DE19819042A1 - Process and plant for gas carburizing - Google Patents

Process and plant for gas carburizing

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    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
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Abstract

The atmosphere used in carburisation of workpieces is based on ethanol and carbon dioxide. Enrichment and depletion of the atmosphere is produced by the corresponding adjustment of the stoichiometric ratio of ethanol and carbon dioxide. An Independent claim is also included for a carburisation apparatus comprising an ethanol source (A) and a carbon dioxide source (C) connected together. A measuring device (M) is also present to measure the carbon level in the furnace.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Ofen unter hohen Temperaturen und in einer CO und H2 enthaltenden Atmosphäre, bei dem die Atmosphäre durch Umsetzung eines sauerstoffhaltigen Kohlenwasser­ stoffmediums, insbesondere eines Alkohols, mit Kohlendioxid gebildet wird.The invention relates to a method for carburizing metallic workpieces in a furnace at high temperatures and in an atmosphere containing CO and H 2 , in which the atmosphere is formed by reacting an oxygen-containing hydrocarbon medium, in particular an alcohol, with carbon dioxide.

Es ist aus der DE-PS 43 40 060 ein Verfahren zur Aufkohlung metallischer Werk­ stücke in einem Ofen unter hohen Temperaturen und in einer CO und H2 enthalten­ den Atmosphäre bekannt, bei dem die Atmosphäre zumindest zu Beginn der Aufkoh­ lung auf der Basis eines dem Ofen zugeführten Alkohols und Kohlendioxid gebildet wird, wobei zusätzlich auch ein Anreicherungsmittel zur Einstellung eines bestimmten Kohlenstoffpegels und teilweise auch zur Atmosphärenbildung einzubringen ist. Mit diesem Verfahren kann eine stickstofffreie Aufkohlungsatmosphäre mit einem CO-zu- H2-Verhältnisses von etwa 1 : 1 und damit sehr guten Aufkohlungseigenschaften erzielt werden. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die relativ komplizierten Regel- oder Steuerprozesse für die drei zugehörigen Medien, worin auch die Problemstellung der vorliegenden Erfindung bestand.It is known from DE-PS 43 40 060 a process for carburizing metallic work pieces in an oven at high temperatures and in a CO and H 2 contain the atmosphere in which the atmosphere at least at the beginning of the carburization on the basis of one Alcohol and carbon dioxide supplied to the furnace is formed, an enrichment agent for adjusting a certain carbon level and sometimes also for atmospheric formation also having to be introduced. With this process, a nitrogen-free carburizing atmosphere with a CO to H 2 ratio of about 1: 1 and thus very good carburizing properties can be achieved. A disadvantage of this method is the relatively complicated regulation or control processes for the three associated media, which was also the problem with the present invention.

Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Atmo­ sphäre auf der Basis speziell von Äthanol und Kohlendioxid gebildet wird und die An- oder Abreicherung der Atmosphäre, also die Einstellung eines bestimmten Kohlen­ stoffpegels, durch entsprechende Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Kohlendioxid erzielt wird.To solve this problem, the invention proposes that the atmo sphere is formed specifically on the basis of ethanol and carbon dioxide and the or Depletion of the atmosphere, i.e. the setting of a certain coal material level, by adjusting the stoichiometric ratio accordingly of ethanol and carbon dioxide.

Erfindungsgemäß ergibt sich somit in erster Linie eine Atmosphärenbildungsreaktion gemäß
According to the invention, this primarily results in an atmosphere formation reaction in accordance with

C2H5OH + CO2 → 3 CO + 3 H2.C 2 H 5 OH + CO 2 → 3 CO + 3 H 2 .

Es wird also eine Atmosphäre mit einem CO-zu-H2-Verhältnis von 1 : 1 erzielt, also dem für Aufkohlungen optimalen Verhältnis, das eine maximale Kohlenstoffüber­ gangszahl β zur Folge hat. An atmosphere with a CO to H 2 ratio of 1: 1 is thus achieved, that is to say the optimum ratio for carburization, which results in a maximum carbon transition number β.

Die üblicherweise durch CH4 oder C3H8 erreichte Anreicherung bzw. Abreaktion des beim Aufkohlungsprozeß entstehenden Wassers und Kohlendioxids wird erfindungs­ gemäß durch Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Koh­ lendioxid erreicht, denn bei einem Überangebot von Äthanol entsteht gemäß
The enrichment or reaction of the water and carbon dioxide formed in the carburizing process, which is usually achieved by CH 4 or C 3 H 8 , is achieved according to the invention by adjusting the stoichiometric ratio of ethanol and carbon dioxide, because an excess of ethanol results in

2 C2H5OH + 1 CO2 → CH4 + 2 CO + 2 CO + 4 H2
2 C 2 H 5 OH + 1 CO 2 → CH 4 + 2 CO + 2 CO + 4 H 2

auch ein Methananteil im Produktgas, der die Aufgabe des sonst eigenständig zuge­ führten Anreicherungsgases übernimmt. Die Bereitstellung eines Anreicherungsgases entfällt daher beim erfindungsgemäßen Verfahren. Im übrigen entsteht selbst bei un­ abgestimmtem stöchiometrischem Verhältnis ein Atmosphärengas mit einem CO-zu- H2-Verhältnis von exakt 1 : 1, das vor allem einer beschleunigten Aufkohlung dient.also a methane content in the product gas, which takes over the task of the enrichment gas, which is otherwise supplied independently. The preparation of an enrichment gas is therefore not necessary in the method according to the invention. Incidentally, even with an uncoordinated stoichiometric ratio, an atmospheric gas with a CO to H 2 ratio of exactly 1: 1 is produced, which primarily serves to accelerate carburization.

Hinzu kommt, daß das Äthanol-Kohlendioxid-System hinsichtlich seiner Reaktions­ eigenschaften günstige Verhältnisse bietet. Es reagiert nämlich bereits bei etwa 800°C in gewünschter Weise und Äthanol und Kohlerdioxid können daher - gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante - zur Atmosphärenbildung ohne weitere Maß­ nahmen direkt in einen Aufkohlungsofen eingebracht werden. Eine Verfahrensweise mit einem eigenständigen Atmosphären-Generator kann jedoch dennoch in einigen Einsatzfällen erforderlich sein.In addition, the ethanol-carbon dioxide system in terms of its reaction offers favorable conditions. It already reacts at about 800 ° C in the desired way and ethanol and carbon dioxide can therefore - according a preferred process variant - for atmospheric formation without further measure took directly into a carburizing furnace. A practice with a standalone atmosphere generator can still work in some Applications may be required.

Mit dem System "Äthanol und Kohlendioxid" ergibt sich ferner ein Zweikomponenten­ system, das vergleichsweise einfach regelbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird derart verfahren, daß der Kohlenstoffpegel im Aufkohlungsofen fortlaufend ge­ messen wird und die Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Kohlendioxid entsprechend dem gewünschten Kohlenstoffpegel verändert wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Atmosphärenbildung immer eine Komponente konstant in die Anlage gespeist wird, und die andere, abhängig von einer Kohlenstoffpegelmessung, geregelt zugeleitet wird.The "ethanol and carbon dioxide" system also results in a two-component system system that is comparatively easy to regulate. In an advantageous embodiment is operated such that the carbon level in the carburizing furnace is continuously ge will measure and the adjustment of the stoichiometric ratio of ethanol and changing carbon dioxide according to the desired carbon level. In particular, it is advantageous if in the configuration of the invention Atmospheric formation, one component is constantly fed into the system, and the other, depending on a carbon level measurement, supplied in a controlled manner becomes.

Eine Aufkohlungsanlage gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zugehörige Aufkohlungsofen zum Zweck der Atmosphärenbildung sich ausschließlich einer Äthanolquelle (A) und einer Kohlendioxidquelle (C) bedient und demzufolge mit diesen verbunden ist, und daß ein Meßgerät (M) zur Messung des Kohlenstoffpegels im Ofen vorhanden ist, das seinerseits mit einer Mengensteuereinheit in der Äthanol­ zuleitung und/oder der Kohlendioxidzuleitung verbunden ist.A carburizing plant according to the invention is characterized in that the associated carburizing furnace for the purpose of atmosphere formation only an ethanol source (A) and a carbon dioxide source (C) served and therefore with  this is connected, and that a measuring device (M) for measuring the carbon level is present in the furnace, which in turn has a quantity control unit in the ethanol supply line and / or the carbon dioxide supply line is connected.

Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit dem anliegenden Figur anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt eine Anlagengestaltung gemäß der Erfindung mit geregelter CO2-Zuführung.The invention is explained in more detail below in connection with the attached figure using an exemplary embodiment. The figure shows a system design according to the invention with regulated CO 2 supply.

Ein Aufkohlungsofen O ist zunächst mit einer Äthanolquelle A und mit einer Kohlen­ dioxidquelle C über geeignete Leitungen und Stellglieder zu koppeln. Im gezeigten Fall besteht die Äthanolversorgung aus einer Äthanolpumpe P und einer Leitung 1, die vor Erreichen des Aufkohlungsofens in eine Verdüsungseinheit V einmündet. Ebenso in die Verdüsungseinheit mündet eine Kohlendioxidzuleitung 2d. Die Kohlen­ dioxidzuleitung 2d teilt sich stromaufwärts der Verdüsungseinheit V in einen Parallel­ schaltungsabschnitt mit zwei Leitungen 2b und 2c auf in denen jeweils ein Stellglied - S1 und S2 - zur Mengenregelung vorhanden ist. Schließlich ist die Parallelschaltung über einen Leitungsabschnitt 2a und ein Hauptventil H mit der CO2-Quelle C verbun­ den. Ferner ist ein Flußmengenmesser FIC im Leitungsabschnitt 2a vorhanden. Dar­ über hinaus ist der Aufkohlungsofen O mit einem Meßgerät M zur Messung des Koh­ lenstoffpegels in seinem Innenraum ausgestattet. Das Meßgerät M wiederum ist mit einem Steuergerät S verbunden, das seinerseits auf das Stellglied S2 in der Bypass­ leitung 2c der Parallelschaltung einwirkt.A carburizing furnace O is first to be coupled with an ethanol source A and with a carbon dioxide source C via suitable lines and actuators. In the case shown, the ethanol supply consists of an ethanol pump P and a line 1 , which opens into a atomization unit V before reaching the carburizing furnace. A carbon dioxide feed line 2 d likewise opens into the atomization unit. The carbon dioxide feed line 2 d divides upstream of the atomization unit V into a parallel circuit section with two lines 2 b and 2 c, in each of which an actuator - S1 and S2 - is available for quantity control. Finally, the parallel connection via a line section 2 a and a main valve H with the CO 2 source C verbun the. Further, a Flußmengenmesser FIC in the conduit section 2 is a available. In addition, the carburizing furnace O is equipped with a measuring device M for measuring the level of carbon in its interior. The measuring device M in turn is connected to a control device S, which in turn acts on the actuator S2 in the bypass line 2 c of the parallel circuit.

Eine erfindungsgemäße Verfahrensweise dieser Anlage besteht darin, daß in den auf Temperatur befindlichen Ofen O die Ausgangsmedien Äthanol und Kohlendioxid in bestimmten Basisquantitäten eingeleitet werden, die durch geeignete Einstellung der Pumpleistung der Äthanolpumpe P sowie des Stellglieds S1 festgelegt werden. Grundsätzlich sind die Zuleitungsmengen etwa so einzustellen, daß ein Mol Äthanol auf ein Mol CO2 kommt, wobei in der gezeigten Variante grundsätzlich ein Äthanol­ überschuß vorzusehen ist. Im Ofen bei über 800°C entsteht aus diesen Ausgangs­ medien eine, im wesentlichen im Verhältnis 1 : 1 CO und H2 enthaltende, Atmosphäre, deren Kohlenstoffpegel durch das Meßgerät M, beispielsweise eine Sauerstoffsonde oder eine C-Strom-Sonde, ermittelt wird. Da im beschriebenen Fall im Grundsatz mit einem Äthanolüberschuß gefahren wird, entsteht ein relativ hoher C-Pegel in der Grundeinstellung der Anlage. Wird daher vom Meßgerät ein den gewünschten C-Pegel übersteigender Wert ermittelt, so wird durch das entsprechend program­ mierte Steuergerät S das Öffnen des Stellglieds S2 ausgelöst, und damit die CO2-Zu­ fuhr erhöht. In der Folge sinkt der C-Pegel bis, bei Erreichen einer festzulegenden Untergrenze, das Stellglied S2 wieder geschlossen wird. Auf diese Weise wird eine relativ einfache, extrem effiziente, C-Pegel-geregelte Aufkohlungsatmosphäre erhal­ ten.A procedure according to the invention of this system consists in that the starting media ethanol and carbon dioxide are introduced in certain basic quantities into the furnace O which is at a temperature and which are determined by suitable adjustment of the pumping power of the ethanol pump P and of the actuator S1. Basically, the feed quantities are to be set approximately so that one mole of ethanol comes to one mole of CO 2 , with an ethanol excess being provided in the variant shown. In the oven at over 800 ° C from these starting media, an atmosphere containing essentially in a ratio of 1: 1 CO and H 2 , the carbon level of which is determined by the measuring device M, for example an oxygen probe or a C-flow probe. Since in the described case, in principle an excess of ethanol is used, a relatively high C level arises in the basic setting of the system. Therefore, if a value exceeding the desired C level is determined by the measuring device, then the opening of the actuator S2 is triggered by the appropriately programmed control device S, and thus the CO 2 supply increased. As a result, the C level drops until, when a lower limit to be defined is reached, actuator S2 is closed again. In this way, a relatively simple, extremely efficient, C-level controlled carburizing atmosphere is obtained.

Claims (5)

1. Verfahren zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Ofen unter hohen Temperaturen und in einer CO und H2 enthaltenden Atmosphäre, bei dem die Atmosphäre durch Reaktion eines sauerstoffhaltigen Kohlenwasser­ stoffmediums, insbesondere eines Alkohols, mit Kohlendioxid gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre speziell auf der Basis von Ätha­ nol und Kohlendioxid gebildet wird und die An- bzw. Abreicherung der Atmo­ sphäre, also die Einstellung eines bestimmten Kohlenstoffpegels, durch entspre­ chende Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Koh­ lendioxid erzielt wird.1. A method for carburizing metallic workpieces in a furnace at high temperatures and in an atmosphere containing CO and H 2 , in which the atmosphere is formed by reaction of an oxygen-containing hydrocarbon medium, in particular an alcohol, with carbon dioxide, characterized in that the atmosphere specifically is formed on the basis of ethanol and carbon dioxide and the enrichment or depletion of the atmosphere, that is, the setting of a certain carbon level, is achieved by adjusting the stoichiometric ratio of ethanol and carbon dioxide accordingly. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Atmosphären­ bildung Äthanol und Kohlendioxid unmittelbar in einen Aufkohlungsofen auf Arbeitstemperatur eingeleitet werden.2. The method according to claim 1, characterized in that to the atmospheres Education Ethanol and carbon dioxide immediately in a carburizing furnace Working temperature can be initiated. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlen­ stoffpegel im Aufkohlungsofen fortlaufend gemessen wird und die Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Kohlendioxid entsprechend dem gewünschten Kohlenstoffpegel verändert wird.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the coals level in the carburizing furnace is measured continuously and the adjustment of the stoichiometric ratio of ethanol and carbon dioxide accordingly the desired carbon level is changed. 4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Komponente der Atmosphärenbildung konstant zugeführt wird, und die andere, abhängig von der Kohlenstoffpegelmessung im Aufkohlungsofen, geregelt zugeleitet wird.4. The method according to claim 3, characterized in that a component of Atmospheric formation is constantly supplied, and the other, depending on the Carbon level measurement in the carburizing furnace, is supplied in a controlled manner. 5. Aufkohlungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß der zugehörige Aufkohlungs­ ofen zum Zweck der Atmosphärenbildung sich ausschließlich einer Äthanolquelle (A) und einer Kohlendioxidquelle (C) bedient und demzufolge mit diesen verbun­ den ist, und
daß ein Meßgerät (M) zur Messung des Kohlenstoffpegels im Ofen vorhanden ist, das seinerseits mit einer Mengensteuereinheit in der Äthanolzuleitung und/oder der Kohlendioxidzuleitung verbunden ist.5. carburizing plant, characterized in that the associated carburizing furnace for the purpose of atmospheric formation uses only an ethanol source (A) and a carbon dioxide source (C) and is therefore connected to these, and
that a measuring device (M) for measuring the carbon level is present in the furnace, which in turn is connected to a quantity control unit in the ethanol supply line and / or the carbon dioxide supply line.
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