DE19618277A1

DE19618277A1 - Highly reactive gas production at low pressure and temperature for diverse surface treatments or chemical reactions

Info

Publication number: DE19618277A1
Application number: DE1996118277
Authority: DE
Inventors: Ernst Dr Ing Wandke; Klaus-Wolfgang Dr Gerstenberg
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde Gas AG
Priority date: 1996-05-07
Filing date: 1996-05-07
Publication date: 1997-11-13

Abstract

A gas, optionally comprising a mixture of gases, is prepared for heat treatment in this new conversion process. It is introduced into a gas activator, which has at least two electrodes (1, 3). These are insulated from each other and between them, a barrier discharge is established. Also claimed is the corresponding activator equipment.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung eines Behandlungsgases oder Behandlungsgasgemisches zur Wärmebehandlung durch Umsetzung eines Aus gangsgases oder Ausgangsgasgemisches.The invention relates to a method for providing a treatment gas or Treatment gas mixture for heat treatment by implementing an off gear gas or gas mixture.

Zur Vereinfachung der Schreibweise wird im folgenden, sofern nicht explizit anderes vermerkt ist, unter Gas, und entsprechend unter Behandlungsgas und Ausgangsgas, sowohl ein reines, nur aus einer Komponente bestehendes Gas als auch ein aus meh reren Komponenten bestehendes Gasgemisch verstanden.To simplify the spelling, the following is used, unless explicitly stated otherwise is noted, under gas, and accordingly under treatment gas and starting gas, both a pure gas consisting of only one component and a gas consisting of several understood existing gas mixture.

Der Einsatz von Behandlungsgasen bei der Wärmebehandlung zielt darauf ab, das Werkstück, und insbesondere die Werkstückoberfläche, vor unerwünschten Verände rungen zu schützen, oder erwünschte Änderungen durch in der Regel thermoche mische Reaktionen herbeizuführen. Dementsprechend unterscheidet man zwischen reinen Schutzgasen, die die Aufgabe haben, störende Komponenten aus der Behand lungsatmosphäre zu verdrängen, und Reaktionsgasen, die neben der Verdrängung störend wirkender Gase zusätzlich eine Reaktion mit den störenden Gasen oder der Werkstückoberfläche eingehen.The use of treatment gases in heat treatment aims to: Workpiece, and especially the workpiece surface, from undesired changes protect, or desired changes through usually thermoche bring about mixed reactions. Accordingly, one differentiates between pure protective gases, which have the task of disruptive components from the treatment displacement atmosphere, and reaction gases, in addition to displacement interfering gases additionally a reaction with the interfering gases or Enter the workpiece surface.

Ein häufiger Verursacher von unerwünschten Veränderungen ist der Sauerstoff in der Luft. Beim Glühen eines Werkstückes ist man beispielsweise bestrebt, das Glühgut in blankem Zustand oder zumindest zunderfrei zu erhalten. Luft und andere Sauerstoff träger wie CO₂ und H₂O oxidieren die Oberfläche des Werkstückes und wirken sich daher störend aus. Abhilfe schafft in diesem Fall eine reduzierend wirkende Behand lungsatmosphäre. Bei anderen Anwendungen, wie z. B. dem Oxidieren, Entkohlen Austenitisieren, Härten, Nitrocarburieren oder Sintern von Werkstücken, wird man je nach den Erfordernissen und der gestellten Aufgabe oxidierend, entkohlend, aufkoh lend oder reduzierend wirkende Behandlungsgase auswählen.A common cause of undesirable changes is the oxygen in the Air. When annealing a workpiece, for example, the aim is to anneal the workpiece to get bare condition or at least scale-free. Air and other oxygen Carriers such as CO₂ and H₂O oxidize the surface of the workpiece and act therefore annoying. The remedy in this case is a reducing treatment atmosphere. In other applications, such as. B. oxidizing, decarburizing Austenitizing, hardening, nitrocarburizing or sintering workpieces, you will ever according to the requirements and the task set oxidizing, decarburizing, carburizing Select treatment gases that have a lending or reducing effect.

Zur Erzeugung derartiger Behandlungsgase sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei einem bereits klassischen Standardverfahren, dem sogenannten Generator-Endogas- Verfahren, welches zum aufkohlenden, kohlungsneutralen und in bestimmten Fällen auch zum entkohlenden Wärmebehandeln von Werkstücken eingesetzt wird, wird das benötigte Behandlungsgas durch katalytische Umsetzung eines Kohlenwasserstoffga ses, insbesondere Erdgas, mit Luft bei Temperaturen von etwa 1000°C erzeugt. Die typische Bildungsreaktion, die eine unterstöchiometrische Verbrennung des Kohlen wasserstoffgases darstellt, lautet hierbei:Various methods are known for generating such treatment gases. At an already classic standard process, the so-called generator endogas Process for carburizing, carbon neutral and in certain cases is also used for the decarburizing heat treatment of workpieces required treatment gas by catalytic conversion of a hydrocarbon gas ses, especially natural gas, generated with air at temperatures of about 1000 ° C. The typical formation reaction, which is a substoichiometric combustion of the coal represents hydrogen gas here:

(O₂ + 4 N₂) + 2 CH₄ → 2 CO + 4 H₂ + 4 N₂(O₂ + 4 N₂) + 2 CH₄ → 2 CO + 4 H₂ + 4 N₂

Diese unvollständige Verbrennung wird üblicherweise mit neben dem oder den Wär mebehandlungsöfen angeordneten Katalysator-Retorten bewerkstelligt. Diesen Retor ten wird im Betrieb das Einsatzgas zugeführt, das sich in diesen aufgrund des dort be findlichen Katalysators und des hohen Temperaturniveaus in das gewünschte Behand lungsgas umsetzt.This incomplete combustion is usually associated with the heat or heat arranged catalyst retorts. This retor In operation, the feed gas is supplied, which is due to the sensitive catalyst and the high temperature level in the desired treatment reacting gas.

Ferner ist aus der EP-A-0 435 033 bekannt, das Behandlungsgas nicht außerhalb des Wärmebehandlungsofens zu erzeugen, sondern mit einer im Ofen angeordneten, un beheizten oder auch zusätzlich beheizten Katalysator-Retorte aus dem Ausgangsgas herzustellen und entweder direkt in den Ofen einfließen zu lassen oder einen Teil des entstehenden Behandlungsgases noch innerhalb der Retorte abzusaugen und an an derer Stelle im Ofen wieder einzusetzen. Dieses Verfahren ist aus ökonomischer Sicht günstiger, da keine eigenständige Heizeinrichtung zur Behandlungsgaserzeugung notwendig ist.It is also known from EP-A-0 435 033 that the treatment gas is not outside the To produce heat treatment furnace, but with a arranged in the furnace, un heated or additionally heated catalyst retort from the starting gas to produce and either flow directly into the furnace or part of the evacuating treatment gas still within the retort and on in the oven again. This process is from an economic point of view cheaper, since no independent heating device for treatment gas generation necessary is.

Neben den mittels des oben beschriebenen Endogasverfahrens erzeugten Behand lungsgaskomponenten CO, H₂ und N₂ sind oftmals auch andere Komponenten in der Behandlungsatmosphäre erwünscht. In der Praxis setzt sich das Behandlungsgas meist aus den Bestandteilen N₂, Ar, O₂, CO₂, H₂O, CO, H₂ und den Kohlenwasser stoffen C_nH_m zusammen. Zu den wichtigsten Ausgangsstoffen bei der Erzeugung derartiger Atmosphären gehören Stickstoff, Wasserstoff, Kohlendioxid, Methanol, Am moniak, Aceton, Edelgase und Wasserdampf.In addition to the treatment gas components CO, H₂ and N₂ generated by means of the endogas process described above, other components in the treatment atmosphere are often also desired. In practice, the treatment gas mostly consists of the components N₂, Ar, O₂, CO₂, H₂O, CO, H₂ and the hydrocarbons C _n H _m . The most important raw materials in the creation of such atmospheres include nitrogen, hydrogen, carbon dioxide, methanol, ammonia, acetone, noble gases and water vapor.

Entsprechend der Vielfalt der gewünschten Zusammensetzung der Behandlungsatmo sphäre werden unterschiedliche Verfahren zur Behandlungsgaserzeugung herangezo gen, wobei in aller Regel die Gasumsetzung katalytisch unterstützt wird. Diese Verfah ren haben allerdings den Nachteil, daß sie oftmals nur auf die Erzeugung einer be stimmten Gasatmosphäre zugeschnitten sind und nur unter ganz bestimmten Tempe ratur- und Druckverhältnissen durchgeführt werden können. Dadurch ist die Flexibilität und Anwendbarkeit dieser Verfahren stark eingeschränkt. According to the variety of the desired composition of the treatment atmosphere spheres different methods for the treatment gas generation are used gene, the gas conversion is usually supported catalytically. This procedure However, ren have the disadvantage that they are often only on the generation of a be certain gas atmosphere are tailored and only under very specific temp temperature and pressure conditions can be carried out. This is the flexibility and applicability of these methods is severely restricted.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst einfaches Verfahren zur Um setzung unterschiedlichster Ausgangsgase und zur Erzeugung verschiedenster Be handlungsgase für die Wärmebehandlung zur Verfügung zu stellen.The invention has for its object a simple method for order Settlement of a wide variety of starting gases and for the production of various be to provide treatment gases for heat treatment.

Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens bereitzustellen.Furthermore, the invention has for its object a device for performing to provide this procedure.

Diese Aufgabe wird verfahrensseitig dadurch gelöst, daß das Ausgangsgas oder Aus gangsgasgemisch in zumindest einen Gasaktivator mit mindestens zwei gegeneinan der isolierten Elektroden eingeleitet wird, und daß zwischen den Elektroden eine Bar rierenentladung ausgebildet wird.On the process side, this object is achieved in that the starting gas or off gas mixture in at least one gas activator with at least two against each other the insulated electrodes is introduced, and that a bar between the electrodes barrier discharge is formed.

Die Umsetzung des Ausgangsgases in das gewünschte Behandlungsgas erfolgt erfin dungsgemäß mit Hilfe einer elektrischen Barrierenentladung. Hierzu wird zwischen die Elektroden eine Hochspannung angelegt. An der Oberfläche der Elektroden kommt es zu Entladungen, die sich in dem zwischen den Elektroden befindlichen Gas als Entla dungsblitze fortsetzen und zu Reaktionen in dem Gas führen, die ansonsten unter den herrschenden Temperatur- und Druckverhältnissen nicht ablaufen würden. Dadurch wird eine effektive Umsetzung des Gases erzielt.The conversion of the starting gas into the desired treatment gas takes place in accordance with an electrical barrier discharge. For this purpose, between the Electrodes applied a high voltage. It happens on the surface of the electrodes to discharges that are present in the gas between the electrodes as discharges Continue flashes of lightning and lead to reactions in the gas, which are otherwise among the prevailing temperature and pressure conditions would not expire. Thereby an effective conversion of the gas is achieved.

Vorteilhaft wird das Verfahren bei der Niederdruckbehandlung von Werkstücken ver wendet. Im Niederdruckbereich lassen sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren phy sikalisch-chemische Prozesse realisieren, die unter Umgebungsdruck nur unvollstän dig oder bei sehr hohen Temperaturen ablaufen würden. Damit ist es möglich, auch temperaturempfindliche Werkstoffe mit einem Behandlungsgas zu bearbeiten. So kön nen beispielsweise von temperaturempfindlichen Kunststoffen unerwünschte Öle und Fette mit Hilfe eines erfindungsgemäß erzeugten O₂-Plasmas bei Temperaturen un terhalb 80°C entfernt werden.The method is advantageously used in the low-pressure treatment of workpieces turns. In the low pressure range, phy Realize sical-chemical processes that are incomplete under ambient pressure dig or would run at very high temperatures. So it is possible, too to process temperature-sensitive materials with a treatment gas. So can For example, oils and oils that are undesirable from temperature-sensitive plastics Fats with the help of an O₂ plasma generated according to the invention at temperatures un be removed below 80 ° C.

Neben dem beschriebenen Einsatz im Niederdruckbereich ist das Verfahren ganz all gemein unabhängig vom Gasdruck einsetzbar und daher auch vorteilhaft bei Normal druck und im Überdruck anzuwenden.In addition to the use described in the low pressure range, the process is completely all commonly used regardless of gas pressure and therefore also advantageous at normal pressure and apply in overpressure.

Zweckmäßig ist es für einige Prozesse, die bei der Umsetzung des Gases entstehen den Wärmeverluste abzuführen. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Verlustwärme durch einen Kühlstrom aus Wasser oder aus Luft abzuführen. Diese Kühlung ist sehr effektiv und technisch einfach zu realisieren.It is useful for some processes that arise during the conversion of the gas dissipate the heat losses. The heat loss has proven to be advantageous dissipated from water or air by a cooling flow. This cooling is very effective and technically easy to implement.

Von Vorteil ist es, die Verlustwärme nicht ungenutzt entweichen zu lassen, sondern die Verlustwärme zur Vorheizung des umzusetzenden Ausgangsgases auszunutzen. Wird das Ausgangsgas auf diese Weise vorgeheizt, so kann der energetische Wirkungsgrad der sich anschließenden Umsetzung noch weiter erhöht werden.It is an advantage not to let the waste heat escape unused, but rather to let it escape Use heat loss to preheat the source gas to be converted. Becomes the output gas preheated in this way, so the energy efficiency the subsequent implementation will be further increased.

Es hat sich herausgestellt, daß eine Hochspannung zwischen 1 kV und 50 kV zwi schen den Elektroden zweckmäßig ist. Als besonders zweckmäßig wird die Hoch spannung in einem Bereich von 10 kV bis 20 kV gewählt. Bei diesen Spannungen wird eine effektive Umsetzung des Gases erreicht, und gleichzeitig der energetische Wir kungsgrad des erfinderischen Verfahrens optimiert.It has been found that a high voltage between 1 kV and 50 kV between the electrodes is appropriate. The high is particularly useful voltage selected in a range from 10 kV to 20 kV. At these tensions achieved an effective conversion of the gas, and at the same time the energetic we efficiency of the inventive method optimized.

Die Erfindung eignet sich für die Erzeugung verschiedenster Behandlungsgase aus den unterschiedlichsten Ausgangsgasen. Ferner kann das Verfahren unabhängig von den herrschenden Temperatur- und Druckverhältnissen verwendet werden und ist damit sehr vielseitig einsetzbar.The invention is suitable for generating a wide variety of treatment gases a wide variety of starting gases. Furthermore, the method can be independent of the prevailing temperature and pressure conditions are used and is therefore very versatile.

Beispielsweise ist die Umsetzung eines Erdgas/Luft-Gemisches in ein Kohlenmonoxid, Wasserstoff und Stickstoff enthaltendes Behandlungsgas, wie sie bisher nach dem oben beschriebenen Generator-Endogas-Verfahren erfolgte, mit dem erfindungsge mäßen Verfahren einfach zu realisieren.For example, the conversion of a natural gas / air mixture into a carbon monoxide Treatment gas containing hydrogen and nitrogen, as was previously the case after The generator endogas method described above was carried out with the fiction easy to implement.

Für Aufkohlungen ist es auch bekannt, CO- und H₂-haltige Schutz- und Reaktionsgase aus Kohlendioxid und ebenfalls einem Kohlenwasserstoffgas, bevorzugt Erdgas oder Propan, zu bilden. Auch in diesem Fall weist das erfindungsgemäße Verfahren große Vorteile, wie z. B. hohen Wirkungsgrad und genaue Einstellung der Dauer und Stärke der gewünschten Einwirkung, auf.For carburizing, it is also known to contain CO and H₂-containing protective and reaction gases from carbon dioxide and also a hydrocarbon gas, preferably natural gas or Propane to form. In this case too, the method according to the invention is large Advantages such as B. high efficiency and precise adjustment of duration and strength the desired action.

Bei stark temperaturabhängigen Umsetzungen erweist sich die Möglichkeit, das Ver fahren bei den unterschiedlichsten Temperaturen anzuwenden, als Vorteil. So entste hen beispielsweise bei der zur Gasaufkohlung eingesetzten Methanolaufspaltung nur bei Temperaturen oberhalb 800°C die erwünschten Spaltprodukte Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Bei tieferen Temperaturen wird dagegen das unerwünschte Reaktions produkt Ruß gebildet. In the case of strongly temperature-dependent conversions, it is possible to use the ver driving at different temperatures, as an advantage. So arises hen, for example, only in the methanol splitting used for gas carburizing at temperatures above 800 ° C the desired fission products carbon monoxide and Hydrogen. At lower temperatures, however, the undesirable reaction product formed soot.

Außerdem ist die gute Regulierbarkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens bei der Methanolumsetzung von Vorteil, da derartige Atmosphären mittels der üblichen C-Pe gel-Regelung kaum mehr regelbar sind. Bei bisherigen Verfahren muß daher das Met hanol oftmals außerhalb des Reaktors in einem Spalter vorgespalten werden. Das er findungsgemäße Verfahren bietet dagegen die Möglichkeit, das Methanol auch bei Reaktortemperaturen unter 800°C gezielt und genau reguliert in die gewünschten Pro dukte zu spalten.In addition, the good controllability of the method according to the invention is in the Methanol conversion is advantageous because such atmospheres using the usual C-Pe gel regulation can hardly be regulated. In previous methods, the Met hanol are often pre-split in a splitter outside the reactor. That he The process according to the invention, on the other hand, offers the possibility of also adding the methanol Reactor temperatures below 800 ° C specifically and precisely regulated in the desired pro to split products.

Die Temperaturunabhängigkeit des vorgeschlagenen Verfahrens erweist sich insbesondere von Vorteil, wenn eine Gasumsetzung bei tiefen Gastemperaturen herbeigeführt werden soll.The temperature independence of the proposed method proves to be particularly advantageous when gas conversion at low gas temperatures should be brought about.

Zur Bearbeitung von Werkstücken im Niederdruck, beispielsweise zur Beseitigung dünner Kunststoffschichten oder zum Aktivieren von Kunststoffoberflächen, oder zur Behandlung von organisch verunreinigten Oberflächen werden sowohl oxidierend als auch reduzierend wirkende Behandlungsgasgemische, z. B. aus den Komponenten O₂, H₂ und CF₄, eingesetzt. Hier erweist sich die Druckunabhängigkeit des vorgeschlage nen Verfahrens, insbesondere die Anwendbarkeit im Niederdruckbereich, als vorteil haft.For processing workpieces in low pressure, for example for removal thin plastic layers or for activating plastic surfaces, or for Treatment of organically contaminated surfaces are both oxidizing and also reducing gas mixtures, e.g. B. from the components O₂, H₂ and CF₄ used. Here the pressure independence of the proposal proves NEN process, especially the applicability in the low pressure range, as an advantage arrested.

Neben den Reaktionsgasen ist es häufig zweckmäßig, auch Inertgase als reine Schutzgase zur Verdrängung unerwünschter Bestandteile dem Behandlungsgas zuzu geben. In der Praxis werden hierfür bevorzugt die Gase Stickstoff, Argon und Helium verwendet.In addition to the reaction gases, it is often advisable to use inert gases as pure Protective gases to displace undesirable components into the treatment gas give. In practice, the gases nitrogen, argon and helium are preferred used.

Neben dem Verfahren zur Erzeugung von Behandlungsgasen zur Wärmebehandlung bezieht sich die Erfindung auch auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfah rens.In addition to the process for generating treatment gases for heat treatment The invention also relates to an apparatus for performing this method rens.

Erfindungsgemäß besteht eine derartige Vorrichtung aus zumindest einem Gasaktiva tor, welcher mindestens zwei gegeneinander isolierte Elektroden, sowie Mittel zur Er zeugung einer Barrierenentladung zwischen den Elektroden aufweist.According to the invention, such a device consists of at least one gas asset gate, which has at least two mutually insulated electrodes, and means for Er generation of a barrier discharge between the electrodes.

Zweckmäßigerweise ist auf die Elektroden eine Keramikschicht zur Isolation aufge bracht, da Keramik einerseits eine gute elektrische Isolationswirkung zeigt, und ande rerseits beständig gegen hohe Temperaturen und aggressive Gasatmosphären ist. A ceramic layer for insulation is expediently applied to the electrodes brought, because ceramics on the one hand has a good electrical insulation effect, and the other is resistant to high temperatures and aggressive gas atmospheres.

Für bestimmte Anwendungen ist der Gasaktivator vorteilhaft außerhalb des Wärmebe handlungsofens angeordnet. Das erzeugte Behandlungsgas kann entweder direkt oder über Zuführungen vom Gasaktivator in das Ofeninnere geleitet werden.For certain applications, the gas activator is advantageous outside of heat arranged oven. The treatment gas generated can either be direct or are fed into the furnace interior via feed lines from the gas activator.

Es kann auch zweckmäßig sein, den Gasaktivator in den Ofen einzubringen, um das Behandlungsgas direkt am gewünschten Einsatzort zu erzeugen.It may also be appropriate to place the gas activator in the furnace in order to Generate treatment gas directly at the desired location.

Von Vorteil ist der Einsatz mehrerer Gasaktivatoren, die das erzeugte Behandlungsgas an unterschiedlichen Stellen in den Behandlungsofen einbringen oder an unterschiedli chen Stellen im Ofen erzeugen. Dadurch ist es möglich, die Strömungsverhältnisse im Ofen, auch bei Anwendungen im Grob- oder Feinvakuum, gezielt einzustellen. Dies ist von Vorteil, da hohe Strömungsgeschwindigkeiten im Grenzbereich zwischen Werk stück und Atmosphäre auch einen hohen chemischen Umsatz bedeuten, und so eine verstärkte Wirkung, sei es beim Aufkohlen, Reinigen, Nitrieren, Oberflächenbeschich ten, usw., erreicht wird.It is advantageous to use several gas activators that generate the treatment gas Place in different places in the treatment furnace or at different points create spots in the oven. This makes it possible to control the flow conditions in the Set the oven in a targeted manner, even for applications in rough or fine vacuum. This is an advantage because high flow velocities in the border area between the factory piece and atmosphere also mean a high chemical turnover, and so one enhanced effect, be it carburizing, cleaning, nitriding, surface coating ten, etc. is achieved.

Ferner kann durch die Parallelschaltung mehrerer Gasaktivatoren die Gesamtleistung der Gasumsetzung fast beliebig vergrößert werden.Furthermore, the total power can be achieved by connecting several gas activators in parallel the gas conversion can be increased almost arbitrarily.

Vorzugsweise werden als Elektroden elektrisch leitende, koaxial angeordnete Zylinder vorgesehen. Generell sind allerdings eine Vielzahl von Bauformen und Elektrodenan ordnungen, z. B. als rechteckiger Gaskanal oder als Rohrschlange, möglich.Electrically conductive, coaxially arranged cylinders are preferred as electrodes intended. In general, however, a variety of designs and electrodes are available regulations, e.g. B. as a rectangular gas duct or as a coil.

Es hat sich auch als vorteilhaft erwiesen, eine Heizung für das Ausgangsgas und/oder das erzeugte Behandlungsgas vorzusehen. Es ist möglich, vor der Umsetzung im Gasaktivator das Ausgangsgas und/oder nach der Umsetzung das Behandlungsgas zu erhitzen. Bevorzugt wird aber eine derartige Heizung im Gasaktivator angeordnet sein. Dadurch wird sowohl das Ausgangsgas als auch das Behandlungsgas außer durch die bei der erfindungsgemäßen Umsetzung ohnehin frei werdende Prozeßwärme zusätz lich erwärmt. Durch die Vorerwärmung des Ausgangsgases wird eine verstärkte Um setzung des Ausgangsgases erreicht. Ferner wird durch die Erwärmung des Behand lungsgases dessen thermochemische Reaktivität erhöht.It has also proven to be advantageous to heat the output gas and / or to provide the generated treatment gas. It is possible to implement in the Gas activator to the starting gas and / or after the reaction, the treatment gas heat. However, such a heater is preferably arranged in the gas activator. As a result, both the starting gas and the treatment gas are excepted by the in the implementation according to the invention, process heat which is liberated anyway warmed up. The preheating of the starting gas leads to an increased Um Settling of the starting gas reached. Furthermore, by heating the treatment tion gas increases its thermochemical reactivity.

Die Erfindung weist eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik auf. Die Umsetzung der Ausgangsgase mittels einer Barrierenentladung besitzt einen gu ten energetischen Wirkungsgrad, so daß eine effektive Gasumsetzung bei relativ ge ringem Energieeinsatz möglich ist. Durch die einfache Ausführung der Erfindung ist die Zahl der Verschleißteile auf ein Minimum beschränkt. Ferner entfallen die bei mit Gas brennern erhitzten Retorten zur Gasumsetzung nötigen Gaszuführungen, so daß der konstruktive Aufwand bei der elektrischen Gasumsetzung deutlich geringer wird.The invention has a number of advantages over the prior art. The implementation of the starting gases by means of a barrier discharge has a gu ten energetic efficiency, so that an effective gas conversion at relatively ge low energy consumption is possible. Due to the simple embodiment of the invention Number of wearing parts kept to a minimum. Furthermore, there is no need for gas burner heated retorts for gas conversion necessary gas supplies so that the constructive effort in electrical gas conversion is significantly lower.

Ein wesentlicher Vorteil ist der in weiten Grenzen an die Erfordernisse anpaßbare Grad der Gasumsetzung. Über die Strömungsgeschwindigkeit der Ausgangsgase im Gasaktivator, die Größe und insbesondere Länge des Gasaktivators und die Höhe der an die Elektroden angelegten Spannung kann der Spaltungsgrad des Gases sehr ge nau eingestellt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren ist weiterhin unabhängig von der Temperatur und dem Druck, die im Reaktor herrschen, anwendbar. Entspre chend ist die für die Durchführung des Verfahrens vorgesehene Vorrichtung zweck mäßigerweise ebenfalls temperatur- und druckunempfindlich ausgelegt. Somit ist es möglich, die Erfindung im Druckbereich vom Vakuum bis zum Überdruck bei allen in der Praxis relevanten Temperaturen einzusetzen. Bauform und Baugröße der erfinde rischen Vorrichtung sind sehr variabel, so daß die Erfindung in beliebige Öfen einge baut werden kann. Neben dem Einsatz innerhalb des Ofens, welcher den Vorteil bietet, daß die Behandlungsatmosphäre direkt am Einsatzort erzeugt wird, kann die Erfindung ganz oder auch teilweise außerhalb des Ofens angeordnet werden. Dies kann z. B. von Vorteil sein, wenn der Hochspannungsteil oder andere Teile der Erfindung von einer aggressiven Gasatmosphäre im Ofen ferngehalten werden sollen.A major advantage is that it can be adapted to requirements within wide limits Degree of gas conversion. About the flow velocity of the source gases in the Gas activator, the size and in particular length of the gas activator and the height of the applied to the electrodes, the degree of splitting of the gas can be very ge can be set precisely. The method according to the invention is also independent of the temperature and pressure prevailing in the reactor. Correspond chend is intended for the implementation of the method device also designed to be insensitive to temperature and pressure. So it is possible the invention in the pressure range from vacuum to overpressure at all in use temperatures relevant to practice. Design and size of the inventions Rischen device are very variable, so that the invention in any furnace can be built. In addition to the use inside the furnace, which offers the advantage the invention can generate the treatment atmosphere directly at the place of use be arranged entirely or partially outside the furnace. This can e.g. B. from Be an advantage if the high voltage part or other parts of the invention by a aggressive gas atmosphere in the furnace should be kept away.

Die Effektivität einer Behandlungsatmosphäre bei der Wärmebehandlung hängt zum einen von der Konzentration der Behandlungsgase in der Atmosphäre, welche durch die Umsetzung der Ausgangsgase im Gasaktivator bestimmt wird, und zum anderen von der Reaktivität der erzeugten Behandlungsgase ab. Bei letzterem weist die Gas umsetzung mittels einer Barrierenentladung gegenüber herkömmlichen Methoden deutliche Vorteile auf. Die in der Behandlungsatmosphäre vorhandenen Gase gehen hauptsächlich dann die gewünschten Reaktionen mit dem Werkstück ein, wenn sie zu vor in einen angeregten Zustand versetzt worden sind. Mit dem vorgeschlagenen Ver fahren werden bei der Gasumsetzung zu einem großen Teil bereits angeregte Molekü le erzeugt. Somit wird die Reaktivität der Behandlungsgase und damit die Effektivität der Behandlungsatmosphäre deutlich erhöht.The effectiveness of a treatment atmosphere in the heat treatment depends on one of the concentration of the treatment gases in the atmosphere, which by the conversion of the starting gases in the gas activator is determined, and on the other on the reactivity of the treatment gases generated. In the latter, the gas implementation by means of a barrier discharge compared to conventional methods clear advantages. The gases present in the treatment atmosphere go out mainly the desired reactions with the workpiece if they are too have been put into an excited state. With the proposed ver To a large extent, already excited molecules are driven in the gas conversion le generated. Thus the reactivity of the treatment gases and thus the effectiveness the treatment atmosphere increased significantly.

Anhand der schematischen Zeichnung wird im folgenden eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft näher erläutert.Based on the schematic drawing, an embodiment of the Invention explained in more detail by way of example.

In der einzigen Figur ist ein erfindungsgemäßer Gasaktivator dargestellt. A gas activator according to the invention is shown in the single figure.

Der Gasaktivator weist eine erste Elektrode 1 auf, welche aus einem zylinderförmigen, metallischen Rohr besteht. Zur Isolation ist diese Elektrode 1 auf der Außenseite von einem diese berührenden Keramikrohr 2 umgeben. Eine zweite Rohrelektrode 3 ist koaxial zur ersten Elektrode 1 angeordnet. Diese Elektrode 3 ist auf der Rohrinnensei te ebenfalls durch ein die Elektrode 3 berührendes Keramikrohr 4 isoliert. Die Länge der beiden Rohrelektroden 1, 3 und der entsprechenden Keramikrohre 2, 4 beträgt zwischen 100 mm und 400 mm. Zwischen den beiden Keramikrohren 2 und 4 befindet sich ein 0,75 mm breiter Ringspalt 5. Es hat sich eine Breite des Ringspaltes zwischen 0,5 mm und 2 mm als günstig erwiesen.The gas activator has a first electrode 1 , which consists of a cylindrical, metallic tube. For insulation, this electrode 1 is surrounded on the outside by a ceramic tube 2 touching it. A second tubular electrode 3 is arranged coaxially with the first electrode 1 . This electrode 3 is also insulated on the tube inside by a ceramic tube 4 touching the electrode 3 . The length of the two tube electrodes 1 , 3 and the corresponding ceramic tubes 2 , 4 is between 100 mm and 400 mm. A 0.75 mm wide annular gap 5 is located between the two ceramic tubes 2 and 4 . A width of the annular gap between 0.5 mm and 2 mm has proven to be favorable.

Über eine Zuleitung 6 wird das umzusetzende Gas in das Innere 7 der Rohrelektrode 1 geleitet und über eine Ableitung 8 wieder abgeführt. Anschließend wird das umzuset zende Gas über eine Gaszuführung 9 dem Ringspalt 5 zugeführt und durch einen Gasauslaß 10 in den Reaktor 11 eingeleitet. Die Strömungsgeschwindigkeit des Gases im Ringspalt liegt zwischen 20 mm/s und 200 mm/s. Die Führung des Gases durch das Innere 7 der Rohrelektrode 1 dient einerseits der Kühlung des Gasaktivators, und andererseits der Vorheizung des Ausgangsgases im Gegenstromprinzip, wodurch der energetische Wirkungsgrad des Gasaktivators erhöht wird.The gas to be converted is fed into the interior 7 of the tubular electrode 1 via a feed line 6 and discharged again via a discharge line 8 . The gas to be converted is then fed to the annular gap 5 via a gas feed 9 and introduced into the reactor 11 through a gas outlet 10 . The flow velocity of the gas in the annular gap is between 20 mm / s and 200 mm / s. The guidance of the gas through the interior 7 of the tubular electrode 1 serves on the one hand to cool the gas activator and on the other hand to preheat the starting gas in the countercurrent principle, thereby increasing the energy efficiency of the gas activator.

An der ersten Elektrode 1 befindet sich eine elektrische Zuleitung 12, über die an die Elektrode 1 eine Hochspannung zwischen 10 kV und 20 kV angelegt werden kann. Die zweite Elektrode 3 ist über eine elektrische Leitung 13 auf Erdpotential gelegt. Durch die beiden Keramikrohre 2,4 hindurch kommt es zu Spannungsdurchschlägen, die sich in dem im Ringspalt 5 geführten Gas als Corona-Entladung fortsetzen. Dadurch ent steht eine sehr hohe Blitzdichte, die statistisch über den gesamten Ringspalt 5 verteilt ist. Durch Stoßionisation kommt es zur Bildung von Radikalen und zur Umsetzung der Reaktionspartner, die normalerweise unter den herrschenden Temperatur- und Druck verhältnissen nicht miteinander reagieren würden.There is an electrical supply line 12 on the first electrode 1 , via which a high voltage between 10 kV and 20 kV can be applied to the electrode 1 . The second electrode 3 is connected to earth potential via an electrical line 13 . Voltage breakdowns occur through the two ceramic tubes 2 , 4 and continue as corona discharge in the gas guided in the annular gap 5 . This results in a very high lightning density, which is statistically distributed over the entire annular gap 5 . Impact ionization leads to the formation of radicals and the reaction of the reactants, which would normally not react with one another under the prevailing temperature and pressure conditions.

Die Wand 14 des Wärmebehandlungsofens 11 weist eine Öffnung 15 auf, durch wel che der Gasaktivator teilweise in den Ofen 11 eingeführt werden kann. Der Gasaktiva tor ist mittels eines Flansches 16 gasdicht mit dem Ofen 11 verbunden. Durch die Öff nung 15 strömt das im Ringspalt 5 erzeugte Behandlungsgas in den Ofen 11 ein und erzeugt dort die gewünschte Behandlungsatmosphäre.The wall 14 of the heat treatment furnace 11 has an opening 15 through the wel Gasaktivator che partially in the furnace 11 can be inserted. The Gasaktiva tor is gas-tightly connected to the furnace 11 by means of a flange 16 . Through the opening 15 , the treatment gas generated in the annular gap 5 flows into the furnace 11 and generates the desired treatment atmosphere there.

Claims

1. A method for providing a treatment gas or treatment gas mixture for heat treatment by reacting a starting gas or starting gas mixture, characterized in that the starting gas or starting gas mixture is introduced into at least one gas activator with at least two mutually insulated electrodes ( 1 , 3 ), and that between the Electrodes ( 1 , 3 ) a barrier discharge is formed.

2. The method according to claim 1, characterized in that the starting gas or Starting gas mixture contains at least one inert gas.

3. The method according to claim 2, characterized in that the inert gas is nitrogen, Is argon or helium.

4. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the Starting gas or starting gas mixture at least one hydrocarbon gas includes.

5. The method according to claim 4, characterized in that the hydrocarbon Substance gas is natural gas or propane.

6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that the Starting gas or starting gas mixture at least one of the components sow contains hydrogen, hydrogen or carbon dioxide.

7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that the starting gas or gas mixture is at low pressure.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the arise during the conversion of the starting gas or starting gas mixture de heat loss is dissipated.

9. The method according to claim 8, characterized in that the heat loss is removed by water.

10. The method according to claim 8, characterized in that the heat loss is discharged through air.

11. The method according to any one of claims 8 to 10, characterized in that the Starting gas or gas mixture due to the heat loss before the conversion is preheated.

12. The method according to any one of claims 1 to 11, characterized in that between the electrodes ( 1 , 3 ) a high voltage between 1 kV and 50 kV is applied.

13. The method according to any one of claims 1 to 12, characterized in that between the electrodes ( 1 , 3 ) a high voltage between 10 kV and 20 kV is applied.

14. Device for providing a treatment gas or treatment gas mixture by reacting a starting gas or starting gas mixture for heat treatment, characterized in that at least one gas activator is provided, which has at least two mutually insulated electrodes ( 1 , 3 ), and means for generating a barrier discharge between the Has electrodes ( 1 , 3 ).

15. The apparatus according to claim 14, characterized in that a ceramic layer ( 2 , 4 ) is formed on the electrodes ( 1 , 3 ).

16. The device according to one of claims 14 or 15, characterized in that the gas activator is arranged outside the reactor ( 11 ).

17. Device according to one of claims 14 or 15, characterized in that the gas activator is arranged within the reactor ( 11 ).

18. Device according to one of claims 14 to 17, characterized in that several gas activators are arranged in parallel.

19. Device according to one of claims 14 to 18, characterized in that electrically conductive, coaxially arranged cylinders are provided as electrodes ( 1 , 3 ).

20. Device according to one of claims 14 to 19, characterized in that in A gas activator heater is provided.