DE10342194A1

DE10342194A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung

Info

Publication number: DE10342194A1
Application number: DE2003142194
Authority: DE
Inventors: Alexander Jurmann
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2003-09-12
Filing date: 2003-09-12
Publication date: 2005-04-07

Abstract

Bei der Wärmebehandlung wird ein Behandlungsgas von einer von einer Abschirmung (5) umgebenen Katalysatorretorte (1) erzeugt. Erfindungsgemäß wird eine die Zusammensetzung des Behandlungsgases kennzeichnende Messgröße nach der Einleitung des Behandlungsgases über Auslassöffnungen (4) in den Freiraum (7) zwischen Katalysatorretorte (1) und Abschirmung (5) mit einer Messvorrichtung (10) bestimmt, bevor das Behandlungsgas über die Austrittsöffnungen (6) in den Ofenraum entlassen wird. Diese Messgröße dient zur Überwachung und/oder Regelung der Zusammensetzung des Behandlungsgases.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung der Zusammensetzung eines Behandlungsgases in der Wärmebehandlung von metallischem Gut in einem Ofen, wobei das Behandlungsgas in einer Katalysatorretorte unter Zufuhr eines Einsatzgases erzeugt wird, welche zumindest teilweise von einer Abschirmung umgeben ist, und wobei das aus der Katalysatorretorte austretende Behandlungsgas zuerst in die Abschirmung eingeleitet und danach aus der Abschirmung in den Ofen entlassen wird, sowie eine entsprechende Vorrichtung.

Zahlreiche Wärmebehandlungsverfahren und insbesondere Wärmebehandlungen für metallische Werkstücke arbeiten mit Wärmebehandlungsöfen, die als Durchlauf- oder Durchstoßofen betrieben werden. Die Erwärmung dieser Durchlaufanlagen erfolgt meist über Strahlrohre und das zur Wärmebehandlung notwendige Behandlungsgas wird in Gasgeneratoren oder in Katalysatorretorten erzeugt. Zur Behandlungsgaserzeugung mit Kataylsatorretorten wird in den Wärmebehandlungsofen im heißen Bereich eine Katalysatorretorte untergebracht. In die Katalysatorretore wird ein Einsatzgas geleitet, welches dort aufgrund des Katalysators und des Temperaturniveaus, das aufgrund der Wärme im Wärmebehandlungsofen und der Eigenheizung der Katalysatorretorte vorliegt, in das gewünschte Behandlungsgas umgesetzt wird. Zur besseren Durchwärmung des Katalysators, welche die Umsetzung des Einsatzgases in Behandlungsgas fördert, wird in zahlreichen Anlagen die Katalysatorretorte von einem Hüllrohr umschlossen, in welches das Behandlungsgas nach dem Austritt aus der Katalysatorretorte strömt bevor es in den Ofenraum entlassen wird. Eine solche, von einem Hüllrohr umschlossene Katalysatorretorte ist beispielsweise in der DE 40 16 183 offengelegt. Katalysatorretorten werden häufig in Durchlaufanlagen eingesetzt.

Die Qualität des wärmebehandelten Gutes hängt entscheidend von der Zusammensetzung des Behandlungsgases ab. Die Zusammensetzung des Behandlungsgas wiederum wird bestimmt durch die Umsetzung des Einsatzgases im Katalysator. Als Einsatzgas wird sehr häufig eine Mischung aus Erdgas und Luft verwendet, wobei in der Katalysatorretorte eine unterstöchiometrische Verbrennung stattfindet. Die Einstellung des Mischungsverhältnisses des Einsatzgases wird dabei in der Regel händisch vorgenommen, wobei darauf geachtet wird, dass ein genügend großer Sicherheitsabstand zu kritischen Zusammensetzungswerten des Behandlungsgases vorliegt. Kritische Werte äußern sich in ungenügenden Ergebnissen bei der Wärmebehandlung und einer mangelhaften Qualität des behandelten Gutes. Auch die Gefahr der Verrußung ist bei ungenügender Einstellung gegeben. Die Zusammensetzung des Behandlungsgases hängt von den im konkreten Fall vorliegenden. Bedingungen ab. Eine Überwachung aller Betriebsbedingungen ist jedoch aufgrund ihrer Komplexität nicht durchführbar. Zudem ändern sich diese Bedingungen im laufenden Betrieb durch die wechselnden Einflüsse von außen. Die Zusammensetzung des Behandlungsgases zu bestimmen ist jedoch wünschenswert, um die Wärmebehandlung in Abhängigkeit von dem Behandlungsgas charakterisieren zu können und um beispielsweise durch Regelung des Entstehungsprozesses eine gleichbleibende Zusammensetzung des Behandlungsgases zu erreichen und damit die Bedingungen für die Wärmebehandlung konstant zu halten. Jedoch ist eine Kontrolle der Zusammensetzung des Behandlungsgases direkt nach dessen Entstehung nicht möglich, da bei einer Entnahme von Behandlungsgas zur Messung desselben in der Nähe der Katalysatorretorte der Entstehungsprozess des Behandlungsgases beeinflusst wird und das Messergebnis somit verfälscht wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Zusammensetzung eines Behandlungsgases anzugeben, um eine Wärmebehandlung von gleichbleibender hoher Qualität zu gewährleisten. Ferner soll das Verfahren und die Vorrichtung auch die Möglichkeit bieten, das Einsatzgas auf das Messergebnis hin zu regeln.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass im Behandlungsgas nach der Einleitung in die Abschirmung und vor der Entlassung in den Ofen eine das Behandlungsgas kennzeichnende Messgröße bestimmt wird. Bei einer Bestimmung der Messgröße in dem Freiraum zwischen Katalysatorretorte und Abschirmung werden die Fehler, die sich bei einer Entnahme von Behandlungsgas ergeben, und die Beeinflussung des Entstehungsprozesses des Behandlungsgas vermieden. In die sog. Boudouard-Gleichgewichtsreaktion, welche die Gleichgewichtsreaktion zwischen Kohlenmonoxid einerseits und freien Kohlenstoff und Kohlendioxid anderseits beschreibt, wird nicht eingegriffen, da aufgrund des fehlenden Eingriffs das Gleichgewicht nicht verschoben wird. Die Messung einer das Behandlungsgas kennzeichnende Messgröße weist eine Reihe von Vorteilen auf. Erstens wird eine Dokumentation der Zusammensetzung des Behandlungsgases möglich. Da das Behandlungsgas neben der Temperatur der wichtigste Parameter für die Wärmebehandlung ist, verbessert sich die Qualitätskontrolle für das behandelte Gut entscheidend. Zweitens wird eine zuverlässige Abschätzung des Katalysatorzustands ermöglicht. Eine ungenügende Umsetzung der Einsatzgase in die Katalysatorretorte wird sofort festgestellt und nicht erst bei mangelhafter Qualität des wärmebehandelten Gutes in Erwägung gezogen. Weiterhin wird eine Optimierung des Wärmebehandlungsvorgangs basierend auf den Messergebnissen ermöglicht. Dies verbessert die Qualität des wärmebehandelten Gutes. Ferner ermöglicht bereits die Erfassung der Messgröße nur zu Beginn des Wärmebehandlungsvorgangs eine optimale Einstellung der Katalysatorretorte und des Einsatzgases. Für eine Regelung des Entstehungsprozesses sind zusätzliche Messungen notwendig. Durch die Regelung, welche auf diesen Messungen basiert, wird eine gleichmäßig hohe Qualität des wärmebehandelten Gutes erreicht. So können Schwankungen, die bei jeder Gasversorgung auftreten, durch eine entsprechende Regelung vor dem Eintritt des Einsatzgases in die Katalysatorretorte abgefangen werden. Darüber hinaus ergibt sich durch die Regelung eine längere Betriebsdauer für die Katalysatorfüllung in der Retorte, bevor das Einsatzgas in der Katalysatorfüllung nur ungenügend umgesetzt wird.

Mit besonderen Vorteilen wird die Messgröße unmittelbar nach der Einleitung des Behandlungsgases in die Abschirmung bestimmt. Unmittelbar nach der Einleitung in die Abschirmung wird das Behandlungsgas immer im gleichen Zustand vorgefunden. Verschiebungen in den Gleichgewichtsreaktionen der Wärmebehandlung und Änderungen des die Wärmebehandlung bestimmenden Kohlenstoffpegels, welche während der Wärmebehandlung stattfinden, haben noch nicht begonnen. Auch der Einfluss von sich auf die Messung negativ auswirkenden Störungen ist unmittelbar nach der Einleitung am geringsten. Aufgrund des reproduzierbaren Zustands lässt sich folglich die Messgröße zuverlässig bestimmen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Bestimmung der Messgröße wiederholt. Um zu aussagekräftigen Ergebnissen zu gelangen, ist eine Wiederholung von Vorteil, damit auch Veränderungen erfasst werden. Aber auch eine einmalige Messung kann ausreichend sein, beispielweise zu Beginn der Wärmebehandlung. Die Wiederholung kann dabei nach festgelegten Kriterien, beispielsweise bei geänderter Bestückung des Wärmebehandlungsofen, erfolgen oder in regelmäßigen Abständen, beispielsweise jede Minute oder auch stündlich. Möglich ist jedoch auch eine kontinuierliche Aufzeichnung der Messgröße.

Vorteilhafterweise wird der Sauerstoffgehalt des Behandlungsgases gemessen. Ein aussagekräftiger Parameter für die Wärmebehandlung ist der Sauerstoffgehalt der Atmosphäre, da das Kohlenmonoxid im Wärmebehandlungsprozess in Kohlenstoff und Sauerstoff zerfällt. Der Kohlenstoff tritt mit den zu behandelnden Werkstücken in Wechselwirkung und die Kohlenstoffaktivitätsdifferenz zwischen Werkstoff und freiem Kohlenstoff bestimmt den Vorgang (Aufkohlen, Entkohlen bzw. kohlungsneutrales Glühen). Durch das Messen des Sauerstoffanteils erhält man somit einen Zugang zu dem Kohlenstoffpegel in dem Wärmebehandlungsofen. Da das Messsignal für den Sauerstoffgehalt mit zunehmenden Kohlenstoffpegel und höheren Temperaturen ansteigt, ist die Messung des Sauerstoffgehalts eine zuverlässige, genaue und empfindliche Messmethode.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird der Sauerstoffgehalt mit einer Lambda-Sonde gemessen. Mit einer Lambda-Sonde, welche die Differenz des Sauerstoffpartialdrucks bestimmt, wird der Sauerstoffgehalt zuverlässig detektiert.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird bei einer Abweichung der das Behandlungsgas kennzeichnenden Messgröße von ihrem Sollwert die Erzeugung des Behandlungsgases derartig geregelt, dass sich der Sollwert wieder einstellt. Durch eine auf die Zusammensetzung des Behandlungsgases ausgerichtete Regelung wird erreicht, dass die Wärmebehandlung zu jeder Zeit mit gleich guten Ergebnis durchgeführt wird.

Dabei wird mit besonderen Vorteilen die Zufuhr des Einsatzgases geregelt. Durch Änderung der in die Katalysatorretorte strömenden Gasmenge wird die Zusammensetzung des Behandlungsgases effektiv beeinflusst. Auch ist die Regelung vor dem Zutritt des Einsatzgases in die Katalysatorretorte beispielweise durch ein Anbringen von Ventilen oder Durchflussreglern ohne größeren Aufwand möglich.

Für die Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Freiraum eine Messvorrichtung zur Bestimmung einer das Behandlungsgas kennzeichnenden Größe angebracht ist. Mit einer derartigen Anordnung zeigen sich die vorgenannten Vorteile der Erfindung.

Mit besonderen Vorteilen ist die Messvorrichtung näher an einer der Auslassöffnungen der Katalysatorretorte als an den Austrittsöffnungen der Abschirmung angeordnet.

Vorteilhafterweise ist die Messvorrichtung in unmittelbarer Nähe zu einer der Auslassöffnungen der Katalysatorretorte angeordnet.

Mit Vorteil ist die Messvorrichtung als Sauerstoffsonde ausgestaltet.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Messvorrichtung eine Lambda-Sonde.

Im Folgenden wird die Erfindung in einer beispielhaften Ausgestaltung und anhand von 1 näher beschrieben.
1 zeigt eine Katalysatorretorte 1 mit Zuleitung 2, Beheizung 3 und Austrittsöffnungen 4, welche sich in einer Abschirmung 5 mit Öffnungen 6 befindet. Zwischen Katalysatorretorte 1 und Abschirmung 5 entsteht ein Freiraum 7. Katalysatorretorte und Abschirmung befinden sich in einem Wärmebehandlungsofen. Die Abschirmung 5 durchdringt eine der beiden Ofenwände 8 und ist in der gegenüberliegenden Ofenwand in einer Auflagenase 9 gelagert. Die Messvorrichtung 10 endet in dem Freiraum 7.
Die Katalysatorretorte 1 wird über die Zuleitung 2 mit einem Einsatzgas versorgt, das in dem Katalysator in der Retorte in ein Behandlungsgas umgesetzt wird. Das Behandlungsgas wird über die Austrittsöffnungen 4 aus der Retorte in den Freiraum 7 zwischen Retorte und Abschirmung 5 entlassen. Der Messpunkt der Messvorrichtung 10 befindet sich gegenüber und in unmittelbarer Nähe zu den Austrittsöffnungen 4. Die Messung der das Behandlungsgas kennzeichnende Größe wird somit direkt nach der Einleitung durchgeführt. Das Behandlungsgas strömt innerhalb der Abschirmung an der Katalysatorretorte entlang, bevor das Behandlungsgas zu den Öffnungen 6 der Abschirmung gelangt, wo es in den Ofenraum entlassen wird.
Bei einer Wärmebehandlung, beispielsweise bei kohlungsneutralem Glühen von metallischen Werkstücken in einer Rollenherddurchlaufanlage, wird ein Behandlungsgas, das als Bestandteil einen definierten Anteil an freien Kohlenstoff (Kohlenstoffpegel) aufweist, benötigt. Als Einsatzgas wird Methan und Luft in die Katalysatorretorte geleitet, wo es in das Behandlungsgas umgesetzt wird, das im Wesentlichen Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, freien Kohlenstoff und Wasserstoff enthält. Als aussagekräftiges Maß für die Eignung des Behandlungsgases zur Wärmebehandlung wird der Sauerstoffgehalt des Behandlungsgases direkt nach dem Austritt aus der Katalysatorretorte bestimmt. Dazu wird eine Sauerstoffsonde, beispielsweise eine Lambda-Sonde, in die Abschirmung eingeführt, mit welcher der Sauerstoffgehalt bestimmt wird. Die Messung erfolgt vor Beginn des Wärmebehandlungsvorgangs. Beheizung der Katalysatorretorte sowie Zufuhr und Mischungsverhältnis des Einsatzgases wird vom Messergebnis ausgehend eingestellt. Während des Betriebs wird in regelmäßigen Abständen der Messwert dokumentiert. Wird darüber hinaus die Zusammensetzung des Behandlungsgases im Betrieb des Wärmebehandlungsofen auch geregelt, wird das Messergebnis einer Regelungseinheit übergeben, welche den Zufluss des Einsatzgases oder/und das Mischungsverhältnis des Einsatzgases verändert.

Claims

Verfahren zur Überwachung und/oder Regelung der Zusammensetzung eines Behandlungsgases in der Wärmebehandlung von metallischem Gut in einem Ofen, wobei das Behandlungsgas in einer Katalysatorretorte unter Zufuhr eines Einsatzgases erzeugt wird, welche zumindest teilweise von einer Abschirmung umgeben ist, und wobei das aus der Katalysatorretorte austretende Behandlungsgas zuerst in die Abschirmung eingeleitet und danach aus der Abschirmung in den Ofen entlassen wird dadurch gekennzeichnet, dass im Behandlungsgas nach der Einleitung in die Abschirmung und vor der Entlassung in den Ofen eine das Behandlungsgas kennzeichnende Messgröße bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Messgröße unmittelbar nach der Einleitung des Behandlungsgases in die Abschirmung bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Messgröße wiederholt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt des Behandlungsgases gemessen wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Sauerstoffgehalt mit einer Lambda-Sonde gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Abweichung der das Behandlungsgas kennzeichnenden Messgröße von ihrem Sollwert die Erzeugung des Behandlungsgases derartig geregelt wird, dass sich der Sollwert wieder einstellt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zufuhr des Einsatzgases geregelt wird.
Vorrichtung zur Überwachung und/oder Regelung der Zusammensetzung eines Behandlungsgases in der Wärmebehandlung umfassend eine Katalysatorretorte (1) mit Auslassöffnungen (4) für das in der Katalysatorretorte erzeugte Behandlungsgas, welche zumindest teilweise von einer Austrittsöffnungen (6) aufweisenden Abschirmung (5) umgeben ist, wobei sich zwischen Katalysatorretorte und Abschirmung ein Freiraum (7) ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Freiraum eine Messvorrichtung (10) zur Bestimmung einer das Behandlungsgas kennzeichnenden Größe angebracht ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) näher an einer der Auslassöffnungen (4) der Katalysatorretorte (1) als an den Austrittsöffnungen (6) der Abschirmung (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) in unmittelbarer Nähe zu einer der Auslassöffnungen (4) der Katalysatorretorte (1) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) als Sauerstoffsonde ausgestaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (10) eine Lambda-Sonde ist.