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Schutzgasofen mit getrennter Begasung
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Zweck der Erfindung ist, den thermischen Wirkungsgrad eines Schutzgasofens
dadurch zu erhöhen, daß die einzelnen Schutzgaskomponenten voneinander getrennt
in den Ofenraum eingeführt sind.
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Stand der Technik sind Schutzgasöfens die durch fin Rohr so begast
sind, daS die Wärmeisolation durchbohrt und im Ofenraum mündet. Das Schutzgas dient
meist zum Schutz von Metallcharge, und/oder zum Aufkohlen, Entkohlen, Aufnitrieren
usw
Bekannt, aber nicht verbreitet sind auch Schutzgasöfen im Uersuchsstadium,
deren Startphase dadurch beschleunigt wird, daß Schutzgas ständig vom Ofen gesaugt,
getrocknet und dann durch die Wärmeisolation -mit Hilfe eines Kanals im solationssystem
- wieder eingeführt wird0 Die Verrußung war bei diesen 0,22an eine Gefahr.
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Nachteil dieser Schutzqasöfen ist, daß das Schutzgas meist Wasserstoff
enthält urd dieser die Isolierwirkung der Wärmeisolation stark herabsetzt. Wasserstoff
leitet die Wärme etwa 7-fach stärker als z. B. Stickstoff oder die Luft und dadurch
wirkt er in den Poren der Wärmeisolation -bildlich gesprochen- als metallische Wärmebrücke.
Darüber hinaus wurde noch nicht darauf hingewiesen, daß im Schutzgas Wasserstoff
viel wirksamer diffundieren kann, als alle anderen Gase. So drängt Wasserstoff andere
Gase oft aus der Wärmeisolation heraus. Dadurch erhöht sich (nach den Berechnungen
des Erfinders)seine Konzentration von dem theoretischen Wert von z. 8. 40 % auf
50-70 % je nach Porosität und Dicke der Wärmeisolation, wo in der Luft der höchste
Temperaturabfall entsteht. Der gleiche Ofen unter Schutzgas verbraucht täglich etwa
zweimal soviel Energie als unter Luftatmosphäre, relativ umso mehr, je moderner
und dichter der Ofen konstruiert wurde und je effektiver seine Heizkörper funktionieren.
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Die Idee der Erfindung liegt in der getrennten Einführung des Schutzgases
in den Öfen: Gase, die relativ wenig wärmer leitend sind, z. B. Stickstoff oder
Luft werden durch die (poröse) Wärmeioslation eingefUhrt, und die relativ stark
wärmeleitenden Komponente (z, 8 Wassersoff) direkt in den Ofenraum Nachstehend werden
Gase 'relativ stark wärmeleitend" genannt, wenn stark wärmeleitende Gase aus diesem
direkt eingeführtem 3 3 Ges im Ofen entstehen. Qus z 8 1 m Methan entstehen 2 m
Wasserstoff.
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Diese Idee wird mit dem Vergleich der Zeichnungen Fig. 1 und Fig.
2 ersichtlich: Stickstoff (N2) wird im ersten Fall außerhalb des Ofens, in Fig.
2 innerhalb des Ofens mit Wasserstoff (H2) gemischt. Die Mischstelle ist mit "X"
bezeichnet. In Fig. 1 und 2 ist 1 der Ofenraum, 2 die poröse Wärmeisolation oder
die Folienisolation 3 die meist gasdichte Außenhaut (z. B. aus Stahlblech),4 ist
der Ventilator, 5 das Schutzgas - Einführungsrohr (meist aus hitzebeständigem Stahl),
6 ist die Eintropfstelle für Alkohol, Methanol oder für andere Flüssigkeiten, die
meist Wasserstoff produzieren' 7 ist die Stickstoffleitung und/oder die Leitung
der Gase mit weniger Wä'rmelei-'fa"higkeit, 8 ist die Leitung vom Wasserstoff und/oder
anderen Gasen, die im Ofen eine relativ stärkere Wärmeleitfähigkeit haben oder die
im Ofen bei z. 8. 930 °C: ceils zum Wasserstoff zerfallen.
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Die Leitungen 7 und 8 treffen sich in Fig. 1 -also im Falle des konventionellen
Schutzgasofens -außerhalb des Ofens (bei Stelle "X).
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In Fig. 2 dagegen - also bei dem erfindungsgemäßen Ofen -mündet die
Leitung des Stickstoffes (7) an der Außenhaut des Ofens (3) bei 9, durchtränkt die
Wärmeisolation (2) und strömt von allen Richtungen in den Ofenraum (1).
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Die Leitung des Gases mit der niedrigen Wärmeleitfähigkeit (7) wird
also erfindungsgemäß von der Leitung des Gases mit relativ starker Wärmeleitfähigkeit
(8) getrennt aufgebaut.
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Diese Gasleitungen sind in der Praxis nicht nur durch Farbe (Farbkod)
und durch Buchstaben, sondern durch ihre konstante Verbindung mit Tanks, z. B. mit
Kaltvergaser zu erkennen. Wasserstoff und andere brennbare Gase haben außerdem eine
Leitung mit Linksgewinde-Anschlüsse;dagegen hat z.B.
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Stickstoff oder Luft Anschlüsse mit Rechtsgewinde.
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So unterscheidet sich also der erfindungsgemäße Ofen von den anderen
Öfen nicht nur im Betrieb, sondern durch seineh Aufbau.
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Selbst wenn Schutzgas nur als Mischung von Gasen z. B. als Gemisch
des Wasserstoff-Stickstoff zur Verfügung steht, braucht man auf die Vorteile der
Erfindung nicht zu verzichten.
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Man kann die hohe Diffusionsgeschwindigkeit vom Wasserstoff ausnutzen.
In dem hier erfindungsgemäß verwendeten Trenner (10) durchdiffundiert Wasserstoff
die Poröse Trennwand (11) schneller und daher wird die Gasmischung auf der rechten
Seite des Trenners viel mehr Stickstoff (N2)als Wasserstoff (H2) haben.
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Vorteile der Erfindung sind: 0 Diese neuen Schutzgasöfen verbrauchen
täglich weniger Heizenergis, weil ihre Wärmeisolation mit Gasen von niedrigerer
Wärmeleitfähigkeit durchtränkt sind.
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2. Der erfindungsgemäße Ofen kostet nicht mehr als die konventionelle
Variante. Die moderne Wärmeisolation hat eine Faser-Außenschicht und eine gemörtelte
Stein-Hochtemperaturschicht. Diese Faserschicht verteilt das in sie eingegebene
Gas besonders gut, da sie sehr durchlässig ist.
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Dieses Gas z. 8. Stickstoff, Luft, Ammoniak wird gleichmäßig verteilt,
wenn diese Faserschicht erfindungsgemäß in einer oder an mehreren Stellen (9) mit
der z. 8.
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Stickstoffleitung (7) angeschlossen wird. Ein zusätzliches Verteilersystem
ist überflüssig, es schwächt sogar die Isolationswirkung. Gerade die Außenschicht
der 2 WErmeisoaltion wird erfindungsgemäß von wenig wärmeleitenden Gasen besonders
gut durchströmt, in der 60 % -80 % der Temperaturgefälle entsteht und dafür braucht
man nur die sowieso nötige Gasleitung (7) an eine besondere
Stelle
(9) anschließen.
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3. Die Erfindung ist sehr einfach, ohne Berechnung leicht zu verwirklichen,
auch nachträglich.
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4. Da moderne Schutzgasöfen ohnehin mit Direktbegasung arbeiten (z.
8. DE-AS 2909978) steht Luft als Gas mit niedrigerer Wärmeleitfähigkeit bei immer
mehr Schutzgasöfen getrennt zur Verfügung, im Gegensatz der früher verbreiteten
Endogasbegasung, bei der Luft- und Kohlenwasserstoff miteinander in dem Endogasgenerator
reagierten und als Endogas in den Ofen geführt wurden (wie in Fig. 1).
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5. Auch bei der neuen Stickstoff-Trägergas-Begasung hat man Stickstoff
als wenig wärmeleitendes Gas getrennt zur Verfügung.
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6. Zusätzlicher Vorteil der Erfindung bei den zuletzt erwähnten zwei
modernen Begasungen ist, daß man vorübergehend -bei der Ofen-Startphase- Luft oder
Stickstoff, von anderen Gasen erfindungsgemäß getrennt trocknen kann.
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So spart man Trocknerkapazität.
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7. Der heute meist flüssig gelieferte Stickstoff und Ammoniak ist
so wasserarm, daß eine Trocknung gar nicht notwendig ist.
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Vorteilhaft ist, daß die Wärmeisolation erfindungsgemäß nicht als
Gaspuffer wirkt, in dem Feuchtigkeit und Gase für lange Zeit gelagert sind, sondern
als ein durchspülter Behälter.
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So kann also der erfindungsgemäße Schutzgasofen schon während der
Aufheizung konditioniert werden, und so entfallen die mehrstündigen Wartezeiten
nach der Neubegasung.
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Er reagiert auch während des Betriebes bei der Gas regelung schneller.
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8. Die Rußungsgefahr des erwähnten konventionellen (Versuchs-) Ofens
entstand dadurch, daß sich das Gas in der Wärmeisolation in den Schichten mit niedrigerer
Temperatur -z. 8. bei 690 OC - lange aufhielt und stark ruße. Wenn aber der kohlenstoffhaltige
Anteil des Schutzgases erfindungsgemäß nicht durch die Wärmeisolation (2). sondern
getrennt, direkt in den Ofenraum (1) bei der Stelle (5) eingeführt wird, bekommt
es sofort die Ofentemperatur (z. B. 930 OC) und rußt daher nicht.
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9. Für das Eintropfen von z. 8. Methanol (6) braucht man nicht ein
Stahlrohr nehmen, das leicht aufkohlt und abbricht, sondern erfindungsgemäß eine
dünne Keramik-Kapillare, die nie aufkohlt und daher tief in der Gasströmung münden
kann.
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So werden sehr feine Tropfen produziert, die auf keinem Fall auf
die Charge fallen, sondern sich im Flug abbauen dadurch wird eine sonst charakteristische
örtliche Überkohlung der Charge unter der Rohrmündung(5) wegen zu großer Methanoltropfen
vermieden.
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10. 1Die Mischung der zwei Gaskomponenten aus den Leitungen (7) und
(8) ist erfindungsgemäß viel turbulenter und inniger (an Stelle X ik Fig. 2) wegen
des tausendfach höheren Gasumsatzes im Vergleich der konventionellen Ausführung
(Fig. 1, Stelle "X"). In dieser fließen z. B. 1OOLiter/Std.
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N2 mit 100 Liter/Std. H2 laminar (an Stelle X in Fig. 1) zusammen,
es entsteht also keine innige Mischung. Der Umwälzventilator hat aber nach Messungen
des Erfinders eine Leistung von etwa 10 000. m³/Std. oder 30 m/s und bringt die
Reaktionspartner (an Stelle 11X1' in Fig. 2) Perfekt zueinander.
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Keine z. 8. Aufkohlungsunterschiede können also entstehen.
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Die Erwärmung vom Pentanol, Methan oder anderen zu abbauenden Kohlenwasserstoffen
geschieht erfindungsgemäß schneller, weil sie- allein und nicht mit kaltem Stickstoff
zusammen in den Ofenraum (1) kommen.
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11. Die Verrußung des hier vorgeschlagenen Schutzgasofens wird dadurch
gebremst daß die Kohlenstoff-freie Schutzgaskomponente (z. B. Stickstoff oder Luft)
ständig aus den Poren der Wärmeisolation (2) in den Ofenraum (1) fließt und dadurch
an dieser Phasengrenze ständig einen unterdurchschnittlichen Kohlenstoffpegel entsteht.
Nach Erfahrung des Erfinders fängt sonst die Verrußung gerade in den Poren und Spalten
an, die jetzt fast kohlenstoffrei bleiben.
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Besonders günstig ist die Lage der Direktbegasung (DE-AS 2 90 99
78) mit Luft in den Poren und Spalten. Man kann diese erfindungsgemäße Konstruktion
so charakterisieren, daß die Wärmeisolation (2) nicht -wie üblich- wöchentlich,
sondern ständig mit Luft ausgebrannt wird.
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Dadurch entfallen die mehrstündigen Ausfallzeiten für Ofenausbrennung
und die Unsicherheiten der Temperatur-und Gasregelung, die -nach Erfahrung des Erfindersin
den letzten Tagen vor der Ausbrennung auftreten.
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12. Da die Verrußung keine Keime auf der Wärmeisolation hat, wird
der Ofen einen höheren Kohlenstoffpegel ohne Verrußung ertragen und so wird die
Aufkohlungszeit kürzer.
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13. Die Lebensdauer der Wärmeisolation (2) wird erfindungsgemäß höher,
weil diese Isolation meist aus- Metalloxiden besteht, die sonst im reduzierendem
Schutzgas langsam auseinander fallen. Auch die schädliche Wirkung der Rostbildung
wird dadurch unterbunden, daß die Stahlblechhaut (3) trocken bleibt.
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14. Eine Gefahr der Rückzündung, Rückbrennung oder gar Explosion der
Gasleitung wird erfindungsgemäß ausgeschaltet, weil z. B. Luft von den brennbaren
Gasen getrennt in den Ofen fließt.
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15. Dieser neue Ofen kann auch fUr Entkohlen und Voroxidieren sehr
günstig verwendet werden, wenn man an der Stelle (6) Wasser in den Ofenraum (1)
spritzt, das nicht -wie sonstin der Leitung kondensieren kann.
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16. Beim Aufnitrieren kann günstigerweise Ammoniak durch die Leitung
(7) in die Wärmeisolation (2) geführt werden und Endogas getrennt in den Ofenraum.
Ammoniak leitet bei einer mittleren Temperatur der Wärmeisolation von 250°C die
Wärme etwa dreimal schlechter als Endogas.
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Da Ammoniak bei dieser niedrigen Temperatur kaum zerfällt, gilt es
als schwach wärmeleitend. Beim Karbonitrieren dagegen ist es relativ stark wärmeleitend
und wird es erfindungsgemäß durch die Leitung (8) beim Anschluß (5) eingegeben,
weil es im Ofen stark zerfällt und daher die Wärme wie Endogas leitet.
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17. Da erfindungsgemäß das gleiche Schutzgas im Ofen entsteht, wie
konventionell, kann man die bewährten Instrumente der konventionellen Gasregelung
beibehalten. Die Erfahrung zeigt, daß die Begasung mit Methanol-Stickstoff auf +
0,01 % C genau den gleichen Kohlenstoffpegel liefern, wie im Endogas, wenn die Sondenspannung
auf den gleichen Wert geregelt wird.
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