DE2346287A1

DE2346287A1 - Vorrichtung zur herstellung einer ofenatmosphaere fuer die beeinflussung von werkstuecken waehrend der waermebehandlung

Info

Publication number: DE2346287A1
Application number: DE19732346287
Authority: DE
Inventors: Werner Goehring
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1972-09-16
Filing date: 1973-09-14
Publication date: 1974-05-02
Also published as: FR2213352B1; ES418741A1; DD107308A5; AT337239B; US3917238A; DE2346287C2; FR2213352A1; SE401935B; GB1441758A; ATA753373A; CH579757A5; IT993200B

Description

D-4-19 Kleve
Materborner Allee 4o

Vorrichtung zur Herstellung einer Ofenatmosphäre für die Beeinflussung von Werkstücken während der Wärmebehandlung<

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung einer Ofenatmosphäre für die chemisch-metallurgische Beeinflussung von Werkstücken während der Wärmebehandlung, bestehend aus einer von einem Wärmeschutzmantel umgebenen Reaktionskammer, in der Brennstoffe bei einer Temperatur zwischen 75o und 11oo ⁰C zu .einem Gasgemisch reagieren, wobei die Reaktionskammer außerhalb eines Wärmebehandlungs-Ofenraumes angeordnet ist und das Gasgemisch in den Ofenraum eingeführt wird.

Ein Zweck der Erfindung ist es, ein als Ofenatmosphäre geeignetes Gasgemisch mit einem geringen Bau-, Energie- und W arturigs aufwand herzustellen. Ein weiterer Zweck der Erfindung ist es, die, Explosionsgefahr von" Ofenanlagen zu verringern, in denen brennbare Ofenatmosphären angewandt werden. Weiterhin bezweckt die Erfindung, den Kohlenstoffübergang von der Ofenatmosphäre an die Werkstücke und

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die Beurteilungsfähigkeit der Wirkung der Ofenatmosphäre auf die der Wärmebehandlung unterliegenden Werkstücke zu verbessern.

Es ist bekannt,'ein beheiztes Katalysatorbett außerhalb der den Innenraum des Wärmebehandlungsofens begrenzenden Wand anzubringen und das Gasgemisch ungekühlt in den Innenraum des Ofens weiterzuleiten (Zeitschrift "Blech" 1968, Heft 11, Seite 584·). Bei dieser Anordnung wirkt sich Jedoch nachteilig aus, daß das Gasgemisch nach Verlassen des beheizten Katalysatorbettes auf dem Weg in den Innenraum des Ofens unbeheizte kältere Zonen durchwandert und sich dabei abkühlt. Bei den meist angewandten kohlen- ■ monoxidhaltigen Gasgemischen tritt bei langsamer Abkühlung eine störende Rußabscheidung verbunden mit einer Veränderung der Gaszusammensetzung auf. Diese Anordnung des Katalysatorbettes -verbunden mit der Einleitung des Gasgemisches in den Innenraum des Ofens mit einer unbestimmten und nicht.beeinflußbaren Temperatur- konnte sich daher in der Praxis nicht durchsetzen.

Bei den heute üblichen Ausführungsformen von Reaktionskammern zum Zwecke der Herstellung von Ofenatmosphären wird das austretende Gasgemisch mit einem Kühlmittel rasch gekühlt und in kaltem Zustand in den Innenraum des Wärmebehandlungsof ens eingeführt. Dabei tritt keine Rußabscheidung auf. Die Kühlung und Wiedererwärmung des Gasgemisches ist sowohl in Bezug auf den erforderlichen Bauaufwand als auch auf den Energieverbrauch unwirtschaftlich.

Es wurde erkannt, daß bei einem kalt in den Ofenraum eingeführten Gasgemisch weniger V/ärme verbrauchende kohlendioxidbildende Zwischenreaktionen im Ofenraum ablaufen und daß die Einstellung des chemischen Gleichgewichtes in einer

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zweiten Reaktionsstufe erfolgt, die langsamer und meist nicht mehr vollständig abläuft. Es liegen daher die zur Beurteilung der Kohlungswirkung dienenden V/erte an Kohlendioxid zu hoch, wenn man von einem dem chemischen Gleichgewicht entsprechenden Kohlenstoffgehalt der Werkstücke ausgeht.

Bei der in neuerer Zeit angewandten Kohlenstoffübertragung auf Stahl im Temperaturbereich zwischen 55° und 600 ⁰C verläuft der Kohlenstoffübergang zwischen der Ofenatmosphäre und den Werkstücken wegen der durch die niedrige Temperatur bedingten langsamen Reaktionsgeschwindigkeit sehr träge. In diesem Temperaturbereich treten in erhöhtem Maße nicht kontrollierbare Gasreaktionen an der Werkstückoberfläche -z.B. Oxydation durch Spuren von Sauerstoffauf, die auch die Kohlenstoffübertragung beeinflussen.

Die in einer Reaktionskammer zum Zwecke der Anwendung als Ofenatmosphäre hergestellten Gasgemische sind meist brennbar. Beim Einleiten eines solchen Gemisches in einen mit Luft gefüllten Innenraum eines Wärmebehandlungsofens bildet sich ein explosionsfähiges Gas-Luftgemisch, wenn sich nicht sofort an der Einführungsstalle eine stabile Flamme bildet. Diese Flamme muß so lange Zeit brennen, bis der Sauerstoffanteil im Innenraum des Ofens so stark vermindert ist, daß sich nach dem Erlöschen der Flamme wegen Sauerstoffmangels kein explosionsfähiges Gasgemisch mehr bilden kann. Bei den bekannten Vorrichtungen ist dies nur gewährleistet, wenn der Innenraum eine über der Zündtemperatur des Gasgemisches liegende Temperatur aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine einfache und wirtschaftlich, arbeitende Vorrichtung zu schaffen, die es gestattet, den.erforderlichen Reaktionszustand des Gasgemisches im Ofenraum ohne störende Zwischenreaktionen zu

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erreichen und an der Einleitungsstelle des Gasgemisches in einen mit Luft gefüllten Ofenraum eine sichere Flammenbildung zu erzielen.

Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß das Gasgemisch innerhalb einer Öffnung in der den Wärmebehandlungs-Innenraum begrenzenden Wand mit einer Heizeinrichtung auf eine Temperatur zwischen 75° und 11oo ⁰C beheizt.

Das gemäß der Erfindung in den Ofenraum übertretende Gasgemisch hat -infolge.der Beheizung bis zur Eintrittsstelleeinen hohen Gehalt an fühlbarer Wärme. Es wurde erkannt, daß durch diesen Energiegehalt folgende Vorteile erzielt werden:

Bei der Einstellung des chemischen Gleichgewichtes des eintretenden Gasgemisches entfallen die störenden Zwischenreaktionen, da es genügend Wärme mit sich bringt, um in einer einzigen Reaktionsstufe den notwendigen Reaktionszustand zu erreichen. Dies gilt sowohl für die Einstellung des Wassergasgleichgewichtes als auch für die Reaktion von Kohlenwasserstoffen zu Kohlenmonoxid. Hierbei ist von besonderer Bedeutung, daß das in den Ofen-Innenraum eintretende Gasgemisch mit möglichst hoher Temperatur mit dem schon im Innenraum befindlichen Gasgemisch als Reaktionspartner in Berührung kommt.

Das heiße Gasgemisch überträgt infolge der stärkeren külbewegung mehr Kohlenstoff durch Spaltung von Kohlenmonoxid an die Werkstückoberfläche. Außerdem reagiert in den Ofenraum eindringender freier Sauerstoff bevorzugt mit dem heißen Gasgemisch, bevor sich an der Werkstückoberfläche eine Oxydschicht bildet, die_/ auch den Kohlenstoffübergang behindert. Diese Vorteile machen sich besonders im Niedertemperaturbereich. von Wärmebehandlungen bemerkbar.

Die Temperatur des in den Innenraum des Warmebehandlungs-

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ofens eingeführten Gasgemisches wird bei Werten zwischen 75o und 11oo ⁰C geregelt und überwacht. Diese Temperaturen liegen oberhalb der Zündtemperaturen der als Ofenatmosphäre angewandten Gasgemische. Es ist daher gewährleistet, daß das in den Ofenraum eintretende heiße Gasgemisch bei der Berührung mit Luft sofort eine Flamme bildet, bevor ein explosionsfähiges Gemisch entstehen kann. Die fühlbare Wärme des Gasgemisches verleiht der Flamme besonders stabile Brenneigenschaften, sodaß die Flamme so lange Zeit brennt, bis der Sauerstoffgehalt im Ofenraum so gering ist, daß keine Explosionsgefahr mehr besteht. Auch bei einem Eindringen von Luft in einen mit brennbarem Gas gefüllten Ofenraum setzt sich der Sauerstoff sofort nach dem Zusammentreffen mit dem über der Zündtemperatur befindlichen Gasgemisch um, sodaß ebenfalls kein explosionsfähiges Gemisch entstehen kann. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es daher möglich, auch Ofenräume unterhalb der Zündtemperatur ohne Explosionsgefahr mit einem brennbaren Gasgemisch zu betreiben.

Bei der üblichen Anordnung der Einführungsöffnung quer in der Außenwand beansprucht die beheizte Einführungsstelle die kleinstmögliche Fläche der Ofenwand und beeinträchtigt durch die Wärmestrahlung die Temperaturführung des Wärmebehandlungsgutes im Ofen praktisch nicht.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird das Gasgemisch in einer beheizten Rohrleitung von der Reaktionskamrner zur öffnung in der Ofenwand geführt. Durch diese Maßnahme entfällt die übliche Kühlung des Gasgemisches nach der Reaktionskammer.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erf.Ln.duag mündeb die Reaktionskamraer unmittelbar in die Öffnung in der Ofenwand.

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Durch diese Maßnahme entfällt eine besondere Zuführungsleitung zwischen der Reaktionskamraer und der Ofenwand sowie deren Heizeinrichtung.

Soll das Gasgemisch in einen mit einem Wärmeschutz versehenen Innenraum eines Wärmebehandlungsofens eingeführt werden, so ist eine besonders zweckmäßige bevorzugte. Aus— führungsform der Erfindung möglich. Ein als Reaktionskammer dienendes Katalysatorbett wird innerhalb der Öffnung der wärmedämmenden Wand angeordnet.

Durch diese Maßnahme wird die wärmedämmende Wand des Wärmebehandlungsofens zugleich als Wärmeschutzmantel für ein beheiztes Katalysatorbett genutzt. Weiterhin wird kein besonderer Raum und keine besondere Heizeinrichtung für das Warmhalten des Gasgemisches benötigt. Bei dieser Anordnung des Katalysatorbettes liegen die Gas-Austrittsstellen innerhalb der Ebene der geometrischen !form des Innenraumes des Wärmebehandlungsofens. Das Gasgemisch tritt also mit der Temperatur des beheizten Katalysatorbettes unmittelbar in den Innenraum des Ofens über.

Die Stärke der den Innenraum eines Wärmebehandlungsofens begrenzenden wärmedämmenden Außenwand liegt zwischen 25 und 35 cm. Die übliche Länge beheizter Katalysatorbette übertrifft diese Stärke der Außenwand um mindestens das Dreifache. Um die Zugänglichkeit der Ofenanlage nicht durch hervorstehende Anlagenteile zu erschweren bzw. deren Platzbedarf nicht zu vergrößern., wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Katalysator-

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bett ausschließlich im Bereich der wärmedämmenden Außenwand zu beheizen.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß die damit verbundene Verkürzung des Katalysatorbettes ohne Nachteile möglich ist, obwohl allgemein langgestrecktere Ausführungsformen angestrebt werden.

Um auf der kürzeren Bettlänge die notwendige Wärme zu übertragen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Beheizung des Katalysatorbettes durch eine aus einem Heizleiter bestehende, vom elektrischen Strom durchflossene Wand vorzunehmen, die mit den Katalysatorstücken und dem reagierenden Gasgemisch in Berührung steht. ■

Durch diese Maßnahme behindern keine Wände zwischen Wärmequelle und Katalysatorbett die Wärmeübertragung. Es empfiehlt sich die Anwendung von Niederspannung, die einen starken Heizleiterquerschnitt ermöglicht und die Gefahr eines Spannungsüberschlages mindert. Die dar intensiven elektrischen Direkterwärmung dienenden Heizleiterwände können sowohl das' Katalysatorbett umschließen als auch innerhalb des Bettes angeordnet sein.

Zur weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, als Heizleiter ein innerhalb des Katalysatorbettes angeordnetes Eohrsystem anzuwenden, dessen Innenoberfläche mit der Luft in Berührurig steht. ·

Eine derartige Innenbeheizung des Katalysatorbettes bietet eine kaum 2u übertreffende Wärmeübertragung. Ein Rohr weist im Verhältnis zu seinem Querschnitt eine sehr große Oberfläche auf. Bei einem dünnwandigen rohrförmigen Heizleiterquerschnitt wird die

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entstehende V/arme gut an die naheliegende Oberfläche abgeführt. Dadurch kann ein rohrförmiger Heizleiter stärker elektrisch belastet werden, als ein solcher mit gleich großem anderen Querschnitt. Weben der mechanischen Stabilität bietet der rohrförmige Heizleiterquerschnitt noch einen weiteren Vorteil. Vom Gasgemisch in die Außenoberfläche des Heizleiters eindringender Kohlenstoff wandert rasch an die Innenoberfläche. Dort reagiert der Kohlenstoff mit der vorhandenen Luft und es bilden sich keine für den Heizleiterwerkstoff schädlichen Kohlenstoffkonzentrationen. . ·

Nachstehend beschriebene Beispiele dienen im Zusammenhang mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung.

Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Innenraumes eines Wärmebehandlungsofens mit einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Beheizung des Gasgemisches bei der Einleitung durch die Ofenwand.

Figur 2 zeigt die besonders vorteilhafte bevorzugte Ausführung der Erfindung mit der Anordnung und Ausgestaltung eines elektrisch beheizten Katalysotorbettes innerhalb der Ofenwand.

Im Innenraum 1 eines-Wärmebehandlungsofens befinden sich die Werkstücke, die unter einer Ofenatmosphäre erwärmt oder im Anschluß daran gekühlt werden. Dieser Innenraum enthält daher gegebenenfalls Heiz- oder Kühlkörper sowie Einrichtungen zur Gasumwälzung -wie Ventilator und Gasleitwände. In diesen Innenraum Λ mündet bei der Ausführung nach Fig. 1 eine Rohrleitung 2, die mit einer Reaktionskammer 3 Ln Verbindung steht. Diese Rohrleitung 2 wird durch eine Heizeinrichtung 4 auf eine Temperatur zwischen 75° und 11oo C beheizt. Sie ist von einem

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Wärmeschutzmantel 5 umgeben. Durch diese' -auch im Bereich der Ofenwand 6- beheizte Rohrleitung 2 strömt das als Ofenatmosphäre dienende Gasgemisch von der Reaktionskammer 3 in den Innenraum 1 des Wärmebehandlungsofens.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Vorrichtung besteht der Wärmebehandlungsofen aus einem Innenraum 1, der von einer ' ununterbrochenen wärinedämmenden Wand 6 begrenzt wird, die zugleich auch die Außenwand des Ofens darstellt. In einer Öffnung 7 quer in der Ofenwand 6 ist ein Katalysotorbett angeordnet, das elektrisch beheizt wird. Ein Heizregister ist innerhalb des Bettes untergebracht und steht mit den Katalysatorstücken 9 in direkter Berührung. Es hat einen rohrförmigen Querschnitt. Zwei nach außen führende rohrförraige Anschlußstutzen 1o dienen zum Anlegen der elektrischen Spannung. Durch die Rohrleitung 11 wird ein Brennstoff oder ein Brennstoff-Luftgemisch in das beheizte Katalysatorbett eingeführt. Das bei der Reaktion entstehende Gasgemisch tritt durch die Austrittsöffnungen 12 in den Innenraum 1 über.

Das Katalysatorbett 3 ist erfindungsgemäß im Bereich der Stärke S der wärmedämmenden Wand 6 beheizt. Das Maß S ergibt sich aus dem Abstand der geometrischen Form des Innenraumes 1 von derjenigen der Außenwand-Oberfläche und wird durch herausragende oder vertiefte Ofenteile nicht beeinflußt. Bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel erfolgt die Beheizung ausschließlich im Bereich der Wand 6 (Maß S). Die von der Wand 6 hervorragenden Isolierteile 13 dienen lediglich dem Wärmeschutz des beheizten Katalysatorbettes.

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Als Ausgangsstoff für die Herstellung eines als Ofenatmosphäre dienenden Gasgemisches werden der Reaktionskammer meist Kohlenwasserstoff-Luftgemische zugeführt. Es entstehen dann kohlenoxidhaltige Gasgemische, die den Kohlenstoffanteil von Werkstücken aus Stahl beeinflussen können. Durch die Anwendung von Ammoniak oder eines Ammoniak-Luftgemisches können auch von gebundenem Sauerstoff- und von Kohlenstoff freie Gasgemische hergestellt werden.

Bei hohen metallurgischen Qualitätsansprüchen werden Werkstücke aus Stahl in einem von Kohlenstoff freien Gasgemisch erwärmt und anschließend einem kohlenmon— oxidhaltigen Gasgemisch zur Kohlenstoffübertragung ausgesetzt. Dadurch werden durch den AufheiζVorgang bedingte Ungleichmäßigkeiten der Werkstoffbeeinflussung verhindert. Die Erfindung ermöglicht für diesen Er— wärmungsvorgahg die explosionssichere Anwendung von Ammoniak als Ausgangsstoff für eine kohlenstoffreie Ofenatmosphäre. Sie gestattet somit auch, mit einfachen Mitteln die Eigenschaften der Ofenatmosphäre den unterschiedlichen Erfordernissen der Werkstoffe während des Wärmebehandlungsvorganges anzupassen.

Die Lehre der Erfindung beruht auf dem erstmaligen Erkennen der Vorteile des Einführen eines Gasgemisches in heißem Zustand aus einer Reaktionskammer in einen Wärmebehandlungs-Ofsnraum. Die erfindungsgemäßa Anordnung eines Katalysatorbettes, seine Größe, Form und Art der Beheizung sind gegenüber dem Stand der Technik nicht naheliegend.

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Die Fortschrittlichkeit der Erfindung ergibt sich -außer der Verminderung des Bauaufwandes und der Einsparung von Betriebskosten- auch durch den verbesserten Kohlenstoffübergang an die Werkstücke und die genauere Regelbarkeit der Wirkung der Ofenatmosphäre. Besonders fortschrittlich ist der explosionssichere Betrieb von Ofenanlagen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

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Claims

Fat en tansprüche

1. Vorrichtung zur Herstellung einer Ofenatmosphäre für die chemisch-metallurgische Beeinflussung von Werkstücken während der Wärmebehandlung, bestehend aus einer von einem Wärmeschutzmäntel umgebenen Reaktionskammer, in der Brennstoffe bei einer Temperatur zwischen 75o und 11oo ⁰C zu einem Gasgemisch reagieren, wobei die Reaktionskammer außerhalb eines Wärmebehandlungs-Ofenraumes' angeordnet ist und das Gasgemisch in den Ofenraum eingeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch innerhalb einer Öffnung in der den Wärmebehandlungs-Innenraum begrenzenden V/and mit einer Heizeinrichtung auf eine Temperatur zwischen 75o und 11oo ⁰O beheizt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch in einer beheizten Rohrleitung von der Reaktionskammer zur Öffnung in der Ofenwand geführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch" 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Reaktionskammer unmittelbar in die Öffnung der Ofenwand'mündet.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein als Reaktionskammer dienendes Katalysatorbett innerhalb der Öffnung einer wärmedämmenden Ofenv/and angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daJ3 das Katalysatorbett ausschließlich im Bereich der wärmedämmenden Ofemvand beheizt wird.

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6. Vorrichtung nach Anspruch 4- oder 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Beheizung des Katalysatorbettes durch eine aus einem Heizleiter bestehende vom elektrischen Strom durchflossene Wand erfolgt, die mit den Katalysatorstücken und dem reagierenden Gasgemisch in Berührung steht.

7- Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizleiter aus einem innerhalb des Katalysatorbettes angeordneten· Rohrsystem besteht, dessen Innenoberfläche mit der Luft in Berührung steht.

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