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Beschreibung zu der Patentanmeldung betreffend "Verfahren zur Beschleunigung
des hufkohlens von Werkstücken aus Stahl nach dem Generator-Trägergasverfahren"
Die Gasaufkohlung mit einem Generator-Trägergas (häufig als "Endogås" bezeichnet,
weil es durch endotherme Reaktion eines brennbaren Gases in einem Generator hergestellt
wird) hat in der Praxis weitgehend Eingang gefunden. Die angewandten Gase werden
in einem Generator erzeugt, woher auch der Name stammt. Es handelt sich dabei im
wesentlichen um Spalt- oder Umlagerungsreaktionen eines Brenngases. Zuerst hat man
Starkgase wie Stadtgas oder auch Schwachgase katalytisch oder durch Überleiten über
glühenden Noks in für die Gasaufkohlung brauchbare Gasgemische von Kohlenoxid und
Wasserstoff neben
gleichgewichtsbedingten Anteilen an Wasserdampf
und Kohlendioxid sowie Stickstoff oder eventuelle Restbestände an Kohlenwasserstoffen
hergestellt. In neuerer Zeit wird für die Gasaufkohlung von Stahlwerkstücken in
erster Linie Methan oder Propan als Brenngas angewandt, welches in dem Generator
mit Luft zu Kohlenoxid-, Wasserstof- und Stickstoff-haltigen Trägergasen mit entsprechendem
Kohlenstoffpotential umgesetzt werden, und zwar nach folgenden schematischen Gleichungen:
Dies entspricht einem Anteil von 20% Co und 40% H2 neben 40 N2 im Trägergas.
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Bei Anwendung von Propan bildet sich aus
entsprechend 23 Co, 31% 112 und 460je N2 (berechnet auf Volumprozent). Die allgemeinen
Bestrebungen der Industrie gehen nun bekanntlich dahin, derartige Prozesse, wie
sie die Gasaufkohlung von Stahlwerkstücken darstellt, zu automatisieren.
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Ein Verfahren, welches einer Prozeßregelung zugänglich ist, hat jedoch
verschiedene Voraussetzungen zu erfüllen. Abgesehen vom leicht überschaubaren und
einhaltbaren Reaktionsmechanismus muß eine hohe Unempfindlichkeit auf geringfügige
Änderungen bei den Verfahrensbedingungen beachtet werden.
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Ein anderer wesentlicher Punkt für eine Prozeßregelung ist die Reaktionsgeschwindigkeit.
Nun ist bekanntlich im rahmen der Gasaufkohlung die Kohlenstoffaufnahme der aufzukonlenden
Werkstuckouerflache, also der Übergang des Kohlenstoffs aus der Gasphase in die
feste Phase, ein wesentlicher punkt.
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Da im Aufkohiungsofen durch die Kohlungsreaktion C°2 und H2° entstehen,
werden dem Konlungsraum meist zusatzlich Kohlenwasserstoffe, wie Propan, æugetührs,
welche nach der Spaltung CO2 und 1120 zu CO und H2 reduzieren. Diese Zufuhr von
Kohlenwasserstoffen wird meist in bekannter Weise automatisch über die H2O- oder
C02-Gehalte der Ofenatmosphäre geregelt. Hinsichtlich des Kohlenstoffpotentials
besteht somit bereits die Möglichkeit der Prozeßregelgung.
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Hingegen ist bekannt, daß diese im großen Umfang angewandten Generator-Trägergasverfahren
relativ kleine Kohlenstoff-Ubergangsgeschwindigkeiten von der Gasatmosphäre in die
Stahloberfläche aufweisen. Insbesondere bei kleinen Aufkohlungstiefen oder bei aufkohlung
mit behinderter Gaszirkulation wie bei Stücken mit Bohrungen, Sacklöchern, Hinterschneidungen
usw. wäre es wünschenswert, einerseits die Kohlenstoff-Übergangsgeschwindigkeit
erhöhen zu können und andererseits auch die pro Volumeneinheit des Gases verfügbare
Kohlenstoffmenge zu vergrößern. Dies ist in der ersten Phase der Aufkohlung besonders
wichtig, da hier der größte Kohlenstoffbedarf herrscht. Bisher hatte man jedoch
keine Möglichkeit, neben dem Kohlenstoffpotential auch die Kohlenstoff-Übergangsgeschwindigkeit
beim Generator-Trägergasverfahren zu erhöhen und eine Prozeßregelung durchzuführen.
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Es zeigte sich nun, daß dieser Kohlenstoff-Übergang wesentlich beschleunigt
werden kann, indem man erfindungsgemäß einen Teil der dem Generator für die Herstellung
des Trägergases zuzuführenden Luft entweder durch C02 oder 02 ersetzt. Die Wirkung
dieser erfindungsgemäßen Maßnahme beruht offenbar auf der damit verbundenen Erhöhung
des CO-Anteils in dem Generator-Trägergas.
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Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft nun ein Verfahren zur erhöhung
der Hufkohlungsgescnwindigkeit beim Generater-Trägergasverfahren zur Aufkohlung
von Werkstücken aus Stahl und ist dadurch gekennzeichnet, daß man bei der Herstellung
des Generator-Trägergases zumindest einen Teil derLuft durch Kohlendioxid und/oder
Sauerstoff ersetzt, und zwar zumindest in der ersten Phase des Aufkohlungsvorgangs.
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Durch die erfindungsgemäße Maßnahme der Zugabe von Kohlendioxid und/oder
Sauerstoff zu dem Brenngas - in erster Linie Methan oder Propan - bei der Herstellung
des Generatorträgergases wird der CO-Anteil in dem Trägergas in einfacher und wirksamer
Weise erhöht. Durch die entsprechende Auswahl der zuzusetzenden Mengen an Kohlendioxid
und/oder Sauerstoff, die einen Teil des sonst angewandten Luftvolumens ersetzen,
kann man ohne Schwierigkeiten den gewünschten CO-ehalt in der Gasatmosphäre des
Kohlungsofens und damit die gewünschte Ubergangsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs
aus der Gasphase in die feste Phase erreichen. Diese erhöhung braucht grundsätzlich
nur während der Hufkohlung oder auch nur während der ersten Periode der Aufkohlung
durchgeführt zu werden.
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Das erfindungsgemäße Verrahren und die dabei auftretenden Gaszusammensetzungen
gehen in übersichtlicher Weise aus dem Dreiocksdiagramm der Figur 1 hervor. In diesem
diagramm sind die Prozentgehalte dasserstoff, Kohlenmonoxid und tickstoff eingezeichnet
und zwar M für ein normales Generator-Trägergas, hergestellt aus Methan und Luft,
7 ein normales Trägergas, hergestellt aus Propan und Luft sowie erfindungsgemäß
erhaltene Gase durch Zusatz von Kohlendioxid oder Sauerstoff. Wird anstelle eines
zunehmenden Anteils der Luft an Kohlendioxid bei der Methanspaltung angewandt, so
wandert die Zusammensetzung des Generatorträgergases vom Punkt M entlang
des
Pfeiles C°2 zum Punkt M' und in gleicher Weise von Punkt P über den Pfeil C02 zu
Punkt P'. Wird anstelle C02 Sauerstoff anstelle eines bestimmten Luftvolumens angewandt,
so verschiebt sich die Gaszusammensetzung von Punkt M über den Pfeil O zu M" bzw.
von Punkt P über Pfeil O2 zu Punkt P" . Im Extremfall erhält man also bei der Methan
spaltung mit ausschließlich Kohlendioxid ein Gasgemisch von 60% 112 und 50eS0 CO
bzw. mit ausschließlich O2 ein Gasgemisch von 33% H2 und 67% CO. Ahnlich liegen
di Verhältnisse bei der Spaltung von Propan, wo im Extremfall bei 100% C2 ein Gasgemisch
von 60% H2 und 40% CO bzw. 43% H2 und 57% CO erhalten werden.
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Es zeigte sich in der Praxis, daß die Zugabe von C02 für die Methan-
oder Propanspaltung in einem Anteil von etwa 25% des erforderlichen Luftvolumens
bereits zu hervorragenden und wirtschaftlichen Generator-Trägergasen führt.
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Mit der C02-Zugabe kann man mit besonderem Vorteil auch bis 50% des
erforderlichen Iiuftvolumens gehen. Bei Anwendung von Sauerstoff begnügt man sich
im allgemeinen mit einer geringeren Menge. Man wird in der Praxis kaum über 25%
02 + 75% Luft gehen. Selbstverständlich kann man nicht nur eines der Zusatzgase
sondern auch beliebige Mengen von Kohlendioxid und angereicherter Luft zur Anwendung
bringen.
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Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird anhand der Figuren
2 und 3 näher erläutert. Es handelt sich dabei um Kohlungskurven, die bei der Aufkohlung
mit Generator-Trägergasen aufgenommen wurden, welche wie üblich aus Propan und 100%
Luft und erfindungsgemäß mit einem Teil Kohlendioxid bzw. Sauerstoff und einem Teil
Luft hergestellt worden sind.
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Das Kohlenstoffpotential der Ofenatmosphäre betrug jeweils 1,10% und
wurde bei konstanter Gaszufuhr zum Generator über
den konstanten,
für das Kohlenstoffpotential kritischen Taupunkt des Ofengases geregelt, wobei der
Taupunktregler auf die Propandosierung in dem Aufkohlungsofen wirkte.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat insbesondere dort Bedeutung, wo
Anlagen mit Trägergas-Generatoren bestehen und eine Umstellung auf das Mintropfverfahren,
bei dem flüssige trägergaserzeugende Substanzen zusammen mit dem eigentlichen Kohlungsmittel
in den Aufkohlungsofen direkt eingetropft werden, nicht beabsichtigt ist. Durch
den höheren Anteil des erSindungsgemaß angewandten Generator-Trägergases an Kohlenmonoxid
ist die aufkohlende Wirkung bereits ohne Zusatz eines eigentlichen Kohlungsmittels
verbessert, jedoch ist es im Hinblick auf eine gewünschte Kohlenstoff-Potentialregelung
häufig zweckmäßig, zusätzlich Propan dem ofenraum zuzuführen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird noch an folgenden Beispielen
näher erläutert.
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Beispiel 1 8 wurde erfindungsgemäß ein Generator-Trägergas hergestellt,
indem man in dem vorhandenen Generator Propan mit einem Gasgemisch von 25% Kohlendioxid
und 75% Luft bei einer Temperatur von 10000C umsetzte. Das in den sohlungsofen eingeführte
Gas enthielt 380 CO, 35% H2 und 27% N2.
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Zum Vergleich diente übliches "Endogas" aus propan und buft, enthaltend
23 CO, 31% H2 und 44% N2.
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Bs sollte eine Charge aus 1000 Düsenteilen aus Sinsatzstahl 14 NiCr14
auf eine Sinsatzhartetiere von 0,5 - 0,6 mm
aufgekohlt und gehärtet
werden. Dazu wurde ein Kammerofen mit eingebauter abschreckkammer verwendet, so
daß eine Direkthärtung durchgeführt werden konnte. Die Auflcohlungstemperatur betrug
in beiden Fällen 9000C (Bei Vorversuchen wurde ermittelt, daß bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren nur eine Aufkohlungszeit von 120 min benötigt wird, während nach dem üblichen
Verfahren fAr gleiche Einsatzhärtetiefe 170 min aufgewendet werden müssen).
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Wie üblich wurden die Düsenteile auf ein Gestell geladen, dieses
in die Vorkammer (=Abschreckkammer) gebracht und nach ausreichender Spülung mit
Senerator-Trägergas (in beiden Fällen vorerst noch hergestellt ohne C02-Zugabe zur
Luft) in die Aufkohlungskammer, die schon auf 9000 C aufgeheizt war, eingefahren.
Nach Temperaturausgleich innerhalb der Charge wurde beim erfindungsgemäßen Verfahren
25% der dem Generator zugeführten Luft durch CO2 ersetzt, so daß dem Generator nun
ugeführt wurden: 800 Nl/h Propan, 1,5 Nm3/h CO2 und 4,5 Nm3/h Luft. Der 'l'aupuntt
des so erzeugten Generatorgases schwankt während der Chargendauer zwischen 3 und
60C; Das Ofengas wurde mit Hilfe des Taupunktreglers durch automatische Propanzugabe
auf einem Wasserdampfgehalt entsprechend einem Taupunkt von -40C und damit dem Kohlenstoffpotential
von 1,1% gehalten. Beim bekannten Verfahren wurde dem Generator 800 Nl/h Propan
und 6 Nm3/h Luft zugeführt und im Ofen ein Kohlenstoffpotential von 1,1% über den
Taupunkt von 700 eingehalten.
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Nach 2 h bzw. 170 min wurde der Versuch beendet, die Charge in die
Kühlammer überführt und abgeschreckt.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wies die äußerste Schicht der Teile
von 0,1 mm sicke einen Kohlenstoffgehalt von 0,84% uild die Sinsatzhärtetiefe von
0,56 mm (bezogen
auf 550 HV) auf, wohingegen beim üblichen Verfahren
der Kohlenstoffgehalt der äußersten Schicht von.0,l mm Dicke nur 0,81% war und die
Minsatzhärtetiefe 0,56 mm betrug.
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Daraus ergibt sich, daß bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit 25*
C02 + 75% Luft die Aufkohlungszeit für praktisch dasselbe Resultat um 50 min kürzer
war als mit dem tiblichen Generator-Trägergas.
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Beispiel 2 Bei sonst gleichen Verfahrensbedingungen des Beispiels
1 wurde ein erfindungsgemäß hergestelltes Gas angewandt, das durch Umsetzung von
Propan mit 10% Sauerstoff und 90% Luft erhalten worden ist. Die gohlungszeit bis
auf die entsprechende'Einsatztiefe betrug hier 150 min gegenüber den in Beispiel
1 erwähnten 170 min für übliches Generator-Trägergas, woraus sich die Beschleunigung
des Aufkohlungsvorganges durch die erfindungsgemäße Maßnahme ergibt.
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- Patentansprüche -