DE19719225C1 - 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 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach dem Oberbegriff des Anspruchs 10.

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 600°C mit Ammoniak (beim Nitrocarburieren auch mit einem kohlenstoffhaltigen Zusatzgas, z. B. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Propan, u. a.) beaufschlagt. Der Ammoniak bzw. das Zusatzgas spaltet teilweise an der Werkstückoberfläche; der dabei entstehende atomare Stickstoff (bzw. Kohlenstoff) wird im Werkstück eingelagert und bildet eine sog. Härtesicht aus. 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/p^3/2H₂ (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.

Um beim reinen Nitrieren die Bildung einer Verbindungsschicht größer z. B. 10 µm zuverlässig auszuschließen, sollte 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.

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 mb. 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 das Ammoniak in 25% Stickstoff und 75% Wasserstoff auf. Dieses Spaltgas wird zusammen mit dem Ammoniak dem Ofen zugeführt. 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. Der im Spaltgas enthaltene Wasserstoff dient dazu, die Nitrierkennzahl zu senken.

Bisher verwendete man für die Regelung der Ammoniak- bzw. Spaltgaszufuhr Massendurchflussregler. Diese beiden Massendurchflussregler wurden gegeneinander geregelt, um die optimale Nitrierkennzahl zu halten und den Gasdurchsatz zu kontrollieren. 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 einen erheblichen Anteil der Kosten der gesamten Mess- und Regelanlage ausmachen.

Ein Verfahren zur Regelung des NH₃-Gasdurchsatzes in Abhängigkeit von der aus den Messwerten der Ofenatmosphäre berechneten Nitrierkennzahl ohne Massendurchflussregler, bei dem der Vorspalter unterhalb des Sättigungsbereichs arbeitet, ist aus der unveröffentlichten deutschen Patentanmeldung 196 52 125.4 bekannt. Dabei wird einerseits der Arbeitspunkt des Vorspalters und andererseits der NH₃-Gasdurchsatz in Abhängigkeit der aus den Messwerten der Ofenatmosphäre berechneten Nitrierkennzahl geregelt. Für die Regelung des NH₃- Gasdurchsatzes genügt ein Proportionalventil. Für die Regelung der Zusatzgas-Zufuhr ist eine Differenzdruckmessung erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der o. g. Art bereitzustellen, mit dessen Hilfe die Regelung weiter vereinfacht und die Anlage weiter verbilligt wird.

Die Lösung besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einer Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 10.

Das erfindungsgemäße Verfahren beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass eine indirekte Regelung des NH₃-Gasdurchsatzes über die Arbeitspunktregelung des Vorspalters völlig ausreicht, wenn der gewünschte NH₃-Gasdurchsatz mit einer bestimmten Arbeitstemperatur des Vorspalters korreliert wird. Der NH₃-Gasdurchsatz wird konstant gehalten. Bei einer geeigneten Auswahl des Gasdurchsatzes und des Temperaturbereichs, innerhalb dessen die Regelung stattfindet, erreicht man eine Stabilisierung der Nitrierkennzahl und eine Nitrierung guter Qualität.

Auch bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Vorspalter außerhalb der Sättigung betrieben, so dass über die Arbeitspunkteinstellung eine neue Regelgröße eingeführt wird. Der Vorspalter wird rechnerisch in die Berechnung des Spaltgrades für den Ofen mit einbezogen. 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 dazu 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 ggf. Zusatzgas, 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. Es wird also nicht eine konstante Menge Ammoniak gespalten und das resultierende Spaltgas mit Ammoniak gemischt, sondern es wird nur so viel Ammoniak gespalten, wie tatsächlich benötigt wird.

Regelungsgröße ist jetzt nurmehr der Arbeitspunkt des Vorspalters. Zur weiteren Regelung des Gasdurchflusses genügt ein Ventil, mit dem eine konstante NH₃-Zufuhr eingestellt wird. Wählt man den zu regelnden Temperaturbereich sowie die zugeführte NH₃-Menge in geeigneter Weise aus, kann die Nitrierkennzahl alleine durch die Temperaturänderung befriedigend schnell nachgeregelt werden. Optional kann man einen Prozessregler vorsehen, der das Ventil auf maximale Öffnung während der Ankeimphase und die gewünschte Voreinstellung während der Nitrierphase regelt.

Über die konstante Durchflussmenge (z. B.) und die Arbeitspunktregelung (z. B. zwischen 400 und 800°C) lässt sich das Mischungsverhältnis Ammoniak zu Wasserstoff, das den Vorspalter verlässt, um in den Ofen einzutreten, überraschend gut einregeln.

Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Minimierung der eingesetzten Stoffmengen in Verbindung mit einer Nitrierkennzahlregelung erfolgt über eine geeignete Korrelation von theoretischem NH₃-Gasdurchsatz und Temperatur des Vorspalters. Durch die Beeinflussung der Temperatur des Vorspalters kann die NH₃-Durchflussmenge (und damit der gesamten Stoffmenge) auf einen optimalen niedrigen wert gehalten werden. Der optimale Arbeitspunkt stellt sich 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 konstanten Wert eingestellt sein. Bei der Nitrocarburierung wird das Verhältnis der eingeleiteten Stoffmengen von Ammoniak und Zusatzgas über in den Zufuhrleitungen vorgesehene Ventile ebenfalls konstant gehalten. Eine Stabilisierung der Kohlungskennzahl aC erfolgt alleine über die Nitrierkennzahlregelung, weil diese die Kohlungskennzahl beeinflusst. Die Leitung für das Zusatzgas kann stromaufwärts oder stromabwärts vom Vorspalter in die NH₃- Zufuhrleitung münden. Beim Durchsatz durch den Vorspalter stellt sich vorteilhafterweise bereits das Wassergasgleichgewicht ein.

Ferner kann eine Zusatzleitung für die separate Ammoniakzufuhr während der Ankeimphase vorgesehen sein. Dann kann der Vorspalter bereits auf Arbeitstemperatur gehalten werden, und das "Umschalten" vor der Ankeimphase in die Nitrier- bzw. Nitrocarburierphase geht schneller.

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 Magnetventil 21, einem Stellventil 22 und einem Durchflussmesser 23 ausgerüstet ist. Der Ofen 10 wird über eine Zufuhrleitung 24 mit Spaltgas aus dem Vorspalter 30 beschickt. Das Stellventil 22 ist so eingestellt, dass eine vorgewählte konstante NH₃-Zufuhrmenge durch die Leitung 20 in den Vorspalter 30 gelangt.

Ein Nitrierkennzahlregler 40 vergleicht einen vorgegebenen Nitrierkennzahl-Soll-Wert mit dem von der Recheneinheit 14 ermittelten Nitrierkennzahl-Ist-Wert und errechnet daraus eine theoretische Soll-NH₃-Durchflussmenge. Die Temperatur des Vorspalters 30 wird durch einen Temperaturregler 50 beeinflusst, der einen Temperatur-Soll-Wert mit den Temperatur-Ist-Wert vergleicht. Eine Umrechnungseinheit 60 rechnet die vom Nitrierkennzahlregler 40 ermittelte theoretische NH₃-Durchflussmenge in einen Temperatur-Sollwert des Vorspalters 30 um. Bei Abweichungen vom Temperatur-Ist­ wert verändert der Temperaturregler 50 die Temperatur des Vorspalters 30.

Stromaufwärts von Magnetventil 21 zweigt eine weitere Zufuhrleitung 20' ab, die ebenfalls mit einem Magnetventil 21', ein Stellventil 22' und einem Durchflussmesser 23' ausgerüstet ist und an einem Punkt 25 stromabwärts vom Vorspalter 30 in die Leitung 24 mündet. Das Stellventil 22' ist auf maximalen NH₃-Durchfluss eingestellt.

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 24 zugunsten von Wasserstoff verschoben werden. Zu diesem Zweck wird eine entsprechende NH₃-Durchflussmenge ermittelt. Die Umrecheneinheit rechnet diesen Wert anhand einer vorgegebenen Skalierung in einen Temperatur-Soll-Wert des Vorspalters 30 um und gibt diesem an den Temperaturregler weiter. Liegt der Ist- Wert über oder unter dem Soll-Wert, wird die Temperatur des Vorspalters 30 erhöht bzw. erniedrigt und der Arbeitspunkt des Vorspalters 30 verändert. Bei dieser Skalierung wird ein empirisch gewählter NH₃-Mindestdurchfluss, z. B. ca. mit einer empirisch gewählten Mindesttemperatur des Vorspalters 30, z. B. ca. 400°C, verknüpft. Ebenso wird ein empirisch gewählter maximaler NH₃-Durchfluss, z. B. ca. 1,5 m³/h, mit dieser empirisch gewählten Höchsttemperatur des Vorspalters 30, z. B. 800°C, verknüpft. Die tatsächliche eingestellte, konstante NH₃-Durchflussmenge liegt zwischen dem Minimal- und dem Maximalwert und beträgt ca 0,8 m³/h.

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. 75 und 25 Vol-% bei 100%-iger Spaltung. Rechts sind vier Spaltungskennlinien SP1, SP2, SP3, SP4 für vier willkürlich gewählte Werte für den konstanten Mengendurchfluss im Ofen 10 dargestellt. Man erkennt, dass bei abnehmendem Mengendurchfluss für gegebene Temperaturen der Spaltgrad zunimmt. Dies illustriert die Abhängigkeit der Spaltung (Spaltgrad) von Temperatur und Mengendurchfluss. Wenn der Umrechner 60 bei einer zu hohen Nitrierkennzahl den Temperatur-Soll-Wert erhöht, wandert der Arbeitspunkt 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.

Mit der Voreinstellung des Mengendurchflusses wird ebenso der Regelungsbereich der Temperatur beeinflusst. Bei geringerem voreingestellten Mengendurchfluss verschiebt sich der Regelungsbereich der Vorspalter-Temperatur zu niedrigeren werten und umgekehrt.

Falls hingegen die Nitrierkennzahl im Ofen unter den Soll-Wert sinkt, muss der Anteil an Ammoniak im Spaltgas erhöht werden. Dies gelingt durch Verschieben des Arbeitspunktes des Vorspalters 30 hin zu einer niedrigeren Temperatur. Der Umrechner 60 wird also die Soll-Temperatur, die dem Temperaturregler 50 vorgegeben ist, absenken. Damit wird der Vorspalter 30 heruntergekühlt mit dem Ergebnis, dass der Ammoniak-Anteil im Spaltgas und damit die Nitrierkennzahl steigt.

Auf diese Weise erhält man nicht nur eine Regelung über einen weiten Temperaturbereich, sondern reduziert auch den Ammoniak- Verbrauch auf ein notwendiges 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 (über die Zusatzleitung 21') und hoher Nitrierkennzahl betrieben wird, um die Voraussetzungen für eine durchgängige Härteschicht ohne Fehlstellen zu schaffen. Andernfalls kann die Härteschicht ungleichmäßig werden. Diese Phase heisst "Ankeimung" (Teil A in Fig. 3). Während der Phase der Ankeimung findet keine Regelung statt. Das Magnetventil 21 ist geschlossen, während das Magnetventil 21' geöffnet ist. Der Vorspalter 30 wird gleichzeitig aufgeheizt. 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). Das Magnetventil 21' wird geschlossen, während das Magnetventil 21 geöffnet wird. 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 über den Umrechner 60 folglich den dem Temperaturregler 50 vorgegebenen Soll-Wert erhöhen, z. B. von 500°C auf 800°C. Die Temperatur im Vorspalter 30 steigt, so dass nun ein größerer Teil des durchgeleiteten Ammoniaks gespalten wird. 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 im Ofen 10 sinkt bis auf den Soll-Wert 1 (Teil C in Fig. 3).

Der Regelkreis über Vorspalter 30, Temperaturregler 50 und Nitrierkennzahlregler 40 reagiert genügend schnell auf Veränderungen der Rahmenbedingungen. Bei konstanten Rahmenbedingungen stellt sich ein optimaler Arbeitspunkt des Vorspalters 30 ein.

Fest vorgegeben sind nur der Nitrierkennzahl-Soll-Wert und ein optimaler, empirisch ermittelter Ammoniakdurchsatz, ausgedrückt durch den Öffnungsgrad des Stellventils 22. Wenn sich die Rahmenbedingungen ändern, stellt sich von selbst ein neuer optimaler Arbeitspunkt des Vorspalters 30 ein.

Da auf die separate NH₃-Zuleitung verzichtet und lediglich die Ammoniakmenge über den Öffnungsgrad des Stellventils 22 erfasst wird, werden auch hier 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 Öffnungsgrad des Stellventils 22, also der Ammoniakdurchsatz, ist so niedrig wie möglich eingestellt. Das bedeutet, dass der Regler 40 einerseits genügend Bewegungsspielraum nach beiden Seiten hat, um 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. Ist der Durchsatz zu hoch, wird dem durch eine Neueinstellung des Arbeitspunktes des Vorspalters 30 über den Umrechner 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 Durchsatz kann z. B. bei 15% oder 20% Öffnungsgrad liegen, wobei der variable Tmperaturbereich des Vorspalters 30 bei 400 bis 800°C liegt. Dies gilt z. B. für einen Ofen 10 von 1 m³ Volumen. Die optimalen 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 kann mit nur einer Regelgröße, nämlich dem Arbeitspunkt, ein ausreichend weiter Arbeitsbereich der Nitrieranlage erfasst werden.

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 aC berechnet. 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 Mischgaszusammensetzung, d. h. des Mischungsverhältnisses in der Leitung 24. Zu diesem Zweck ist eine Zusatzgasleitung 70 vorgesehen, die am Punkt 25 stromabwärts vom Vorspalter 30 in die Leitung 24 für das Spaltgas mündet. Die Zusatzgasleitung 70 kann auch stromaufwärts vom Vorspalter 30 in die Leitung 20 münden (gestrichelter Pfeil in Fig. 4). Wie in Fig. 4 dargestellt, kann die Leitung 70 auch an einem Punkt 75 in die Leitung 20' münden. In der Leitung 70 sind ein Magnetventil 71, ein Stellventil 72 und ein Durchflussmesser 73 vorgesehen. Das Stellventil 72 und das Stellventil 22 dienen dazu, das Mischungsverhältnis von Ammoniak und Zusatzgas (z. B. 95 zu 5) fest einzustellen. Das Mischungsverhältnis zwischen Ammoniak und Zusatzgas in der Leitung 20 vor dem Eingang des Vorspalters 30 bzw. der Leitung 24 vor dem Ofen 10 wird durch die Voreinstellung der Stellventile 22, 72 immer konstant gehalten.

Das Nitrocarburieren verläuft nach demselben Prinzip wie das Nitrieren mit dem Unterschied, dass zusätzlich Kohlenstoff in die Härteschicht eingelagert wird. Dieser Kohlenstoff stammt aus dem kohlenstoffhaltigen Zusatzgas, z. B. Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Propan, u. a. m. Der Prozess dient dazu, die Verfahrensdauer zu verkürzen und bestimmte Eigenschaften der Härteschicht nach anderen Richtungen hin zu optimieren. Da sich Kohlungskennzahl und Nitrierkennzahl gegenseitig beeinflussen, reagiert die Kohlungskennzahl automatisch bei Änderungen der Nitrierkennzahl, so dass beim Einregeln der Nitrierkennzahl, bedingt durch die Voreinstellung des Mischungsverhältnisses, auch die Kohlungskennzahl verändert wird.

Das Verfahren arbeitet folgendermaßen:

Die Stellventile 22 und 72 sind in einem bestimmten Öffnungsgrad entsprechend dem gewünschten Mischungsverhältnis eingestellt. Die Magnetventile 21, 71 sind geschlossen. Jetzt folgt das Ankeimen, wie oben beschrieben. Nach der Ankeimphase werden die Magnetventile 22 und 72 geöffnet, während das Magnetventil 21' geschlossen wird. Nun folgt die Nitrocarburierphase, wie beschrieben, während derer nun auch die aktuelle Kohlungskennzahl im Ofen 10 ermittelt wird. Das fest eingestellte Mischungsverhältnis von Ammoniak und Zusatzgas ändert sich nicht. 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.

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 Magnet- und Stellventile sind billig und unaufwendig.

Die in den Fig. 1 und 4 schematisch dargestellten Regler sind in der Praxis vorzugsweise Teil eines Prozessors, der die Regelung einer Ofenanlage übernimmt. In den Prozessor können auch die Recheneinheit 14 und die Führung der Sensorik 13 integriert sein, sowie ein Prozessrechner, der die einzelnen Phasen steuert, z. B. die Magnetventile öffnet und schließt.

Claims (14)

1. Verfahren zur Regelung einer Nitrier- bzw. Nitrocarburier-Atmosphäre in einer Ofenanlage zur Nitrierung bzw. 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, wobei der Vorspalter (30) unterhalb des Sättigungsbereichs betrieben wird und keine weitere NH₃- Zufuhr vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass lediglich der Arbeitspunkt des Vorspalters (30) geregelt wird, wobei der NH₃-Gasdurchsatz konstant gehalten wird und durch ein gewünschter NH₃-Gasdurchsatz im Vorspalter (30) über eine Skalierung in eine Arbeitspunktregelung umgesetzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein minimaler NH₃-Gasdurchsatz mit einem Mindestwert der Temperatur und ein maximaler NH₃-Gasdurchsatz mit einem Höchstwert der Temperatur korreliert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Regelungsbereich des Vorspalters (30) so gewählt wird, dass der NH₃-Gasdurchsatz auf einen niedrigen Wert oberhalb des Minimalwerts fest eingestellt werden kann.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitspunkt-Regelung ein optimaler Wert für die Nitrierkennzahl vorgegeben wird, so dass sich ein optimaler Arbeitspunkt des Vorspalters (30) einstellt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur weiteren Regelung des Mischungsverhältnisses von Ammoniak und Zusatzgas bei der Nitrocarburierung ein festes Mischungsverhältnis in den Zuleitungen (20, 70) eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzgas durch den Vorspalter (30) geleitet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzgas direkt in den Ofen (10) geleitet wird.

8. Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ankeimen über eine zusätzliche Leitung ein maximaler NH₃-Gasdurchsatz im Ofen (10) erzielt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über einen Programmgeber die einzelnen Verfahrensphasen geregelt werden.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 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) für die NH₃-Zufuhr während der Nitrier- bzw. Nitrocarburierphase in den Ofen (10) vorgesehen ist, dass die Leitung (20) in den Vorspalter (30) mündet und dass der Vorspalter (30) mit einer Arbeitspunkt-Regelung (50, 60) versehen ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (20) ein Ventil (21), vorzugsweise ein Magnetventil vorgesehen ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass eine zusätzliche Leitung (70) für die NH₃-Zufuhr während der Ankeimphase vorgesehen ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzgas-Leitung (70) vorgesehen ist, die stromaufwärts oder stromabwärts vom Vorspalter (30) in die Leitung (20) mündet, wobei in den Leitungen (20, 70) je ein Ventil (22, 72) zur Einstellung eines konstanten Mischungsverhältnisses vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Prozeßregler vorgesehen ist, der die einzelnen Prozeßphasen steuert.