinen signifikanten Einfluss
auf den Dampfdruck des Acetons zu haben, so dass der Dampfdruck
des reinen Acetons für diese Betrachtung herangezogen werden
kann. Die genannten, auf der Basis der Dampfdruckkurve des reinen
Acetons und des idealen Gasgesetzes abgeschätzten Werte für
die Acetonvolumenanteile konnten durch Messungen bestätigt
werden. Darüber hinaus ist zu beachten, dass bei großen
Entnahmeströmen aus dem Reservoir zusätzlich Acetontröpfchen
mitgerissen werden können, die den Acetongehalt im entnommenen
Acetylen weiter erhöhen.
-
Für
ein anderes Beispiel, in dem das Acetylen in Dimethylformamid gelöst
vorliegt, ergeben sich die Werte analog aus der Dampfdruckkurve
für Dimethylformamid, der mit 4,9 mbar bei 25°C
deutlich unter dem Dampfdruck von Aceton liegt, wodurch sich auch
deutlich geringere Lösungsmittelanteile in Volumenprozent
im aus dem Reservoir entnommenen Acetylen ergeben. Das grundsätzliche
Problem bleibt jedoch auch bei der Verwendung von Dimethylformamid
als Lösungsmittel bestehen.
-
Die
Reinheit des Kohlungsgases bzw. die Verunreinigung durch mit dem
Kohlungsgas eingetragenes Lösungsmittel beeinflusst das
Aufkohlungsergebnis. Untersuchungen dazu sind in F. Graf,
S. Bajohr, D. Buchholz, R. Reimert, Thermogravimetrische Untersuchungen
zur Aufkohlungswirkung verschiedener Kohlenwasserstoffe, Z. Werkst.
Wärmebeh. Fertigung 61 (2002), Carl Hanser Verlag, München,
veröffentlicht.
-
Das
eingetragene Lösungsmittel hat beispielsweise einen entscheidenden
Einfluss auf das Pyrolyseverhalten von Acetylen in der Aufkohlungskammer.
Einer der Gründe für diesen Einfluss dürfte bei
dem in dem Lösungsmittel enthaltenen Sauerstoff zu finden
sein. Der Sauerstoff bedingt die Entstehung von sauerstoffhaltigen
Radikalen, die zu einer Beschleunigung der Pyrolyse durch zusätzlich
mögliche Reaktionspfade führen und auch die Entstehung
unerwünschter Nebenprodukte fördern können,
die sich unter Umständen als der beabsichtigten Aufkohlung abträglich
erweisen.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine hinsichtlich
der Qualität, der Effizienz und/oder der Wirtschaftlichkeit
verbesserte Vorrichtung sowie ein entsprechend verbessertes Verfahren zur
Aufkohlung von Stahl zur Verfügung zu stellen.
-
Die
gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch eine Vorrichtung
der eingangs genannten Art gelöst, wobei eine Einrichtung
zur Separation des Lösungsmittels von dem Kohlungsgas in
der Zuleitung zwischen Aufkohlungskammer und Reservoir zwischengeschaltet
ist. Dabei kann als Reservoir eine Flasche oder ein Flaschenbündel
oder in seltenen Fällen auch ein Tank vorgesehen sein.
Als Kohlungsgas kommen bevorzugt die eingangs genannten kurzkettigen
Kohlenwasserstoffe zum Einsatz, wobei unter diesen das Acetylen
(Ethin, C2H2) sich
als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
-
Die
genannten Druckwerte können auf verschiedene Art und Weise
erzielt werden. Beispielsweise ist die Vorrichtung zur Aufkohlung
mit einer Vakuumpumpe verbunden, die den Druck auf den gewünschten
Wert absenkt. Der Druck kann aber auch z. B. durch Integration der
Aufkohlungskammer in einen Behandlungsbereich erreicht werden, in
dem bereits ein hinreichend niedriger Druck herrscht.
-
Vorzugsweise
wird eine Temperatur aus dem Bereich von 900 bis 1050°C
eingestellt. Die Temperatur kann beispielsweise durch eine mit der
Aufkohlungskammer in Wirkverbindung stehende Heizeinrichtung auf
den gewünschten Wert gebracht werden oder die Vorrichtung
zur Aufkohlung befindet sich in einem bereits heißen Bereich
und/oder der zu behandelnde Stahl wird noch heiß in die
Aufkohlungskammer eingebracht, wobei das Temperaturniveau z. B. lediglich
gehalten werden muss, wofür unter Umständen eine
Wärmeisolation der Aufkohlungskammer ausreichend sein kann
und auf eine Heizeinrichtung in einem solchen Fall verzichtet werden
kann.
-
Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, durch die Einrichtung zur Separation
den Lösungsmittelanteil im Kohlungsgas zu verringern, bevorzugt
ein annähernd reines Kohlungsgas für den Eintrag
in die Aufkohlungskammer zur Verfügung zu stellen. Dabei soll
angemerkt werden, dass es nicht möglich bzw. wirtschaftlich
und im Hinblick auf die Bedarfsmenge an Kohlungsgas für
den Betrieb einer typischen Vorrichtung zur Aufkohlung, die beispielsweise
zwischen 100 und 3000 Liter Kohlungsgas pro Betriebsstunde liegt,
nicht sinnvoll ist reines Kohlungsgas im Reservoir zu verwenden.
Am Beispiel Acetylen als Kohlungsgas lässt sich die Problematik
verdeutlichen: Eine 40 Liter fassende Flasche kann lediglich 1,2
kg reines Acetylen aufnehmen. Demgegenüber stehen 8 kg
in Aceton gelöstem Acetylen bei gleichem Fassungsvermögen
der Flasche. Die Bereitstellung der o. g. Bedarfsmenge würde
sich somit durch die Verwendung von reinem Acetylen enorm erschweren und
ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht praktizierbar.
-
Es
sei hier nochmal darauf hingewiesen, dass, wie bereits eingangs
erwähnt, bei der Entnahme des Kohlungsgases aus dem Reservoir
in Abhängigkeit vom seinem Dampfdruck Lösungsmittel
verdampft und mit dem Kohlungsgas in die Entnahmeleitung gerät
und somit in der Entnahmeleitung ein Gemisch aus Kohlungsgas und
Lösungsmittel vorliegt. Ein typischer Lösungsmittelanteil
liegt dabei für das Beispiel, bei dem im Reservoir Acetylen
in Aceton gelöst vorliegt, bei 0,5 bis 1,8 Vol.-%.
-
Zweckmäßigerweise
weist die Einrichtung zur Separation einen Auffangbehälter
und/oder eine Ableitung und/oder einen Verdampfer für separiertes Lösungsmittel
auf oder ist zumindest damit verbunden. Somit kann ein Sammeln und
Abtransportieren des abgetrennten Lösungsmittels ermöglicht
werden.
-
Besonders
bevorzugt ist als Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel
und Kohlungsgas eine kryogene Kondensationseinrichtung vorgesehen. Diese
weist bevorzugt einen Wärmetauscher auf, dessen kalte Seite
mit einem Vorratsbehälter für ein kryogenes Kältemittel,
z. B. mit einem Vorratstank für flüssigen Stickstoff,
verbunden ist. Das kryogene Kältemittel entzieht über
den Wärmetauscher, der dazu im Gleich- oder im Gegenstrom
betrieben werden kann, dem aus dem Reservoir entnommenen Kohlungsgas
Wärme, wodurch der Lösungsmittelanteil kondensiert
und sich dadurch abscheidet. Eine derartige Einrichtung wird auch
als Kondensationsfalle bezeichnet. Das kryogene Kältemittel
und das Kohlungsgas aus dem Reservoir treten bevorzugt in indirekten
Wärmetausch, so dass das kryogene Kältemittel
nicht verunreinigt werden kann und daher ohne Einschränkungen
weiteren Verwendungen, z. B. als Spülgas für die
Aufkohlungskammer, zur Verfügung steht.
-
Gemäß einer
anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist als Einrichtung
zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas eine mechanische
Kondensationseinrichtung vorgesehen. Eine geeignete mechanische
Kondensationseinrichtung weist in der Regel eine Kältemaschine
mit Kompressor auf und entspricht in der Funktionsweise der eines
herkömmlichen Kälteaggregates wie man es z. B.
bei Kühlschränken vorfindet.
-
Gemäß einer
weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist als Einrichtung zur Separation
von Lösungsmittel und Kohlungsgas ein Filter, insbesondere
ein Adsorptionsfilter, vorgesehen. Ein Filter, der Idealerweise
das Lösungsmittel adsorbiert und das Kohlungsgas passieren
lässt kann anstatt einer Kondensationseinrichtung vorgesehen
sein oder auch mit besonderem Vorteil zusätzlich zu einer
solchen zum Einsatz kommen.
-
Verfahrensseitig
wird die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten
Art gelöst, wobei das Kohlungsgas nach der Entnahme aus dem
Reservoir über eine Leitung einer Einrichtung zur Separation
des Lösungsmittels von dem Kohlungsgas zugeführt
und dort das Lösungsmittel von dem Kohlungsgas separiert
wird und das gereinigte Kohlungsgas der Aufkohlungskammer über
eine Leitung zugeführt wird.
-
Zweckmäßigerweise
wird das durch die Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel
vom Kohlungsgas separierte Lösungsmittel einem Auffangbehälter
und/oder einer Ableitung und/oder einem Verdampfer zugeführt.
-
Besonders
bevorzugt wird das Lösungsmittel in der Einrichtung zur
Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas durch Kondensation
separiert. Dabei kann vorteilhaft eine mechanische Kondensationseinrichtung
oder mit besonderem Vorteil hinsichtlich ihrer Abscheidungsrate
eine kryogene Kondensationseinrichtung eingesetzt werden.
-
Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Gemisch aus Lösungsmittel
und Kohlungsgas in der Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel
und Kohlungsgas gefiltert. Dabei kann dies anstelle von oder zusätzlich
zu einer Kondensation durchgeführt werden. Mit besonderem
Vorteil werden also Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelreste von
einem Filter zurückgehalten, der von gereinigtem Kohlungsgas
passiert wird. Bevorzugt wird hierzu ein Adsorptionsfilter eingesetzt.
-
Gemäß einer
besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung
wird die Aufkohlung in Aufkohlungsintervallen durchgeführt,
die von Diffusionsintervallen unterbrochen werden, in denen kein
Kohlungsgas der Aufkohlungskammer zugeführt wird, sondern
Zeit für das Eindiffundieren des atomaren Kohlenstoffs
gegeben wird. Diese Vorgehensweise dient u. a. der Vermeidung von
zu hohen Kohlenstoffrandgehalten. Während der Aufkohlungsintervalle
wird Kohlungsgas zugeführt. Durch die dem beschriebenen
Aufkohlungsprozess eigenen hohen Kohlenstoffübergänge
kommen bevorzugt Aufkohlungsintervalle von kurzer Dauer zum Einsatz.
-
Ein
wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen,
dass das erfindungsgemäß gereinigte Kohlungsgas
eine gegenüber einem herkömmlichen Kohlungsgas
gesteigerte Aufkohlungswirkung und eine verminderte Russbildung während
der Aufkohlung aufweist. Beispielsweise konnte eine um 3 bis 10%
gesteigerte Aufkohlungswirkung und eine um 24 bis 44% reduzierte
Russbildung in Versuchen ermittelt werden.
-
Die
Erfindung bietet eine ganze Reihe weiterer Vorteile, von denen im
Folgenden nur einige wenige genannt sind: Es ergeben sich Möglichkeiten
zu erheblichen Kosteneinsparungen durch eine geringere Russbildung
und einer dadurch bedingten Verminderung des Reinigungsaufwandes
und durch eine Erhöhung der Produktivität durch
Verminderung von Produktionsausfällen. Darüber
hinaus ist durch die Erfindung der Einfluss der Umgebungstemperatur, die
den Dampfdruck des Lösungsmittels bei der Entnahme aus
dem Reservoir beeinflusst, auf die Qualität des Aufkohlungsprozesses
nahezu eliminiert. Die Verunreinigung des in die Aufkohlungskammer
eingebrachten Kohlungsgases mit Lösungsmittel kann durch
die Erfindung auf ein Minimum reduziert oder im besten Fall völlig
vermieden werden. Es wird damit ein gleich bleibend gutes Wärmebehandlungsergebnis
erzielt, dessen Durchführung nachvollziehbar und einstellbar
ist.
-
Die
Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im
Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher
erläutert. Es zeigen:
-
1 eine
Dampfdruckkurve von reinem Aceton,
-
2 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
-
3 eine
schematische Darstellung einer anderen erfindungsgemäßen
Vorrichtung mit kryogener Kondensationseinrichtung.
-
Die 1 ist
als Erläuterung der zugrunde liegenden und bereits ausführlich
beschriebenen Gesetzmäßigkeiten gedacht. An der
x-Achse ist die Temperatur T in °C und an der y-Achse der
Dampfdruck pD von reinem Aceton in mbar
angetragen.
-
Die 2 zeigt
im Einzelnen ein Reservoir 1, das über eine Leitung 2 mit
einer Kondensationseinrichtung 3 verbunden ist. Die Kondensationseinrichtung 3 weist
einen Auffangbehälter 4 für das kondensierte
Lösungsmittel auf. Über die Leitung 5 wird
das gereinigte Kohlungsgas einer Aufkohlungskammer 6 zugeführt,
die den aufzukohlenden Stahl aufnimmt.
-
Die 3 zeigt
ebenso die bereits bei der Beschreibung der 2 genannten
Elemente mit Ausnahme einer anders gestalteten Kondensationseinrichtung 3,
die hier als kryogene Kondensationseinrichtung 3 ausgeführt
ist und daher mit einem Vorratstank 7 für ein
kryogenes Kältemittel, wie z. B. flüssigen Stickstoff, über
eine Leitung 8 verbunden ist. Das kryogene Kältemittel
entzieht in der Kondensationseinrichtung 3 über
einen Wärmetauscher (nicht dargestellt) dem aus der Leitung 2 in
die Kondensationseinrichtung 3 eingebrachten Gemisch aus Kohlungsgas
und Lösungsmittel Wärme, so dass zumindest ein
Teil, bevorzugt jedoch (annähernd) der Gesamtgehalt an
Lösungsmittel kondensiert und in einem Auffangbehälter 4 aufgefangen
wird. Der Auffangbehälter 4 ist in diesem Beispiel
mit einer Ableitung 9 verbunden, über die kondensiertes
Lösungsmittel aus dem Auffangbehälter 4 abgezogen
werden kann. Das gereinigte, von Lösungsmittel bevorzugt (nahezu)
vollständig befreite, Kohlungsgas wird über eine
Leitung 5 einer Aufkohlungskammer 6 zugeführt.
Die Aufkohlungskammer 6 nimmt den aufzukohlenden Stahl
auf und weist eine Heizeinrichtung auf oder steht mit einer Heizeinrichtung
(nicht dargestellt) in Wirkverbindung, so dass z. B. eine Temperatur
von 950°C im Inneren der Aufkohlungskammer 6 erreicht
wird.
-
Das
in der Regel in der Kondensationseinrichtung 3 verdampfte
kryogene Kältemittel wird über Leitung 10 aus
der Kondensationseinrichtung 3 abgezogen und einer weiteren
Verwendung, beispielsweise als Intertisierungsgas, zugeführt.
-
Die
Aufkohlung zählt zu den Wärmebehandlungsverfahren,
wobei der richtige Temperaturbereich großen Einfluss auf
die ablaufenden Reaktionen ausübt, wobei pyrolytischen
Reaktionen eine Schlüsselfunktion bei der Aufkohlung zukommt.
Der Erfolg einer Härtung des Stahls durch ein Verfahren zur
Aufkohlung hängt maßgeblich von der herrschenden
Temperatur, dem eingesetzten Kohlungsgas und dessen Reinheit, also
z. B. Lösungsmittelfreiheit, ab.
-
Der
Aufkohlungsprozess wird in der Regel im Batch-Verfahren betrieben.
Häufig kommt auch die bereits beschriebene Abwechslung
von einer Aufkohlungs- gefolgt von einer Diffusionsphase, wieder gefolgt
von einer Aufkohlungsphase und so weiter zum Einsatz. Ein einmal
in die Aufkohlungskammer eingelegter Stahl durchläuft in
diesem Fall ein sog. mehrstufiges Aufkohlungsverfahren bevor er
fertig gehärtet ist und wieder aus der Aufkohlungskammer entnommen
wird.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - F. Graf, S.
Bajohr, D. Buchholz, R. Reimert, Thermogravimetrische Untersuchungen
zur Aufkohlungswirkung verschiedener Kohlenwasserstoffe, Z. Werkst.
Wärmebeh. Fertigung 61 (2002), Carl Hanser Verlag, München [0008]