DE102009038598A1

DE102009038598A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Aufbereitung von Prozessgasen für Wärmebehandlungen von metallischen Werkstoffen/Werkstücken in Industrieöfen

Info

Publication number: DE102009038598A1
Application number: DE102009038598A
Authority: DE
Inventors: Hendrik Dr. Grobler; Peter Haase; Bernd Dr. Edenhofer; Jens Dr. Bechthold; Thorsten Requardt; Thomas Eversmann; Dirk Joritz
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 2009-08-26
Filing date: 2009-08-26
Publication date: 2011-03-24
Anticipated expiration: 2029-08-27
Also published as: JP2011047039A; DE102009038598B4; PL2302081T3; US20110042866A1; US8747731B2; JP5747261B2; EP2302081A1; US20130078152A1; EP2302081B1; US8333852B2

Abstract

Mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Aufbereitung von Prozessgasen (3) für Wärmebehandlungen von metallischen Werkstoffen/Werkstücken soll das jeweilige Prozessgas (3) mindestens einer Behandlungskammer (1.1) in einem Industrieofen (1) praktisch fertig aufbereitet, vergleichmäßigt und aufgeheizt zugeführt und dabei das Verfahren mittels der Vorrichtung sowohl an neu gefertigten als auch insbesondere an bereits vorhandenen Einheiten von Industrieöfen (1) betrieben werden, wobei das Prozessgas (3) bei von der Temperatur in der Behandlungskammer (1.1) entkoppelten Temperaturen in einem vom Wärmebehandlungsprozess in der Behandlungskammer (1.1) separierten Prozess in einem Temperaturbereich bis zu ca. 1250°C verdichtet aufbereitet und für die Wärmebehandlung sparsam und emissionsarm verwendbar wird (Fig. 3).

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Aufbereitung von Prozessgasen für Wärmebehandlungen von metallischen Werkstoffen/Werkstücken in Industrieöfen, wobei die aufheizbaren Prozessgase ein Behandlungsmedium wie z. B. Schutzgas und/oder wie z. B. Reaktionsgas umfassen.
Stand der Technik
Allgemein versteht der Fachmann unter einem Prozessgas für die Wärmebehandlung von metallischen Werkstoffen/Werkstücken in Industrieöfen ein Behandlungsmedium wie z. B. Schutzgas, welches die Komponenten, Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und/oder Wasserdampf aufweist, und/oder wie z. B. Reaktionsgas mit Kohlenwasserstoffen für aufkohlende Prozesse, die das so genannte Carborieren oder Carbonitrieren von metallischen Werkstücken/Werkstoffen betreffen.
So wird z. B. beim Carborieren u. a. ein kohlenwasserstoffhaltiges Gas zu einem in der Behandlungskammer reagierenden Prozessgas für die auszubildende Ofenatmosphäre zugeführt. Dabei sollen die einzelnen Komponenten des Prozessgases zu einem kontrollierbaren Gleichgewichtszustand in der Ofenatmosphäre führen, um den Kohlenstoff von der Gasatmosphäre auf die metallischen Werkstücke/Werkstoffe geregelt und reproduzierbar zu übertragen. Für eine automatische Kontrolle derartiger Prozesse dient die Regelung des C-Pegels, wie sie sich z. B. gemäß der DE 29 09 978 erfolgreich in der industriellen Praxis bei der Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken/Werkstoffen durchgesetzt hat.
Die hier schon vorteilhaft gelöste Regelung des C-Pegels lässt aber katalytisch nutzbare Potentiale bezogen auf heutige Anforderungen offen.
So hatte auch schon W. Göring in seinem Bericht „Heiß in den Ofenraum eingeführte Gasgemische als Atmosphäre bei der Wärmebehandlung von Stahl" (HTM 30 (1975) Heft 2, S. 107–) vorgeschlagen, mittels einer im Industrieofen integrierten Schutzgasretorte mit Katalysatorbett Prozessgas unabhängig von der Temperatur der Behandlungskammer in heißem Zustand in die Behandlungskammer einzuführen, um den Aktivierungsgrad einer Ofenatmosphäre zu beschleunigen.
Im Hinblick auf die heute bestehenden Anforderungen hat dieses Verfahren Nachteile, weil dort frisches Gas laufend zugeführt werden muss, also eine Regelung durch Gasanreicherung erfolgt, und es sind schädliche Emissionen in Kauf zu nehmen.
Die Verwendung von Katalysatoren wird weiterhin, wie z. B. in DE 36 32 577 , DE 38 88 814 , DE 40 05 710 , DE 691 33 356 und in DE 44 16 469 beschrieben.
Im Weiteren ist die Wärmebehandlung von Metallen in karbonisierter Atmosphäre

– gemäß der GB 1,069,531 ,
– entsprechend der US 3,620,518 zur Behandlung der Oberflächen von Werkstücken in Härteöfen mit Katalysatorauskleidung aus Ni-Oxid, welche auf die keramische Innenwand aufgebracht ist und die verfügbare Oberfläche vergrößert,
– entsprechend der US 4,294,436 mit einem Ofen zur Wärmebehandlung von Metallteilen mit Schutzatmosphäre in Öfen mit katalytischen Wänden aus Ni,
– nach der US 5,645,808 für die katalytische Oxidation mit Karbon-Verwunden in Gasströmen und
– nach der US 2006/0081567 mit einer Plasma unterstützten Werkstoffbehandlung sowie
– nach der JP 62199761

Um qualitativ den Prozeßeffekt der Gasführung in vorgenannten Industrieöfen zu verbessern, wurde schon gemäss DE 10 2008 029 001.7-45 für eine Schutzgaseinsparung und Reduzierung von Heizenergieverlusten vorgeschlagen, einen Kohlenwasserstoff bedarfsgerecht zur Aufkohlung zuzuführen und das C-Potential im Schutzgas zu regeln sowie nicht regelbare und/oder unerwünschte Reaktionen auszuschliessen. Damit wurde ein neues Schutzgasrezirkulationssystem für die Gasaufkohlung geschaffen. Bei diesem reagieren in einem Aufbereitungsraum der Behandlungskammer eines gattungsgemässen Industrieofens die Komponenten Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf mit einem zugeführten Kohlenwasserstoff wieder zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff, und zwar katalytisch. Vorteilhaft wird damit die Wiederaufbereitung von bereits „verbrauchtem” Schutzgas, d. h. einem Schutzgas mit einem niedrigen C-Potential erreicht. Die C-Potentialregelung erfolgt in dem Aufbereitungsraum der Behandlungskammer. Das „aufbereitete” Schutzgas kann dann wieder an einer oder mehreren Stellen in die Behandlungskammer eingespeist werden, so dass sich ein realer Kreisprozess für die Gasaufkohlung einstellt.
Nach diesem neuen Verfahren

– reagieren in einem ein Katalysatorbett aufweisenden Aufbereitungsraum eines Industrieofens die Komponenten Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf mit zugeführtem Kohlenwasserstoff als Reaktionsgas zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff,
– weist das Schutzgas ein erhöhtes C-Potential auf, und das C-Potential wird geregelt,
– wird die katalytische Reaktion beschleunigt und
– wird das so aufbereitete Schutzgas rezirkulierend der Behandlungskammer wieder zugeführt.

Es sollte hiermit erreicht werden, die gleichmäßige Aufkohlung mit weiterhin senkbaren Prozessgaskosten zu verbessern.
Die Untersuchungen mussten jedoch vertieft werden, um eine noch zuverlässigere sowie reproduzierbare Wärmebehandlung für die Betreiber von Industrieöfen zu realisieren, weil bei dem zuvor beschriebenen Verfahren ein möglichst dichter Abschluss der Behandlungskammer wie Heizkammer erforderlich ist und höhere Reaktionstemperaturen in der Heizkammer als z. B. 850–950°C nicht vorliegen.
Es waren dabei die Qualitätsanforderungen beim Einsatzhärten insbesondere hinsichtlich der Parameter, wie

• Einsatzhärtungstiefe/Aufkohlungstiefe,
• Randhärte/Randkohlenstoffgehalt,
• Perlit/Troostitsaum,
• Restaustenitgehalt,
• Carbidbildung,
• Randoxidationstiefe sowie auch
• Maß- und Formänderungen und
• Kernhärte

Bei den existierenden industriellen Aufkohlungsverfahren, wie die Gasaufkohlung in Atmosphärenöfen und die Niederdruckaufkohlung in Vakuumöfen, besteht zunächst ein dem Fachmann geläufiges Ziel: Alle Werkstückpartien in einer Charge sollen völlig gleichmäßig, auf gleichen Rand-C-Gehalt und gleiche Aufkohlungstiefe aufgekohlt werden.
Mit der Gasaufkohlung, bei der die Ofenatmosphäre weitgehend über Gleichgewichtsreaktionen regelbar ist, kann dies besser erreicht werden, als mit einer Ungleichgewichtsaufkohlung mit Kohlenwasserstoffen.
Demzufolge gilt auch das Primat der Gasaufkohlung, d. h. der atmosphärischen Gasaufkohlung.
Hier laufen folgende bekannte, unterschiedliche Prozessschritte ab, deren Kenntnis für eine reproduzierbare und gleichmäßige Aufkohlung entscheidend ist:

1. Die Gasreaktionen zur Erzeugung der aufkohlenden Gaskomponenten in der Atmosphäre.
2. Die konvektive Gasphasenhomogenisierung für den Transport der kohlenstoffhaltigen Moleküle innerhalb der Gasphase und zum Bauteil.
3. Der Diffusionstransport, d. h. der Transport der kohlenstoffhaltigen Moleküle durch die Strömungsgrenzschicht an die Bauteiloberfläche.
4. Die Dissoziation und Adsorption betreffend die Spaltung der Moleküle an der Bauteiloberfläche.
5. Die Absorption, d. h. die Aufnahme des Kohlenstoffs durch die Bauteiloberfläche.
6. Die Diffusion als Transport des Kohlenstoffs in das Bauteil.

Wie schon gemäss der DE 10 2008 029 001.7-45 im Ergebnis dargestellt, sind die für die Aufkohlung massgebenden Reaktionen in der Aufkohlungsatmosphäre:

CH₄ ⇒ C + 2H₂	Methandissoziation
2CO ⇔ C + CO₂	Boudouard-Reaktion
CO + H₂ ⇔ C + H₂O	Heterogene Wassergasreaktion
CH₄ + CO₂ ⇒ 2CO + 2H₂	Anreicherungsreaktion 1
CH₄ + H₂O ⇒ CO + 3H₂	Anreicherungsreaktion 2

Für eine Weiterentwicklung des gemäss der DE 10 2008 029 001.7-45 erreichten Fortschritts gegenüber dem Stand der Technik ist es bedeutend, die Kinetik und auch die Richtung dieser Reaktionen zu beeinflussen, weil diese stark von der Temperatur abhängig und letztere – wie oben ausgeführt – regelmäßig auf 850–950°C eingegrenzt ist, aber auch wesentlich unter diesen Temperaturen liegende nicht ermöglicht werden.
Da der Transport des Kohlenstoffträgers zum Bauteil in der Regel durch erzwungene Konvektion geschieht, trägt die kräftige Umwälzung der Atmosphäre innerhalb der Heizkammer zu einer Durchmischung und anschließenden Anströmung der Kohlenstoffträger an das Bauteil entscheidend bei.
So gilt für den Stoffübergang bei Anströmung einer flachen Werkstückplatte bekannterweise die Beziehung
wobei

ein Diffusionskoeffizient mit D

eine Länge eines angeströmten Bauteils mit L

eine Strömungsgeschwindigkeit mit V

eine kinematische Viskosität mit ν

bezeichnet ist.
Daraus folgt, dass mit wachsender Strömungsgeschwindigkeit der effektive Stoffübergangskoeffizient β grösser wird, welche Beziehung noch effizienter zu nutzen ist.
Es musste weiter die bekannte Beziehung untersucht werden, dass die Diffusionsgeschwindigkeit durch die Strömungsgrenzschicht unabdingbar ist und nicht über die Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst werden kann.
Hier ist die Höhe des Diffusionskoeffizienten im Gas entscheidend, der stark abhängig von der Temperatur und dem Druck ist. In erster Näherung gilt – ebenfalls bekannt –, dass eine Verdopplung des Druckes zur Halbierung des Diffusionskoeffizienten führt.
Die Dicke der Grenzschicht kann über die dem einschlägigen Fachmann bekannte Beziehung
mit

δ(x) Stärke der Grenzschicht

x Abstand von der Bauteilkante

V_∞ Gasgeschwindigkeit in weiterer Entfernung vom Bauteil

ermittelt und erkannt werden, dass eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit die Dicke der Grenzschicht erniedrigt und auf diese Weise die Transportzeit an die Oberfläche reduziert. Auch diese Beziehung ist wirkungsmässig noch besser auszunutzen.
Schliesslich ist auch die Spaltreaktion des Kohlenmonoxids am Bauteil nach der bekannten Beziehung CO ⇒ C + 1 / 2O₂ die grundlegende Übertragungsreaktion für den Kohlenstoff für die Gasaufkohlung in CO/H₂-Gemischen neben noch weiteren Reaktionen, damit die Aufkohlungswirkung der Atmosphäre kontinuierlich erfolgen kann, wie dies zur Veranschaulichung an sich bekannter Erkenntnisse in 1 dargestellt ist.
Für nach diesen Erkenntnissen weiterzuentwickelnde Lösungen musste der schöpferische Ansatz technologisch neu umgesetzt und ausgebeutet werden, nämlich dass

– die Geschwindigkeit der Kohlenstoffübertragung von der Eigenschaft der Atmosphäre abhängig ist sowie
– der bei der Spaltung entstehende Sauerstoff zu binden und konvektiv zu entfernen ist.

Da hierzu Wasserstoff nötig ist, wird bei Vorhandensein einer ausreichend hohen Menge an Wasserstoff die Dissoziationsgeschwindigkeit des Kohlenmonoxids zum bestimmenden Parameter.
Die Geschwindigkeit der Aufnahme des Kohlenstoffs von der Werkstückoberfläche wiederum hängt von der Differenz der Kohlenstoffaktivitäten in der Atmosphäre und im Bauteil ab. Das heißt, wenn die Kohlenstoffaktivität im Gas höher ist als im Bauteil, erfolgt in der Summe ein Übergang des Kohlenstoffs in die Werkstückoberfläche.
In der Praxis kann diese Differenz bei Reineisen und unlegiertem Stahl durch den Unterschied zwischen dem C-Potential und dem Bauteil-Randkohlenstoffgehalt charakterisiert werden, wobei sich die Diffusion des Kohlenstoffs mit den hier nicht weiter wiederzugebenden Fick'schen Gesetzen beschreiben lässt.
Somit ist in eine neue erfinderische Aufgabenstellung einzubinden, dass die Diffusion von der Temperatur und dem Verlauf der Kohlenstoffkonzentration C im Werkstoff von der Tiefe x abhängig ist.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Die Erfindung stellt sich nach diesen eingehenden Untersuchungen die Aufgabe, ein Verfahren zur Aufbereitung von Prozessgasen für Wärmebehandlungen von metallischen Werkstoffen/Werkstücken in Industrieöfen der beschriebenen Gattung zu schaffen, womit in deren mindestens eine Behandlungskammer mindestens eine der ein Prozessgas umfassenden Komponenten praktisch fertig aufbereitetet, wie auch vergleichmässigt und aufgeheizt zugeführt und mittels einer Vorrichtung sowohl an neu gefertigten als auch insbesondere an bereits betriebenen Einheiten von Industrieöfen angeschlossen werden kann, so dass in dem jeweiligen Industrieofen das Prozessgas für die Wärmebehandlung sparsam und emissionsarm verwendbar wird und unter Berücksichtigung der oben angeführten 6 Prozessschritte ideale Aufkohlungsbedingungen unter Beachtung der

• Temperatur,
• Anströmung der Bauteile,
• Homogenisierung der Gasphase und
• schnellen Reaktionskinetik

Im Unterschied zum Stand der Technik zielt die Erfindung deshalb darauf, bei Industrieöfen, insbesondere so genannten Atmosphärenöfen, in denen bisher die zuzuführenden Komponenten des aufzuheizenden Prozessgases regelmässig in der Behandlungskammer wie z. B. Heizkammer für eine aufkohlende oder carbonitrierende Wärmebehandlung der metallischen Werkstücke/Werkstoffe aufbereitet wurden, mit einem vorgeschalteten Verfahren und einer an den Industrieofen anschliessbaren Vorrichtung das Prozessgas derart praktisch vollständig aufzubereiten und dann direkt wirkend der Behandlungskammer zuzuführen, um den Wärmebehandlungsprozess für die Betreiber in der Industrie effizienter und umweltschonender durchzuführen sowie eine entsprechende technologisch nachrüstbare Einheit für ältere Industrieöfen zu schaffen.
Mit dieser Aufgabenstellung gehen die Überlegungen zu erfindungsgemässen Lösungen dahin, dass in der Behandlungskammer wie Heizkammer von zeitgemässen Industrieöfen eine Temperaturgleichmäßigkeit von mindestens +–5°C eingehalten werden kann. Das heißt, dass nach Beendigung der Aufheiz- und Durchwärmphase alle austenitisierten Bauteile auf gleicher Temperatur sind.
Wenn noch spezielle Gasführungseinrichtungen innerhalb der Heizkammer angeordnet sind, ermöglichen diese bereits eine definierte Nutzung der restlichen konvektiven Wärmeübertragungsanteile, um die wichtige Gleichmäßigkeit der Temperatur im gesamten Chargenraum zu erreichen. In Einzelfällen sind damit sogar Toleranzen von +–3°C möglich.
Die Herbeiführung einer idealen Temperaturgleichmäßigkeit ist nur mit einer optimalen Anströmung aller Bauteile möglich. Für eine hervorragende Temperaturgleichmäßigkeit ist deshalb ein weiteres oder besser anderes als bisher durchdachtes Umwälzungssystem erforderlich, was. als Einheit zu betrachten ist.
Zur Umwälzung kommt neben der Einstellung der Temperaturgleichmäßigkeit und der Anströmung der Bauteile mit Kohlungsgas noch ein dritter Aspekt wie die Homogenisierung der Atmosphäre und damit Aufrechterhaltung der notwendigen Gasreaktionen zur Einstellung einer gleichmäßigen Kohlenstoffaktivität (C-Pegel) im gesamten Chargenraum wie in der Behandlungskammer hinzu.
Die kontinuierliche Begasung mit Träger- und Anreicherungsgas hat immer in unmittelbarer Wirkung des Umwälzsystems zur Einstellung einer definierten Atmosphäre zu erfolgen.
Durch die permanente Wechselwirkung der Ofenatmosphäre mit der Werkstückoberfläche und dem dabei ablaufenden Kohlenstoffentzug des Gases verändert sich die Kohlenstoffaktivität (C-Pegel) der Atmosphäre fortlaufend, weshalb eine Messung dieser Größe unabdingbar ist. Sie geschieht mit Hilfe der Sauerstoffsonde (und Thermoelement) auf Basis einer Sauerstoffpartialdruckmessung. Zur C-Potentialregelung wird der Atmosphäre Erdgas (oder ein anderer Kohlenwasserstoff) oder Luft zugeführt.
Insofern verursacht die Aufkohlung der Bauteile und die dadurch notwendige Anreicherung der Prozessatmosphäre immer ein Ungleichgewicht innerhalb dieser. Die ausgewogene C-Pegel-Regelung muss trotz dieser lokal auftretenden Ungleichgewichte in der Generierung einer insgesamt ausgeglichenen Atmosphäre zu einem quasistationären Gleichgewicht führen, was in dem erfindungswesentlichen Kreisprozess der Gasaufkohlung gemäss 2 zum besseren Verständnis der Aufgabenstellung der Erfindung dargestellt ist.
Darin sind die für die Aufkohlung verantwortlichen Aufkohlungsreaktionen, die alle zur Bildung des aufkohlend wirkenden Kohlenmonoxids führen, auf der linken Seite dargestellt.
Eine Kohlungsreaktion ist der 2 rechts oben zu entnehmen, nämlich die ungleichgewichtige Aufkohlung durch die Methandissoziation. Durch eine lokal unzulässig hohe Aufkonzentration von Methan in der CO- und H₂-haltigen Prozessatmosphäre kann es zu partiellen Überkohlungen an den Bauteilen kommen, die dann wiederum Restaustenit und/oder Carbidbildung verursachen. Die Methandissoziation wird in der Regel sensorisch nicht erfasst und wird meistens daher als Störfaktor während des Prozesses nicht wahrgenommen.
Jedoch kann gemäss einem internen Entwicklungsstand das Zusammenspiel zwischen Begasung und Regelung eine Gleichförmigkeit des C-Pegels innerhalb der Atmosphäre erreicht werden, die sich durch Einhaltung einer Toleranz von +–0,05% C beim Randkohlenstoffgehalt des Werkstückes definiert und eine gleichmäßige Aufkohlung der Randschicht zur Folge hat.
Geht der Fachmann von den zur Zeit erreichbaren Wirkungsgraden der gängigen Aufkohlungsbegasungen aus, muss er sich in Erinnerung rufen, dass in betriebenen Industrieöfen

– thermische Verluste wie beim Abfackeln des Schutzgases am Abbrand eintreten und
– annähernd 98% des zugeführten Kohlenstoffs überhaupt nicht für die Aufkohlung zur Verfügung stehen, sondern einfach nur abgebrannt werden, wonach
– der Wirkungsgrad der Aufkohlung damit bei weniger als 2% liegt und
– sich andere Technologien wiederum mit der Nutzung der an die Umgebung abgegebenen Heizenergie befassen.

Schon gemäss der oben zitierten DE 10 2008 029 001.7-45 wurde ein neues Begasungsverfahren geschaffen, bei dem das Schutzgas nicht mehr abgebrannt, sondern durch eine Rezirkulation wieder der Heizkammer zugeführt wird, nachdem es einen Zwischenschritt wie die Aufbereitung durchlaufen hat und somit nicht mehr gespült, sondern wieder verwendet wird.
Erfindungsgemäss soll nun noch ein entscheidender Schritt weiter gegangen werden, in dem nochmals die durch die Aufkohlung innerhalb der Heizkammer ablaufenden Reaktionen, wie 2CH₄ + O₂ ⇒ 2CO + 4H₂ CH₄ + CO₂ ⇒ 2CO + 2H₂ CH₄ + H₂O ⇒ CO + 3H₂ hinsichtlich weiterer Störfaktoren, aufgedeckt wurden:
Es war demnach zu erreichen, dass

– die katalytischen Potentiale besser zu nutzen sind,
– die eigentlich erforderliche Ofenraumtemperatur ab 850°C nicht zum Nachteil der Reaktionen zur an sich vorteilhaften Wiederaufbereitung von bereits „verbrauchtem” Schutzgas führt,
– die katalytische Wirkung unabhängig von der Ofenraumtemperatur zu gewährleisten ist, d. h. wesentlich über aber auch unter diesen Temperaturen liegend, und
– das Anreichungsgas direkt durch den Katalysator zu schicken und nicht zuerst in den Ofenraum zu geben ist.

Anders als bisher soll nun durch die Erfindung die Erzeugung und Anreicherung des Schutzgases als separate Aufbereitung und getrennt von der Charge erfolgen, sodass die Charge immer mit einer homogenen Gasatmosphäre beaufschlagt werden kann. Es kommt somit nicht zu einer Schlierenbildung bzw. zu Inhomogenitäten durch Einspeisung von Erdgas zwecks Anreicherung in die Heizkammer. Ungewünschte lokale Überkohlungen, etwa durch ungleichgewichtige Aufkohlung aufgrund besagter Methandissoziation sind praktisch auszuschliessen.
Die Umweltfreundlichkeit des Verfahrens zeigt sich bei der CO₂-Bilanz. Durch die hohen Prozessgaseinsparungen sinken die CO₂-Emissionen deutlich.
Wenn bisher die aus der DE 10 2008 029 001.7-45 gewonnenen Erkenntnisse noch nicht für eine breite Palette von bereits im Einsatz befindlichen Industrieöfen der eingangs beschriebenen technologischen Gattung genutzt werden konnten, erschliesst sich nun noch ein weiterer Anwendungsbereich, und zwar durch die Nachrüstbarkeit an vorhandenen Industrieöfen mit sogar noch höherer Effizienz gegenüber dem Verfahren entsprechend der DE 10 2008 029 001.7-45 . Vor allen Dingen kann der bei den Betreibern vorhandene ältere Bestand an Industrieöfen, die weiterhin betriebsfähig sind, erfindungsgemäss aufgerüstet werden.
Aufbauend auf den oben analysierten Stand der Technik können mit den neu gewonnenen Erkenntnissen mm für eine breite Palette von bisher im Einsatz befindlichen Industrieöfen der eingangs beschriebenen technologischen Gattung genutzt werden. Zwar wurden teilweise derartige Lösungen, wie z. B. mittels einer im Industrieofen integrierten Schutzgasretorte mit Katalysatorbett, realisiert, jedoch nur als integrierte Bestandteile von Ofeneinheiten und unter der nachteiligen Zuführung von Anreicherungsgas sowie ohne eine Gasrezirkulation.
Typisch und nachteilig war dabei auch, dass die Aufbereitung besagter Prozessgase stets unter den Bedingungen in der jeweiligen Behandlungskammer wie Heizkammer und unmittelbar zugeordneten Funktionseinheiten erfolgte. Somit konnte weder unter höheren noch unter niedrigeren Temperaturbedingungen aufbereitet werden.
Mit der Erfindung kann nun der bei den Betreibern vorhandene ältere Bestand an Industrieöfen, die weiterhin betriebsfähig sind, aber bisher nicht mit den betriebswirtschaftlich/technologischen und ökologischen Vorteilen betrieben werden, den Umweltbedingungen gerecht werdend und unter sparsamem Umgang mit Energieträgern betrieben werden.
Die Erfindung schafft ein Verfahren zur Aufbereitung von Prozessgasen für Wärmebehandlungen von metallischen Werkstoffe/Werkstücken in Industrieöfen, womit in deren mindestens eine Behandlungskammer, mindestens eine der ein Prozessgas umfassenden Komponenten praktisch fertig aufbereitetet, wie auch vergleichmässigt und aufgeheizt zugeführt und mittels einer Vorrichtung sowohl an neu gefertigten als auch insbesondere an bereits betriebenen Einheiten von Industrieöfen angeschlossen werden kann, so dass in dem jeweiligen Industrieofen das Prozessgas für die Wärmebehandlung sparsam und emissionsarm verwendbar wird.
Im Unterschied zum Stand der Technik bewirkt die Erfindung, dass bei Industrieöfen, insbesondere so genannten Atmosphärenöfen, in denen bisher die zuzuführenden Komponenten des aufzuheizenden Prozessgases in der Behandlungskammer wie Heizkammer für eine aufkohlende oder carbonitrierende Wärmebehandlung der metallischen Werkstücke/Werkstoffe aufbereitet wurden, nun durch ein vorgeschaltetes Verfahren und einer an den Industrieofen anschliessbaren Vorrichtung das Prozessgas derart wie oben begründet aufbereitet wird, wobei der eigentliche Aufbereitungsprozess bei höheren Reaktionstemperaturen bis zu ca. 1250°C und auch bei wesentlich niedrigeren Reaktionstemperaturen, also höher oder niedriger als die in der Behandlungskammer liegenden 850°C–950°C, und dabei vor allen Dingen beschleunigten Reaktionen, wie Anreicherung und Erzeugung z. B. gemäss 2CH₄ + O₂ → 2CO + 4H₂ CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂ CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ ablaufen und begünstigt werden, um dann dieses Prozessgass direkt wirkend der Behandlungskammer des Industrieofens zuzuführen, sodass dort die Reaktionen der Aufkohlung, wie z. B. 2CO → C + CO₂ CO + H₂ → C + H₂O CO → C + 0,5O₂ bei den üblichen besagten Temperaturen direkt wirkend ablaufen können.
Dabei können in Abhängigkeit entsprechender Wärmebehandlungsverfahren und der Gaskomponenten für die Aufbereitung des Prozessgases und seinen behandlungsbedingten Verbrauch im Sinne des Kerngedankens der Erfindung auch andere Reaktionsbeziehungen ablaufen, die dem obigen Kerngedanken der Erfindung folgen.
Der gesamte Wärmebehandlungsprozess für die Betreiber in der Industrie kann somit noch effizienter und umweltschonender durchgeführt werden, wofür erfindungsgemäss die entsprechende technologisch nachrüstbare Einheit für ältere Industrieöfen geschaffen wurde.
Zusammengefasst stellt sich der Verfahrensablauf nach der Erfindung so dar, dass das Prozessgas, welches mindestens aufweist

– ein erstes Behandlungsmedium wie Schutzgas, welches neben den Mindestkomponenten Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff auch die Komponenten Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf aufweist und
– ein zweites Behandlungsmedium wie Reaktionsgas, welches zu einer aufkohlenden oder carbonitrierenden Behandlung führt,
a) in mindestens einer seiner für die Wärmebehandlung erforderlichen Eigenschaften, wie chemischen Reaktionen, Temperaturen, Drücken oder Strömungsgeschwindigkeiten ausserhalb der Behandlungskammer und des Industrieofens in einem Aufbereitungsraum einer externen Baueinheit unter Temperaturen auf bis zu 1250°C und unter Verwendung eines Verdichters gemäss z. B. den Reaktionen 2CH₄ + O₂ → 2CO + 4H₂ CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂ CH₄ + H₂O → CO + 3H₂ separat aufbereitet wird, so dass dabei die Komponenten, wie Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf mit Kohlenwasserstoff als Reaktionsgas zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff katalytisch reagieren und nach dieser Reaktion das Schutzgas ein erforderliches C-Potential aufweist, wonach
b) aus dem Aufbereitungsraum der externen Baueinheit mittels des Verdichters das so aufbereitete Prozessgas der Behandlungskammer im Industrieofen verdichtet, vergleichmäßigt und beschleunigt sowie auf die Werkstoffe/Werkstücke gerichtet mittels Einpunkt- oder Mehrpunkt-Einspeisung gesteuert zugeführt wird und dort die aufkohlende oder carbonitrierende Behandlung gemäss z. B. der Reaktion 2CO → C + CO₂ CO + H₂ → C + H₂O CO → C + 0,5O₂ durchgeführt wird, wobei
c) in der Behandlungskammer mindestens ein Behandlungsmedium des Prozessgases rezirkulierend geführt und zur Aufbereitung gemäss Schritt a) zurückgewonnen wird.

Mit dem Verfahren kann ein höher aber auch niedriger aufgeheiztes, verdichtetes, homogenisiertes Prozessgas bereitgestellt werden, welches mit mindestens einem zweiten Behandlungsmedium wie Reaktionsgas mit den Komponenten Kohlenwasserstoff und auch Ammoniak während der Wärmebehandlung zu einer aufkohlenden und/oder carbonitrierenden Behandlung der Werkstücke/Werkstoffe oder deren Behandlungsmedium führt, wobei dort mindestens ein Behandlungsmedium des der Behandlungskammer des Industrieofens zugeführten Prozessgases in der Behandlungskammer für die separierte Wiederaufbereitung rezirkuliert.
In besagter Baueinheit erfolgt die separate Aufbereitung des Prozessgases zu einer wärmebehandlungsoptimierten, mittels des Verdichters Strömungswiderstände überwindender Umwälzung/Mischung unter katalytischer Reaktion für die dann folgende, unmittelbare Verwendung bei der Wärmebehandlung im Industrieofen.
Das Prozessgas ist also für die Wärmebehandlung im Industrieofen bereits vollständig reagiert, verdichtet, vergleichmäßigt und beschleunigt vorbereitet, so dass die aufkohlende Einwirkung auf die Werkstücke/Werkstoffe in der Behandlungskammer des Industrieofens direkt erfolgen kann, ohne die Reaktionen und Aufbereitung wie bisher in der Behandlungskammer und danach die Steuerung/Regelung des Behandlungsmediums in Abhängigkeit vom C-Pegel in Relation zu den zu behandelnden Werkstücken/Werkstoffen durchführen zu müssen.
Es wird somit sofort in der Behandlungskammer ein den Wirkungsgrad der Wärmehandlung erhöhender Behandlungsimpuls mittels integrierter Überwachung/Messung/Steuerung/Regelung der Atmosphäre in der Behandlungskammer oder Temperatur des Prozessgases nach mindestens einem der Parameter, wie Temperatur, CO-Gehalt oder Druck in der Behandlungskammer erzeugt. Dabei wird die Überwachung/Messung/Steuerung/Regelung durch mindestens einen der Parameter, wie Sauerstoffpartialdruck, CO₂-Gehalt und Taupunkt der Atmosphäre in der Behandlungskammer weiter unterstützt.
Nach diesem Verfahren kann vorteilhaft mindestens einem Behandlungsmedium des aufzubereitenden Prozessgases aus einem Kaltbereich Luft zugeführt werden.
Das Verfahren ist dadurch ausgebildet, dass das aufbereitete Prozessgas wieder aus der Behandlungskammer in die externe Baueinheit angesaugt, dort wie zuvor aufbereitet und wieder in die Behandlungskammer des Industrieofens zurück befördert wird.
Für die beschleunigende und verdichtende Umwälzung/Mischung mindestens eines der Behandlungsmedien des Prozessgases wird mindestens dem einen in der externen Baueinheit befindlichen Verdichter Luft aus einem Kaltbereich zugeführt.
Zur Steuerung und Regelung wird ein Programm verwendet, welches von mindestens einem Behandlungsmedium des Prozessgases wie z. B. der Atmosphäre in der Behandlungskammer segmentweise eine gepulste, getaktete und/oder konstante Zugabe eines anderen Behandlungsmediums wie z. B. Reaktionsgas durchführt.
Wenn nun durch die Aufkohlung innerhalb der Heizkammer die Konzentrationen von CO₂, H₂O und O₂ ansteigen und der C-Pegel abfällt wird dieses abgereicherte Gas zurück in die Aufbereitungskammer geleitet, die separiert und damit lokal von der Heizkammer getrennt ist.
Hier erfolgt durch die feindosierte Zugabe von Erdgas eine C-Pegel-Anreicherung, wobei die benannten Reaktionen, wie 2CH₄ + O₂ ⇒ 2CO + 4H₂ CH₄ + CO₂ ⇒ 2CO + 2H₂ CH₄ + H₂O ⇒ CO + 3H₂ ablaufen und die besagten Konzentrationen wieder fallen.
Die Zugabe von Erdgas in die Aufbereitungskammer erfolgt aber nur dann, wenn das C-Potential abnimmt. Solange keine Anreicherung notwendig ist, wird kein Erdgas nachgeführt.
Nur dann, wenn das C-Potential durch Aufkohlung der Bauteile (und nicht wie bisher durch das Ausspülen) abnimmt, muss Erdgas als Anreicherung in kleinster Menge eingespeist werden. Im idealen Betriebszustand wird also nur soviel Kohlenstoff in Form von Erdgas zugeführt, wie für die Aufkohlung des Bauteils notwendig ist, wobei zum Absenken des C-Pegels Luft eingespeist werden kann.
Für den prozesssicheren Betrieb eines Industrieofens wird kein zusätzlicher Schutzgaserzeuger erforderlich, weil diese Aufgabe die externe Aufbereitungskammer übernimmt.
Der Prozessablauf der Wärmebehandlung stellt sich so dar, dass nach dem Beladen der Heizkammer mit der Charge von Werkstoffen/Werkstücken während des Aufheizvorgangs zunächst für einen definierten Zeitraum eine Spülbegasung mit selbst erzeugtem Schutzgas durchgeführt wird, um die gewünschte Ofenatmosphäre schnell wieder herzustellen. Dazu wird ein Erdgas-Luft-Gemisch in die Aufbereitungskammer eingespeist, ein Magnetventil zu einem mit Zündbrenner versehenen Abbrand geöffnet und der Ofen mit Schutzgas gespült. Nach Ablauf der Spülzeit werden alle Ventile am Abbrand geschlossen und die Rezirkulation gestartet. Damit wird das Schutzgas rezirkulierend zur externen Aufbereitungskammer der separaten Baueinheit geführt und kann mittels Zudosierung von Erdgas auf den gewünschten C-Pegel eingestellt und aufbereitet werden.
Die Einspeisung des fertig aufbereiteten Schutzgases in die Heizkammer erfolgt über mehrere Stellen wie Mehrpunkteinspeisung innerhalb der Heizkammer. Damit lässt sich dort schneller eine homogene Gasatmosphäre einstellen, als es mit den herkömmlichen Verfahren der Fall war. Ausserdem kann mit einer wählbaren Einpunkt- oder Mehrpunkteinspeisung die Geometrie der Behandlungskammer günstig ausgestaltet werden.
Hierbei zeigt sich der oben erwähnte und mit entscheidende Vorteil des Verfahrens. Die Erzeugung und Anreicherung des Schutzgases erfolgt getrennt von der Charge, d. h. die Charge wird immer mit einer homogenen Gasatmosphäre beaufschlagt. Es kommt nicht zur Schlierenbildung bzw. zu Inhomogenitäten durch Einspeisung von Erdgas zur Anreicherung in die Heizkammer, womit ungewünschte lokale Überkohlungen, etwa durch ungleichgewichtige Aufkohlung aufgrund von Methandissoziation ausgeschlossen werden.
Aufgrund der Zufuhr von Erdgas zur Kompensation der Aufkohlung ist der CO-Gehalt während der Behandlung nicht konstant. Daher ist zur Regelung ein CO-Analysator erforderlich. Bei Unterschreitung eines Minimalwertes besteht immer die Möglichkeit durch eine kurzzeitige Spülphase den CO-Gehalt wieder anzuheben. Im Prozessverlauf fallen die Konzentrationen von CO und H₂ während der Überkohlungsphase zunächst ab bzw. steigen an, weil bisher verhältnismässig viel CH₄ benötigt wurde, um den Rand der zu behandelnden Bauteile zunächst aufzufüllen.
Im erfindungsgemässen Prozessverlauf verhält sich dies vorteilhaft, so dass weniger Anreicherung benötigt wird. In der Diffusionsphase, in der der geringste Bedarf nach Anreicherungsgas besteht, entsprechen die Konzentrationen somit ungefähr der normalen Reaktionsgaszusammensetzung.
Es wurde damit ein praktisch selbstregulierendes, adaptives Begasungssystem geschaffen, bei dem nur dann Erdgas als Anreicherung eingespeist wird, wenn das C-Potential der Atmosphäre durch Bauteilaufkohlung und nicht etwa durch Spülverluste abnimmt.
Der gemäss 2 dargestellte und optimal anzustrebende Kreisprozess zur Realisierung deutlicher Prozessgaseinsparungen wird mit der Erfindung erfüllt.
Die zur Durchführung des Verfahrens gehörende, bevorzugt zu verwendende externe Baueinheit umfasst in einem Gehäuse im Wesentlichen

a) eine schliessbare Aufbereitungskammer mit Katalysator und Temperaturregeleinrichtung für die Aufbereitung der Prozessgase, die mittels je lösbarer und verschliessbarer Zuleitung für ein in die Behandlungskammer des Industrieofens einzuführendes aufbereitetes Prozessgas und verschliessbarer Ableitung für ein Behandlungsmedium aus einem Bereich oder der Behandlungskammer des Industrieofens,
b) ein der Aufbereitungskammer zugeschalteter und in die Zuleitung funktional eingebundener gebläseartiger Verdichter mit Antrieb,
c) ein funktional mit der Behandlungskammer des Industrieofens, der Aufbereitungskammer und dem Verdichter verbundenes Equipment für die Messung der Zufuhr der Behandlungsmedien des Prozessgases, des Druckes in der Behandlungskammer, der Drehzahl des Verdichters und Temperatur der Katalysatoren und
d) eine zugeordnete Schalteinheit für die Steuerung und Regelung der Parameter, wie Druck, Temperatur, Volumenstrom des in der Aufbereitungskammer aufzubereitenden Prozessgases hinsichtlich der Zuführung von Behandlungsmedien, Zuführung des aufbereiteten Prozessgases in die Behandlungskammer des Industrieofens und des C-Pegels.

Aus der Sicht des auf diesem Gebiet tätigen Fachmanns sind diese Reaktionen so zu verstehen, dass zur Regelung des Kohlenstoffpotentials selbstverständlich auch Luft und benanntes Kohlenwasserstoffgas verwendet werden. Das heißt, dass eine Luftmenge eingespeist wird, wenn der C-Pegel sinken soll; andererseits wird bei gewünschtem Anstieg des C-Pegels ein Kohlenwasserstoffgas zugeführt.
In diesem Rahmen stellt sich der Gesamtumfang der Erfindung im Detail seiner Auswahlvarianten wie folgt dar:
Kern des Verfahrens zur Aufbereitung von Prozessgasen für Wärmebehandlungen von metallischen Werkstoffen/Werkstücken in Behandlungskammern wie Heizkammern von Industrieöfen ist, das ein jeweiliges Prozessgas bei von der Temperatur in der Behandlungskammer entkoppelten Temperaturen in einem vom Wärmebehandlungsprozess in der Behandlungskammer separierten Prozess in einem Temperaturbereich von wesentlich unter den Temperaturen in der Heizkammer liegenden bis zu einer Temperatur von ca. 1250°C aufbereitet werden kann.
In der Regel ist das Prozessgas ein nach dem Wärmebehandlungsprozess oder thermochemischen Behandlung verbrauchtes Prozessgas, und es wird in dem separierten Prozess aufbereitet.
Die Anreicherung und Erzeugung von Prozessgasen erfolgt gemäss mindestens einer oder wirkungsgleichen Reaktionsbeziehung wie z. B. 2CH₄ + O₂ ⇒ 2CO + 4H₂ CH₄ + CO₂ ⇒ 2CO + 2H₂ CH₄ + H₂O ⇒ CO + 3H₂ separat in einem Aufbereitungsschritt.
Nach einem Prozessschritt einer Aufkohlung oder Wärmebehandlung gemäss mindestens einer oder wirkungsgleichen Reaktionsbeziehung wie z. B. 2CO → C + CO₂ CO + H₂ → C + H₂O CO → C + 0,5O₂ wird das verbrauchte Prozessgas der Behandlungskammer wieder zugeführt.
Der Ablauf des Aufbereitungsschritts und der Prozessschritte der Wärmebehandlung, thermochemischen Behandlung oder Aufkohlung erfolgen in einem rezirkulierenden Kreislauf, und zwar durch den Aufbereitungsschritt in einer von der Behandlungskammer des Industrieofens separierten Aufbereitungskammer mit Katalysator und Temperaturregeleinrichtung.
Dafür kann bevorzugt eine Baueinheit verwendet werden, die die Aufbereitungskammer mit Katalysator und die Temperaturregeleinrichtung aufweist, wobei eine externe Baueinheit insbesondere für nachzurüstende Industrieöfen vorteilhaft ist.
Andererseits ist auch insbesondere für Neubauten die Verwendung, einer im Industrieofen integrierten Baueinheit möglich. Die Baueinheit kann durch Leitungen mit der Behandlungskammer verbunden sein.
Das verbrauchte Prozessgas kann über eine Ableitung aus der Behandlungskammer zu der Aufbereitungskammer abgesaugt und das aufbereitete Prozessgas aus der Aufbereitungskammer über eine Zuleitung zu der Behandlungskammer verdichtet zugeführt werden.
Es wird mindestens ein Prozessgas-Verdichter verwendet, welcher den rezirkulierenden Kreislauf des Absaugens des verbrauchten Prozessgases und die Zuführung des aufbereiteten Prozessgases beschleunigt und mindestens letzteres homogenisiert, verdichtet und mit erhöhtem Aktivierungsgrad fördert. Mindestens ein Prozessgas-Verdichter ist in den Aufbereitungsschritt funktional eingebunden, und es kann ein Turbolader als Prozessgas-Verdichter eingesetzt werden. Die Verwendung eines Kolbenverdichters als Prozessgas-Verdichter ist möglich.
Somit kann die Aufbereitung von Prozessgasen für Wärmebehandlungen von metallischen Werkstoffen/Werkstücken in Behandlungskammern von Industrieöfen, welches Prozessgas mindestens

– ein erstes Behandlungsmedium wie Schutzgas, welches neben den Komponenten Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff auch die Komponenten Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf aufweisen kann, und
– ein zweites Behandlungsmedium wie Reaktionsgas, welches zu einem thermochemischen Prozess führt,

a) Im Aufbereitungsschritt wird das Prozessgas hinsichtlich mindestens einer seiner für die Wärmebehandlung erforderlichen Eigenschaften, wie chemischen Eigenschaften, Temperaturen, Drücken oder Strömungsgeschwindigkeiten ausserhalb der Behandlungskammer und des Industrieofens in der separaten Baueinheit aufbereitet, dabei
b) reagieren z. B. die Komponenten, wie Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf mit Kohlenwasserstoff als Reaktionsgas zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff katalytisch und nach dieser Reaktion weist das Schutzgas ein geregeltes C-Potential auf, wobei
c) das C-Potential hinsichtlich mindestens einer der Parameter, wie Temperatur, Druck und Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Bedingungen in der Behandlungskammer geregelt und unter Verwendung des Prozessgas-Verdichters das aufbereitete Prozessgas der Behandlungskammer verdichtet, vergleichmäßigt und beschleunigt sowie auf die Werkstoffe/Werkstücke mittels Ein- oder Mehrpunkt-Einspeisung gerichtet und gesteuert zugeführt wird, und
d) in der Behandlungskammer wird mindestens ein Behandlungsmedium des Prozessgases rezirkulierend geführt und für die Aufbereitung in der separaten Baueinheit zurückgewonnen.

Den Behandlungsmedien des aufzubereitenden Prozessgases können aus einem Kaltbereich Luft zugeführt werden.
Das verbrauchte Prozessgas oder mindestens eines seiner Behandlungsmedien wird aus der Behandlungskammer angesaugt und aufbereitet wieder in die Behandlungskammer zurückgeführt.
Für die strömungsbeschleunigende und verdichtende Umwälzung mindestens eines Behandlungsmediums des aufzubereitenden Prozessgases wird mindestens ein Prozessgas-Verdichter verwendet, dem Luft aus einem Kaltbereich zur Kühlung zugeführt werden kann. Der Prozessgas-Verdichter kann durch ein Gebläse angetrieben werden.
Die verdichtende, vermischende/vergleichmäßigende und/oder beschleunigende Führung des Prozeßgases erfolgt gerichtet zu den zu behandelnden Werkstoffen/Werkstücken der Charge über die Einpunkt- oder Mehrpunkteinspeisung, welche der Behandlungskammer des jeweiligen Ofentyps angepasst werden kann. Strömungsoptimierende Leiteinrichtungen können die gerichtete Führung des Prozeßgases zu den Werkstücken/Werkstoffen unterstützen.
Denkbar ist, dass das Prozessgas oder mindestens eines der Behandlungsmedien aus mindestens einem weiteren Industrieofen oder einer weiteren Behandlungskammer abgezweigt wird.
Zur Steuerung und Regelung einschliesslich der Überwachung der Prozessatmosphäre in der Behandlungskammer des Industrieofens oder der Temperatur des Prozessgases wird ein Equipment mit mindestens einem der Elemente, wie Sonden, Analysatoren und Sensoren verwendet, welche die Temperatur und den CO-Gehalt sowie den Druck in der Behandlungskammer und mindestens einen weiteren der Parameter, wie Sauerstoffpartialdruck, CO₂-Gehalt und Taupunkt der Atmosphäre in der Behandlungskammer messen sowie danach die Aufbereitung des Prozessgases in der Aufbereitungskammer regeln und die Zuführung oder Abführung in Abhängigkeit von der Rekonditionierungszeit von mindestens einem Behandlungsmedium aus der Behandlungskammer steuern.
Die Rekonditionierungszeit kann in Abhängigkeit von mindestens einem der Parameter, wie

a) Drehzahl des Verdichters und
b) Anzahl der Zyklen, die das Prozess-Gas direkt aufeinanderfolgend die Aufbereitungskammer mit Katalysator durchläuft,

Es kann ein Programm für die segmentweise Steuerung und Regelung von mindestens einem Behandlungsmedium des aufzubereitenden Prozessgases für die Atmosphäre in der Behandlungskammer durch mindestens eine gepulste, getaktete oder konstante Zugabe von mindestens einem der Behandlungsmedien wie Reaktionsgase verwendet werden.
Mindestens ein Behandlungsmedium des Prozeßgases kann für mehrere Industrieöfen oder Behandlungskammern verwendet werden.
In mindestens einem Prozessschritt können Teilmengenströme des Prozessgases erzeugt und gesteuert werden.
Zur Durchführung des Verfahrens umfasst die Vorrichtung eine schliessbare Aufbereitungskammer mit Katalysator und Temperaturregeleinrichtung für die Aufbereitung der Prozessgase, den funktional eingebundenen Prozessgas-Verdichter, ein funktional mit der Behandlungskammer des Industrieofens, der Aufbereitungskammer und dem Prozessgas-Verdichter verbundenes Equipment für die Messung der Zufuhr der Behandlungsmedien des Prozessgases und eine Schalteinheit für die Steuerung und Regelung mindestens eines der Parameter des in der Aufbereitungskammer aufzubereitenden Prozessgases hinsichtlich der Zuführung von Behandlungsmedien, Zuführung des aufbereiteten Prozessgases in die Behandlungskammer des Industrieofens und des C-Pegels sowie Abführung mindestens eines der Behandlungsmedien.
Die Vorrichtung kann als separate Baueinheit

a) ein Gehäuse mit der schliessbaren Aufbereitungskammer, dem Katalysator und der Temperaturregeleinrichtung, welches Gehäuse mindestens je eine lösbare und verschliessbare Zuleitung für das in die Behandlungskammer des Industrieofens einzuführende aufbereitete Prozessgas oder deren Komponenten wie Behandlungsmedien und eine Ableitung für mindestens ein Behandlungsmedium aus einem Bereich oder der Behandlungskammer des Industrieofens aufweist,
b) das Equipment für die Messung der Zufuhr der Behandlungsmedien des Prozessgases, des Druckes in der Behandlungskammer, der Drehzahl des Prozessgas-Verdichters, Ansteuerung von Mitteln wie Klappen zur Erzeugung eines Teilmengenstromes des Prozessgases und der Temperatur des Katalysators und
c) die Schalteinheit für die Steuerung und Regelung der Parameter, wie Druck, Temperatur, Volumenstrom des in der Aufbereitungskammer aufzubereitenden Prozessgases

Bevorzugterweise ist es auch möglich der Aufbereitungskammer den Prozessgas-Verdichter zuzuordnen.
Die Ausbildung der Baueinheit ist als eine in den Industrieofen integrierte separate Baueinheit denkbar, wobei diese auch funktionell als Retorte gestaltet werden kann.
Bevorzugt für erfindungsgemässe Nachrüstungen wird die Ausbildung als eine an einen vorhandenen Industrieofen extern anschliessbare separate Baueinheit.
Die jeweilige Baueinheit kann eine Auskleidung mit einem keramischen Werkstoff aufweisen.
Das Equipment ist im Einzenen mit mindestens einem der Elemente, wie

d) Sonden, Analysatoren und Sensoren für die Messung einer Temperatur, eines COGehalts sowie eines Druckes in der Behandlungskammer und mindestens eines weiteren der Parameter, wie Sauerstoffpartialdruck, CO₂-Gehalt und Taupunkt der Atmosphäre in der Behandlungskammer,
e) einer Schalteinheit (2.5) als Steuer- und Regeleinrichtung für die Aufbereitung des Prozessgases (3) in der Aufbereitungskammer (2.2) und die Steuerung der Zuführung oder Abführung in Abhängigkeit von der Rekonditionierungszeit und
f) Mittel zur Steuerung einer Verweilzeit, Zyklen oder eines Teilmengenstromes des Prozessgases (3) in der Aufbereitungskammer (2.2) oder der Behandlungskammer (1.1)

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Zeichnungen zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Aufkohlungsreaktion an einer Bauteiloberfläche sowie deren Folgereaktionen in der Ofenatmosphäre nach dem erläuterten Stand der Technik,
2 eine schematische Darstellung der prinzipiell vorbekannten Reaktionen in einer gemäss der DE 10 2008 029 001.7-45 ausgeführten Behandlungs- und Aufbereitungskammer mit Rezirkulation des aufbereiteten Gases und
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Beispiels eines entsprechend dem Verfahren und mit der Vorrichtung zur Aufbereitung von Prozessgasen betriebenen Industrieofens.
Bester Weg zur Ausführung der Erfindung
In 3 ist eine erfindungsgemäss ausgeführte Anlage eines z. B. nachrüstbaren Industrieofens 1 schematisch dargestellt. Der Industrieofen 1 weist eine Behandlungskammer 1.1, eine so genannte Multipointeinspeisung als Mehrpunkteinspeisung 1.2 und einen Abschreckbereich 1.3 auf.
Oberhalb der Behandlungskammer 1.1 ist ein Behandlungskammerumwälzer 1.4 angeordnet.
Zu der Behandlungskammer 1.1 führt eine Zuleitung 1.5 für ein Prozessgas 3 und von der Behandlungskammer 1.1 führt eine Ableitung 1.6 für die Absaugung mindestens eines ersten Behandlungsmediums 3.1 des Prozessgases 3.
Eine externe Baueinheit 2 umfasst ein Gehäuse 2.1 mit einer Aufbereitungskammer 2.2, die einen Katalysator 2.2.1 und eine Temperaturregeleinrichtung 2.2.2 aufweist. Die Aufbereitungskammer 2.2 ist über die Zuleitung 1.5 für das Prozessgas 3 mit der Behandlungskammer 1.1 verbunden. Der Aufbereitungskammer 2.2 ist in der Ableitung 1.6 – einerseits für eine beschleunigte Absaugung mindestens eines ersten Behandlungsmediums 3.1 des Prozessgases 3 aus der Behandlungskammer 1.1 – ein Prozessgas-Verdichter 2.3 vorgeschaltet, der z. B. als Turbolader ausgebildet sein kann. Der Prozessgas-Verdichter 2.3 sorgt andererseits für eine hochverdichtete Aufbereitung des Prozessgases 3 in der Aufbereitungskammer 2.2 und die hochverdichtete Zuführung des aufbereiteten Prozessgases 3 in die Behandlungskammer 1.1.
Ein Equipment 2.4 für die Messung der Zufuhr von Behandlungsmedien 3.1, 3.2 des Prozessgases 3, des Druckes in der Behandlungskammer 1.1, Drehzahl des Prozessgas-Verdichters 2.3 und der Temperatur des Katalysators 2.2.1 ist sowohl mit der Behandlungskammer 1.1 als auch mit einer Schalteinheit 2.5 für die Steuerung und Regelung der Parameter, wie Druck, Temperatur, Volumenstrom des in der Aufbereitungskammer 2.2 aufzubereitenden Prozessgases 3 hinsichtlich der Zuführung von Behandlungsmedien 3.1, 3.2 und Luft 3.3, Zuführung des aufbereiteten Prozessgases 3 in die Behandlungskammer 1.1 des Industrieofens 1 und des C-Pegels sowie Abführung mindestens eines der Behandlungsmedien 3.1, 3.2 verbunden.
Mit dieser Anlage wird das erfindungsgemässe Verfahren zur Aufbereitung des jeweiligen Prozessgases 3 bei von der Temperatur in der Behandlungskammer 1.1 entkoppelten Temperaturen bis zu ca. 1250°C, in diesem Beispiel gemäss einer Reaktionsbeziehung 2CH₄ + O₂ ⇒ 2CO + 4H₂ CH₄ + CO₂ ⇒ 2CO + 2H₂ CH₄ + H₂O ⇒ CO + 3H₂ in einem Aufbereitungsschritt angereichert und erzeugt und das nach einem Prozessschritt einer Aufkohlung (siehe 1 und 2), in diesem Beispiel gemäss einer Reaktionsbeziehung 2CO → C + CO₂ CO + H₂ → C + H₂O CO → C + 0,5O₂ verbrauchte Prozessgas 3 der Behandlungskammer 1.1 wieder zugeführt.
In diesem Zusammenhang ist wiederholt darauf hinzuweisen, dass in Abhängigkeit entsprechender Wärmebehandlungsverfahren für die Aufbereitung des Prozessgases 3 und seinem behandlungsbedingten Verbrauch im Sinne des Kerngedankens der Erfindung auch andere Reaktionen je nach Zusammensetzung der Gaskomponenten ablaufen können.
Dabei erfolgt der Ablauf des Aufbereitungsschritts und des Prozessschritts – wie hier der Aufkohlung – in einem rezirkulierenden Kreislauf. Der Aufbereitungsschritt wird in der vom Industrieofen 1 separierten, über die Leitungen 1.5, 1.6 mit der Behandlungskammer 1.1 verbundenen Aufbereitungskammer 2.2 mit Katalysator 2.2.1 und Temperaturregeleinrichtung 2.2.2 durchgeführt.
Das verbrauchte Prozessgas 3 wird aus der Behandlungskammer 1.1 über die Ableitung 1.6 aus der Behandlungskammer 1.1 durch den beschleunigenden Prozessgasverdichter 2.3 zu der Aufbereitungskammer 2.2 und nach der Aufbereitung als aufbereitetes Prozessgas 3 wieder aus der Aufbereitungskammer 2.2 über die Zuleitung 1.5 zu der Behandlungskammer 1.1 beschleunigt und hochverdichtet geführt. Den Ablauf unterstützt der Prozessgas-Verdichter 2.3 wesentlich hinsichtlich den erfindungsgemäss verbesserten Wirkungen der

– Gasreaktionen zur Erzeugung der aufkohlenden Gaskomponenten in der Atmosphäre,
– konvektiven Gasphasenhomogenisierung für den Transport der kohlenstoffhaltigen Moleküle innerhalb der Gasphase und zum Bauteil,
– Diffusionstransporte der kohlenstoffhaltigen Moleküle durch die Strömungsgrenzschicht an die Bauteiloberfläche,
– Dissoziation und Adsorption betreffend die Spaltung der Moleküle an der Bauteiloberfläche,
– Absorption des Kohlenstoffs durch die Bauteiloberfläche und
– Diffusion des Kohlenstoffs in das Bauteil.

Für die erfindungsgemässe Aufbereitung der Prozessgase 3 umfasst diese mindestens

– das erste Behandlungsmedium 3.1 wie Schutzgas, welches neben den Mindestkomponenten Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff auch die Komponenten Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf aufweist, und
– das zweite Behandlungsmedium 3.2 wie Reaktionsgas, welches zu dem aufkohlenden Prozess führt.

Zusammengefasst ablaufend

– wird demnach das Prozessgas 3 im Aufbereitungsschritt hinsichtlich mindestens einer seiner für die Wärmebehandlung erforderlichen Eigenschaften, wie chemischen Eigenschaften, Temperaturen, Drücken oder Strömungsgeschwindigkeiten ausserhalb der Behandlungskammer 1.1 und des Industrieofens 1 in der externen Baueinheit 2 separiert aufbereitet,
– werden dabei die Komponenten, wie Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf mit Kohlenwasserstoff als Reaktionsgas zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff katalytisch reagieren, und es wird nach dieser Reaktion das Schutzgas ein geregeltes C-Potential aufweisen,
– wird das C-Potential nach mindestens einem der Parameter, wie Temperatur, Druck und Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Bedingungen in der Behandlungskammer 1.1 geregelt und unter Verwendung des Prozessgas-Verdichters 2.3 das aufbereitete Prozessgas 3 der Behandlungskammer 1.1 verdichtet, vergleichmäßigt und beschleunigt sowie auf die Werkstoffe/Werkstücke mittels in diesem Fall Mehrpunkt-Einspeisung 1.2 gerichtet und gesteuert zugeführt und
– wird in der Behandlungskammer 1.1 mindestens ein Behandlungsmedium 3.1, 3.2 des Prozessgases 3 rezirkulierend geführt und für die Aufbereitung in der externen Baueinheit 2 zurückgewonnen.

Erforderlichenfalls kann den Behandlungsmedien 3.1, 3.2 des aufzubereitenden Prozessgases 3 aus einem Kaltbereich Luft 3.3 zugeführt werden.
Das verbrauchte Prozessgas 3 oder mindestens eines seiner Behandlungsmedien 3.1, 3.2 wird aus der Behandlungskammer 1.1 angesaugt und aufbereitet wieder in die Behandlungskammer 1.1 zurückgeführt.
Für die strömungsbeschleunigende und verdichtende Umwälzung mindestens eines Behandlungsmediums 3.1, 3.2 des aufzubereitenden Prozessgases 3 können bei Bedarf mehrere Prozessgasverdichter 2.3 verwendet werden, denen die Luft 3.3 ebenfalls aus dem Kaltbereich zur Kühlung zugeführt wird.
Nicht dargestellt ist, dass der Prozessgasverdichter 2.3 durch ein Gebläse angetrieben werden kann.
Vorteilhaft ist es generell, wenn die verdichtende, vermischende/vergleichmäßigende und/oder beschleunigende Führung des Prozessgases 3 gerichtet zu den zu behandelnden Werkstoffen/Werkstücken der Charge über die Multipointeinspeisung/Mehrpunkteinspeisung 1.2 erfolgt, welche der Behandlungskammer 1.1 des jeweiligen Ofentyps angepasst werden kann.
Das aufbereitete Prozessgas 3 kann günstig mittels strömungsoptimierender Leiteinrichtungen zu den Werkstücken/Werkstoffen geführt werden, was hier nicht dargestellt ist.
Das Verfahren wird vorteilhaft z. B. in nicht dargestellten Ofenlinien angewendet, wenn das Prozessgas 3 oder mindestens eines der Behandlungsmedien 3.1, 3.2 aus mindestens einem zweiten Industrieofen 1 abgezweigt wird.
Zur Steuerung und Regelung einschliesslich der Überwachung der Prozessatmosphäre in der Behandlungskammer 1.1 des Industrieofens 1 oder der Temperatur des Prozessgases 3 wird ein Equipment 2.4 mit mindestens einem der Elemente, wie Sonden, Analysatoren und Sensoren verwendet, die die Temperatur und den CO-Gehalt sowie den Druck in der Behandlungskammer 1.1 und mindestens einen weiteren der Parameter, wie Sauerstoffpartialdruck, CO₂-Gehalt und Taupunkt der Atmosphäre in der Behandlungskammer 1.1 messen sowie danach die Aufbereitung des Prozessgases 3 in der Aufbereitungskammer 2.2 regeln und die Zuführung in die Behandlungskammer 1.1 oder Abführung von mindestens einem Behandlungsmedium 3.1, 3.2 aus der Behandlungskammer 1.1 steuern.
Zweckmässig wird ein Programm für die Steuerung und Regelung von mindestens einem Behandlungsmedium 3.1, 3.2 des aufzubereitenden Prozessgases 3 für die Atmosphäre in der Behandlungskammer 1.1 verwendet, welches segmentweise mindestens eine getaktete, impulsförmige oder konstante Zugabe von mindestens einem der Behandlungsmedien 3.1, 3.2 wie Reaktionsgase steuert oder regelt.
Das Verfahren ist z. B. in Ofenlinien dahingehend ausbaufähig, dass mindestens ein Behandlungsmedium 3.1, 3.2 des Prozessgases 3 für mehrere Industrieöfen 1 oder Behandlungskammern 1.1 verwendet wird.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Ablauf zur Steuerung und Regelung einschliesslich der Überwachung der Prozessatmosphäre in der Behandlungskammer 1.1 des Industrieofens 1 oder der Temperatur des Prozessgases 3 mittels eines Equipments 2.4 mit mindestens einem der Elemente, wie Sonden, Analysatoren und Sensoren erfolgt, die die Temperatur und den CO-Gehalt sowie den Druck in der Behandlungskammer 1.1 und mindestens einen weiteren der Parameter, wie Sauerstoffpartialdruck, CO₂-Gehalt und Taupunkt der Atmosphäre in der Behandlungskammer 1.1 misst sowie danach die Aufbereitung des Prozessgases 3 in der Aufbereitungskammer 2.2 regelt und dann die Zuführung oder Abführung in Abhängigkeit von der Rekonditionierungszeit von mindestens einem Behandlungsmedium 3.1, 3.2 aus der Behandlungskammer 1.1 steuert.
Die Rekonditionierungszeit wird dabei in Abhängigkeit von mindestens einem der Parameter, wie

a) Drehzahl des Verdichters und
b) Anzahl der Zyklen, die das Prozess-Gas 3 direkt aufeinanderfolgend die Aufbereitungskammer 2.1 mit Katalysator 2.2 durchläuft,

Die oben bereits vorgestellte Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer externen Baueinheit 2 umfasst demnach

a) die schliessbare Aufbereitungskammer 2.2 mit Katalysator 2.2.1 und Temperaturregeleinrichtung 2.2.2 für die Aufbereitung der Prozessgase 3, die mittels je lösbarer und verschliessbarer Zuleitung 1.5 für das in die Behandlungskammer 1.1 des Industrieofens 1 einzuführende aufbereitete Prozessgas 3 oder deren Komponenten wie Behandlungsmedien 3.1, 3.2 und die Ableitung 1.6 für mindestens ein Behandlungsmedium 3.1, 3.2 aus einem Bereich oder der Behandlungskammer 1.1 des Industrieofens 1,
b) den der Aufbereitungskammer 2.2 zugeordneten und funktional eingebundenen gebläseartigen Prozessgas-Verdichter 2.3 mit Antrieb und
c) das funktional mit der Behandlungskammer 1.1 des Industrieofens, der Aufbereitungskammer 2.2 und dem Prozessgas-Verdichter 2.3 verbundene Equipment 2.4 für die Messung der Zufuhr der Behandlungsmedien 3.1, 3.2 des Prozessgases 3, des Druckes in der Behandlungskammer 1.1, der Drehzahl des Prozessgas-Verdichters 2.3 und der der Temperatur des Katalysators 2.2.1,
d) die Schalteinheit 2.5 für die Steuerung und Regelung der Parameter, wie Druck, Temperatur, Volumenstrom des in der Aufbereitungskammer 2.2 aufzubereitenden Prozessgases hinsichtlich der Zuführung von Behandlungsmedien 3.1, 3.2, Zuführung des aufbereiteten Prozessgases 3 in die Behandlungskammer 1.1 des Industrieofens 1 und des C-Pegels sowie Abführung mindestens eines der Behandlungsmedien 3.1, 3.2.

In diesem Beispiel ist die externe Baueinheit 2 als ein Gehäuse mit der schließbaren Aufbereitungskammer 2.2, dem Katalysator 2.2.1 und der Temperaturregeleinrichtung 2.2.2 gebildet. Das Gehäuse 2 besitzt mindestens je eine lösbare und verschließbare Zuleitung 1.5 für das in die Behandlungskammer 1.1 des Industrieofens 1 einzuführende aufbereitete Prozessgas 3 oder deren Komponenten wie Behandlungsmedien 3.1, 3.2 und eine Ableitung 1.6 für mindestens ein Behandlungsmedium 3.1, 3.2 aus einem Bereich oder der Behandlungskammer 1.1 des Industrieofens.
Das Equipment 2.4 ist für die Messung der Zufuhr der Behandlungsmedien 3.1, 3.2 des Prozessgases 3, des Druckes in der Behandlungskammer 1.1, der Drehzahl des Prozessgas-Verdichters 1.4, 2.3 und der Ansteuerung von hier nicht dargestellten Mitteln wie Klappen zur Erzeugung eines Teilmengenstromes des Prozessgases 3 und der Temperatur des Katalysators 2.2.1 auszubilden.
Die Schalteinheit 2.5 ist für die Steuerung und Regelung der Parameter, wie Druck, Temperatur, Volumenstrom des in der Aufbereitungskammer 2.2 aufzubereitenden Prozessgases 3 vorzusehen.
Für den der Behandlungskammer 1.1 zugeordneten Prozessgas-Verdichter 1.4 kann ein Turbolader eingesetzt werden.
Für besondere Neubauten kann die separate Baueinheit 2 als eine in den Industrieofen 1 integrierte Baueinheit gestaltet werden, was hier nicht dargestellt ist, wobei eine derartige Ausführung als Retorte denkbar ist.
In dem hier vorgestellten Beispiel ist die separate Baueinheit 2 als eine an den Industrieofen 1 extern anschließbare Baueinheit bevorzugt dargestellt.
Für die Baueinheit 2 kann eine Auskleidung mit einem keramischen Werkstoff verwendet werden, wie es aus dem eingangs geschilderten Stand der Technik bekannt ist.
Die Vorrichtung umfasst schließlich das bereits erwähnte Equipment 2.4 mit mindestens einem der Elemente, wie

a) Sonden, Analysatoren und Sensoren für die Messung einer Temperatur, eines CO-Gehalts sowie eines Druckes in der Behandlungskammer 1.1 und mindestens eines weiteren der Parameter, wie Sauerstoffpartialdruck, CO₂-Gehalt und Taupunkt der Atmosphäre in der Behandlungskammer 1.1,
b) Die Schalteinheit 2.5 als Steuer- und Regeleinrichtung für die Aufbereitung des Prozessgases 3 in der Aufbereitungskammer 2.2 und die Steuerung der Zuführung oder Abführung in Abhängigkeit von der Rekonditionierungszeit und
c) Mittel zur Steuerung einer Verweilzeit, Zyklen oder eines Teilmengenstromes des Prozessgases 3 in der Aufbereitungskammer 2.2 oder der Behandlungskammer 1.1.

Bezugszeichenliste

1: Industrieofen
1.1: Behandlungskammer
1.2: Multipointeinspeisung/Mehrpunkteinspeisung
1.3: Abschreckbereich
1.4: Behandlungskammerumwälzer
1.5: Zuleitung
1.6: Ableitung
2: Baueinheit
2.1: Gehäuse
2.2: Aufbereitungskammer
2.2.1: Katalysator
2.2.2: Temperaturregeleinrichtung
2.3: Prozessgas-Verdichter
2.4: Equipment
2.5: Schalteinheit für die Steuerung und Regelung
3: Prozessgas
3.1: erstes Behandlungsmedium
3.2: zweites Behandlungsmedium
3.3: Luft

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 Patentliteratur

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DE 3632577 [0007]
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DE 4005710 [0007]
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US 3620518 [0008]
US 4294436 [0008]
US 5645808 [0008]
US 2006/0081567 [0008]
JP 62199761 [0008]
DE 102008029001 [0009, 0018, 0019, 0045, 0050, 0050, 0110]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

W. Göring in seinem Bericht „Heiß in den Ofenraum eingeführte Gasgemische als Atmosphäre bei der Wärmebehandlung von Stahl” (HTM 30 (1975) Heft 2, S. 107–) [0005]

Claims

Verfahren zur Aufbereitung von Prozessgasen (3) für Wärmebehandlungen von metallischen Werkstoffen/Werkstücken in Behandlungskammern (1.1) wie Heizkammern von Industrieöfen (1), bei dem ein jeweiliges Prozessgas (3) bei von der Temperatur in der Behandlungskammer (1.1) entkoppelten Temperaturen in einem vom Wärmebehandlungsprozess in der Behandlungskammer (1.1) separierten Prozess in einem Temperaturbereich bis zu ca. 1250°C aufbereitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas (3) ein nach dem Wärmebehandlungsprozess oder thermochemischen Behandlung verbrauchtes Prozessgas (3) ist und in dem separierten Prozess aufbereitet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Aufbereitung von Prozessgasen (3) für Wärmebehandlungen von metallischen Werkstoffen/Werkstücken in Behandlungskammern (1.1) von Industrieöfen (1) ein jeweiliges Prozessgas (3) bei von der Temperatur in der Behandlungskammer (1.1) entkoppelten Temperaturen bis zu ca. 1250°C gemäss mindestens einer Reaktionsbeziehung 2CH₄ + O₂ ⇒ 2CO + 4H₂ CH₄ + CO₂ ⇒ 2CO + 2H₂ CH₄ + H₂O ⇒ CO + 3H₂ separat in einem Aufbereitungsschritt angereichert und erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das nach einem Prozessschritt einer Aufkohlung gemäss mindestens einer Reaktionsbeziehung 2CO → C + CO₂ CO + H₂ → C + H₂O CO → C + 0,5O₂ verbrauchte Prozessgas der Behandlungskammer (1.1) wieder zugeührt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch den Ablauf des Aufbereitungsschritts und der Prozessschritte der Wärmebehandlung, thermochemischen Behandlung oder Aufkohlung in einem rezirkulierenden Kreislauf.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch den Aufbereitungsschritt in einer von der Behandlungskammer (1.1) des Industrieofens (1) separierten Aufbereitungskammer (2.2) mit Katalysator (2.2.1) und Temperaturregeleinrichtung (2.2.2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung, einer Baueinheit (2), aufweisend die Aufbereitungskammer (2.2) mit Katalysator (2.2.1) und Temperaturregeleinrichtung (2.2.2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung, einer externen Baueinheit (2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch die Verwendung, einer im Industrieofen (1) integrierten Baueinheit (2).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch die Verwendung, einer Baueinheit (2), die durch Leitungen (1.5, 1.6) mit der Behandlungskammer (1.1) verbunden ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das verbrauchte Prozessgas (3) aus der Behandlungskammer (1.1) über die Ableitung (1.6) aus der Behandlungskammer (1.1) zu der Aufbereitungskammer (2.2) abgesaugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das aufbereitete Prozessgas (3) aus der Aufbereitungskammer (2.2) über eine Zuleitung (1.5) zu der Behandlungskammer (1.1) verdichtet zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch die Verwendung mindestens eines Prozessgas-Verdichters (1.4, 2.3), welcher den rezirkulierenden Kreislauf des Absaugens des verbrauchten Prozessgases (3) und die Zuführung des aufbereiteten Prozessgases (3) beschleunigt und mindestens letzteres homogenisiert, verdichtet und mit erhöhtem Aktivierungsgrad befördert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die Verwendung eines mindestens in den Aufbereitungsschritt funktional eingebundenen Prozessgas-Verdichters (2.3).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Turboladers als Prozessgas-Verdichter (2.3).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Kolbenverdichters als Prozessgas-Verdichter (2.3).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei zur Aufbereitung von Prozessgasen (3) für Wärmebehandlungen von metallischen Werkstoffen/Werkstücken in Behandlungskammern von Industrieöfen ein jeweiliges Prozessgas mindestens – ein erstes Behandlungsmedium (3.1) wie Schutzgas, welches neben den Komponenten Kohlenstoffmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff auch die Komponenten Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf aufweisen kann, und – ein zweites Behandlungsmedium (3.2) wie Reaktionsgas, welches zu einem thermochemischen Prozess führt, umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas (3) a) im Aufbereitungsschritt hinsichtlich mindestens einer seiner für die Wärmebehandlung erforderlichen Eigenschaften, wie chemischen Eigenschaften, Temperaturen, Drücken oder Strömungsgeschwindigkeiten ausserhalb der Behandlungskammer (1.1) und des Industrieofens (1) in der separaten Baueinheit (2) aufbereitet wird, dabei b) die Komponenten, wie Kohlenstoffdioxid, Sauerstoff und Wasserdampf mit Kohlenwasserstoff als Reaktionsgas zu Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff katalytisch reagieren und nach dieser Reaktion das Schutzgas ein geregeltes C-Potential aufweist, wobei c) das C-Potential nach mindestens einem der Parameter, wie Temperatur, Druck und Strömungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von den Bedingungen in der Behandlungskammer (1.1) geregelt und unter Verwendung des Heissgas-Verdichters (2.3) das aufbereitete Prozessgas (3) der Behandlungskammer (1.1) verdichtet, vergleichmäßigt und beschleunigt sowie auf die Werkstoffe/Werkstücke mittels Ein- oder Mehrpunkt-Einspeisung (1.2) gerichtet und gesteuert zugeführt wird und d) in der Behandlungskammer (1.1) mindestens ein Behandlungsmedium (3.1, 3.2) des Prozessgases (3) rezirkulierend geführt und für die Aufbereitung in der separaten Baueinheit (2) zurückgewonnen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass den Behandlungsmedien (3.1, 3.2) des aufzubereitenden Prozessgases (3) aus einem Kaltbereich Luft (3.3) zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das verbrauchte Prozessgas (3) oder mindestens eines seiner Behandlungsmedien (3.1, 3.2) aus der Behandlungskammer (1.1) angesaugt und aufbereitet wieder in die Behandlungskammer (1.1) zurückgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass für die strömungsbeschleunigende und verdichtende Umwälzung mindestens eines Behandlungsmediums (3.1, 3.2) des aufzubereitenden Prozessgases (3) mindestens ein Prozessgas-Verdichter (1.4, 2.3) verwendet wird, dem Luft (3.3) aus einem Kaltbereich zur Kühlung zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Prozessgas-Verdichter (1.4, 2.3) durch ein Gebläse angetrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die verdichtende, vermischende/vergleichmäßigende und/oder beschleunigende Führung des Prozeßgases (3) gerichtet zu den zu behandelnden Werkstoffen/Werkstücken einer Charge über die Multipointeinspeisung/Mehrpunkteinspeisung (1.2) erfolgt, welche der Behandlungskammer (1.1) des jeweiligen Ofentyps angepasst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das aufzubereitende Prozessgas (3) mittels strömungsoptimierender Leiteinrichtungen zu den Werkstücken/Werkstoffen geführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Prozessgas (3) oder mindestens eines der Behandlungsmedien (3.1, 3.2) aus mindestens einem weiteren Industrieofen (1) oder einer weiteren Behandlungskammer (1.1) abgezweigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steuerung und Regelung einschliesslich der Überwachung der Prozessatmosphäre in der Behandlungskammer (1.1) des Industrieofens (1) oder der Temperatur des Prozessgases (3) ein Equipment (2.4) mit mindestens einem der Elemente, wie Sonden, Analysatoren und Sensoren verwendet wird, welche Elemente die Temperatur und den CO-Gehalt sowie den Druck in der Behandlungskammer (1.1) und mindestens einen weiteren der Parameter, wie Sauerstoffpartialdruck, CO₂-Gehalt und Taupunkt der Atmosphäre in der Behandlungskammer (1.1) messen sowie danach die Aufbereitung des Prozessgases (3) in der Aufbereitungskammer (2.2) regeln und die Zuführung oder Abführung in Abhängigkeit von einer Rekonditionierungszeit von mindestens einem Behandlungsmedium (3.1, 3.2) aus der Behandlungskammer (1.1) steuern.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Rekonditionierungszeit in Abhängigkeit von mindestens einem der Parameter, wie a) Drehzahl des Verdichters und b) Anzahl der Zyklen, die das Prozess-Gas (3) direkt aufeinanderfolgend die Aufbereitungskammer (2.1) mit Katalysator (2.2) durchläuft, gesteuert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, dass ein Programm für die Steuerung und Regelung von mindestens einem Behandlungsmedium (3.1, 3.2) des aufzubereitenden Prozessgases (3) für die Atmosphäre in der Behandlungskammer (1.1) segmentweise durch mindestens eine gepulste, getaktete oder konstante Zugabe von mindestens einem der Behandlungsmedien (3.1, 3.2) wie Reaktionsgase verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Behandlungsmedium (3.1, 3.2) des Prozeßgases (3) für mehrere Industrieöfen (1) oder Behandlungskammern (1.1) verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens in einem Prozessschritt Teilmengenströme des Prozessgases (3) erzeugt und gesteuert werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens, umfassend a) eine schliessbare Aufbereitungskammer (2.2) mit Katalysator (2.2.1) und Temperaturregeleinrichtung (2.2.2) für die Aufbereitung der Prozessgase (3), b) einen funktional eingebundenen Prozessgas-Verdichter (1.4, 2.3), c) ein funktional mit der Behandlungskammer (1.1) des Industrieofens, der Aufbereitungskammer (2.2) und dem Prozessgas-Verdichter (1.4, 2.3) verbundenes Equipment (2.4) für die Messung der Zufuhr der Behandlungsmedien (3.1, 3.2) des Prozessgases (3) und d) eine Schalteinheit (2.5) für die Steuerung und Regelung mindestens eines der Parameter des in der Aufbereitungskammer (2.2) aufzubereitenden Prozessgases hinsichtlich der Zuführung von Behandlungsmedien (3.1, 3.2), Zuführung des aufbereiteten Prozessgases (3) in die Behandlungskammer (1.1) des Industrieofens (1) und des C-Pegels sowie Abführung mindestens eines der Behandlungsmedien (3.1, 3.2).
Vorrichtung mit einer separaten Baueinheit (2) nach Anspruch 30, gekennzeichnet durch a) ein Gehäuse (2) mit der schliessbaren Aufbereitungskammer (2.2), dem Katalysator (2.2.1) und der Temperaturregeleinrichtung (2.2.2), welches Gehäuse (2) mindestens je eine lösbare und verschliessbare Zuleitung (1.5) für das in die Behandlungskammer (1.1) des Industrieofens (1) einzuführende aufbereitete Prozessgas (3) oder dessen Komponenten wie Behandlungsmedien (3.1, 3.2) und eine Ableitung (1.6) für mindestens ein Behandlungsmedium (3.1, 3.2) aus einem Bereich oder der Behandlungskammer (1.1) des Industrieofens (1) aufweist, b) das Equipment (2.4) für die Messung der Zufuhr der Behandlungsmedien (3.1, 3.2) des Prozessgases (3), des Druckes in der Behandlungskammer (1.1), Drehzahl des Prozessgas-Verdichters (1.4, 2.3), Ansteuerung von Mitteln wie Klappen zur Erzeugung eines Teilmengenstromes des Prozessgases (3) und der Temperatur des Katalysators (2.2.1) und c) die Schalteinheit (2.5) für die Steuerung und Regelung der Parameter, wie Druck, Temperatur, Volumenstrom des in der Aufbereitungskammer (2.2) aufzubereitenden Prozessgases.
Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, gekennzeichnet durch den der Behandlungskammer (1.1) an Stelle eines Behandlungskammerumwälzers (1.4) zugeordneten Prozessgas-Verdichter (2.3).
Vorrichtung nach Anspruch 30 oder 31, gekennzeichnet durch den der Aufbereitungskammer (2.2) zugeordneten Prozessgas-Verdichter (2.3)
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 33, gekennzeichnet durch die Ausbildung als eine in den Industrieofen (1) integrierte separate Baueinheit (2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die separate Baueinheit (2) eine funktionelle Ausbildung als Retorte aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 33, gekennzeichnet durch die Ausbildung als eine an den Industrieofen (1) extern anschliessbare separate Baueinheit (2).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 36, dadurch gekennzeichnet, dass die Baueinheit (2) eine Auskleidung mit einem keramischen Werkstoff aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 30 bis 37, gekennzeichnet durch ein Equipment (2.4) mit mindestens einem der Elemente, wie a) Sonden, Analysatoren und Sensoren für die Messung einer Temperatur, eines CO-Gehalts sowie eines Druckes in der Behandlungskammer (1.1) und mindestens eines weiteren der Parameter, wie Sauerstoffpartialdruck, CO₂-Gehalt und Taupunkt der Atmosphäre in der Behandlungskammer (1.1), b) Schalteinheit (2.5) als Steuer- und Regeleinrichtung für die Aufbereitung des Prozessgases (3) in der Aufbereitungskammer (2.2) und die Steuerung der Zuführung oder Abführung in Abhängigkeit von der Rekonditionierungszeit und c) Mittel zur Steuerung einer Verweilzeit, Zyklen oder eines Teilmengenstromes des Prozessgases (3) in der Aufbereitungskammer (2.2) oder der Behandlungskammer (1.1).