DE2152440C3 - Verfahren und Anordnung zum rußfreien Aufkohlen von Stahl - Google Patents
Verfahren und Anordnung zum rußfreien Aufkohlen von StahlInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum rußfreien Aufkohlen von Stahl mittels eines Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und wasserenthaltenden Gasgemisches, bei dem
4n der Stahl auf eine Temperatur überhalb der Umwandlungstemperatur von Stahl in y-Eisen er«värmt wird und
der dem Kohlenstoffpotential des Gasgemisches entsprechende Kohlenstoffgehalt des Stahls mittels einer
Regeleinrichtung für den Kohlendioxid und/oder
4i Kohlenmonoxidgehalt des Gasgemisches auf einen
bestimmten Wert eingestellt wird und wobei das Kohienstoffpotential aus den Meßwerten des Kohlendioxidgehaltes und/oder des Kohlenmonoxidgehaltes des
Gasgemisches sowie der Stahltemperatur ermittelt
ίο wird.
Zur Aufkohlung von Stahl werden heute an Stelle von
Salzbädern oder festen pulverförmigen Einsatzstoffen Gasgemische verwendet, die Kohlenwasserstoff und
Kohlenmonoxid sowie geringe Mengen Kohlendioxid,
Wasserstoff und Wasserdampf enthalten können. Der
Stahl wird dabei auf eine Temperatur erwärmt, bei welcher der Stahl in Form von y-Eisen vorliegt Je nach
Gaszusammensetzung und der Stahltemperatur an seiner Oberfläche werden die kohlenstoffhaltigen
Komponenten des Gasgemisches an der Stahloberfläche zerlegt, wobei Kohlenstoff an den Stahl
abgegeben wird. Diese Vorgänge sind sehr wesentlich von der Einstellung des sogenannten Kohlenstoffpoten=
tials in der Gasphase abhängig. Auf Grund eines
vorgegebenen Kohlenstoffpotentials der Gasphase
stellt sich an der Stahloberfläche ein Randkohlenstoffgehalt ein, der je nach den kinetischen Bedingungen
unterschiedlich schnell erreicht wird.
Da der Kohlenstoffgehalt im Inneren des Stahlkörpers geringer ist als an dessen Oberfläche, entsteht
ein Kohlenstoffpotentialgefälle zum Kern des Stahlkörpers
hin, wodurch die Diffusion von Kohlenstoff zum Kern hin eingeleitet wird. Bei genügend schnellem
Nachtransport des Kohlenstoffs an der Metalloberfläche tritt nach einer gewissen Zeit ein dynamischer
Gleichgewichtszustand zwischen dem Kohlenstoffpotential der Gasphase und dem Randkohlenstoffgehalt
des Stahlkörpers ein, dessen Höhe für die Aufkohlung hinsichtlich Zeitablauf und Endzustand mitentscheidend
ist.
Es ist bekannt (Härterei-technische Mitteilungen 23 [1968], 2, Seite 105 und 106) den Kohlenstoffgehalt eines
in der Gasphase aufgekohlten Stahlkörpers in der Weise zu regeln, daß aus den Meßwerten für den CO-
und COi-Gehaltes des Gasgemisches sowie der Stahltemperatur ein Meßwert für das Kohlenstoffpotential
abgeleitet wird, welches über einen Regler und ein Stellglied auf die Zufuhr der Kohlenwasserstoffkomponente
des Gasgemisches Einfluß hat. Nachteilig an dem bekannten Regelverfahren ist, daß an Hand
einer Eisersfolie Eichkontrollen des Kohlenstoffpotentials in dem Gasraum vorgenommen werden Russen
und der analysierte Folienwert zur Bildung des Kohlenstoffpotentialwertes herangezogen wird. Es ist
ferner bekannt (DE-OS 19 42 281) den Kohlenstoffpotentialwert aus den Meßgrößen des CO- und
CO2-Gehaltes sowie der Stahltemperatur mit Hilfe eines Funktionsrechners gemäß der mathematischen
Beziehung
γ — ϊ ι — -- -
zu ermitteln, wobei C das Kohlenstoffpotential, /Ί eine
empirisch ermittelte Funktion, p2 CO den Partialdruck
des CO-Anteils des Gasgemisches, pCÖ2 CO2 den
Partialdruck des COr Anteils des Gasgemisches, h eine weitere empirisch ermittelte Funktion und ϋ- die
Stahltemperaiur bedeuten. Nachteilig an der bekannten
Einrichtung ist jedoch, daß eine Aufkohlung während des Aufheizens des Stahlkörpers auf eine Temperatur
oberhalb von 1000C nicht möglich ist, da die Gefahr
besteht, daß bei der Aufkohlung unterhalb der Endtemperatur auf ein Kohlenstoffpotential geregelt
wird, welches ?ine Rußbildung auf der Oberfläche des
Stahlkörpers bewirkt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Anordnung zum Aufkohlen von
Stahl anzugeben, bei welchem eine Aufkohlung ohne Rußbiidung während des Erwärmungsvorgangs im
Temperaturbereich unterhalb der Endtemperatur ermöglichst ist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemilß dadurch gelöst, daß ein Signal für den Rußgrenzwert des Kohlenstoffpotentials
gemäß den Meßwerten des Kohlenstoffdioxids· und/oder Kohlenmonoxidgehaltes sowie der
Stahltemperatur ermittelt wird und mit einem Signal für das Kohlenstoffpotential vergleichen wird und daß die
Regeleinrichtung einen Stellbefehl zur Drosselung oder Abschaltung der Zufuhr der Kohlenwasserstoffkompo=
nente(n) gibt, wenn das Signal für das Kohlenstoffpotential gleich oder größer ist als das Signal für den
Rußgrenzwert.
In bevorzugter Weise wird bei Überschreiten der Rußgrenze dem RegLr der Regeleinrichtung ein
korrigiertes Signal für das Kohlenstoflpotential itugeführt.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das korrigierte Signal für das Kohlen-
-, Stoffpotential durch Addition des Signals für das
Kohlenstoff potential und eines von der Stahltemperatur abhängigen Korrektursignals gebildet.
In zweckmäßiger Weise entspricht das Korrektursignal dem Meßwert der Stahltemperatur.
Eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung
besteht darin, daß der Regeleinrichtung für den Kohlendioxid- und/oder Kohlenmonoxidgehalt des
Gasgemisches eine Überwachungseinrichtung für die Rußgrenze überlagert ist, wobei zur Bildung des
korrigierten Signals dem Regler ein Addierglied vorgeschaltet ist, dessen erster Eingang mit dem Signal
für das Kohlenstoffpotential und dessen zweiter Eingang mit einem dem Korrektursignai entsprechenden
Ausgangssignal der Überwachungseinrichtung beaufschlagt ist
In Ausgestaltung der erfindungsgemäßcn Schaltungsanordnung
wird vorgeschlagen, daß io der Überwachungseinrichtung
zur Erzeugung des Signals für den Rußgrenzwert ein von einem Temperaturfühler für die
Stahltemperatur und von dem Signal für das Kohlcnstoffpotentiai
gespeister Funktionsgeber vorgesehen ist, welcher ausgangsseitig mit dem ersten Eingang eines
Vergleichsgliedes verbunden ist, daß das Vergleichsglied über einen zweiten Eingang mit dem Signal für das
Kohlenstoffpotential beaufschlagt ist und ausgangsseitig mit einem Signalbereichsmelder zur Ermittlung der
Polarität des Vergleichsglied-Ausgangssignals verbunden ist und daß in der Überwachungseinrichtung zur
Erzeugung des Korrektursignals ein Multiplizierglied vorgesehen ist, welches ausgangsseitig über ein von dem
Signalbereichsmelder gesteuertes Koinzidenzglied! mit dem Ausgang der Überwachungseinrichtung und ein
ganzseitig mit dem Temperaturfühler für die Stahltemperatur
verbunden ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Regeleinrichtung einen von
einem Kohlendioxid- und/oder einem Kohlenmonoxidfühler sowie dem Temperaturfühler gespeisten Funk-
•r, tionsrechner zur Erzeugung des Signals für das
Kohlenstoffpotential enthält welcher ausgangäseitig mit dem Eingang des Funktionsgebers, dem zweiten
Eingang des Vergleichsgliedes und dem ersten Eingang des Addiergliedes verbunden ist und daß dem Regler ein
Stellglied zur Einstellung der Kohlenwasserstoffkornponente(n) nachgeschaltet ist.
Durch die Erfindung ist es möglich, mit der Aufkohlung des Stahlkörpers bereits dann zu beginnen,
wenn die Stahltemperatur die Umwandlungstemperatur von Stahl in y-Eisen überschritten hat, ohne daß die
Gefahr einer Rußbildung besteht. Da die Erwärmung des Stahls auf eine Endtemperatur um 1000° C einen
verhältnismäßig hohen zeitlichen Aufwand erfordert, kann durch die Aufkohlung innerhalb des Temperatur-
bo bereichs zwischen der Umwandlungstemperatur in y-Eisen und der Endtemperatur eine erhebliche
Verkürzung des Aufkohlungsprozesses erzielt werden.
Die Erfindung wird an Hand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert;
es zeigt
F i g. 1 die graphische Darstellung des Partialdruckverhältnisses
zwischen Hem CO- und dem CO2-Ai1UeN
des Gasgemisches in Abhängigkeit von der Stahltenipe-
ratur mit verschiedenen Kohlenstoffpolentialwerten als
Parameter, wobei die Grenzkurve für den Rußbereich eingezeichnet ist, und
F i g. 2 ein Signalflußschallbild einer erfindungsgemäßen
Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.
In Fig. I ist die Abhängigkeit des Partialdruckverhältnisses
zwischen der CO- und der CO2-Komponente eines Aufkohlungsgasgemisches von der Stahltemperatur
für eine Anzahl von Kohlenstoffpotentialwerten dargestellt. Wie man erkennt, steigt das Kohlenstoffpotential
C mit steigendem Parlialdruck einerseits und fällt mit steigender Temperatur andererseits. Die mit
dickem Strich gekennzeichnete Kurve S stellt die Riißgrenze dar, Jens' its derer die Sättigung des
Aufkohlungsgasgemisi nes mit Kohlenstoff so groß ist, daß sich Kohlenstcif in Form von Ruß auf der
Oberfläche des Stahlkörpers niederschlägt. Dieses sogenannte Rußgebiet liegt in dem dargestellten
Diagramm links von der Kurve S. Das erfindungsgemäße Verfahren siehl vor, daß aus den Meßwerten für den
CO- und CO2-A Keil des Gasgemisches sowie der Stahltemperatur ,owohl der Wert für das momentane
Kohlenstoffpotei tial des Gasgemisches als auch der Rußgrenzwert trmittell und miteinander verglichen
werden. Je nach der Polarität des Vergleichssignals wird dann dem ermittelten Wert für das Kohlenstoffpotential
ein Korrekturwert hinzuaddiert und der auf diese Weise gebildete korrigierte Kohlenstoffpou midiwert dem
Regler einer Regelungseinrichtung zugeführt, welcher über ein Stellglied die Drosselung oder Abschaltung der
Kohlenwasserstoffkomponente(n) des Gasgemisches auslöst.
Ein Gasgemisch der Zusammensetzung 30% CO, 59,8% H2, 20% H2O sowie 0,2% CO2 befindet sich im
chemischen Gleichgewicht. Diesem Gasgemisch wird ein Kohlenwasserstoff, beispielsweise Propan zugeführt,
wodurch sich gemäß der Gleichung
2 CO, ^ CO + C
der CO2-Gehalt verringert und der CO-Gehalt bei
gleichzeitiger Bildung von Kohlenstoff sich erhöht.
Der aus dem Partialdruckverhältnis zwischen CO und CO2 sowie der Stahltemperatur ermittelte Wert für das
Kohlenstoffpotential des Gasgemisches liegt überhalb des gleichzeitig aus den selben gemessenen Parametern
ermittelten Wertes für die Rußgrenze (Sättigungsgrenze für den Kohlenstoff)- Zur Verhinderung weiterer
Kohlenstoffbildung wird der Regeleinrichtung ein erhöhter Wert für das Kohlenstoffpotential vorgetäuscht,
wodurch der Regler die weitere Zufuhr von Propan abschaltet. Die Erhöhung des Kohlenstoffpotentialwertes
erfolgt dadurch, daß dem Meßwert für das Kohienstoffpotentia! der Meßwert für die Stahltemperatur
aufaddiert wird und zwar in Abhängigkeit von dem Vorzeichen der Differenz zwischen dem Wert für
die Rußgrenze und dem Kohlenstoffpotentialwen. Ist das Vorzeichen dieser Differenz positiv, so hat das
Kohlenstoffpotential die Rußgrenze überschritten bzw. erreicht; ist das Vorzeichen dieser Differenz dagegen
negativ, so liegt das Kohlenstoffpotential im rußfreien Aufkohlungsbereich.
Eine Einrichtung zur Durchführung des voranstellend beschriebenen Verfahrens ist in Fig. 2 als elektrisches
Signalflußschaltbild dargestellt.
Der Reaktionsraum für die Aufkohlung stellt die
■*> Strecke 1 für eine Rege'iingseinrichtung 2 dar, welche
die Zufuhr der Kohlenwasserstoffkomponente(n) in Abhängigkeit von dem ermittelten Kohlenstoffpotential
C regelt. Zur Messung der für die Ermittlung des Kohlenstoffpotentials erforderlichen Parameter
ι» (CO-und CO2-AnIeU des Aufkohlungsgasgemisches
sowie der Stahltempcratur fl) ist jeweils ein Fühler 3, 4 bzw. 5 vorgesehen, welche die gemessenen physikalischen
Größen in entsprechende elektrische Signale umwandeln. Diese Signale werden einem Funktions-ί
rechner 6 eingegeben, der entsprechend der eingangs genannten Gleichung das Kohlenstoffpotential ermitteil
und in Form eines elektrischen Ausgangssignals einem Regler 7 zuführt.
Der Regler 7 vergleich! den vom Rechner 6
-'» ermittelten Istwert des Kohlenstoffpotcntials mit einem
einstellbaren Sollwert und gibt entsprechend der Abweichung des Istwertes von dem Sollwert einen
Stellbefehl an das Stellglied 8 zur Drosselung b/w. Erhöhung der Zufuhr <lrr Kohlenwassersloffkompo-
2Ί rvnie(n) des Gasgemisches. Insoweit entspricht die in
Fig. 2 dargestellte Einrichtung der Regeleinrichtung nachderDE-OS1<M2 281.
Erfirdungsgemäß ist der Regeleinrich;.;hg 2 eine
Überwachungseinrichtung 9 überlagert, welche bei
in Überschreiten der Rußgrenze ein Ausgangssignai K
abgibt. Dieses Ausgangssignal K wird als Korrektursignal dem Signal Cfür das Kohtenstofipotential in dem
Addierglied 10 aufaddiert. Das Ausgangssignal des Addiergliedes stellt das korrigierte Signal C= C+ K
J > des Kohlenstoffpotentials dar, welches dem Regler 7 ein
erhöhtes Kohlenstoffpotential vortäuscht.
Die Überwachungseinrichtung 9 weist einen Funktionsgeber
11 auf, welcher aus dem Meßwert der Stahltemperatur und dem ermittelten Wert des
w Kohlenstoffpotentials ein Signal für den Rußgrenzwert
entsprechend der in Fig. I mit dickem Strich eingezeichneten Kurve 5 ermittelt. Das Ausgangssignai Cr1/
wird in dem Vergleichsglied 12 mit dem Signal C des Kohlenstoffpotentials verglichen, wobei die Differenz
4> Cr1/-C bei Überschreiten der Rußgrenze positiv und
bei Unterschreiten der Rußgrenze negativ ist. Das Vorzeichen des Differenzsignals
AC= CRcl- C
V) wird von einem Signalbereichsmelder, beispielsweise
einer Diode, ermittelt und in der Weise in ein Ausgangssignal umgeformt, daß nur bei einem positiven
Vorzeichen des Differenzsignals aC(Rußgrenze überschritten)
ein Ausgangssignal abgegeben wird. Dieses Ausgangssignal steuert ein Koinzidenzglied 14, beispielsweise
einen Schalter, welches dem Ausgang 15 der Überwachungseinrichtung 9 vorgeschaltet ist.
Das Koinzidenzglied 14 wird von dem Ausgangssignal eines Multipliziergliedes 16 beaufschlagt, welches
ho mit dem Temperaturfühler 3 verbunden ist und ein dem
Temperaturwert # proportionales Signal K abgibt. Dieses Signal K wird von dem Koinzidenzglied 14 nur
dann auf den Ausgang 15 der Überwachungseinrichtung 9 geschaltet, wenn gleichzeitig an dessen Steuereingang
ft5 ein Ausgangssignal des Signalbereichsmelders 13
ansteht.
Hierzu 2 Blatt Zeichnunsen
Claims (6)
1. Verfahren zum Aufkohlen von Stahl mittels
eines Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasser enthaltenden Gasgemisches, bei dem der Stahl auf eine Temperatur
oberhalb der Umwandlungstemperatur von Stahl in y-Eisen erwärmt wird und der dem Kohlenstoffpotential des Gasgemisches entsprechende Kohlenstoffgehalt des Stahls mittels einer Regeleinrichtung
für den Kohlendioxid- und/oder Kohlenmonoxidgehalt des Gasgemisches auf einen bestimmten Wert
eingestellt wird und wobei das Kohlenstoffpotential aus den Meßwerten des Kohlendioxidgehaltes
und/oder des Kohlenmonoxidgehaltes des Gasgemisches sowie der Stahltemperatur ermittelt wird,
dadurch gekennzeichnet, daß neben einem Signal für das Kohlenstoffpotential als solchem
zusätzlich ein Signal für den zulässigen Rußgrenzwert auf Basis der Meßwerte des KohlcnstoffdioxiJ
und/oder Kchienmonoxidgehaltes sowie aus der
Stahltemperatur ermittelt wird und beide Signale miteinander verglichen werden und daß von der
Regeleinrichtung in Abhängigkeit davon, ob das Signal für das Kohlenstoffpotential gleich oder
größer ist als das Signa) für den Rußgrenzwert, ein Stellbefehl zur Drosselung oder Abschaltung der
Zufuhr der Kohlenwasserstoffkomponente(n) gegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten der Rußgrenze dem
Regler der Regeleinrichtung ein korrigiertes Signal für das Kohlenstoffpotential zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das korrigierte Signal für das
Kohlenstoffpotential durch Additk η des Signals für
das Kohlenstoffpotential und eines von der Stahltemperatur abhängigen Korrektursignals gebildet
wird.
4. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zum Aufkohlen von Stahl mittels eines
Kohlenwasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Wasserstoff und Wasser enthaltenden Gasgemisches, bei dem der Stahl auf eine Temperatur
oberhalb der Umwandlungstemperatur von Stahl in y-Eisen erwärmt wird und der dem Kohlenstoffpotential des Gasgemisches entsprechende Kohlenstoffgehalt des Stahls mittels einer Regeleinrichtung
für den Kohlendioxid- und/oder Kohlenmonoxidgehalt des Gasgemisches auf einen bestimmten Wert
eingestellt wird und wobei das Kohlenstoffpotential aus den Meßwerten des Kohlendioxidgehaltes
und/oder des Kohlenmonoxidgehaltes des Gasgemisches sowie der Stahltemperatur ermittelt wird,
nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeleinrichtung für den Kohlendioxid-
und/oder Kohlenmonoxidgehalt des Gasgemisches eine Überwachungseinrichtung (9) für die Rußgrenze zugeordnet ist, wobei zur Bildung des
korrigierten Signals dem Regler (7) ein Addierglied (10) vorgeschaltet ist, dessen erster Eingang mit dem
Signal für das Kohlenstoffpotential und dessen zweiter Eingang mit einem dem Korrektursignal
entsprechenden Ausgangssignal der Überwachungseinrichtung beaufschlagt ist.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in der Überwachungseinrich-
tung (9) zur Erzeugung des Signals für den Rußgrenzwert ein von einem Temperaturfühler (3)
für die Stahltemperatur und von dem Signal für das Kohlenstoffpotential gespeister Funktionsgeber (I I)
vorgesehen ist, welcher ausgangsseitig mit dem ersten Eingang eines Vergleichsgliedes (12) verbunden ist, daß das Vergleichsglied über einen zweiten
Eingang mit dem Signal für das Kohienstoffpotential beaufschlagt ist und ausgangsseitig mit einem
Signalbereichsmelder (13) zur Ermittlung der Polarität des Vergleichsglied· Ausgangssignals verbunden
ist und daß in der Überwachungseinrichtung zur Erzeugung des Korrektursignals ein Multiplizierglied (16) vorgesehen ist, welches ausgangsseitig
über ein von dem Signalbereichsmelder gesteuertes Koinzidenzglied (14) mit dem Ausgang der Überwachungseinrichtung und eingangsseitig mit dem
Temperaturfühler für die Stahltemperatur verbunden ist
6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung einen von
einem Kohlendioxid- und/oder einem Kohlenmonoxidfühler sowie dem Temperaturfühler gespeistem
Funktionsrechner (6) zur Erzeugung des Signals für das Kohlenstoffpotential enthält, welcher ausgangsseitig mit einem Eingang des Funktionsgebers (11),
dem zweiten Eingang des Vergleichsgliedes (12) und dem ersten Eingang des Addiergliedes (10) verbunden ist, und daß dertr Regler (7) ein Stellglied (8) zur
Einstellung der Kohlenwasserstoffkomponente(n) nachgeschaltet ist.
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Also Published As
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