DE10247939A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstoffen - Google Patents

Abstract

Um ein besonders kostengünstiges und effizientes Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstoffen und Werkstücken zu schaffen, wobei die zu behandelnden Produkte, insbesondere auf einem Förderband durch eine Glühofenanlage mit einer Muffel transportiert werden, die mit fossilen Brennstoffen, vorzugsweise mittels Erdgas/Luftbrennern, beheizt wird und als Schutz- und Reaktionsgas ein brennbares Gas, insbesondere Wasserstoff, in der Muffel eingesetzt wird und in deren Ein- und Auslaufschleusen ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff, eingesetzt wird, wird vorgeschlagen, dass das aus dem Wärmebehandlungsprozess zu entsorgende brennbare Gas als Brenngas zur Beheizung der Glühofenanlage benutzt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstoffen und Werkstücken, wobei die zu behandelnden Produkte, insbesondere auf einem Förderband durch eine Glühofenanlage mit einer Muffel transportiert werden, die mit fossilen Brennstoffen, vorzugsweise mittels Erdgas/Luft-Brennern, beheizt wird und als Schutz- und Reaktionsgas ein brennbares Gas, insbesondere Wasserstoff, in der Muffel eingesetzt wird und in deren Ein- und Auslaufschleusen ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff, eingesetzt wird.
• Bei der Wärmbehandlung von Metallen werden Schutz- und Reaktionsgase eingesetzt. Sie schützen einerseits die Metalloberfläche vor unerwünschten Veränderungen und erzielen andererseits erwünschte Veränderungen über thermoschemische Reaktionen auf der Werkstoffoberfläche. Die Schutz- und Inertgase dienen dazu, Luftsauerstoff zu verdrängen und ein explosionsfähiges Gemisch auszuschließen bzw. zu verhindern. Als nichtreaktionsfähige Gase kommen in der Wärmebehandlung im Wesentlichen Stickstoff, Kohlendioxid, Argon und Helium in Betracht. Durch reduzierende Schutzgase wird eine Beseitigung vorhandener Metalloxide erreicht. Hierzu wird üblicherweise Wasserstoff eingesetzt.
• Insbesondere Chrom- und Manganoxid sind schwer reduzierbare Metalloxide, die ein von Sauerstoff und Sauerstoffverbindungen praktisch freies, extrem trockenes Reaktionsgas erfordern, beispielsweise Wasserstoff.
• Üblicherweise werden die Werkstoffe oder Werkstücke aus Stahl mit Chromzusätzen hergestellt und in einer Ofenanlage bei etwa 1.080°C wärmebehandelt (Glühprozess). Die Erwärmung der Glühofenanlage, beispielsweise in Banddurchlaufausführung, erfolgt mittels Erdgas/Luftbrenner. Die Brenner werden in der Regel stöchiometrisch gefahren und brennen offen in den Brennraum. Die Ofenanlage enthält eine Stahlmuffel, durch die metallischen Werkstoffe oder Werkstücke transportiert werden. Demzufolge kommen die wärmezubehandelnden Teile nicht mit den Brennergasen in Berührung. Als Schutz- und Reaktionsgas wird in der Muffel Wasserstoff und in den Ein- und Auslaufschleusen der Muffel Stickstoff eingesetzt. Der Wasserstoff wird als chemisch reduzierende Komponente zur Reduktion des Metalloxides und zur Bindung des freien Sauerstoffes in der Glühatmosphäre verwendet. Üblicherweise wird der gesamte Wasserstoffvolumenstrom in den Ein- und Auslaufschleusen abgebrannt und als sauberes Abgas entsorgt.
• Bei diesem Verfahren wird nur eine chemisch/physikalische Eigenschaft des Wasserstoffes genutzt, nämlich die Eigenschaft, Metall zu reduzieren.
• Die Gastemperatur des Wasserstoffreaktionsgases liegt je nach Glühtemperatur bei ca. 800°C bis 1.100°C, bevor der Wasserstoff abgefackelt wird.
• Der Wasserstoff wird grundsätzlich nur zur Reduktion der Metalloxide und zu einer wesentlich schnelleren Aufheizung auf Wärmerebehandlungstemperatur eingesetzt, da die Wärmeleitfähigkeit von Wasserstoff etwa 13 Mal besser ist, als von Luft bzw. Stickstoff. Bei einer Ofentemperatur von mindestens 750°C strömt der Wasserstoff in die heiße Zone, in der die zu behandelnden teile sind, so dass diese ohne Gefahr unter Wasserstoffatmosphäre erwärmt werden. Am Ofenausgang wird dann der Wasserstoff direkt in die Atmosphäre entsorgt, indem er, unterstützt durch eine Zündquelle (beispielsweise einen Erdgas/Luftbrenner oder eine Piezoelektrode) abgefackelt wird.
• Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Verfahren zur Wärmebehandlung kostengünstiger und effektiver zu gestalten.
• Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung vor, dass das aus dem Wärmebehandlungsprozess zu entsorgende brennbare Gas als Brenngas zur Beheizung der Glühofenanlage benutzt wird.
• Demzufolge wird der nach dem Wärmebehandlungsprozess zu entsorgende Wasserstoff nicht abgefackelt, sondern wird als Brenngas der Ofenanlage zugeführt.
• Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Der bereits zur Reduktion genutzte Wasserstoff wird über eine zusätzliche Verfahrens- und Regelstrecke und über ein eigens dafür bestimmtes Brennersystem geführt und zur Erwärmung der Glühofenanlage genutzt. Dabei wird die wesentliche zweite chemisch/physikalische Eigenschaft des Wasserstoffes genutzt, nämlich dessen hoher Heizwert. Ein Vorteil des zusätzlichen Einsatzes des Wasserstoffes für die Beheizung der Glühofenanlage ist, dass Wasserstoff nahezu emissionsfrei von Schadstoffen wie NO_x CO₂, SO₂ und Feststoffpartikeln ist.
• Selbst der zunächst als Nachteil erscheinende notwendige Energiebedarf zur Herstellung des Wasserstoffs entpuppt sich bei genauer Betrachtung als Vorteil. Abhängig von der Wahl der Einsatzenergie kann Wasserstoff völlig regenerativ, d.h. auch ohne Emissionen globaler Schadstoffe (CO₂) hergestellt werden. Es gibt diverse Wasserstoffproduktionsverfahren, von denen die Erdgasdampfreformierung (katalytische Zersetzung von Erdgas und Wasserdampf) das industriell weit am meisten verbreitete und die Elektrolyse von Wasser das bekannteste großtechnische Verfahren darstellen. Als regenerativer Verfahren werden zurzeit auch die Vergasung von Biomasse und photobiologische Prozesse entwickelt.
• Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise ergeben sich wesentliche Vorteile. So kann beispielsweise das zur Beheizung genutzte Erdgas durch das brennbare Gas, insbesondere Wasserstoff, in erheblichem Maß substituiert werden, wobei im erfindungsgemäßen Verfahren eine Erdgaseinsparung von 30-40% zu erreichen ist. Da der Wasserstoff ohne schädliche Emissionen rückstandslos verbrennt, werden die Anteile an NO_x CO₂ und SO₂ wesentlich im Abgas reduziert.

Claims (4)

1. Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstoffen und Werkstücken, wobei die zu behandelnden Produkte, insbesondere auf einem Förderband durch eine Glühofenanlage mit einer Muffel transportiert werden, die mit fossilen Brennstoffen, vorzugsweise mittels Erdgas/Luftbrennern, beheizt wird und als Schutz- und Reaktionsgas ein brennbares Gas, insbesondere Wasserstoff, in der Muffel eingesetzt wird und in deren Ein- und Auslaufschleusen ein inertes Gas, insbesondere Stickstoff, eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das aus dem Wärmebehandlungsprozess zu entsorgende brennbare Gas als Brenngas zur Beheizung der Glühofenanlage benutzt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das brennbare Gas am Ofen- oder Muffelausgang abgeführt und als Brenngas einem sekundären Wärmekreislauf der Glühofenanlage zugeführt wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Brenngas aus der Glühofenanlage abgeführt und über separates, geregeltes Brennersystem in die Glühofenanlage zu deren Beheizung eingeführt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die fossilen Brennstoffe, insbesondere das Erdgas, zur Beheizung der Glühofenanlage teilweise durch das aus der Muffel abgezogene brennbare Gas substituiert wird.