DE19652125C1 - Verfahren zur Regelung einer Nitrier- bzw. Nitrocarburier-Atmosphäre sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Nitrierung (oder Nitridierung) von Werkstücken, insbesondere Stahl, ist allgemein bekannt. Dabei handelt es sich um ein Verfahren zur Oberflächen-Härtung von Stahl und anderen Eisen-Werkstoffen, bei dem eine Anreicherung von Stickstoff in der Metalloberfläche bewirkt wird. Als Kombination von Nitrierung und Aufkohlung (d. h. eine Kohlenstoff-Anreicherung) kennt man das Nitrocarburieren. Das Werkstück wird dabei in einem Ofen bei Temperaturen von ca. 500°C bis 580°C mit Ammoniak (beim Nitrocarburieren auch mit einem kohlenstoffhaltigen Zusatzgas, z. B. Kohlenmonoxid) beaufschlagt. Der Ammoniak bzw. das Zusatzgas spaltet sich dabei teilweise an der Werkstückoberfläche, der dabei entstehende atomare Stickstoff (bzw. Kohlenstoff) wird im Werkstück eingelagert und bildet eine sog. Härteschicht. Der beim Nitrieren frei werdende Wasserstoff tritt zusammen mit dem nicht gespaltenen Ammoniak aus dem Ofen aus und wird abgefackelt.

Ausschlaggebend für den Erfolg der Nitrierung ist neben der Katalyse der Spaltung an der Oberfläche des Werkstücks, die Stickstoffverfügbarkeit im Ofen. Ein Maß dafür ist die sog. "Nitrierkennzahl" N=pNH₃/p³/²H₂ (p = Partialdruck). Beim Nitrocarburieren kommt die Kohlenstoffverfügbarkeit hinzu. Ein Maß dafür ist die "Kohlungskennzahl" aC=p²CO/pCO₂ (p = Partialdruck; für CO und CO₂ als resultierende C-Träger) Die Nitrierkennzahl spielt eine besondere Rolle beim Langzeitnitrieren, bei dem die Werkstücke ca. 100 Stunden im Nitrierofen verweilen. Während die Härteschicht durch Einlagerung von atomarem Stickstoff in den Oberflächenbereich des Werkstücks in das Werkstück hineinwächst, bildet sich oft eine sog. "Verbindungsschicht" oder "weiße Schicht", die auf dem Werkstück aufwächst. Diese Verbindungsschicht ist beim reinen Nitrieren häufig störend, beim Nitrocarburieren ist sie erwünscht. Folgende Zusammenhänge zwischen Nitrierkennzahl und Bildung einer Verbindungsschicht gelten heute als gesichert:

• 1. Mit sinkender Nitrierkennzahl wird die maximale Stickstoffkonzentration in der Verbindungsschicht immer geringer.
• 2. Mit sinkender Nitrierkennzahl wächst die Dicke der Verbindungsschicht immer langsamer.
• 3. Mit sinkender Nitrierkennzahl wird die Gefahr der Porensaumbildung immer geringer.

Eine Kontrolle der Nitrierkennzahl ist also wünschenswert.

Die Situation bei der Messung ist dabei folgende: Das Ammoniak oder eine Ammoniak/Zusatzgasmischung tritt an einem gewissen Punkt in den Ofen ein und an einem anderen Punkt nach einer gewissen Zeit wieder aus. Das Gas hat eine bestimmte Verweilzeit im Ofen. Die Spaltung des Ammoniak in atomaren Stickstoff und Wasserstoff geschieht dabei jedoch nicht spontan, sondern über einen gewissen Zeitraum. Das hat die Konsequenz, daß nur ein Teil des eingeleiteten Ammoniaks gespalten wird. Ein Teil bleibt ungespalten und tritt aus dem Ofen wieder aus. Daraus folgt, daß der Spaltungsgrad umso höher ist, je geringer der Durchfluß ist. Unter diesen Bedingungen ist auch die Nitrierkennzahl gering. Der Durchfluß kann jedoch nicht unter einen gewissen Schwellenwert abgesenkt werden, weil im Nitrierofen immer ein Mindestdruck aufrechterhalten werden muß, um zu verhindern, daß Luft angesaugt wird. Übliche Werte liegen bei 10 bis 15 mbar. Dieser Minimaldruck kann z. B. durch eine Ölvorlage am Ausgang des Ofens aufrechterhalten werden. Um diese zu überwinden und aus dem Ofen austreten zu können, muß auf der Gegenseite ein gewisser Mindestdruck herrschen. Alleine mit der Regelung der Ammoniak-Zufuhr läßt sich unter diesen Bedingungen jedoch eine eventuell gewünschte niedrige Nitrierkennzahl nicht einstellen, weil man den Durchsatz nicht niedrig genug einstellen kann. Man würde den nötigen Mindestdruck im Ofen unterschreiten. Andererseits ist die Verweildauer des Ammoniak im Ofen nicht lang genug, um einen ausreichenden Spaltungsgrad zu erzielen. Daher wird im Stand der Technik im Allgemeinen ein sog. Vorspalter eingesetzt. In diesen Vorspaltern wird bei einer Temperatur zwischen 400°C und 1000°C Ammoniak über einen Katalysator geleitet. Dabei spaltet sich das Ammoniak in 25% Stickstoff und 75% Wasserstoff auf. Dieses Spaltgas wird zusammen mit dem Ammoniak dem Ofen zugeführt. Der im Spaltgas enthaltene Wasserstoff dient dazu, die Nitrierkennzahl zu senken.

Die Regelung erfolgt in Abhängigkeit von der aus den Meßwerten der Ofenatmosphäre berechneten Nitrierkennzahl mittels Massendurchflußreglern, die die Zufuhr von Ammoniak in den Nitrierofen einerseits und von Ammoniak in den Vorspalter andererseits steuern, so daß die Nitrierkennzahl stabil bleibt. Dabei arbeitet der Vorspalter stets im Sättigungsbereich, so daß man aus einer bestimmten Menge an zugeführtem Ammoniak auf eine bestimmte Menge N₂ + H₂ schließen kann. Beim bekannten Verfahren kommen mindestens zwei Massendurchflußregler zum Einsatz, einmal für Ammoniak und einmal für Spaltgas. Diese beiden Massendurchflußregler wurden gegeneinander geregelt, um die optimale Nitrierkennzahl zu halten und den Gasdurchsatz zu kontrollieren.

Um beim reinen Nitrieren die Bildung einer Verbindungsschicht größer z. B. 10 µm zuverlässig auszuschließen, muß man eine Nitrierkennzahl erreichen und konstant halten, die sehr niedrig und eng toleriert ist. Sie liegt im Bereich zwischen 0,9 und 1,0 oder noch darunter. Die zugeführten Gasmengen müssen präzise bekannt sein. Daher verwendet man für die Regelung Massendurchflußregler.

Nachteilig daran ist, daß Massendurchflußregler sehr teuer sind. Damit wird die ganze Mess- und Regeltechnik für Nitrieranlage unverhältnismäßig teuer, weil die Kosten für die Massendurchflußregler etwa ein Viertel bis ein Drittel der Kosten der gesamten Meß- und Regelanlage ausmachen.

Der Nachteil der bisher angewandten Meß- und Regelverfahren zum Nitrieren liegt ferner darin, daß man nicht reproduzierbar beeinflussen kann, ob eine Verbindungsschicht entsteht oder nicht.

Aus der DE 195 09 614 A1 ist bekannt, daß eine Nitrierkennzahlregelung besser funktioniert, wenn die Gesamtmenge Ammoniak, die in den Ofen eingeleitet wird, konstant gehalten wird. Außerdem werden voneinander unabhängige Regelungen der Nitrier- und der Karburierzahl vorgeschlagen. Dabei werden Spalter eingesetzt, die immer im Sättigungsbereich arbeiten, dazu werden Massendurchflußregler eingesetzt. Nachteilig daran ist, daß der immer im Bereich der Sättigung arbeitende Spalter wegen der hohen Arbeitstemperatur (min. 800°C) hohe Betriebskosten verursacht und einem hohen Verschleiß unterworfen ist. Die Massendurchflußregler sind ferner teuer und störanfällig (Verschmutzungen).

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der o.g. Art bereitzustellen, mit dessen Hilfe auf Massendurchflußregler verzichtet werden kann, so daß die ganze Anlage billiger wird.

Die Lösung besteht aus einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der Erkenntnis, daß Massendurchflußregler dann entbehrlich werden, wenn das Verhältnis der eingeleiteten Stoffmengen zueinander konstant bleibt.

Eine wesentliche erfinderische Maßnahme ist das Betreiben des Vorspalters außerhalb der Sättigung, so daß über die Arbeitspunkteinstellung eine neue Regelgröße eingeführt wird. Der zweite wesentliche Punkt besteht darin, daß der Vorspalter rechnerisch in die Berechnung des Spaltgrades für den Ofen mit einbezogen wird. Im Unterschied zum Stand der Technik wird also jetzt nicht mehr eine konstante Menge Ammoniak gespalten und das resultierende Spaltgas mit Ammoniak gemischt, sondern es wird nur so viel Ammoniak gespalten, wie tatsächlich benötigt wird. Wichtig ist, daß zur Regelung des Gasdurchflusses ein Proportionalventil oder Stellmotorventil genügt und kein Massendurchflußregler mehr benötigt wird. Dies läßt sich wie folgt begründen: Die Recheneinheit 14 benötigt ein "mathematisches Ofenmodell", um aus gewissen Größen und Beziehungen, wie z. B. NH₃-Zerfall, H₂/H₂O-Reaktion und Wassergasgleichgewicht, die Nitrierkennzahl zu ermitteln. Bisher war dazu die Kenntnis der Absolutmengen der zugeführten Gase und des Ofenvolumens notwendig. Im Gegensatz zum Stand der Technik wird nun der Spaltgrad von Vorspalter und Ofen als eine einzige Größe berechnet. Denn die interessierende Größe ist die Nitrierkennzahl in der Ofenanlage, die an sich keine Kenntnis absoluter Durchflußmengen voraussetzt, sondern nur das Verhältnis Ammoniak zu Wasserstoff. Die sich aus dem Spaltgrad von Vorspalter und Ofen ergebende Nitrierkennzahl ist exakt die gleiche, wie wenn man nur für den Ofen allein rechnen würde. Wenn man nur für den Ofen allein rechnet, muß man nämlich die Gaszusammensetzung am Eingang wissen, und dieser Wert korrigiert den anderen Spaltgrad, der sich ergibt, wenn man den Vorspalter in die Rechnung miteinbezieht.

In diesem Fall entfällt die Erfassung der Gaszusammensetzung (Ammoniak/Spaltgas), denn am Eingang des Vorspalters hat man reines Ammoniak (und Zumischgas, z. B. CO, in konstantem Verhältnis dazu). Diesen Wert kann man also 100% setzen. Welche Mischung sich im Einzelfall einstellt ist gleichgültig, solange sich nur aus dem im Einzelfall vorhandenen Verhältnis von Ammoniak zu Wasserstoff die gewünschte Nitrierkennzahl im Ofen ergibt. Dadurch, daß der Vorspalter in die Rechnung miteinbezogen wird, wird das Wissen um die absoluten Gasmengen entbehrlich. Man benötigt nur noch prozentuale Zusammensetzungen, also das Mengenverhältnis. Daher wird bei der Berechnung des Spaltgrades ein anderes mathematisches Modell herangezogen, das nicht nur mit absoluten Mengen, sondern mit relativen Anteilen arbeitet, wobei der Vorspalter in die Berechnung miteinbezogen wird. Regelungsgröße ist jetzt nicht mehr die Zufuhr von Ammoniak und Spaltgas zwischen Vorspalter und Ofen, sondern die Ammoniakzufuhr alleine in den Vorspalter. Die separate NH₃-Zufuhr entfällt. Damit kann man den Massendurchflußregler durch ein schnelles und billiges Stellglied, z. B. ein Stellventil oder Proportionalventil ersetzen.

Der dritte wesentliche Punkt ist die Tatsache, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zwei Regelkreise einander überlagern. Dabei handelt es sich zum einen um einen Regelkreis mit einer kurzen Zeitkonstante, nämlich die Regelung der Ammoniak-Zufuhr vor dem Vorspalter über ein Ventil. Der langsame Regelkreis ist die Arbeitspunkteinstellung des Vorspalters, die wesentlich träger arbeitet und somit langfristige Veränderungen der Rahmenbedingungen ausgleicht. Die Überlagerung dieser beiden Regelkreise führt dazu, daß mit einfachen und billigen Mitteln die Nitrierkennzahl auf dem gewünschten Soll-Wert gehalten werden kann.

Man hat also zwei Einflußmöglichkeiten auf das Mischungsverhältnis Ammoniak zu Wasserstoff im Ofen, das letztendlich die Nitrierkennzahl bestimmt. Das eine ist die Temperatur des Vorspalters, d. h. der Arbeitspunkt des Vorspalters auf der Spalterkennlinie. Das andere ist die Menge an Ammoniak, die den Vorspalter passiert. Bei gegebener Temperatur wird umso mehr Ammoniak gespalten, je weniger man durch den Vorspalter führt und umgekehrt. Über die Durchflußmenge und den Arbeitspunkt läßt sich das Mischungsverhältnis Ammoniak zu Wasserstoff, das den Vorspalter verläßt, um in den Ofen einzutreten, genau einregeln.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Minimierung der eingesetzten Stoffmengen in Verbindung mit einer Nitrierkennzahlregelung erfolgt über eine optimale Einstellung des Vorspalter-Arbeitspunktes. Zu diesem Zweck wird durch die Beeinflussung der Temperatur des Vorspalters der Mittelwert der NH₃-Menge (und damit der gesamten Stoffmenge) auf einen optimalen Wert geregelt. Damit stellt sich der optimale Arbeitspunkt bei einer Änderung der Rahmenbedingungen im Ofen von selbst neu ein. Der Vorspalter arbeitet dabei nicht mehr in der Sättigung. Das Eingangsventil muß lediglich auf einen bestimmten Mindestwert eingestellt sein, den es nicht unterschreiten darf, damit der Mindestdruck im Ofen aufrechterhalten bleibt. Bei der Nitrocarburierung wird das Verhältnis der eingeleiteten Stoffmengen von Ammoniak und Zusatzgas durch eine Gleichdruckregelung konstant gehalten. Eine Stabilisierung der Kohlungskennzahl aC ist über eine Beeinflussung des Mischungsverhältnisses der eingeleiteten Stoffmengen in gewissen Grenzen möglich. Die Abweichung vom Grundmischungsverhältnis muß von der Kennzahlberechnung berücksichtigt werden. Sie kann aus dem Differenzdrucksignal der Gleichdruckregelung abgeleitet werden.

Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Regelung der Nitrierkennzahl nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Spaltungskennlinienfeldes des Vorspalters,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Änderung der Nitrierkennzahl über die Zeit beim Anfahren eines Nitrierofens unter Zuhilfenahme des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Fig. 4 eine schematische Darstellung entsprechend Fig. 1 für die Nitrocarburierung.

Die in Fig. 1 schematisch dargestellte Nitrieranlage weist einen Ofen 10 mit einer Ofendruckregelung in Form einer Ölvorlage 11 und einer daran sich anschließenden Fackel 12 auf. Eine Sensorik 13 mißt die Atmosphäre im Ofen 10 und gibt die Werte an eine Recheneinheit 14 zur Berechnung der Nitrierkennzahl weiter. Dem Ofen 10 ist ein Vorspalter 30 vorgeschaltet.

Zur Beschickung des Vorspalters 30 mit Ammoniak ist eine Zufuhrleitung 20 vorgesehen, die mit einem Proportionalventil 21 ausgerüstet ist. Der Ofen 10 wird über eine Zufuhrleitung 22 mit Spaltgas aus dem Vorspalter 30 beschickt.

Das Proportionalventil 21 wird über einen Nitrierkennzahlregler 40 beeinflußt, der einen Nitrierkennzahl-Soll-Wert mit dem von der Recheneinheit 14 ermittelten Nitrierkennzahl-Ist-Wert vergleicht. Die Temperatur des Vorspalters 30 wird durch einen Temperaturregler 50 beeinflußt, der einen Temperatur-Soll-Wert mit den Temperatur-Ist-Wert vergleicht. Ein Arbeitspunkt-Regler 60 vergleicht die vom Proportionalventil 21 freigegebene aktuelle Ammoniak-Menge mit einem vorgegebenen Soll-Wert. Bei Abweichungen verändert der Arbeitsspunktregler den dem Temperaturregler 50 vorgegebenen Temperatur-Soll-Wert.

Das erfindungsgemäße Verfahren arbeitet folgendermaßen:
Die Sensorik 13, deren genaue Ausgestaltung beliebig sein kann, ermittelt die Zusammensetzung der Nitrieratmosphäre im Ofen 10 und gibt die Meßwerte in Form von Signalen an die Recheneinheit 14 weiter, die daraus die aktuelle Nitrierkennzahl berechnet, die im Ofen 10 herrscht. Dieser Wert wird an den Nitrierkennzahlregler 40 weitergegeben. Der Regler 40 vergleicht den aktuellen Wert, der im Ofen herrscht, mit einem vorgegebenen Soll-Wert, z. B. 0,9.

Wenn die Nitrierkennzahl zu hoch ist, muß das Mischungsverhältnis Ammoniak zu Wasserstoff in der Leitung 22 zugunsten von Wasserstoff verschoben werden. Zu diesem Zweck wird zunächst weniger Ammoniak eingeleitet. Der Nitrierkennzahlregler wird also das Proportionalventil 21 um einen gewissen Betrag schließen. Damit verringert sich die Menge an Ammoniak, die in den Vorspalter 30 eintritt. Daher kann in dem Zeitraum, in dem das Ammoniak den Vorspalter 30 durchwandert, ein größerer Anteil gespalten werden. In der Leitung 22 sinkt also die Menge an Ammoniak und steigt die Menge an Wasserstoff. Damit sinkt die Nitrierkennzahl im Ofen 10.

Im umgekehrten Fall, wenn die aktuelle Nitrierkennzahl unter dem Soll-Wert liegt, wird der Regler 40 das Proportionalventil 21 ein Stück weit öffnen. Es fließt mehr Ammoniak in den Vorspalter 30 mit der Folge, daß der Spaltungsgrad sinkt. In der Leitung 21 erhöht sich also die Menge an Ammoniak und sinkt die Menge an Wasserstoff. Die Nitrierkennzahl im Ofen 10 steigt.

Damit können kurzfristige Veränderungen der Rahmenbedingungen, z. B. im Ofen 10, schnell ausgeglichen werden. Dabei darf das Proportionalventil 21 nie so weit geschlossen werden, daß der benötigte Ofendruck zusammenbricht, wo die Untergrenze liegt, hängt von Größe und Auslegung des Ofens 10 ab. Der Mindestdurchsatz kann auch auf anderem Wege sichergestellt werden, z. B. durch einen Bypass bei geschlossenem Ventil 21.

Eine langfristige Veränderung der Rahmenbedingungen kann dazu führen, daß die beschriebene Regelung über das Proportionalventil 21 nicht mehr ausreicht. Z.B. kann die Nitrierkennzahl langfristig so weit ansteigen, daß das Proportionalventil 21 nicht weiter geschlossen werden kann, ohne daß der nötige Mindestdruck im Ofen 10 zusammenbricht. Umgekehrt kann die Nitrierkennzahl langfristig soweit sinken, daß das Proportionalventil zu 100% geöffnet ist, ohne daß der Soll-Wert erreicht werden kann. In diesen Fällen greift der Arbeitspunktregler 60 ein. Er vergleicht einen vorgegebenen Soll-Wert des Öffnungsgrades des Ventils 21 mit dem aktuellen Ist-Wert. Der Soll-Wert ist so gewählt, daß das Ventil 21 einerseits so viel Ammoniak passieren läßt, wie zur Einhaltung des Ofendrucks nötig ist und gleichzeitig der Nitrierkennzahlregler 40 genügend Spielraum nach unten hat. Andererseits ist der Soll-Wert so niedrig gewählt, daß möglichst wenig Ammoniak verbraucht wird. Liegt der Ist-Wert über oder unter dem Soll-Wert, verändert der Arbeitspunktregler 60 den vorgegebenen Temperatur-Soll-Wert des Temperaturreglers 50. Damit wird die Temperatur des Vorspalters 30 erhöht bzw. erniedrigt und der Arbeitspunkt des Vorspalters 30 verändert. Dies ist noch einmal in Fig. 2 dargestellt, die in ihrem hinteren Teil den Spaltgrad im Gleichgewicht zusammen mit den entsprechenden Vol%-Anteilen von NH₃, H₂ und n₂ und in ihrem rechten Teil ein Spaltungskennlinienfeld des Vorspalters 30 zeigt. Der linke Teil der Figur illustriert, wie hoch die Volumenanteile von NH₃, H₂ und N₂ bei einem bestimmten Spaltgrad sind, z. B. 0,75 und 25 Vol% bei 100%-iger Spaltung. Rechts sind vier Spaltungskennlinien SP1, SP2, SP3, SP4 für vier willkürlich gewählte Werte für den Mengendurchfluß im Ofen 10 dargestellt. Der Mengendurchfluß steigt von SP1 nach SP4 an. Man erkennt, daß bei abnehmendem Mengendurchfluß für gegebene Temperaturen der Spaltgrad zunimmt. Dies illustriert die Abhängigkeit der Spaltung (Spaltgrad) von Temperatur und Mengendurchfluß.

Falls also die Nitrierkennzahl im Ofen unter den Soll-Wert sinkt, wird nicht nur das Ventil 21 weiter geöffnet, sondern der Anteil an Ammoniak im Spaltgas anderweitig erhöht, um den Ammoniak-Verbrauch zu drosseln. Dies gelingt durch Verschieben des Arbeitspunktes des Vorspalters 30 hin zu einer niedrigeren Temperatur. Der Arbeitspunktregler 60 wird also die Soll-Temperatur, die dem Temperaturregler 50 vorgegeben ist, absenken. Damit wird der Vorspalter 30 langsam heruntergekühlt mit dem Ergebnis, daß der Ammoniak-Anteil im Spaltgas und damit die Nitrierkennzahl steigt.

Umgekehrt wird bei einer zu hohen Nitrierkennzahl, wenn der Ammoniak-Durchsatz nicht weiter gesenkt werden kann, ohne Aufrechterhaltung des Mindestdrucks im Ofen 10 zu gefährden, der Arbeitspunktregler 60 den Temperatur-Soll-Wert erhöhen. Der Arbeitspunkt wandert also in Fig. 2 die Steigung aufwärts hin zu höheren Temperaturen. Damit wird mehr Ammoniak gespalten, so daß der Anteil an Ammoniak im Spaltgas sinkt, während der Anteil an Wasserstoff steigt. Die Nitrierkennzahl sinkt also.

Auf diese Weise erhält man nicht nur eine Regelung über einen weiten Bereich, sondern reduziert den Ammoniak-Verbrauch auf das notwendige Maß. In Fig. 3 ist die Situation beim Anfahren einer Nitrieranlage dargestellt. Grundsätzlich gilt, daß zu Beginn des Nitriervorgangs etwa eine Stunde lang die Nitrieranlage mit hohem Ammoniakdurchsatz und hoher Nitrierkennzahl betrieben wird, um die Voraussetzungen für eine durchgängige Härteschicht ohne Fehlstellen zu schaffen. Andernfalls kann die Härteschicht fleckig werden. Diese Phase heißt "Ankeimung" (Teil A in Fig. 3). Während der Phase der Ankeimung findet keine Regelung statt. Das Proportionalventil 21 ist vollständig geöffnet und der Vorspalter 30 wird bei kleiner Temperatur gefahren, bei der keine Spaltung stattfindet (vgl. Fig. 2). Das verringert die Anlaufzeit zu Beginn der Regelungsphase. Die Ammoniakspaltung findet lediglich im Ofen 10 statt; die Nitrierkennzahl ist hoch.

Etwa nach einer Stunde wird die beschriebene Regelung eingeschaltet (Teil B von Fig. 3). Die Sensorik 13 und die Recheneinheit 14 ermitteln eine Nitrierkennzahl die gegenüber dem Soll-Wert um ein Vielfaches erhöht ist. Der Regler 40 wird also das Proportionalventil 21 auf das voreingestellte Minimum z. B. 5% schließen. Damit sinkt der Ammoniakdurchsatz im Ofen 10, der Spaltungsgrad wird erhöht und das Verhältnis von Ammoniak zu Wasserstoff wird auf die Seite des Wasserstoffs verschoben. Die Nitrierkennzahl sinkt. Unter diesen Bedingungen kann die Nitrierkennzahl jedoch nicht auf einen Soll-Wert von etwa 0,9 bis 1 sinken. Andererseits ist der Ammoniakdurchsatz auf einem absoluten Minimum angelangt. Der Arbeitspunktregler 60 stellt fest, daß der Ammoniakdurchsatz wesentlich unter dem Soll-Wert liegt. Der Arbeitspunktregler 60 erhöht folglich den dem Temperaturregler 50 vorgegebenen Soll-Wert, z. B. von 500°C auf 800°C. Die Temperatur im Vorspalter 30 steigt, so daß nun ein Teil des durchgeleiteten Ammoniaks gespalten wird. Damit wird das Verhältnis von Ammoniak zu Wasserstoff noch weiter auf die Seite des Wasserstoffs verschoben. Die Nitrierkennzahl im Ofen 10 sinkt weiter bis auf den Soll-Wert 1 (Teil C in Fig. 3). Die Temperatur im Vorspalter 30 ist jetzt so weit erhöht, daß bei fast geschlossenem Proportionalventil 21 die Nitrierkennzahl unter den Soll-Wert sinken würde. Dies wird von der Sensorik 13 und der Recheneinheit 14 festgestellt und an den Regler 40 übermittelt, der wiederum das Proportionalventil 21 etwas öffnet (Teil D in Fig. 3). Somit pendelt sich der Ammoniakdurchsatz um den optimalen Soll-Wert herum ein, während die Nitrierkennzahl stabil bleibt.

Man erkennt, daß zwei Regelkreise mit unterschiedlichen Zeitkonstanten vorliegen. Der Regelkreis über den Ofen 10, die Recheneinheit 14, den Nitrierkennzahlregler 40 und das Proportionsventil 21 hat eine kleine Zeitkonstante im Minutenbereich, kann also auf kurzfristige Veränderungen schnell reagieren. Der Regelkreis über Vorspalter 30, Temperaturregler 50 und Arbeitspunktregler 60 hat eine große Zeitkonstante, reagiert also auf langfristige Veränderungen der Rahmenbedingungen. Bei konstanten Rahmenbedingungen stellt sich ein optimaler Arbeitspunkt des Vorspalters 30 ein. Der Mittelwert des Öffnungsgrades des Ventils 21 pendelt um einen vorgegebenen optimalen Sollwert.

Fest vorgegeben sind nur der Nitrierkennzahl-Soll-Wert und ein optimaler, empirisch ermittelter Ammoniakdurchsatz, ausgedrückt durch den Öffnungsgrad des Proportionalventils 21. Wenn sich die Rahmenbedingungen langfristig ändern, stellt sich von selbst ein neuer optimaler Arbeitspunkt des Vorspalters 30 ein.

Durch die Überlagerung dieser beiden Regelkreise wird eine sehr exakte Regelung der Nitrierkennzahl erreicht. Schnelle Änderungen werden durch Regelung des Proportionalventils 21 ausgeglichen, wobei bei höherer Gaszufuhr der Spaltungsgrad sinkt und bei geringerer Gaszufuhr der Spaltungsgrad steigt. Langsame Änderungen, wie z. B. Außentemperatur oder Veränderungen in der Reaktionskinetik mit zunehmender Stickstoffaufnahme in die Härteschicht werden durch Regelung des Arbeitspunktes ausgeglichen.

Da auf die separate NH₃-Zuleitung verzichtet und lediglich die Ammoniakmenge über den Öffnungsgrad des Proportionalventils erfaßt wird, werden keine Massendurchflußregler mehr benötigt. Man muß nur die Mengenverhältnisse zwischen Ammoniak und Wasserstoff wissen. Diese werden von der Sensorik erfaßt und von der Recheneinheit berechnet.

Das erfindungsgemäße Verfahren hat noch einen weiteren vorteilhaften Aspekt. Der Mittelwert des Ammoniakdurchsatzes, der um den optimalen Soll-Wert herum schwankt, ist so niedrig wie möglich eingestellt. Das bedeutet, daß der Regler 40 einerseits genügend Bewegungsspielraum nach beiden Seiten hat, um schnelle Regelbewegungen auszuführen, ohne daß jedoch andererseits unnötig viel Ammoniak in den Ofen 10 eingebracht wird, das dann durch die Ölvorlage 11 durchtritt und an der Fackel 12 abgefackelt werden muß. Steigt der Mittelwert über den optimalen Soll-Wert hinaus an, wird dem durch eine Neueinstellung des Arbeitspunktes des Vorspalters 30 über den Arbeitspunktregler 60 begegnet. Das bedeutet, daß nur so viel Ammoniak eingesetzt wird, wie nötig ist. Das hat eine signifikante Einsparung an benötigtem Ammoniak zu Folge. Ein optimaler Soll-Wert kann z. B. bei 15% oder 20% Öffnungsgrad liegen. Dies gilt z. B. für einen Ofen 10 von 1 m³ Volumen. Die optimalen Soll-Werte ändern sich natürlich je nach Größe und Auslegung der Nitrieranlage und sind vom Fachmann individuell zu bestimmen. Gleichzeitig wird auch der Vorspalter 30 nicht unnötig beansprucht, denn bei höherem Gasdurchsatz müßte er bei höheren Temperaturen betrieben werden, um die benötigte Menge Spaltgas bereitzustellen. Dies bedeutet also auch eine Energieersparnis.

Damit ist also das Problem gelöst, daß mit nur zwei Regelgrößen, nämlich der Ammoniakzufuhr und dem Arbeitspunkt, der ganze theoretisch mögliche Arbeitsbereich der Nitrieranlage erfaßt werden kann. Jede einzelne Regelgröße allein ist nicht ausreichend. Die eine erfaßt nicht den gesamten Arbeitsbereich der Nitrieranlage, die andere ist zu träge und zu langsam. Deswegen werden beide Regelkreise miteinander kombiniert, um die bestmögliche Regelung zu erzielen.

Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung bezieht sich auf das Nitrocarburieren. Es ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Der einzige Unterschied zu dem in Fig. 1 dargestellten Schema besteht darin, daß die Rechenanlage 14 nicht nur die Nitrierkennzahl, sondern auch die sog. Kohlungskennzahl berechnet und diesen Wert an einen aC-Regler 70 weitergibt. Dieser aC-Regler 70 vergleicht einen Soll-Wert mit dem von der Berechnungsanlage 14 gelieferten Ist-Wert und steuert darüber das Mischungsverhältnis zwischen Ammoniak und Zusatzgas in der Leitung 20 vor dem Eingang des Vorspalters.

Das Nitrocarburieren verläuft nach demselben Prinzip wie das Nitrieren mit dem Unterschied, daß zusätzlich Kohlenstoff in die Härteschicht eingelagert wird. Dieser Kohlenstoff stammt aus einem kohlenstoffhaltigen Zusatzgas, z. B. Kohlenmonoxid. Der Prozeß dient dazu, die Verfahrensdauer zu verkürzen und bestimmte Eigenschaften der Härteschicht nach anderen Richtungen hin zu optimieren. Für die Regelung dieses Prozesses braucht man im Stand der Technik bisher für jedes weitere Gas einen Massendurchflußregler. Die Regelung war bisher sehr aufwendig, zumal sich Kohlungskennzahl und Nitrierkennzahl gegenseitig beeinflussen. Die Nitrierkennzahl reagiert sehr empfindlich auf Änderungen der Kohlungskennzahl.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht ebenfalls darauf, daß zur Berechnung der Kennzahlen die Kenntnis der Absolutmengen der Gase nicht mehr nötig ist. Es genügt die Kenntnis der relativen Frischgaszusammensetzungen sowie des Mischungsverhältnisses in der Leitung 20. Zu diesem Zweck ist eine Zusatzgasleitung 80 vorgesehen, die an einem Punkt 81 in die Leitung 20 für das Ammoniak mündet. In den Leitungen 20 und 80 sind ferner stromaufwärts von Punkt 81 zwei Drosselventile 82 und 83 vorgesehen. Diese Drosselventile 82 und 83 dienen dazu, das Mischungsverhältnis an Ammoniak und Zusatzgas (z. B. 95 zu 5) fest einzustellen. Wiederum stromaufwärts von den Drosselventilen 82, 83 befindet sich eine Gleichdruckregelungseinheit oder Druckwaage 85. Sie besteht aus dem eigentlichen Differenzdruckmeßgerät 86, z. B. einer Druckmeßdose und zwei Leitungen 87 und 87', die von der Zusatzgasleitung 80 an einem Punkt 88 bzw. von der NH₃-Leitung 20 an einem Punkt 88' abzweigen. In der Zusatzgasleitung 80 ist stromaufwärts vom Verzweigungspunkt 88 noch ein Proportionalventil 89 vorgesehen. Das Differenzdruckmeßgerät 86 ist in der Lage, Druckdifferenzen in den Leitungen 87 und 87' und damit in den Leitungen 18 und 20 zu messen und diese Meßwerte an einen Druckdifferenzregler 90 zu melden.

Das Verfahren arbeitet folgendermaßen:
Die Drosselventile 82 und 83 sind einem bestimmten Öffnungsgrad entsprechend dem gewünschten Mischungsverhältnis eingestellt. Dadurch baut sich in jeden Leitungen 20 und 80 stromaufwärts davon ein gewisser Druck auf. Die vom Gleichdruckmeßgerät 86 aufgenommene Differenz zwischen diesen Drücken wird an den Druckdifferenzregler 90 weitergegeben. Dieser vergleicht den Differenz-Ist-Wert mit einem Differenz-Soll-Wert (der dem vorgegebenen Mischungsverhältnis entspricht) und stellt das Proportionalventil 89 in der Zusatzleitung 80 so ein, daß der Soll-Wert erreicht wird. Damit hat man ein festeingestelltes Mischungsverhältnis, das sich auch dann nicht ändert, wenn die weiter oben beschriebene Regelung der Nitrierkennzahl den Durchsatz von Ammoniak ändert. Damit ändert sich nämlich der Druck vor dem Drosselventil 83 mit dem Ergebnis, daß der Regler 90 den Druck in der Leitung 80 über das Proportionalventil 89 nachführt. Da Nitrierkennzahl und Kohlungskennzahl fest zusammenhängen und sich gegenseitig beeinflussen, stellt sich über diesen Mechanismus im Ofen 10 automatisch ein gewisses Mengenverhältnis zwischen den Gasen mit bestimmten Kennzahlen ein. In der Praxis arbeitet man mit Nitrierkennzahlen zwischen 0,5 und 10 und Kohlungskennzahlen zwischen 0,05 und 1,0.

Die Kohlungskennzahl reagiert nun viel empfindlicher auf äußere Einflüsse. Außerdem haben geringe Unterschiede in der Kohlungskennzahl gravierende Auswirkungen auf den Aufbau der Nitrierschicht. Deswegen ist der Kohlungskennzahl-Regler oder aC-Regler 70 vorgesehen, der die Kohlungskennzahl im vorgegebenen engen Bereich halten soll. Weicht die Kohlungskennzahl vom Soll-Wert ab, reagiert der aC-Regler 70 damit, daß er den Differenzdruck-Soll-Wert des Differenzdruck-Reglers 90 verstellt. Damit wird der Durchsatz des Zusatzgases auch das in der Leitung 80 und folglich auch das Mischungsverhältnis am Verzweigungspunkt 81 verändert. Gleichzeitig wird der Ist-Wert des Differenzdruckes der Recheneinheit 14 mitgeteilt, so daß bei der Berechnung der im Ofen 10 wirkenden Nitrierkennzahl bzw. Kohlungskennzahl das Mischungsverhältnis am Verzweigungspunkt 81 berücksichtigt wird. Damit wird berücksichtigt, daß Nitrierkennzahl und Kohlungskennzahl eng zusammenhängen und einander beeinflussen.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel genügt es also, die relative Zusammensetzung des Gases zu kennen, mit dem der Ofen 10 beschickt wird. Die Kenntnis der Absolutmengen an den zugeführten Gasen ist nicht nötig. Die zusätzlichen Einrichtungen wie Proportionalventil 89, Differenzdruckregler 90 und Druckmesseinheit 86 sind wesentlich billiger als die im Stand der Technik benötigten zusätzlichen Massendurchflußregler. Außerdem war es bisher schwierig, mit Massendurchflußreglern die Kohlungskennzahl genau einzustellen, eben weil sich Kohlungskennzahl und Nitrierungskennzahl gegenseitig beeinflussen. Dieses Problem fällt durch die Differenzdruckmessung und die Berücksichtigung des Differenzdruckes bei der Berechnung fort.

Es wird daraufhingewiesen, daß die in den Fig. 1 und 4 schematisch dargestellten Regler in der Praxis Teil eines Prozessors sind, der die Regelung einer Ofenanlage übernimmt. In den Prozessor können auch die Recheneinheit 14 und die Führung der Sensorik 13 integriert sein.

Claims (12)

1. Verfahren zur Regelung einer Nitrier- oder Nitrocarburier-Atmosphäre in einer Ofenanlage zur Nitrierung oder Nitrocarburierung mit einem Vorspalter (30) zur Erzeugung von Spaltgas, einem Ofen (10), einer Ofendruckregelung und einer Sensorik (13) zur Erfassung der Ofenatmosphäre, wobei das Mischungsverhältnis von NH₃ zu H₂ im Ofen (10) in Abhängigkeit von der Nitrierkennzahl geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich der NH₃-Gasdurchsatz im Vorspalter (30) sowie der Arbeitspunkt des Vorspalters (30) geregelt werdend wobei der Vorspalter (30) unterhalb des Sättigungsbereichs betrieben wird und keine weitere NH₃-Zufuhr vorgesehen ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der NH₃-Gasdurchsatz so geregelt wird, daß ein gewählter Minimalwert nicht unterschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Minimalwert 5% des maximal möglichen Gasdurchsatzes beträgt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt des Vorspalters (30) so gewählt wird, daß der NH₃-Gasdurchsatz auf einen niedrigen Wert oberhalb des Minimalwerts gehalten wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Arbeitspunkt-Regelung ein optimaler Soll-Wert für den NH₃-Gasdurchsatz und der Gasdurchsatz-Regelung ein optimaler Wert für die Nitrierkennzahl vorgegeben werden, so daß sich ein optimaler Arbeitspunkt des Vorspalters (30) einstellt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur weiteren Regelung des Mischungsverhältnisses von Ammoniak und Zusatzgas bei der Nitrocarburierung eine Druckdifferenz in den Zuleitungen (20, 80) zur Erhaltung eines konstanten Mischungsverhältnisses stattfindet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Änderung des Mischungsverhältnisses der der Gleichdruckregelung vorgegebene Soll-Wert der Druckdifferenz geändert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckdifferenz-Soll-Wert gleich Null gesetzt wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Vorspalter (30) zur Erzeugung von Spaltgas, einem Ofen (10), einer Ofendruckregelung und einer Sensorik (13) zur Erfassung der Ofenatmosphäre, dadurch gekennzeichnet, daß nur eine Leitung (20) als einzige Ammoniak-Zufuhr in den Ofen (10) vorgesehen ist, daß in der Leitung (20) ein regelbares Ventil (21) vorgesehen ist, daß die Leitung (20) in den Vorspalter (30) mündet und daß der Vorspalter (30) mit einer Arbeitspunkt-Regelung (50, 60) versehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventil (21) ein Proportionalventil ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventil (21) eine Bypass-Leitung vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zusatzgas-Leitung (80) vorgesehen ist, die stromaufwärts vom Vorspalter (30) in die Leitung (20) mündet, wobei in den Leitungen (20, 80) je ein Drosselventil zur Einstellung eines konstanten Mischungsverhältnisses vorgesehen ist und zur Regelung des Mischungsverhältnisses eine Druckdifferenzregelung zwischen den Leitungen (20, 80) vorgesehen ist.