DE3228892A1

DE3228892A1 - Verfahren und vorrichtung zur aufkohlung

Info

Publication number: DE3228892A1
Application number: DE19823228892
Authority: DE
Inventors: Raymond A. 60521 Hinsdale Ill. Cellitti; John C. 60540 Naperville Ill. Connelly
Original assignee: International Harverster Corp
Current assignee: Navistar Inc
Priority date: 1981-09-17
Filing date: 1982-08-03
Publication date: 1983-03-31
Also published as: GB2106546B; GB2106546A; US4436289A; CA1181586A

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Aufkohlung

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Verfahren und Vorrichtungen zur Aufkohlung und insbesondere ein Regelsystem für einen Mehrzonen-Aufkohlungsofen, in den das aufzukohlende Metall hineingeschoben wird und mit dem eine normale und eine verzögerte Aufkohlung möglich ist und der zur Aufkohlung entweder einen endothermen Gasprozeß oder einen Stickstoff-Methanol-Prozeß verwenden kann.

Mehrzonen-Aufkohlungsofen, in die das aufzukohlende Gut hineingeschoben wird, sind bekannt. In solchen Aufkohlungsöfen werden die aufzukohlenden Werkstücke oder Teile auf Platten oder in Kästen gelegt, die üblicherweise aus .

Eisenmetallen hergestellt sind, und in eine erste Zone des Aufkohlungsofen hineingeschoben. Der Kasten verbleibt für eine vorbestimmte Zeitspanne in der ersten Zone, während welcher ein vorbestimmtes Maß an Aufkohlung vollzogen wird. Nach Verstreichen der vorbestimmten Zeitspanne wird ein zweiter Kasten in die erste Zone geschoben, wodurch der erste Kasten weitergeschoben wird. Dieses Vorgehen wird wiederholt bis der erste Kasten und die nachfolgend eingeschobenen Kästen durch die verschiedenen Zonen des Aufkohlungsofens vorgeschoben worden sind und am gegenüberliegenden Ende wieder

BÜRO 6370 OBERURSEL* L1NDENSTRASSE 10

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BÜRO 8050 FREISING* SCHNEGGSTRASSE 3-5 TEL. 08161/62091 TELEX 526547 pawa d

ZWEIGBÜRO 8390 PASSAU LUDWIGSTRASSE 2 TEL. 0851/36616

entladen worden sind. Bei solchen Aufkohlungsöfen müssen die Temperaturen und die Atmosphären in den verschiedenen Zonen sorgfältig gesteuert bzw. geregelt werden, um die gewünschte Temperatur und den gewünschten Kohlenstoffanteil für den bestimmten Aufkohlungsvorgang aufrecht zu erhalten. ■

In einem bekannten Aufkohlungsofen wird die Temperatur in jeder der Zonen thermostatisch mit einem Thermostat gesteuert, welches entweder von Hand oder mittels irgendeiner geeigneten Art von Regeleinrichtungen fernbedienbar eingestellt. In einem solchen Aufkohlungsofen besteht die atmosphäre im allgemeinen aus einer endothermen Gasatmosphäre, die mittels eines Generators für endothermes Gas erzeugt wird. Das endotherme Gas wird üblicherweise durch den Zusatz von Methan (CH.) oder Erdgas angereichert. In einem typischen Gasgenerator für endothermes Gas wird das endotherme Gas durch Aufspaltung des Methans unter Luftzufuhr hergestellt, um eine Zusammensetzung des endothermen Gases von annähernd 40% Stickstoff, 40% Wasserstoff, 20% Kohlenmonoxid, 0,1 bis 0,5% Kohlendioxid und 0,1 bis 0,5% Wasserdampf zu erhalten.

Bei einer anderen Methode zur Herstellung des Aufkohlungs-Trägergases läßt man Stickstoff mit Methanol reagieren, um ein Trägergas gemäß der folgenden Gleichung zu erhalten:

2N₂ + CH₃OH ·- CO + 2H₂ + 2N₂

Die Reaktion gemäß obiger Gleichung erzeugt ein Gas einer Zusammensetzung von annähernd 40% Stickstoff, 40% Wasserstoff und 20% Kohlenmonoxid. Dieses Gas wird auch mittels des Zusatzes von Methan (CH.) oder Erdgas angereichert, um die Aufkohlungsatmosphäre zu erzeugen.

Jedoch weisen Aufkohlungsofen, in die das aufzukohlende Gut hineingeschoben wird, und die nach der normalen Aufkohlungsweise arbeiten einen grundlegenden Nachteil auf.

Dieser Nachteil besteht in der Zeitspanne, die nötig ist, um jeden Kasten durch den Ofen hindurch zu befördern und hat eine lange Anlaufzeit und eine lange Abschaltzeit für solche Aufkohlungsöfen zur Folge. Beispielsweise kann es eine Zeit von annähernd 4 Stunden dauern, bis ein Kasten mit Werkstücken gänzlich durch den Aufkohlungsöfen von der ersten Zone bis zur letzten Zone hindurchbefördert worden ist. Wenn das Aufkohlungsverfahren für eine gewisse Zeitspanne abgebrochen werden muß, beispielsweise für die Ferienzeit oder ein Wochenende, kann der Bediener folglicherweise für die letzten 4 Stunden eine: Arbeitsschicht vor dem Abschalten keine Teile mehr in den Aufkohlungsöfen einbringen. Anstattdessen werden leere Kästen in den Aufkohlungsöfen eingebracht, um vor dem Abschalten die letzten der aufzukohlenden Teile noch durch den Ofen hindurchzuschieben. Während dieser 4 Stunden entsteht ein Produktionsverlust. Zusätzlich sind aufgrund der großen thermischen Masse des Aufkohlungsofens mehrere Stunden nötig, um den Aufkohlungsöfen nach dem Wochenende oder einer Ferienperiode wieder auf seine Betriebstemperatur zu bringen. Hat der Aufkohlungsöfen seine Betriebstemperatur erreicht, müssen aufgrund der Zeit, die für den Durchlauf der Teile durch den Ofen nötig ist, weitere ca. 4 Stunden verstreichen, bevor die ersten Teile aus dem Ofen herausgeschoben werden.

Folglicherweise ist eine volle Produktion während einer normalen Arbeitswoche nur am Dienstag, Mittwoch und Donnerstag möglich.
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Beim Versuch, diese Nachteile eines normalen Aufkohlungsverfahrens auszuräumen, ist ein Aufkohlungsverfahren mit einer "Haltebetriebsweise" entwickelt worden. Bei einem solchen Aufkohlungsverfahren mit Haltebetriebsweise werden volle Kästen bis kurz vor dem Ende einer letzten Schicht vor einem Wochenende oder einer Ferienperiode durch den Ofen hindurchgeschoben, worauf der Aufkohlungsöfen in eine Haltebetriebsweise für das Wochenende um-

* geschaltet wird. Bei der Haltebetriebsweise wird die Temperatur des Aufkohlungsofens vermindert, üblicherweise von einer normalen Aufkohlungstemperatur von ungefähr 93O°C (1700°F) auf eine Haltebetriebsweisentemperatur von ungefähr 650 bis 700°C (1200⁰F bis 1300°F). Während des Zyklus der Haltebetriebsweise werden die Aufkohlungsgase ausgestoßen und der Aufkohlungsofen wird mit einer Inertatmosphäre, die üblicherweise aus Stickstoff besteht, gefüllt. Während dieser Haltebetriebsweise wird der Aufkohlungsprozeß unterbrochen; jedoch kann eine Aufkohlung durch Ersetzen der Inertgasatmosphäre durch eine Aufkohlungsatmosphäre und durch Erhöhen der Temperatur auf die normale Aufkohlungstemperatur gänzlich wieder aufgenommen werden. Der Vorteil des Unterbrechens der Aufkohlung gegenüber einem normalen Aufkohlungsverfahren ist darin zu sehen, daß die Produktion bis zum Ende der letzten Schicht vor der Unterbrechung fortgesetzt werden kann. Da der Ofen nicht gänzlich abgekühlt wird, ist zusätzlich die Zeit, die dazu nötig ist, den Ofen bis zur Betriebstemperatur wieder aufzuwärmen, wesentlich kürzer. Ein noch wichtigerer Gesichtspunkt ist darin zu sehen, daß der Ausstoß von aufgekohlen Teilen praktisch sofort nach dem Erreichen der normalen Aufkohlungstemperatur beginnt,

^5 da der Ofen mit Teilen gefüllt ist, die in verschiedenem Maße aufgekohlt worden sind.

Einer der Nachteile der Haltebetriebsweise ist jedoch darin zu sehen, daß während des Überganges der normalen

Aufkohlungsbetriebsweise zur Haltebetriebsweise die Zusammensetzung der Aufkohlungsatmosphäre geändert werden muß, um die Änderung des Kohlenstoffgehaltes als Funktion der Temperatur während des Herabsetzens der Temperatur auf diejenige der Haltebetriebsweise zu be-

rücksichtigen. Darüber hinaus muß das Maß an Aufkohlung, das jährend des Herabsetzens der Temperatur abläuft, ebenso wie dasjenige, das während des Erhöhens der Temperatur, das einer Haltebetriebsweise folgt, berechnet ·

• W WV

AO

werden und die Reste des Aufkohlungsverfahrens müssen gestellt werden, um den Anteil an Aufkohlung zu berücksichtigen, der während des Heraufsetzungs- und Herabsetzungszyklus vollzogen worden ist. Daher muß zusätzlich zur Verbesserung der Temperatursteuerung der Fluß und die Zusammensetzung der Aufkohlungsatmosphare genauestens gesteuert werden. Diese Anforderungen lassen es vorteilhaft erscheinen, ein computergesteuertes Regelsystem zu verwenden, das den Aufkohlungsprozeß insbesondere während des Überganges von der normalen zur Haltebetriebsweise und umgekehrt regelt.

Obwohl es möglich ist, die Temperaturen der verschiedenen Zonen im Aufkohlungsofen mittels eines Mikroprozessors und einer geeigneten Temperaturmeßeinrichtung

zu steuern bzw. zu regeln, ist die Regelung der Aufkohlungsatmosphare weitaus schwieriger, insbesondere wenn ein Gasgenerator für endothermes Gas verwendet wird. Ein Grund für die Schwierigkeit der Regelung der Zusammensetzung der Atmosphäre ist darin zu sehen, daß ein Gasgenerator für endothermes Gas eine Vorrichtung ist, die das endotherme Gas in einem Prozeß erzeugt, der bei im wesentlichen konstanten Volumen-/ Temperatur- und Gaszuflußbedingungen abläuft und dazu dient, ein endothermes Gas mit im wesentlichen konstanten Eigenschaften zu erzeugen. Jeder Versuch, die Eigenschaften des endothermen Gases zu verändern, erfordert eine Änderung der im Gasgenerator ablaufenden Reaktion. Unglücklicherweise können solche Änderungen noch nicht gänzlieh vorgenommen werden und die Ergebnisse solcher Änderungen können nicht vorhergesagt werden.

Die mit der Regelung der Aufkohlungsatmosphare verbundenen Probleme sind in weitem Umfang durch die Verwendung der Stickstoff-Methanol-Methode zur Erzeugung des Trägergases vermindert worden. Bei der Stickstoff-Methanol-Methode zur Erzeugung des Trägergases läuft die Reaktion, die das Trägergas erzeugt, innerhalb des

■*· Aufkohlungsofens ab, anstatt in einen externen Gasgenerator. Folglicherweise kann die Zusammensetzung des Trägergases gänzlich einfach durch Steuerung des Stickstof fanteiles in Gasform und des Methanolanteils in flüssiger Form, der in den Ofen eingespritzt wird, gesteuert werden. Ein Nachteil des Stickstoff-Methanol-Prozesses sind allerdings die Kosten, so daß die vermehrten Kosten zur Erzeugung des Trägergases durch den Stickstoff-Methanol-Prozeß einen Großteil der Kostenvorteile zunichte machen, die aus der im wesentlichen kontinuierlichen Produktion resultieren, die aufgrund der Haltebetriebsweise möglich ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Aufkohlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Aufkohlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 2 zu schaffen, die wenigstens einen der Nachteile der bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen

beseitigt.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 bzw. dos Anspruchs 2 gelöst.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Kosten ^° für die Aufkohlung wesentlich vermindert werden können.

Ein, weiterer Vorteil besteht darin, daß es möglich ist, sowohl die normale Betriebsweise als auch die Haltebetriebsweise anzuwenden, wobei zur Erzeugung des Träger-

gases entweder ein Gasgenerator für endothermes Gas oder der Stickstoff-Methanol-Prozeß angewendet werden kann, um den Wirkungsgrad der Aufkohlung zu optimieren.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die Kosten für die Herstellung des Trägergases mittels des Stickstoff-Methanol-Prozesses durch die Verwendung von hohen und niedrigen Fließgeschwindigkeiten des Trägergases während der verschiedenen Stufen des Auf-

• * ta <Λ

kohlungsprozesses reduziert werden können.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß eine Verbesserung der Steuerung bzw. Regelung der Zusammensetzung des Trägergases, das mittels der Stickstoff-Methanol-Methode hergestellt worden ist, insbesondere bei niedrigen Fließgeschwindigkeiten durch Verwendung eines mehrstufigen, abgestuften Steuersystems möglich ist.

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

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine Draufsicht auf eine typische Aufkohlungsvorrichtung in Form eines Aufkohlungsofens 10. Der Aufkohlungsofen 10 weist eine Beladekammer 12 mit zwei Sätzen von Türen 14 und 16 auf, die zur Aufnahme der Teilekästen vor dem Hineinschieben in den Aufkohlungsofen 10 vorgesehen sind. Der dargestellte Aufkohlungsofen 10 weist weiterhin vier Zonen 18, 20, 22 und 24 auf, die in der Figur zusätzlich mit Zone 1, Zone 2, Zone 3 und Zone 4 gekennzeichnet sind. Obwohl in der Zeichnung lediglich vier Zonen dargestellt sind, kann eine beliebige Anzahl von Zonen in Abhängigkeit vom Umfang des besonderen Aufkohlungsvorganges vorgesehen sein. Zusätzlich weist der Aufkohlungsofen 10 eine Entladekammer 26 mit zwei Paaren von Türen 28 und 30 auf, wobei die Entladekammer 26 zur Aufnähme der aufgekohlten Teile, die aus dem Aufkohlungsofen 10 kommen, vorgesehen ist. Eine Verweilkammer 32 mit einem Paar von Türen 34 dient als fünfte Zone, die zur weiteren Aufkohlung oder zum Abschrecken der aufgekohlten Teile bei Prozessen dient, die mehr Verfahrensschritte benötigen, als die normalerweise vorgesehenen vier Zonen 18, 20, 22 und 24 ausführen können. Ausströmrohre 35, 36, 38, die an der Entladekammer 26, der Verweilkammer 32 und der Beladekammer 12 vorgesehen sind,

sind jeweils mit einer nicht näher dargestellten Auslaßeinrichtung verbunden, die zur Abführung von Abgasen aus dem Aufkohlungsofen 10 dient- Da es wichtig ist, einen Überdruck innerhalb des Aufkohlungsofens 10 aufrechtzuerhalten, weist jedes der Ausströmrohre 35, 3 6 und 38 ein auf Druck ansprechendes, elastisch vorgespanntes Steuerorgan auf, das beispielsweise als Rückschlagplatte 40, 42 und 44 ausgebildet sein kann, die sich in Abhängigkeit vom Trägergasstrom und vom Druck im

IQ Aufkohlungsofen 10 verschieden weit öffnet, um die aufrechte Haltung eines Überdruckes im Aufkohlungsofen 10 selbst bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des Trägergases zu gewährleisten. Die Zonen 18, 20, 22 und 24 und 'die Verweilkammer 32 sind jeweils mit einem von fünf Einlaßrohren 46, 48, 50, 52 und· 54 versehen, die zum Einleiten der verschiedenen Gase oder des flüssigen Methanols dienen, die zur Herstellung der gewünschten Atmosphäre in den vier Zonen 18, 20, 22 und 24 und der Verweilkammer 32 dienen.

Eine Erzeugungseinrichtung 55 für endothermes Gas in Form eines Gasgenerators liefert endothermes Gas zu den vier Zonen 18, 20, 22, 24 und zur Verweilkammer 32 über fünf Gasleitungen 56, fünf Durchflußmesser 58 und fünf Durchfluß-Steuerorgane 60, die mit den Einlaßrohren 46, 48, 50, 52 und 54 über die Gasleitungen 56 verbunden sind. Eine Versorgungseinrichtung 62 zur Bereitstellung von Erdgas, die beispielsweise auch ein öffentlicher Erdgasanschluß sein kann, ist auch mit den Einlaßrohren 46, 48, 50, 52 und 54 über fünf Gasleitungen 64, fünf Durchflußmesser 66 und fünf Durchfluß-Steuerorgane 68 verbunden. Die Erzeugungseinrichtung für endothermes Gas und die Versorgungsleitung 62 für Erdgas erzeugen die Atmosphäre für den Aufkohlungsofen ίο, wenn ein normales Aufkohlungsverfahren durchgeführt werden soll.

Zusätzlich zum Gasgenerator 55 für endothermes Gas und

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der Versorgungseinrichtung 62 für Erdgas wird bei der normalen Aufkohlungsbetriebsweise eine Versorgungseinrichtung 70 für Methanol, die beispielsweise ein Tank oder ähnliches sein kann, und eine Versorgungseinrichtung 72 für Stickstoff, die beispielsweise ein Gaszylinder oder ähnliches sein kann, zur Herstellung der Atmosphäre für ein Stickstoff-Methanol-System vorgpMi*hrn. tinr. Stickstof.E-Methanol-Systnm weist eine erste Stufe einer Steuereinrichtung 92 mit einem Paar von Stickstoffdurchfluß-Steuerorganen 74 und 76 und einem Paar von Stickstoff-Durchflußmessern 78 und 80 auf. Die Steuerorgane 74 und 76 und die Durchflußmesser 78 und 80 steuern den gesamten Durchfluß von Stickstoff durch das System. Zusätzlich weist die Steuereinrichtung 92 ein Paar von Steuerorganen 82 und 84 auf, die mit einem Paar von Durchflußmessern 86 und zur Steuerung des Durchflusses von Methanol durch das System zusammenwirken. Die Steuerorgane 74, 82 und die Durchflußmesser 78,86 bilden eine Steuereinrichtung für einen Durchfluß mit hoher Geschwindigkeit während die Steuerorgane 76 und 84 und die Durchflußmesser 80 und 88 eine Steuereinrichtung für eine niedrige Geschwindigkeit des Durchflusses bilden. Da das Methanol in der Versorgungseinrichtung 7O in flüssiger Form vorliegt, muß es zu den SteuerOrganen 82 und 84 gepumpt oder auf andere Weise wie beispielsweise durch Schwerkraft gefördert werden; es hat sich jedoch herausgestellt, daß es günstig ist, die beispielsweise als Methanoltank ausgebildete Versorgungseinrichtung 70 unter Druck zu stellen, um das Methanol aus dem Methanoltank ohne die Notwendigkeit einer Pumpe oder einer Schwerkraftfördereinrichtung herauszudrücken. Die Druckbeaufschlagung wird mittels einer Druckregeleinrichtung 90 durchgeführt, die den Druck des Stickstoffes von der Versorgungseinrichtung 72 auf eine Höhe einregelt, die beispielsweise

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ungefähr 3 bar (40 lbf/in. ) sein kann, um das Methanol aus der beispielsweise als Methanoltank ausgebildeten Versorgungseinrichtung 70 mit einer gewünschten Ge-

* · ft

κ)

* schwindigkeit herauszufordern. Die Stickstoff- und Methanolabgabe der Steuerorgane 74, 76, 82 und 84 der ersten Steuerstufe 92 wird an eine zweite Steuerstufe 94 weitergeleitet, die als zweites Steuersystem zur Verteilung der Durchflußmenge von der ersten Steuerstufe 92 in die verschiedenen Zonen wirkt. Die zweite Steuerstufe 94 weist bei der dargestellten Ausführungsform zwanzig Steuerorgane und zwanzig Durchflußmesser auf, was bedeutet, daß je ein Steuerorgan und ein Durchflußmesser für jede der fünf Zonen einschließlich der Verweilkammer 32 des Aufkohlungsofens 10 jeweils für jedes der Steuerorgane 74, 76, 82 und 84 für den Durchfluß mit hoher Geschwindigkeit und den Durchfluß mit niedriger Geschwindigkeit des Stickstoffes bzw. des Methanols vorgesehen ist.

Bei der dargestellten Ausführungsform weist das Hochgeschwindigkeitsverteilungssystem für den Stickstoffdurchfluß fünf Durchflußmesser 96 und fünf Durchfluß-Steuerorgane 98 auf, die mit dem Ausgang der Stickstoff-Steuerorgane 74 verbunden sind und die die Ausflußmenge aus dem Hochgeschwindigkeits-Steuerorgan 74 zu einer geeigneten der fünf Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 über fünf Stickstoff-Verteilungsrohre 100 leitet, die mit den Einlaßrohren 46, 48, 50, 52 und 54 verbunden sind. Ein ähnlicher Satz von Durchflußmessern 10 2 und Durchfluß-Steuerorgan 104 dient zur Weiterleitung des Stickstoffes von den Steuerorganen 76 für niedrige Durchflußgeschwindigkeiten über die Stickstoff-Verteilungsrohre

100 zu den Zonen 18, 20, 22, 24 und 32.

Ein ähnliches System wird zur Steuerung der Methanolzufuhr zu den verschiedenen Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 verwendet. Ein Steuersystem für hohe Durchflußgeschwindigkeiten, das fünf Durchflußmesser 106 und fünf Durchflußj-Steuerorgane 108 aufweist, leitet flüssiges Methanol zu den verschiedenen Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 über fünf Methanolleitungen 110 gemäß der Einstellung der

• 1 verschiedenen Durchfluß-Steuerorgane 108. Die fünf Methanolleitungsrohre 110 sind auch mit den Einlaßrohren 46, 48, 50, 52 und 54 verbunden, um Methanol in die verschiedenen Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 einspritzen zu können. Ein ähnliches System mit fünf Durchflußmessern 112 und fünf Durchfluß-Steuerorgane 114 wird zur Weiterleitung von Methanol von den fünf Steuerorganen 84 für niedrige Durchflußgeschwindigkeiten zu den fünf Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 über die Methanolleitungsrohre 110 verwendet.

Die Steuerung des Stickstoff-Methanol-Systems kann von Hand durchgeführt werden bzw. die Regelung des Stickstoff-Methanol-Systems kann mittels einer Regeleinrichtung, vorzugsweise einer Mikrocomputer-Regeleinrichtung 116 vorgenommen werden, die die Arbeitsweise der verschiedenen Durchfluß-Steuerorgane 74, 76, 82, 84, 98, 104 und 114 entsprechend von Eingabedaten regelt, die mittels eines Dateneingabeterminals 118 eingegeben werden können. Weiterhin regelt die Regeleinrichtung die Ausgangsgrößen der verschiedenen Durchflußmesser 78, 80, 86, 88, 96, 102, 106 und 112 und die Ausgangsgrößen von einem oder mehreren Fühlern, wie beispielsweise den Fühlern 121, 123 und 125, die den Zustand der Atmosphäre in den verschiedenen Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 erfassen. Beispielsweise erfassen die Sensoren 121, 123 und 125 den Sauerstoffanteil in den Zonen 20, 22 und 24, da der Sauerstoffanteil ein Maß für den Kohlenstoffgehalt in der Atmosphäre innerhalb dieser Zonen 20, 22 und 24 ist. Da das Kohlenstoffpotential nicht nur durch den Sauerstoffgehalt bestimmt wird, sondern auch durch die Temperatur, wirken die Sauerstoff-Fühler 121, 123 und 12 5 mit nicht näher dargestellten Temperaturfühlern in jeder der Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 zusammen, _um das Mikroprozessor-Regelsystem 116 in die Lage zu versetzen, das Kohlenstoffpotential für verschiedene Betriebsbedingungen zu berechnen und den Zufluß von Erdgas und Methanol nachzuregeln, um das gewünschte Kohlen-

Stoffpotential zu erhalten, das zuvor in das Mikroprozessor-Regelsystem eingegeben worden ist.

Erfindungsgemäß kann der Aufkohlungsofen 10 sowohl als üblicher Aufkohlungsofen betrieben werden, der mit einer Erzeugungseinrichtung für endothermes Gas wie beispielsweise dem Gasgenerator 55 arbeitet. In dieser Betriebsweise sind verschiedene Steuerorgane, die den Zufluß von Methanol und Stickstoff aus den Versorgungeneinrichtungen 70 und 72 für Methanol und Stickstoff steuern, jeweils geschlossen. Bei der üblichen Aufkohlungsbetriebsweise unter Verwendung von endothermen Gas und Erdgas werden die Steuerorgane 60, die die Steuerung des endothermen Gases übernehmen, und die Steuerorgane 68, die den Zufluß von Erdgas steuern, beispielsweise von Hand oder mittels der Regeleinrichtung 116 so eingestellt, daß sie vorbestimmte Durchflußgeschwindigkeiten, wie sie mittels der Durchflußmesser 58 und 66 angezeigt werden, ermöglichen. Die verschiedenen Durchflußgeschwindigkeiten werden wie gewünscht eingestellt, um gewünschte Atmosphären in den verschiedenen Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 im Aufkohlungsofen IO herzustellen, übliche Durchflußgeschwindigkeiten für die Betriebsweise mit endothermen Gas, ausgedrückt in Durchflußmengen pro Zeiteinheit, sind beispielsweise 4,5 m /h (150 standard cubic feet per hour (s.c.f.h.)) für Zone 1, 6 m /h (200 s.c.f.h.) für Zone 2, 7,5 m³/h (250 s.c.f.h.) für Zone 3, 24 m³/h (800 s.c.f.h.) für Zone 4 und 1 m /h (300 s.c.f.h.) für

die Verweilkammer 32.
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Bei der Stickstoff-Methanol-Betriebsweise steuern die Steuerorgane 74 und 82 die Durchflußmenge von Stickstoff und Methanol zu den verschiedenen Zonen 18, 20, 22, und 32. Die verschiedenen Durchflußgeschwindigkeiten ausgedrückt in Durchflußmengrn, die von den .Steuerorganen 74 und 82 zu den Durchfluß-Steuerorganen 98 geliefert werden, sind annähernd dieselben wie die Durchflußmengen, die von der Erzeugungseinrichtung 55* für

endothermes Gas und der Versorgungsleitung 62 für Erdgas geliefert werden. Diese Werte stimmen mit bekannten Durchflußgeschwindigkeiten für Nitrogen-Methanolsysteme überein und gewährleisten eine zufriedenstellende Aufkohlung sowohl bei der normalen Aufkohlungs-Betriebsweise wie auch bei der mit herabgesetzten Temperaturen arbeitenden Aufkohlungsbetriebsweise, die im folgenden kurz mit Haltebetriebsweise bezeichnet wird.· Jedoch sind die Kosten aufgrund der Mengen an Methanol und

IQ Stickstoff, die bei einer solchen Aufkohlung verwendet werden, bei Aufkohlungen unter Verwendung des Stickstoff-Methanol-Systems bei derartigen Durchflußmengen relativ hoch verglichen mit den Kosten einer Aufkohlung unter Verwendung von endothermem Gas. Dementsprechend ist ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der Erfindung darin zu sehen, daß die Durchflußgeschwindigkeit bzw. Durchflußmenge des Trägergases bei Verwendung des Stickstoff-Methanol-Systems um ca. 40 bis 60% der Durchflußgeschwindigkeit des Durchflusses herabgesetzt werden kann, der üblicherweise bei Systemen mit einem Gasgenerator für endothermes Gas verwendet wird. Dies trifft insbesondere während des Übergangs von der normalen Betriebsweise zur Haltebetriebsweise der Aufkohlung, während des Überganges von der Haltebetriebsweise zur normalen Betriebsweise der Aufkohlung und während der normalen Aufkohlung zu, wenn die Türen 16, 28 und 30 geschlossen sind. Eine derartige Herabsetzung der Durchflußgeschwindigkeit vermindert wesentlich die Kosten zur Erzeugung der Aufkohlungsatmosphäre mittels der Stickstoff-Methanol-Methode und macht die Benutzung der Haltebetriebsweise während Ferienzeiten und während der Wochenenden besonders vorteilhaft.

Um die Vorteile des Steuersystems für hohe Durchflußgeschwindigkeiten und niedrige Durchflußgeschwindigkeiten ausnützen zu können, wird die Stellung der Türen 14, 30 und 34 mittels dreier Tastschalter 117, 119 und 120 für die Türstellung erfaßt. Diese drei Tastschalter 117,

119 und 120 für die Türstellung sind mit dem Mikroprozessor-Regelsystem 116 über Verbindungsleitungen 122, 124 und 126 verbunden und zeigen dem Mikroprozessor-Regelsystem 116 an, ob die Türen 14, 30 und 34 offen oder geschlossen sind. Bei dem erfindungsgemäßen System wird die Stellung der Türen, die mittels der Tastschalter 117, 119 und 120 erfaßt wird, zur Bestimmung benutzt, ob Stickstoff und Methanol den verschiedenen Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 mit hoher oder niedriger

IQ Durchflußgeschwindigkeit zugeführt wird. Beispielsweise werden jedesmal wenn ein Einschieben eines neuen Kastens in die Zone 1 ausgeführt wird und ein anderer Kasten aus der Zone 4 heraustritt, die Türen geöffnet, wodurch eine beträchtliche Menge der Aufkohlungsatmosphäre aus den verschiedenen Zonen, insbesondere den Zonen 1 und 4, entweichen kann. Um ein Absinken des Kohlenstoffpotentials der Aufkohlungsatmosphäre zu vermeiden, werden deshalb die Steuerorgane 84 und 76 für langsame Durchflußgeschwindigkoiten geschlossen und die Steuerorgane 74 und 82 für hohe Durchflußgeschwindigkeiten werden geöffnet, um sicherzustellen, daß der Anteil an Trägergas, der während des Hineinschiebens eines neuen Kastens entwichen ist, schnell wieder ergänzt wird. Die hohe Durchflußgeschwindigkeit wird dann für eine vorbestimmte Zeitspanne beibehalten, beispielsweise für 5 Minuten, bis ein Gleichgewicht in den verschiedenen Zonen hergestellt worden ist, ab dessen Zeitpunkt die Steuerorgane 74 und 82 geschlossen werden und die Steuerorgane 7 6 und 84 für niedrige Durchflußgeschwindigkeiten geöffnet werden. Die niedrige Durchflußgeschwindigkeit wird bis zum nächsten Hineinschieben eines weiteren Kastens beibehalten.

Es ist jedoch festgestellt worden, daß obwohl bei hohen Durchflußgeschwindigkeiten eine zufriedenstellende Aufkohlung erreichbar ist, bei niedrigen Durchflußgeschwindigkeiten die Aufkohlung nicht zufriedenstellend ist. Dementsprechende Nachforschungen ergaben, daß bei nied-

rigen Durchflußgeschwindigkeiten der Druck der Atmosphäre im Aufkohlungsofen niedrig war und daß die Energie zur Förderung des Gases in eine bestimmte Richtung ungenügend groß war. Dies hatte ein Vermischen der Gase zwischen den Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 zur Folge und hatte insbesondere zwischen den Zonen 2 und 3 einen Zustand zur Folge, der bei hohen Durchflußgeschwindigkeiten nicht entstand. Demgemäß wurde ein Kaskaden-Zwei-Stufen-Regelsystem entwickelt, das die Gase von der ersten Regelstufe 92 den entsprechenden Zonen präzise zuführt, um ein Vermischen der Gase zwischen den Zonen zu verhindern, wodurch der gewünschte Kohlenstoffanteil innerhalb jeder Zone ohne Berücksichtigung der Durchflußgeschwindigkeit aufrechterhalten werden kann.

Der Mikroprozessor hält den richtigen Kohlenstoffgehalt in jeder Zone 18, 20, 22, 24 und 32 durch Erfassen der Temperatur in den verschiedenen Zonen 18, 20, 22, und 32 ebenso wie durch Erfassen des gerade bestehenden Sauerstoffgehaltes aufrecht, wie er mittels der Sauerstoffühler 121, 123 und 125 gemessen wird. Der gemessene Sauerstoffgehalt wird dann mit einem eingegebenen Sauerstoffsollwert verglichen, der als Funktion der Temperatur verschieden groß ist, worauf die Stellung der Steuerorgan« 68 automatisch mittels des Mikroprozessors eingestellt wird, um den gewünschten Sauerstoffsollwert und damit den gewünschten Kohlenstoffgehalt zu erhalten.

Obwohl der Betrieb mit verminderten Durchflußgeschwindigkeiten zu verschiedenen Zeitpunkten während des Aufkohlungszyklus bei Verwendung der Stickstoff-Methanol-Methode wesentliche Kostenersparnisse bei der Aufkohlung verglichen mit Systemen, die mit normalen Stickstoff- und Methanolflußgeschwindigkeiten arbeiten, zur Folge hat, sind die Kosten der Aufkohlung bei Verwendung der Stickstoff-Methanol-Methode trotzdem höher, als wenn das normale Verfahren mit endothermen Gas angewendet wird. Dementsprechend wird auch bei dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfindungsgemäßen Aufkohlungsvorrichtung

das Stickstoff-Methanol-System nur verwendet, wenn dies absolut notwendig ist, was nur während der Haltebetriebsweise und während dem Übergang zwischen der normalen zur Haltebetriebsweise der Aufkohlung zutrifft. Bei einer normalen Aufkohlung wird die Erzeugungseinrichtung für endothermes Gas verwendet, um die Aufkohlungsatmosphä re herzustellen.

Da die Verwendung des Stickstoff-Methanol-Systems zur Erzeugung des Trägergases nur während des Überganges von der normalen zur Haltebetriebsweise der Aufkohlung nötig ist, wobei die Haltebetriebsweise vor und nach Wochenenden und Ferienzeiten eingestellt wird, ist während normaler Arbeitswochen eine Betriebsweise mit Stickstoff und Methanol nur an Montagen und Freitagen nötig. Folglicherweise ist die erfindungsgemäße Vorrichtung während einer üblichen Woche so ausgelegt, daß an den Tagen Dienstag, Mittwoch und Donnerstag Gas aus dem Gasgenerator 55 für endothermes Gas verwendet wird, während Stickstoff und Methanol an Montagen und Freitagen zur i Anwendung kommt. Daher würde während einer typischen Woche das System mit endothermem Gas aus dem Gasgenerator 55 betrieben, so daß während der Mitte der Woche eine normale Aufkohlung stattfindet. Am Freitag würde die Vorrichtung als Stickstoff-Methanol-System mit Computerregelung betrieben, wobei das System von hohen Durchflußgeschwindigkeiten auf niedrige Durchflußgeschwindigkeiten umgeschaltet werden, wie sie in Abhängigkeit von der Stellung der Türen 14, 30 und möglicherweise 34 erforderlich sind. Kurz vor Schichtende am Freitag wird die Temperatur im Aufkohlungsofen niedriger eingestellt und die notwendigen Korrekturen des Kohlenstoffgehaltes in den verschiedenen Zonen 18, 20, 22, 24 und 32 werden mittels der ersten Steuerstufe und mittels der verschiedenen Steuerorgane in der zweiten JSteuerstufe 94 des Regelsystems vorgenommen. Wenn die Temperatur um ein genügend großes Maß vermindert worden ist, um das Aufkohlungsverfahren in Gang zu hai-

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ten, werden die Methanol-Steuerorgane 82 und 84 geschlossen und der Aufkohlungsofen 10 wird mit einer Stickstoffatmosphäre über eines der Stickstoff-Steuerorgane, typischerweise die Steuerorgane 74 und die mit diesen zusammenwirkenden Steuerorgane 98 gefüllt.

Im Anschluß an die Haltebetriebsweise der Aufkohlung wird üblicherweise am darauffolgenden Montag die Temperatur des Aufkohlungsofens 10 schrittweise erhöht und Methanol wird ebenso wie Stickstoff in verschiedenen Mengen in den Aufkohlungsofen 10 eingeleitet, um das benötigte Kohlenstoffpotential in jeder Zone 18, 20, 22, 24 und 32 zu erhalten. Sind die normalen Bedingungen für die Aufkohlung erreicht, werden die Stickstoff- und Methanolsteuerorgane geschlossen und die Steuerorgane für das endotherme Gas werden geöffnet, wodurch ein Ablauf eines normalen Aufkohlungsverfahrens ermöglicht wird.

Claims

Patentansprüche

Iy Verfahren zur Steuerung der Zusammensetzung der Atmosphäre in einem Mehrzonen-Aufkohlungsofen, dadurch gekennzeichnet, daß

eine Kaskaden-Steuereinrichtung mit ersten und zweiten Bereichen vorgesehen wird, wobei der erste Bereich mit einer Erzeugungseinrichtung für Stickstoff und einer Erzeugungseinrichtung für Methanol und einem zweiten Bereich zu dessen Versorgung mit Stickstoff und Methanol verbunden wird,

der erste Bereich der abgestuften Steuereinrichtung zur Steuerung des Volumens des Stickstoff- und Methanolflusses zum Aufkohlungsofen verwendet wird, und

die zweite Stufe der Steuereinrichtung zur Verteilung des Stickstoff- und Methanolflusses vom ersten Bereich zu verschiedenen Zonen im Aufkohlungsofen verwendet wird.
2. Vorrichtung zur Aufkohlung mit einem Mehrzonen-Aufkohlungsofen und einer Versorgungseinrichtung zur Versorgung der verschiedenen Zonen mit Stickstoff und Methanol, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Steuereinrichtung zur Steuerung der Fließgeschwindigkeit von Stickstoff und Methanol in den Aufkohlungsofen (10) vorgesehen ist, wobei die erste

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Steuereinrichtung eine Einrichtung für hohe Fließgeschwindigkeiten zum Aufkohlungsofen (10) und für niedrige Pließgeschwindigkeiten zum Aufkohlungsofen (10) aufweist, und daß eine zweite Steuereinrichtung vorgesehen ist, die mit der ersten Steuereinrichtung zur Verteilung des Stickstoffes und des Methanols zu den verschiedenen Zonen (18, 20, 22, 24, 32) des Aufkohlungsofens (10) in variablen Anteilen zusammenwirkt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, die zur Erzielung vorbestimmter Werte von vorbestimmten Betriebsparametern auf die vorbestimmten Betriebsparameter der verschiedenen Zonen(18, 20, 22, 24, und 32) zur Änderung der zu den versd-iiedenen Zonen (18, 20, 22, 24, 32) hingeleiteten Anteile an Stickstoff und Methanol anspricht.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Einrichtung aufweist, die auf den Sauerstoffgehalt in den verschiedenen Zonen (18, 20, 22, 24, 32) des Aufkohlungsofens (10) anspricht und daß Versorgungseinrichtungen zur Lieferung verschiedener Mengen an Erdgas oder Methan zu den Zonen (18, 20, 22, 24, 32) vorgesehen sind, so daß vorbestimmte Kohlenstoffanteile innerhalb dieser Zonen (18, 20, 22, 24, 32) einstellbar sind.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung auch auf die Temperatur in den verschiedenen Zonen (18, 20, 22, 24, 32) anspricht.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufkohlungsofen (10) einen er-

^5 sten Satz Türen (14, 16) zur Aufnahme von aufzukohlenden Komponenten und einen zweiten Satz von Türen (28, 30) zum Ausstoß der aufgekohlten Komponenten aufweist, wobei die erste Steuereinrichtung eine Einrichtung (Tast-

schalter 117, 118, 120) aufweist, die auf die Stellung der Türen (14, 16, 28, 30) zur Einstellung hoher Fließgeschwindigkeiten bei geöffneten Türen und niedrigen Fließgeschwindigkeiten bei geschlossenen Türen anspricht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung eine Einrichtung zur Aufrechterhaltung hoher Fließgeschwindigkeiten für eine vorbestimmte Zeitspanne im Anschluß an das Schließen der Türen (14, 16, 28, 30) aufweist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erzeugungseinrichtung (Gasgenerator 55) zur Erzeugung von endothermem Gas und daß eine mit der Erzeugungseinrichtung (Gasgenerator 55) zusammenwirkende Wähleinrichtung zur Versorgung der verschiedenen Zonen (18, 20, 22, 24, 32) sowohl mit Stickstoff als auch mit Methanol vorgesehen sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Temperatursteuereinrichtung vorgesehen ist, die mit der Steuereinrichtung zur Steuerung der Fließgeschwindigkeit zur allmählichen Verminderung der Temperatur des Aufkohlungsofens (10) bis zu einem Wert, bei dem eine Aufkohlung ablaufen kann, zusammenwirkt und die nur Stickstoff zu den verschiedenen Zonen (18, 20, 22, 24 und 32) leitet, wenn die Temperatur unter einen Wert abgesenkt worden ist, an dem eine Aufkohlung ablaufen kann.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatursteuereinrichtung eine Einrichtung zum schrittweisen Erhöhen der Temperatur innerhalb der Zonen (18, 20, 22, 24 und 32) bis zu einer Temperatur aufweist, bei. der eine Aufkohlung ablaufen kann und die Methanol dem Aufkohlungsofen (10) zuführt, wenn die Temperatur bis auf einen Wert gesteigert worden ist, an dem eine

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Aufkohlung ablaufen kann.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Steuereinrich-

p- tung (92 bzw. 94) abgestuft verbunden sind, wobei die erste Steuereinrichtung (92) Stickstoff und Methanol zur zweiten Steuereinrichtung (94) leitet.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch jQ gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung (92)

ein erstes Stickstoff-Durchfluß-Steuerorgan (74) und ein erstes Methanol-Durchfluß-Steuerorgan (82) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Steuereinrichtung (92) ein zweites Stickstoff-Durchfluß-Steuerorgan (76) und ein zweites Methanol-Durchfluß-Steuerorgan (84) aufweist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuereinrichtung (94) eine Mehrzahl von ersten Stickstoff-Durchfluß-Steuerorganen (98) aufweist, die jeweils mit dem ersten Stickstoff-Durchfluß-Steuerorgan (74) der ersten Steuereinrichtung (92) und mit einer der Zonen (18, 20, 22, 24 und 32) verbunden sind, und daß die zweite Steuereinrichtung (94) eine Mehrzahl von ersten Methanol-Durchfluß-Steuerorganen (108) aufweist, die jeweils mit dem ersten Methanol-Durchfluß-Steuerorgan (82) der ersten Steuereinrichtung (92) und mit einer der Zonen (18, 20, 22, 24 und 32) verbunden sind.
15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Steuereinrichtung (94) eine Mehrzahl von ersten Stickstoff-Durchfluß-Steuerorganen (98) aufweist, die jeweils mit dem ersten Stickstoff-Durchfluß-Steuerorgan (74) der ersten Steuereinrichtung (92) und mit einer der Zonen (18, 20, 22, und 32) verbunden sind, und daß die zweite Steuerein-

richtung (94) weiterhin eine Mehrzahl von ersten Methanol-Durchfluß-Steuerorganen (108) aufweist, die jeweils mit dem ersten Methanol-Durchfluß-Steuerorgan (82) der ersten Steuereinrichtung (92) und mit einer der Zonen (18, 20, 22, 24 und 32) verbunden sind, und daß die zweite Steuereinrichtung (94) weiterhin eine Mehrzahl von zweiten Stickstoff-Durchfluß-Steuerorganen (104) aufweist, die mit dem zweiten Stickstoff-Durchfluß-Steuerorgan (76) der ersten Steuereinrichtung (92) und mit einer der Zonen (18, 20, 22, 24 und 32) verbunden sind, und daß die zweite Steuereinrichtung (94) weiterhin eine Mehrzahl von zweiten Methanol-Durchfluß-Steuerorganen (114) aufweist, die jeweils mit dem zweiten Methanol-Durchfluß-Steuerorgan (84) der ersten Steuereinrichtung (92) und mit einer der Zonen (18, 20, 22, 24, 32) verbunden sind.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auslaßeinrichtung vorgesehen ist, die mit dem Aufkohlungsofen (10) zum Herausleiten von Abgasen aus dem Aufkohlungsofen (10) verbunden ist, wobei die Auslaßeinrichtung ein druckempfindliches Steuerorgan (Rückschlagplatte 40, 42, 44) aufweist, das auf den Druck der Atmosphäre innerhalb des Aufkohlungsofen (10) zur Änderung des Durchflusses durch die Auslaßeinrichtung und zum Aufrechterhalten eines Überdrucks innerhalb des Aufkohlungsofens (10) anspricht.