DE2748125A1

DE2748125A1 - Unterdruck-aufkohlungsofen

Info

Publication number: DE2748125A1
Application number: DE19772748125
Authority: DE
Inventors: Kiyotaka Miyake; Katsuro Nakamura; Katsuhiro Yamazaki
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1976-10-28
Filing date: 1977-10-27
Publication date: 1978-05-03
Also published as: BR7707160A; JPS5428378B2; DE2748125B2; JPS5354136A; GB1568296A; US4166610A; DE2748125C3

Description

Ishikawajima-Harima Jukogyo -| 8 021 60/ko

Kabushiki Kaisha, Tokio/japan

Unterdruck-Aufkohlungsofen

Die Erfindung betrifft einen Unterdruck-Aufkohlungsofen mit gasförmigem Kohlungsmittel.

Bei der Aufkohlung mit Gas zur Einsatzhärtung von Metallen wird ein durch einen endotherm arbeitenden Gaserzeuger erzeugtes Reaktionsgas als Trägergas für eine geringe Menge von C₃H₈ (oder C₄H₁₀) benutzt, um dieses Kohlungsmittel zur Aufkohlung der Metallteile in einen Aufkohlungsofen einzuführen. Diese übliche Aufkohlung mit gasförmigem Kohlungsmittel ist jedoch nicht ohne Nachteile. Zunächst ist die Zeit zu lange, welche der Aufkohlungsofen bis zum Erreichen der Aufkohlungstemperatür benötigt. Die Kohlungsbedingungen sind nicht optimal, und darüberhinaus ist eine lange Kohlungsbehandlung erforderlich, um die gewünschte Eindringtiefe in den Kern des Werkstückes zu erreichen. Daher bestand ein Bedarf für eine Aufkohlung mit Gas, welche in kurzer Zeit die gewünschte Eindringtiefe ergibt und keine Umweltverschmutzungsprobleme mit sich bringt.

Zu diesem Zweck ist eine Aufkohlung mit Gas unter Unterdruck angewandt worden, welche die gewünschte Eindringtiefe in kurzer Zeit ergibt. Nach diesem Verfahren wird ein reaktionsfähiges Gas wie CH- (oder C₃H₀) direkt in einen Ofen eingeführt, der normalerweise auf eine oberhalb von 1000⁰C liegende Temperatur aufgeheizt und evakuiert ist, so daß die Aufkohlung mit

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Gas bei Unterdruck erfolgt.

Wenn CH, in einen unter Unterdruck gehaltenen und auf eine Temperatur oberhalb von 1000⁰C aufgeheizten Ofen eingeführt wird, so zerfällt CH- thermisch nach der Gleichung:

CH₄ *> C + 2H₂.

Der so freigesetzte Kohlenstoff dringt in die Oberfläche der Werkstücke ein. Als Folge der obigen thermischen Zersetzung wird das Gas CH₄ in das Gas H₂ umgewandelt, welches das doppelte Volumen des CH₄-Volumens aufweist, so daß der Ofendruck ansteigt, wenn die thermische Zersetzung fortschreitet.

Wenn ein vorbestimmtes Volumen von CH₄ in den Unterdruck-Aufkohlungsofen eingeführt und dort bei hoher Temperatur und niedrigem Druck gehalten wird, so wird CH₄ (ein Zusatzgas) vollständig zersetzt, wobei die Zersetzungsgeschwindigkeit von dem in den Ofen eingeführten Volumen von CH₄ abhängt. Bei der Aufkohlung muß daher die Strömungsgeschwindigkeit des in den Ofen geleiteten CH₄-GaSeS so gesteuert werden, daß die Konzentration des auf den Oberflächen der Werkstücke abgelagerten Kohlenstoffes immer auf einer vorbestimmten Höhe bleibt und die Freisetzung von Ruß aus Uberschußkohlenstoff vermieden wird· Hierzu müssen die Konzentration des im Aufkohlungsofen verbleibenden CH₄ ebenso wie der Ofendruck genau innerhalb vorbestimmter Grenzen eingeregelt werden. Hierzu wiederum muß die Strömungsgeschwindigkeit des in den Aufkohlungsofen eingeführten CH₄ so gesteuert werden, daß seine Konzentration im Ofen immer innerhalb vorbestimmter Grenzen bleibt, und muß das Gasgemisch aus CH₄, H₂ usw. aus dem Ofen abgeführt werden, so daß der Ofendruck nicht über einen vorbestimmten Wert hinaus ansteigt .

Die üblichen Aufkohlungsverfahren mit Gas als Kohlungsmittel

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können in zwei Arten unterteilt werden. Bei einer Aufkohlungsart wird das Kohlungsgas kontinuierlich aus einer Gasquelle in den Ofen eingeführt, während das Gas im Ofen aus dem Ofen abgeführt wird. Bei der anderen Art erfolgt die Einführung und Abführung des Kohlungsgases alternierend. Wenn die Wärmekammer des Aufkohlungsofen nicht mit einer mechanischen Einrichtung zur Zwangszirkulation der Kohlungsgasatmosphäre versehen ist, so wird das Kohlungsgas aus dem Ofen abgeführt, bevor es ausreichend im Inneren des Ofens zirkuliert ist. Als Folge hiervon ändert sich die Eindringtiefe von einem Teil zum anderen.

Im Unterschied zu bekannten Aufkohlungsverfahren mit Gas als Kohlungsmittel wird bei dem mit Unterdruck arbeitenden Verfahren eine Gasatmosphäre mit einer Temperatur mit oberhalb von 1OOO°C erzeugt, wodurch eine Zwangszirkulation der Ofenatmosphäre nicht mehr durchführbar ist. Selbst wenn ein Gebläse aus Metall in die Ofenatmosphäre bei hoher Temperatur und unter Unterdruck gebracht wird, so ist seine Standzeit infolge der Wärmedehnungen, der Aufkohlung und der zyklischen Beiastungsänderungen beim zyklischen Aufheizen und Abkühlen sehr gering. Daher ist bislang noch kein Gebläse in den Aufkohlungsofen hineingesetzt worden.

Der Ofendruck bei üblichen mit Gas arbeitenden Aufkohlungsofen ist in der Regel höher als der Druck der Umgebungsatmosphäre, so daß das brennbare Gas in diesem Falle stets durch eine Auslaßöffnung aus dem Ofen abgelassen und dort verbrannt wird, um eine Explosion der Auslaßgase zu vermeiden. Andererseits ist der Atmosphärendruck im mit Unterdruck arbeitenden Aufkohlungsofen stets geringer als der Umgebungsdruck, so daß bei Undichtheiten die Umgebungsluft in den Ofen eingesaugt wird. Daher muß der mit Unterdruck arbeitende Aufkohlungsofen luftdicht gegen die Umgebungsatmosphäre abgedichtet sein. Wenn ein Gebläse, welches die Kohlungsatmosphäre in dem mit Unterdruck arbeitenden Aufkohlungsofen fördert und zirkulieren läßt,

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durch einen außerhalb des Ofens angeordneten Hauptantrieb angetrieben wird, so ist die luftdichte Führung der Antriebswelle des Gebläses durch die Ofenwand hindurch extrem schwierig, so daß auf Dauer nicht vermieden werden kann, daß Umge— bungsluft in den mit Unterdruck arbeitenden Aufkohlungsofen eindringt und eine Explosion verursacht. Selbst wenn eine Explosion vermieden werden kann, so würde ein Eindringen von Umgebungsluft in den mit Unterdruck arbeitenden Aufkohlungsofen zu Änderungen in der Konzentration der Kohlungsatmosphäre führen und so die Qualität der Einsatzhärtung wesentlich vermindern.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen diese Probleme bei bekannten, mit Unterdruck arbeitenden Aufkohlungsverfahren vermieden werden und soll insbesondere ein mit Unterdruck arbeitender Aufkohlungsofen geschaffen werden, bei dem die Konzentration und der Druck der Kohlungsatmosphäre im Ofen stets bei bei optimalen Werten zur Aufkohlung von Metallteilen gehalten werden kann. Dabei soll der Ofen durch Verwendung eines Infrarot-Analysegerätes und druckempfindlichen Schaltern, die beide auf dem Markt ohne weiteres zur Verfügung stehen, einfach im Aufbau und billig in der Herstellung sein, so daß insgesamt eine auf Analogbasis arbeitende Prozeßkontrolle völlig vermieden werden kann. Weiterhin soll der Ofen einfach und außerordentlich zuverlässig im Betrieb sein und einsatzgehärtete Produkte mit gleichförmiger Qualität schaffen. Schließlich soll ein mit Unterdruck arbeitender Aufkohlungsofen geschaffen werden, bei der die Hochtemperatur-Kohlungsatmosphäre stets in Zirkulation ist und so geführt ist, daß eine gleichförmige Konzentration und Temperaturverteilung in der Kohlungsatmosphäre erzielt werden kann, mit der Folge einer sehr gleichmäßigen Aufkohlung der Werkstücke. Endlich soll ein mit Unterdruck arbeitender Aufkohlungsofen geschaffen werden, bei dem die Ofenteile wie Trennwände usw. ebenso wie die Schaufeln des Gebläses im Inneren des Ofens, die sämtlich den Hochtemperatur-Kohlungsgasen ausge-

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setzt sind, aus hochwärmebeständigem Material geschaffen sind, so daß die Wartung des Ofens bei geringen Kosten einfach durchgeführt werden kann. Ebenso soll ein mit Unterdruck arbeitender Aufkohlungsofen geschaffen werden, welcher eine Explosion der Hochtemperatur-Kohlungsgase unter reduziertem Druck mit Sicherheit vermeidet, so daß ein sicherer Betrieb sichergestellt sein kann, und soll der Ofen selbst unter Unterdruck über eine lange Zeitspanne hinweg mit hoher Geschwindigkeit arbeiten.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1, während die Unteransprüche vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt haben·

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Zeichnung.
Es zeigt

Fig. 1 eine schaltbildliche Darstellung eines Steuer- oder Regelsystemes für die Kohlungsatmosphäre in einem mit Unterdruck arbeitenden erfindungsgemäßen Aufkohlungsofen,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen, mit Unterdruck arbeitenden Aufkohlungsofen,

Fig. 3 eine perspektivische Teilansicht zur Veranschaulichung im wesentlichen der Bauart der Wärmekammer,

Fig. 4 eine teilweise auseinandergezogene Darstellung eines in der Wärmekammer angeordneten Gebläses,

Fig. 5 einen axialen Teilschnitt des Gebläses zur Veranschaulichung der Verbindung zwischen der Antriebswelle, der Nabe und den Schaufeln des Gebläses und

Fig. 6 in vergrößerter Darstellung einen Teilschnitt durch den Ofen gemäß Pig. 2 zur Veranschaulichung der Lagerung des Gebläses und des Gebläsemotors.

In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile.

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In Fig. 1 ist zunächst ein Ofenregelsystem veranschaulicht, welches aus einem Gaszufuhr-Regelsystem A, einem Gaskonzen— trations-Regelsystem B, einem Druckregelsystem C für den Druck der Kohlungsgas-Atmosphäre und einem nicht näher dargestellten Temperaturregelsystem besteht. Ein insgesamt mit 1 bezeichneter, mit Unterdruck arbeitender Aufkohlungsofen weist eine Wärmekammer 2 auf, in welche die aufzukohlenden Werkstücke eingelegt werden. Das Gaszufuhr-Regelsystem A steht mit einer Gaseinlaßdüse 3 in Verbindung, die im Boden der Wärmekammer 2 ausmündet. Das Gaskonzentrations-Steuersystem B steht mit einem Gasauslaß 4 in Verbindung, welcher durch eine Seitenwand der Wärmekammer έ hindurch vorgesehen ist. Das Druckregelsystem C für ciie Kohlungsatmosphäre schließlich steht mit einem Auslaß 5 in Verbindung, welcher sich durch die andere Seitenwand der Wärmekammer 2 hindurch erstreckt, und weiterhin mit einem Druckfühler 23, mit dem der Druck im Ofen 1 erfaßt werden kann.

Das Gaszufuhr-Regelsystem Λ steht über Absperrorgane 22a und 22b mit einem N_?-Speicher bzw. einem CH₄~Speicher in Verbindung, wobei das Absperrorgan 22a mit seinem Auslaß über ein Nadelventil 7a und ein elektromagnetisch betätigbares Ventil 6a mit dem Gaseinlaß 3 verbunden ist, während der Auslaß des Absperrorganes 22b an zwei Zweigleitungen liegt. Eine Zweigleitung steht über ein Nadelventil 7b und ein elektromagnetisch betätigbares Ventil 6b mit dem Gaseinlaß in Verbindung, während die andere Zweigleitung über ein Reduzierventil 8, einen Strömungsmesser 16, ein Nadelventil 7c und ein elektromagnetisch betätigbares Ventil 6c mit dem Gaseinlaß 3 in Verbindung steht.

Der Gasauslaß 4 des Ofens steht über ein Absperrorgan 22c und ein Filter 9 mit einem elektromagnetisch betätigbaren Ventil 10 im Konzentrations-Regelsystem B in Verbindung. Das Ventil 10 liegt über ein Manometer 11, ein Nadelventil 12,

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eine Druckpumpe 13, ein Manometer 14» ein Druckentlastungsventil 15, ein Filter 9a und ein Strömungsmeßgerät 16a an einem Infrarot-Analysegerät 17, von dem aus das Ofengas in die Umgebungsatmosphäre entweicht und welches mit einem Kontrollgerät 18 für die Infrarotanalyse verbunden ist.

Das Infrarot-Analysegerät 17 mißt die Konzentration des CH. im Ofengas bzw. in der Kohlungsatmosphäre, wobei dieser Meßwert mit einem Bezugswert verglichen wird, der im Kontrollgerät 18 vorgegeben ist. Wenn eine gegenüber dem Bezugswert geringere Konzentration gemessen wird, so erzeugt das Kontrollgerät 18 ein Steuersignal, welches an dem elektromagnetisch betätigbaren Ventil 6c im Gaszufuhr-Regelsystem A liegt, welches das Ventil 6c öffnet.

Der Ofengasauslaß 5 steht über ein Absperrorgan 22d und ein Filter 9b mit einem Nadelventil 19 im Druckregelsystem C in Verbindung. Das Nadelventil 19 steht seinerseits über ein elektromagnetisch betätigbares Ventil 20 mit einer Abgasvorrichtung 24 in Verbindung. Der Druckfühler 23 ist an ein Druck-Kontrollgerät 21 angeschlossen, welches seinerseits an dem elektromagnetisch betätigbaren Ventil 20 und den elektromagnetisch betätigbaren Ventilen 6a und 6b im Gaszufuhr-Regelsystem A liegt.

Das Druck-Kontrollgerät 21 wird durch ein Kohlungs-Startsignal in Betrieb gesetzt und legt ein Steuersignal an das elektromagnetisch betätigbare Ventil 20, um dieses vor der Einführung der Kohlungsatmosphäre in den Ofen 1, wenn also der durch den Druckfühler 23 ermittelte Ofendruck geringer als ein vorgegebener Druck ist, zu schließen. Gleichzeitig erzeugt das Druck-Kontrollgerät 21 ein Steuersignal £\ir das elektromagnetisch betätigbare Ventil 6a in der Zufuhrleitung für N₂, welches ein Verdünnungsmedium ist, in dem Gaszufuhr-Regelsystem A, so daß das Ventil 6a geöffnet wird, um N₂ in den Ofen 1 einzu-

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führen, bis der Ofendruck einen vorbestimmten Wert erreicht. Wenn der Druck des in den Ofen 1 eingeführten Stickstoffes den vorbestimmten Wert überschreitet, so übermittelt der Druckfühler 23 das entsprechende Signal dem Druck-Kontrollgerät 21, welches seinerseits ein Steuersignal an das elektromagnetisch betätigbare Ventil 6a legt, welches dieses schließt, und übermittelt gleichzeitig ein Steuersignal dem elektromagnetisch betätigbarem Ventil 6b in der Speiseleitung für CH. im Regelsystem A, welches das Ventil 6b öffnet, um CH₄ in den Ofen einzuführen. Wenn der Druck der Kohlungsatmosphäre (mit N₂ verdünntes CH^.) im Ofen einen vorbestimmten Wert überschreitet, so legt der Druckfühler 23 ein entsprechendes Signal an das Druck-Kontrollgerät 21 an, daß dieses über ein entsprechendes Steuersignal das elektromagnetisch betätigbare Ventil 6b schließt und gleichzeitig ein Steuersignal an das elektromagnetisch betätigbare Ventil 10 im Regelsystem B anlegt, so daß Ofengas in das Konzentrations-Regelsystem B eingelassen wird. Solang danach der Ofendruck höher liegt als der vorbestimmte Druckwert, liegt das Öffnungssignal des Druck-Kontrollgerätes an dem elektromagnetisch betätigbaren Ventil 20 im Druckregelsystem C, so daß das Ventil 20 offen gehalten wird und der Ofendruck stets in einem vorbestimmten Bereich gehalten wird.

Im Betrieb werden vor der Kohlung unter Unterdruck die Absperrorgane 22a, 22b, 22c und 22d vollständig geöffnet, während der Öffnungsgrad jedes der Nadelventile 7a, 7b, 7c, 12 und 19 so eingeregelt wird, daß das Gas mit einer vorbestimmten Strömungsgeschwindigkeit in der Zufuhr- bzw. Ablaßleitung strömt. Danach wird ein Startknopf gedrückt, um die automatischen Arbeitszyklen für die Unterdruckkohlung zu starten. In Abhängigkeit vom Steuersignal des nicht näher dargestellten Temperatur-Steuersystemes werden die elektromagnetisch betätigbaren Ventile 6b, 6c, 12 und 20 geschlossen gehalten, während das elektromagnetisch betätigbare Ventil 6a offen ge-

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halten wird, so daß N₀ in den Ofen 1 eingeführt wird, bis der Ofendruck einen vorbestimmten Wert erreicht, wie dies weiter oben bereits erläutert ist. Wenn der Druck des Stickstoffes im Ofen 1 einen vorbestimmten Wert erreicht, so wird das elektromagnetisch betätigbare Ventil 6a in Abhängigkeit von einem Steuersignal aus dem Druck-Kontrollgerät 21 in der oben erläuterten Weise geschlossen, während das elektromagnetisch betätigbare Ventil 6b zur Einführung von CH₄ in den Ofen geöffnet wird, bis der Druck der Kohlungsatmosphäre (N₂ und CH₄) im Ofen 1 einen vorbestimmten Wert erreicht. Als Folge hiervon ist CH₄ in dem Stickstoff in vorbestimmtem Verhältnis enthalten, wird also gewissermaßen durch den Stickstoff im Ofen 1 verdünnt, so daß eine Rußbildung oder eine übermäßige Ablagerung von Kohlenstoff in Form von Ruß an den freien Oberflächen der im Ofen 1 liegenden Werkstücke vermieden wird. Nachdem der Druck der Kohlungsatmosphäre einen vorbestimmten Druckwert erreicht hat, wird das elektromagnetisch betätigbare Ventil 6b in der weiter oben erläuterten Weise geschlossen, während das elektromagnetisch betätigbare Ventil 10 im Konzentrations-Regelsystem B geöffnet wird und die Druckpumpe angetrieben wird, wodurch die Messung der CH₄-Konzentration in der Kohlungsatmosphäre im Ofen 1 beginnen kann.

Das unter vermindertem Druck stehende Ofengas wird durch die Druckpumpe 13 abgesaugt und auf höheren Druck gebracht und sodann in das Infrarot-Analysegerät 17 eingeführt, nachdem der Druck der abgezogenen Ofengase durch das Druckentlastungsventil 15 auf einem vorbestimmten Druck gehalten wurde. Das Infrarot-Analysegerät 17 ermittelt die Konzentration des CH₄ im Ofengas als Anzahl von CH₄- Molekülen, so daß mit Änderungen des Druckes des Ofengases auch die Ermittlung derselben Konzentration sich ändert. Erfindungsgemäß jedoch wird der Druck des unter vermindertem Druck stehenden Ofengases stets auf den Druck der Umgebungsatmosphäre angehoben, bevor das Ofengas in das Infrarot-Analysegerät 17 eingeführt wird, so

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daß die Konzentration von CH. im Ofengas stets unter denselben Bedingungen ermittelt werden kann und daher mit hoher Genauigkeit ermittel wird.

Das Ausgangssignal des Infrarot-Analysegerätes 17» welches der Konzentration von CH₄ im Ofengas entspricht, wird dem Konzentrations-Kontrollgerät 18 zugeführt und dort mit einem Vergleichswert verglichen. Wenn die ermittelte Konzentration kleiner ist als durch den Vergleichswert vorgegeben, so erzeugt das Konzentrations-Kontrollgerät 18 ein Öffnungssignal für das elektromagnetisch betätigbare Ventil 6c_f so daß dieses geöffnet wird. Dann wird eine vorbestimmte Menge von CH₄, dessen Druck durch das Reduzierventil 8 reduziert ist und dessen Strömungsgeschwindigkeit durch das Nadelventil 7c einstellbar ist, in den Ofen 1 eingeführt, um die CH.-Konzentration im Ofengas bzw. der Kohlungsatmosphäre wieder auf den vorbestimmten Wert anzuheben. Wenn die CH^-Konzentration in der erläuterten Weise wieder hergestellt ist, so wird das elektromagnetisch betätigbare Ventil 6c in Abhängigkeit von einem entsprechenden Steuersignal aus dem Konzentrations-Kontrollgerät 18 wieder geschlossen. Auf diese Weise kann die CH^-Konzentration in der Kohlungsatmosphäre im Ofen 1 stets durch zyklischen Regeleingriff der erläuterten Art auf einen konstanten Wert gehalten werden.

Wenn die thermische Zersetzung des CH₄ im Ofen 1 fortschreitet, so steigt der Ofendruck an. Wenn der Ofendruck über einen vorbestimmten Wert hinaus einsteigt, so erzeugt der DruckfUhler 23 ein entsprechendes Signal für das Druck-Kontrollgerät 21 im Regelsystem C, worauf das Kontrollgerät 21 ein Öffnungssignal an das elektromagnetisch betätigbare Ventil 20 legt, um Ofengas abzulassen und so den Ofendruck auf den vorbestimmten Wert abzusenken. Nachdem der Ofendruck in dieser Weise wieder auf den vorbestimmten Wert gebracht worden ist, vird das Ventil 20 durch ein entsprechendes Steuersignal des Druck-!Control 1-

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gerätes 21 wieder geschlossen. Auf diese Weise kann durch zyklischen Regeleinqriff der erläuterten Art der Druck der Kohlungsatmosphäre im Ofen 1 stets in einem vorbestimmten Bereich gehalten werden.

Anhand der Fig. 2 bis 5 wird nachfolgend der Aufbau des mit Unterdruck arbeitenden Aufkohlungsofens 1 näher erläutert. Der Aufkohlungsofen 1 weist ein doppelwand!ges Unterdruckgefäß 34 mit einer Außenwand 31, einer Innenwand 32 und einem Wassermantel 33 zwischen diesen Wänden auf» Die Wärmekammer ist im Unterdruckgefäß 34 angeordnet. Nach der Evakuierung des Unterdruckgefäßes 34 auf einen Druck von 10 bis 10^ Torr wird ein Kohlungsgas unter vermindertem Druck in die Wärmekammer 2 eingeführt, so daß kein Sauerstoff in die Wärmekammer 2 eindringen kann. Die Wärmekammer 2 ist kastenförmig ausgebildet und weist eine Deckenwand, eine Bodenwand, zwei einander gegenüberliegende Seitenwände, zwei einander gegenüberliegende Stirnwände und zwei geneigte Wände auf, welche die Deckenwand mit den Seitenwänden verbindet. Im einzelnen hat die Wärmekammer 2 eine Außenwand 35t eine Innenwand 42 und eine zwischen diesen Wänden sandwichartig vorgesehene Wärmeisolierungsschicht 36. Widerstands-Heizelemente 37 sind in Parallellage in die Deckenwand und Bodenwand der VäriMkaamer 2 eingesetzt und in geeigneten gegenseitigen Abständen angeordnet sowie durch Hängeabstutzungen 39 bzw. Isolatoren lagegesichert. Diese Heizelemente 37 sind mit einer Stromquelle durch Zuleitungen 44 verbunden, welche sich durch die Wände der Wärmekammer 2 und des Unterdruckgefäßes 34 hindurch erstrecken.

Wie am besten aus Fig. 3 ersichtlich ist, besteht eine Stützkonstruktion für einen Chargenbehälter aus einer Mehrzahl von im Abstand voneinander liegenden Stützträgern 38, die ihrerseits an ihren Enden durch Stutzen 41 abgestützt sind, welche sich vom Boden der Wärmekammer 2 aus nach oben erstrecken·

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Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 4 ersichtlich ist, erstrecken sich Trennwände 45, die aus einem Material wie synthetischem Graphit gepreßt sind, welches frei von Kohlungserscheinungen ist, vertikal von ausgeschnittenen Lagerschultern 38a (vgl. Fig. 2) an den Enden der Stützträger 38 nach oben und liegen in einem geeigneten Abwand von den seitlichen Innenwänden 42 der Wärmekammer 2, so daß ein Zirkulationskanal 46 für die Kohlungsatmosphäre gebildet wird. Deckenplatten 47 sind zwischen die Deckenwand der Heizkammer 2 und die oberen Ränder der Trennwände 45 eingefügt. Auf diese Weise stehen die Zirkulationskanäle 46 mit den Deckenbereichen oberhalb der Deckplatten 47 und den Bodenbereichen unterhalb der Stützträger 38 der Stützkonstruktion in Verbindung·

Wie insbesondere aus den Fig. 2 und 3 ersichtlich ist, veist ein insgesamt mit 48 bezeichnetes Gebläse Gebläseschaufeln 49, eine Nabe 50 und eine Antriebswelle 51 im Deckenbereichj also im Bereich zwischen der Oberseite der Wärmekammer 2 und den Deckenplatten 47 auf. Die Schaufeln 49, die Nabe 50 und die Antriebswelle 51 sind sämtlich aus einem Material wie synthetischem Graphit gepreßt oder geformt, welches keinen lohlungserscheinungen unterliegt, wie am besten aus den Fig. 4 und 5 ersichtlich ist, ist die Nabe 50 als Zylinder oder Scheibe ausgebildet und mit einem mittleren Durchbruch 54 versehen, in welchen der untere Endabschnitt der Antriebswelle 51 eingreift. Weiterhin weist die Nabe 50 eine Mehrzahl von im Beispielsfalle vier am Umfang in gleichen Abständen verteilt angeordneten Schlitzen 52 auf. Der Bodenteil jedes dieser Schlitze 52 ist im wesentlichen kreisförmig im Querschnitt ausgebildet, wie dies am besten aus Fig. 4 ersichtlich ist, so daß der vergrößerte Fußteil 53 mit ebenfalls im wesentlichen kreisförmigem Querschnitt der Schaufeln 49 abnehmbar in die Schlitze 52 eingesetzt werden kann. Nachdem die Schaufeln 49 an der Nabe 50 auf diese Weise montiert sind, wird das untere Ende der Antriebswelle 51 mit vermindertem Durchmesser in den

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Durchbruch 54 der Nabe 50 eingesetzt, wobei eine obere Beilagscheibe 55 zwischen das obere Ende der Nabe 50 und eine Schulter oder Stufe in der Antriebswelle 51 eingesetzt wird. Danach wird eine untere Beilagscheibe 55 über den Endabschnitt der Antriebswelle 51, der sich nach unten aus dem Durchbruch 54 der Nabe 50 heraus erstreckt, aufgesetzt, und eine Kontermutter 56 auf das Ende der Antriebswelle 51 aufgeschraubt. Auf diese Weise sind die Nabe 50 und die Antriebswelle 51 in der am besten aus Fig. 5 ersichtlichen Weise sicher aneinander befestigt. Das Gebläse 48 der erfindungsgemäßen Bauart ist insoferne vorteilhaft, als eine einfache Montage und Demontage erfolgen kann und eine ausreichende Festigkeit gegeben ist, da die Einzelteile aus verstärktem synthetischem Graphit hergestellt werden können.

Wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, erstreckt sich die Antriebswelle 51 des Gebläses 48 durch einen in der Oberseite der Wärmekammer 2 gebildeten Durchbruch, durch einen Wassermantel 60, der einheitlich mit der oberen Abdeckung 64 des Unterdruckgefäßes 34 ausgebildet ist» und durch ein insgesamt mit 57 bezeichnetes Unterdruck-Nebengefäß nach unten und ist mit der Antriebswelle eines Gebläsemotors 58 verbunden» der im Unterdruck-Nebengefäß 57 angeordnet ist, wie dies nachfolgend im Zusammenhang mit Fig. 6 noch näher erläutert wird.

Ein Probeauslaß 61 (vgl. Fig. 2) dient zur Entnahme von Proben der Kohlungsatmosphäre in der Wärmekammer 2.

Im Betrieb werden, wie dies im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits näher erläutert ist, Stickstoffgas und CH^-Gas durch den Gaseinlaß 3 in die Wärmekammer 2 eingeführt, und werden die Konzentration von CH₄ und Druck und Temperatur der Kohlungsatmosphäre (mit N₂ verdünntes CH^) so eingeregelt, daß die Werkstücke 41 auf der Stützkonstruktion 38 im Ofen 1 aufgekohlt werden. Wenn das Gebläse 48 mit hoher Geschwindigkeit läuft,

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so wird das Kohlungsgas in heftige Bewegung versetzt und durch die Zirkulationskanäle 46 entlang der Innenwand 42 nach unten gedrückt, worauf die Rückströmung nach oben zwischen den Werkstücken 41a in Richtung auf das Gebläse 48 erfolgt.

Infolge der Zwangszirkulation des Kohlungsgases in der Wärmekammer 2 mittels des Gebläses 48 kann die Ofentemperatur gleichförmig über den gesamten Ofeninnenraum aufrechterhalten werden und wird darüberhinaus das Kohlungsgas gleichförmig bewegt und durch die Wärmekammer 2 zirkuliert, so daß die Werkstücke 41a eine den späteren konstruktiven Anforderungen voll entsprechende Aufkohlung erfahren.

Die Anordnung des Gebläsemotors 48 wird nachfolgend anhand von Fig. 6 näher erläutert. Das Unterdruckgefäß 34 ist mit einer oberen Öffnung 62 versehen, welche einen ringförmigen Flansch 63 aufweist,auf den ein Deckel 64 gasdicht aufgesetzt ist.

Das Unterdruck-Nebengefäß oder die Unterdruckkammer 57» die auf dem Deckel 64 gelagert ist, weist einen Außenmantel und einen Innenmantel auf. Der Außenmantel besteht aus einem zylindrischen Sockel 65, der am Deckel 64 gelagert ist und einen oberen Stirnflansch 67 aufweist, sowie aus einem glockenförmigen Mantel 66 mit einem unteren Stirnflansch 68, der fest und gasdicht über ein Zwischenstück 69 gegen den unteren Stirnflansch 67 des Sockels 65 festgelegt ist. Der innere Mantel besteht aus einem Sockel 71 , der fest an dem plattenförmigen Zwischenstück 69 gelagert ist, und einer Abdeckung 73, welche fest und flüssigkeitsdicht über eine Lagerplatte 72 für den Gebläsemotor 48 am Sockel 71 festgelegt ist. Der Gebläsemotor 58 ist an der Lagerplatte 72 im Inneren der Abdeckung 73 gelagert und mit einer Anschlußplatte 70 an der

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Oberseite des glockenförmigen Mantels 66 durch Zuleitungen dektrisch leitend verbunden, welche sich durch eine Öffnung 73a in der Oberseite der Abdeckung 73 hindurch erstrecken.

Die Öffnung 73a kann auch zur Einführung eines Kühlmediums 74 wie isolierendes Kühlöl in die Abdeckung 73 dienen, wobei der Gebläsemotor 58 in das Kühlmedium eingetaucht ist. Eine Wasserkühlschlange 75 ist innerhalb der Abdeckung 73 angeordnet, um normalerweise das Kühlöl 74 seinerseits rückzukühlen.

Eine Abtriebswelle 76 des Gebläsemotors 78 erstreckt sich durch eine Öffnung in der Lagerplatte 72 nach unten in den Sockel 71 hinein, wobei eine mechanische Dichtung 77 an der Abtriebswelle 76 vorgesehen und an der unteren Fläche der Lagerplatte 72 gelagert ist, um ein Auslaufen von Kühlöl 74 aus dem Bereich der Abdeckung 73 in den Sockel 71 zu vermeiden. Die Antriebswelle 51 des Gebläses 48 erstreckt sich durch einen Kragen 84 in dem Kühlmantel 60 in die Unterdruckkammer 57 nach oben und ist durch ein oberes Lager 78 und ein unteres Lager 79 abgestützt. Das obere Ende der Antriebswelle 51 ist drehfest mit dem unteren Ende der Abtriebswelle 76 des Gebläsemotors 58 über eine Kupplung 80 verbunden. Der Wärmeeinfall am Gebläse 48 von der Hochtemperatur-Kohlungsatmosphäre in der Wärmekammer 2 her wird durch die Antriebswelle 51 des Gebläses 48 in das Kühlwasser abgeleitet, welches in dem Kühlmantel 60 zirkuliert, wobei die Bodenseite des Kühlmantels 60 von der Wärmekammer 2 durch einen Wärmeisolierungsring 85 in einem geeigneten Abstand gehalten ist.

In dem äußeren Sockel 65 ist eine umgekehrt schusseiförmig ausgebildete Schleuderscheibe 82 an der Antriebswelle 51 des Gebläses 48 gelagert. Ein vorzugsweise kreisförmiger Ring 83 ist auf dem Deckel 64 koaxial zur Antriebswelle 51 angeordnet und begrenzt einen ölspeicher 83a zwischen der Außenseite des

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Ringes 83 und der Innenwand des Sockels 65.

Die Unterdruck kanuner 57 steht mit dem Unterdruckgefäß 34 durch nicht näher dargestellte Verbindungskanäle in Verbindung, so daß der Druck in der Unterdruckkammer 57 demjenigen im Unterdruckgefäß 34 angeglichen ist. Der innere Sockel 71 ist mit Öffnungen 81 versehen, durch welche hindurch die Kupplung 80 im Inneren des Sockels 71 montierbar und demontierbar ist. Als Folge hiervon ist der Druck an der Oberfläche des Kühlöles 74 in der Abdeckung 73 derselbe wie derjenige Druck, der auf die mechanische Dichtung 77 wirkt, so daß eine zuverlässige Arbeitsweise der mechanischen Dichtung 77 sichergestellt ist. Im Betrieb ist die Höhe des Unterdruckes in der Unterdruckkammer 57, welche den Gebläsemotor 58 umschließt, dieselbe wie im Unterdruckgefäß 34, da eine Verbindung zwischen der Kammer 57 und dem Gefäß 34 besteht. Beim Lauf des Gebläsemotors 58, der stets durch das Kühlöl 74 gekühlt wird, welches seinerseits durch das in der Kühlschlange 75 zirkulierende Kühlwasser rückgekühlt wird, wird das Gebläse 48 mit hoher Drehzahl gedreht, so daß die Kohlungsatmosphäre in der Wärmekammer 2 in Bewegung versetzt und zirkuliert wird. Die von den Schaufeln 49 und der Nabe 50 aufgenommene und durch die Antriebswelle 51 des Gebläses 48 weitergeleitete Wärme wird durch das Kühlwasser abgeleitet, welches im Kühlmantel zirkuliert. Auf diese Weise treten keine nachteiligen Einflüsse der Hochtemperatur-Kohlungsatmosphare^er Wärmekammer auf den Gebläsemotor 58 auf. Darüberhinaus ist der Gebläsemotor 58 in das Kühlmedium oder Kühlöl 74 eingetaucht und so im Inneren der Abdeckung 73 gekühlt, so daß selbst unter extrem schwierigen Bedingungen, also bei extrem hoher Temperatur und extrem niedrigem Druck eine unzuträgliche Erwärmung der Windungen des Gebläsemotors 58, Funkenüberschläge zwischen den Windungen und ein Zusammenbruch der Isolation infolge von in der Ofenatmosphäre schwebenden Kohlenstoffpartikeln vermieden sind.

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Ein Auslaufen von Kühlmedium oder Kühlöl 74 aus der Abdeckung in den Sockel 71 wird durch die mechanische Dichtung 77 wirksam vermieden. Darüberhinaus stehen in der erläuterten Weise der Sockel 71 durch die öffnungen 81 und die Abdeckung 73 durch die Öffnung 73a an ihrer Oberseite miteinander in Verbindung, so daß der auf das Kühlöl 74 in der Abdeckung 73 wirkende Druck derselbe Druck ist, der auf die Unterseite der mechanischen Dichtung 77 wirkt. Dennoch etwa aus der Abdeckung 73 in den Sockel 71 ausströmendes Kühlöl 74 trifft auf die Schleuderscheibe 82 an der Antriebswelle 51 des Gebläses 48, so daß Lecköl in dem ölspeicher 83a gesammelt wird, ohne entlang der Antriebswelle 51 in das Unterdruckgefäß 34 abströmen zu können.

Die Erfindung weist somit eine Reihe wesentlicher Vorteile auf.

Die Konzentration von CH. oder des Kohlungsgases ebenso wie der Druck der Kohlungsatmosphäre (CH₄ verdünnt mit N₂) können zur Erzielung einer optimalen Aufkohlung kontinuierlich gesteuert oder geregelt werden, so daß die Werkstücke mit einer gleichförmigen Eindringtiefe gehärtet werden und demzufolge die Qualität der Produkte wesentlich verbessert werden kann. Darüberhinaus kann ein zuverlässiger Betrieb des mit Unterdruck arbeitenden Aufkohlungsofens gewährleistet werden.

Das Infrarot-Analysegerät kann vorteilhaft so, wie es auf dem Markt erhältlich ist, eingesetzt werden, und Zwei-Stellungs-Ventile können als elektromagnetisch betätigbare Ventile, welche nur entweder in Schließstellung oder in Offenstellung stehen, eingesetzt werden, so daß die Verwendung sehr teurer Servoventile, welche eine Einstellung des Öffnungsgrades ermöglichen, vermieden ist. Der vergleichsweise billige, auf Druck ansprechende Schalter, der als Druckfühler verwendet

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werden kann, ist auf dem Markt ebenfalls ohne weiteres erhältlich. Als Folge hiervon ist keine Prozeßsteuerung auf der Grundlage komplizierter Analogrechnungen erforderlich, sondern kann das Regelsystem lediglich aus Folgekreisen bestehen, welche die elektromagnetisch betätigbaren Ventile und Zeitgeber enthalten. Daher kann das Regelsystem im Aufbau sehr einfach ausgebildet sein und kann ein mit Unterdruck arbeitender Aufkohlungsofen geschaffen werden, der sehr einfach im Aufbau, zuverlässig im Betrieb, einfach in der Wartung und billig in der Herstellung ist.

Die Trennwände sind in der Wärmekammer so angeordnet, daß sie Ofengas-Zirkulationskanäle bilden, durch welche hindurch das Ofengas zwangläufig zirkuliert. Daher kann das Ofengas gleichförmig in Bewegung versetzt und zirkuliert werden sowie über die aufzukohlenden Werkstücke strömen, so daß der Wirkungsgrad oder die Wirksamkeit der Aufkohlung wesentlich verbessert werden kann.

Die Teile des Gebläses bestehen sämtlich aus einem Material wie verstärktem synthetischem Graphit, welches keinen Kohlungserscheinungen ausgesetzt ist, so daß diese Teile durch die Hochtemperatur-Kohlungsatmosphäre im Ofen nicht angegriffen werden. Als Folge hiervon kann der Aufkohlungsofen mit geringeren Kosten hergestellt werden und wird die Wartung des Ofens wesentlich vereinfacht.

Der Gebläsemotor ist in einer Unterdruckkammer untergebracht, welche denselben Unterdruck wie das Unterdruckgefäß aufweist, in dem die Wärmekammer angeordnet ist. Darüberhinaus ist der Gebläsemotor im Kühlmedium untergetaucht, welches seinerseits durch Kühlwasser rückgekühlt ist. Daher kann sicher eine Explosion der entflammbaren Kohlungsgase bei vermindertem Druck infolge von Funkenbildung an den Bindungen des Gebläsemotors vermieden werden.

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Da der Gebläsemotor im Kühlmedium untergetaucht und in der Unterdruckkammer eingeschlossen ist, kann der bei Unterdruck arbeitende Gebläsemotor zwangsgektihlt werden, so daß selbst bei vermindertem Druck der Gebläsemotor über lange Zeit hinweg mit hoher Geschwindigkeit laufen kann. Darüberhinaus kann die den Gebläsemotor umgebende Unterdruckkammer einfach an dem Unterdruckgefäß montiert werden, so daß eine sichere Bewegung und Zirkulation der Kohlungsatmosphäre sichergestellt ist. Weiterhin sind die Wartung des Gebläses und des Gebläsemotors wesentlich vereinfacht. Leckströmungen des Kühlmediums in dem den Gebläsemotor umgebenden Mantel in den daran anschließenden Sockel hinein können sicher vermieden werden. Nicht zuletzt können auch nachteilige Wärmeeinflüsse auf dem Gebläsemotor durch die von den Schaufeln und der Nabe des Gebläses durch dessen Antriebswelle, die an der Abtriebswelle des Gebläsemotors befestigt ist, übertragene Wärme sicher dadurch vermieden werden, daß die Antriebswelle durch das Kühlwasser zwangsgekühlt wird, welches in dem die Antriebswelle umgebenden Wassermantel zirkuliert.

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Claims

Ishikawajima-Harima Jukogyo 18 021 60/ko Kabushiki Kaisha, Tokio/japan Ansprüche

1. Mit Unterdruck arbeitender Aufkohlungsofen, bei dem ein Gaszuführungssystem mit einem Zuführventil sowie ein Gasablaßsystem mit einem Ablaßventil an ein Unterdruckgefäß angeschlossen sind, gekennzeichnet durch einen Druckfühler (23) zur Erfassung des Ofendruckes und durch einen Konzentrationsfühler (17) zur Erfassung der Konzentration eines Kohlungsgases in der Oienatmosphcire, und durch ein Steuer- oder Regelsystem (B bzw. C), welches in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Druckfühlers (23) das Ablaßventil (20) im Ablaßsystem und in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Konzentrationsfühlers (17) das Zuführventil (6c) im Gaszuführsystem öffnet oder schließt und so die Konzentration des Kohlungsgases in der Ofenatmosphäre ebenso wie den Ofendruck optimal einregelt.

2. Aufkohlungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Wärmekammer (2) des Aufkohlungsofens (1) Trennwände (45) aus einem nicht Kohlungserscheinungen unterliegenden Material in einem geeigneten Abstand von den benachbarten Seitenwänden (42) der Wärmekammer (2) vorgesehen sind und Zirkulationskanäle (46) zwischen den Trennwänden (45) und den inneren Seitenwänden (42) bilden, und daß ein Gebläse (48), dessen Einzelteile aus einem Kohlungserscheinungen nicht unterliegenden Material hergestellt sind, oberhalb der Zirkulationskanäle (46) angeordnet ist, so daß die Ofengase durch die Zirkulationskanäle (46) und die aufzukohlenden Werkstücke (41a),

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die zwischen den Trennwänden (45) angeordnet sind, zwangs—
zirkulierbar sind.

3. Aufkohlungsofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gebläsemotor (58) zum Antrieb des Gebläses (48) in einer Abdeckung (73) in einem in der Abdeckung (73) gehaltenen
Kühlmedium (74) untergetaucht ist und daß die Höhe des Unterdruckes innerhalb der Abdeckung (73) stets der Höhe des Unterdruckes in der Wärmekammer (2) entspricht.

4. Aufkohlungsofen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (51) des Gebläses (48) von einem
Wassermantel (60) umgeben ist.

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