DE3320608A1

DE3320608A1 - Method of determining the carbon level and probe for carrying out the method

Info

Publication number: DE3320608A1
Application number: DE19833320608
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Hanzlik
Original assignee: PROGRAMMELECTRONIC ENG AG
Current assignee: PROGRAMMELECTRONIC ENG AG
Priority date: 1982-07-22
Filing date: 1983-06-08
Publication date: 1984-01-26
Also published as: CH659525A5

Abstract

In order to make it possible to determine the carbon level in gas carburisation plants by means of short partial-pressure measuring probes and prevent soot depositing on the probe at the same time, it is proposed to mount the probe (1) at a measuring point outside the reaction chamber (3). To prevent soot deposition, the measuring point zone is heated (13) above the reaction chamber temperature in a line (9) connecting the reaction chamber (3) to the atmosphere, and the escaping carburisation gas is consequently burnt off without an additional burner simply by spontaneous ignition. <IMAGE>

Description

Verfahren zur Bestimmung des Kohlenstoffpegels und SondeMethod for determining the carbon level and probe

zur Ausführung des Verfahrens Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Kohlenstoffpegels und des Diffusionsgrades an Gasaufkohlungsanlagen mittels mindestens einer Partialdruck-Messonde im Kohlungsgas sowie eine Sonde zur Ausführung des Verfahrens.for carrying out the method The present invention relates to a Method for determining the carbon level and the degree of diffusion in gas carburizing systems by means of at least one partial pressure measuring probe in the carbon gas and a probe for Execution of the procedure.

Der Kohlenstoffpegel im Kohlungsgas von Gasaufkohlungsanlagen wurde bislang durch Analyse einer Gaskomponente des Wasserstoffgas-Gleichgewichtes, wie z.B. Kohlendioxic, oder des Tal?nunktes bestimmt, wobei diese Werte mittels Tabellen einem Kohlenstoffpegel zugeordnet wurden.The carbon level in the carburizing gas from gas carburizing plants has been so far by analyzing a gas component of the hydrogen gas equilibrium, such as e.g. carbon dioxide, or the valley point determined, these values using tables assigned to a carbon level.

In neuerer Zeit werden diese Messverfahren durch den Einsatz von Sauerstoffpartial-Druckmessonden ersetzt, die genauere und reproduzierbarere Resultate liefern. Um aber solche Sonden einzusetzen, müssen diese, um direkt am entscheidenden Ort der Anlage messen zu könneN eine Länge von 0,7 bis 1,5 m aufweisen. Daraus ergibt sich, dass solche Sonden, z.B. aus Zirkonoxid mit Platinableitelektroden, unverhältnisinässig teuer sind, da über die gesamte Länge Platinleitungen benützt werden und das Aufbringen der Platinableitelektroden am meist einseitig geschlossenen Zirkonoxidrohr einen grossen technischen Aufwand erfordert.In more recent times, these measuring methods have been made possible through the use of oxygen partial pressure measuring probes that deliver more accurate and reproducible results. But about such probes must be used in order to measure directly at the crucial point in the system can have a length of 0.7 to 1.5 m. It follows that such probes, e.g. made of zirconium oxide with platinum discharge electrodes, are disproportionately expensive, because platinum lines are used over the entire length and the application of the Platinum discharge electrodes on the zirconium oxide tube, which is usually closed on one side, have a large one requires technical effort.

Des weiteren ist die derzeitige Lebenserwartung derartiger Sonden bei einigen Monaten anzusetzen, so dass der häufige Austausch zusätzliche Kosten bewirkt.Furthermore, the current life expectancy of such probes to be set for a few months, so that the frequent replacement additional costs causes.

Ebenso ist es bislang praktisch unmöglich, derartige Sonden bei Topföfen bzw. Retortenöfen einzusetzen, da hier die Sonde durch den abnehmbaren Deckel des Ofens installiert werden muss, der bei jeder Chargierung abgehoben wird, wobei der resultierende Temperaturschock sowie mechanische Stösse die Sonden oft zerstören.It has also been practically impossible to date to use such probes in pot ovens or retort furnaces, as here the probe is pushed through the removable cover of the Furnace must be installed, which is lifted off with each batch, whereby the The resulting temperature shock and mechanical shocks often destroy the probes.

Die vorliegende Erfindung setzt sich zum Ziel, ein Messverfahren eingangs genannter Art zu schaffen, wodurch wesentlich kostengünstigere Sonden eingesetzt werden können.The aim of the present invention is to provide a measurement method at the outset of the type mentioned, whereby much cheaper probes are used can be.

Dies wird durch ein Verfahren erreicht, das sich nach dem Wortlaut des Anspruchs 1 auszeichnet.This is achieved through a process that differs according to the wording of claim 1 is characterized.

Eine Sonde zur Ausführung des Verfahrens zeichnet sich nach dem Wortlaut des Anspruchs 4 aus.A probe for carrying out the method is characterized by the wording of claim 4 from.

Der Zusammenhang der Reaktionsgleichgewichte zum Sauerstoffpartialdruck lässt sich mit folgenden Gleichungen generell beschreiben: Die Zuordnung einer Teilkomponente erfolgt beispielsweise nach CO + H2 = H 20 + C oder anderen Gleichungen mit Kohlenstoff und den obigen Teilkomponenten.The relationship between the reaction equilibria and the partial pressure of oxygen can generally be described using the following equations: A sub-component is assigned, for example, according to CO + H2 = H 20 + C or other equations with carbon and the above sub-components.

Aus diesen Gleichungen geht hervor, dass die Gleichgewichtskonstanten eine Funktion der Temperatur sind. Aus diesem Grund wurde bisher mit verlangen Sonden in der Nähe der Charge isotherm mit derselben gemessen, um Verfälschungen aufgrund von Temperaturunterschieden zu eliminieren.From these equations it can be seen that the equilibrium constants are a function of temperature. For this reason it has previously been used with require probes in the vicinity of the batch isothermally measured with the same due to adulteration to eliminate temperature differences.

Dem Aufkohlungsofen werden nun stetig Gase oder Flüssigkeiten, sog. Kohlungsmittel, zugeführt, um das Angebot an Kohlenstoff, das durch die Charge angenommen wird, aufrecht zu erhalten. Die zugeführten Medien erfahren eine Volumendehnung im Reaktionsraum, so dass darin der Druck auf einen gewünschten Wert ansteigt. Ein weiteres Ansteigen wird durch eine Ausströmöffnung verhindert, durch welche überschüssiges Gas ausstrdmt, das am Ende einer Ausströmleitung als atmosphrische Flamme von einem Sicherheitsbrenner angesteckt und abgeflammt wird.Gases or liquids, so-called Carburizing agents, supplied to the supply of carbon that is accepted by the batch will maintain. The supplied media experience an expansion in volume in the reaction space, so that the pressure therein rises to a desired value. A further increase is prevented by an outflow opening through which excess Gas escapes at the end of an exhaust line as an atmospheric flame from a Safety burner is plugged in and flamed.

Die Erfindung wird nun anschliessend anhand zweier schematischer Figuren dargestellt.The invention will now be explained below with reference to two schematic figures shown.

Es zeigen: Fig. 1 die schematische Anordnung einer Messonde gemäss dem erfindungsgemässen Verfahren, Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch eine Sonde zur Ausführung des Verfahrens.They show: FIG. 1 the schematic arrangement of a measuring probe according to FIG the inventive method, Fig. 2 is a partial cross section a probe to carry out the procedure.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird eine Messonde 1 ausserhalb des teaktionsraumes 3 des schematisch dargestellten Ofens 5 an einer Messstelle 7 angeordnet, die mit dem Reaktionsraum des Ofens über eine Leitung 9 verbunden ist, wobei die Messstelle 7 unmittelbar am Ende 11 der Leitung 9 angeordnet ist, d.h. bei deren Einmündung in die Umgebungsatmosphäre. Mit einem Heizorgan 13 wird die Messstelle 7 auf eine Temperatur, die höher ist als diejenige im Reaktionsraum 3, aufgeheizt. Dabei kann das Heizelement 13, wie in Fig. 1 dargestellt, von der Sonde 1 getrennt, vorgesehen sein, oder, wie in Fig. 2 dargestellt, als integriertes Element 13a. Als Leitung 9 kann dabei eine ohnehin bestehende Ueberdruck leitung des Ofens verwendet werden.As shown in Fig. 1, a measuring probe 1 is outside the operation room 3 of the furnace 5 shown schematically at a measuring point 7, which is connected to the reaction chamber of the furnace via a line 9, the Measuring point 7 is arranged directly at the end 11 of the line 9, i.e. at its Confluence with the surrounding atmosphere. With a heating element 13, the measuring point 7 to a temperature which is higher than that in the reaction chamber 3, heated. The heating element 13, as shown in Fig. 1, can be separated from the probe 1, be provided, or, as shown in Fig. 2, as an integrated element 13a. An already existing overpressure line of the furnace can be used as the line 9 will.

Da üblicherweise an der vorgesehenen Messstelle eine niedrigere Gastemperatur herschtals im Reaktionsraum 3 und durch die oben beschriebene Rinetik sich ein labiles Gleichgewicht eingestellt hat, das bei der Anwesenheit einer Platinelektrode durch den katalythischen Vorgang in ein stabiles Gleichgewicht übergeführt wird und so.Since usually a lower gas temperature at the intended measuring point In the reaction chamber 3 and due to the rinetics described above, there is an unstable one Equilibrium has been established in the presence of a platinum electrode the catalythic process is brought into a stable equilibrium and so on.

eine Erhöhung der Kohlenstoffaktivität verursacht, die grösser als ac = 1 wird, würde ohne Vorsehen des Heizelementes 13 an der Sonde, üblicherweise wie in Fig. 2 dargestellt, mit Platin-Ableitelektroden 15; 1Sa versehen, Russ ausfallen, was eine Fehlmessung nach sich ziehen würde. Deshalb ist erfindungsgemäss die Sonde 1 selbst mit einer Heizung 13a versehen, oder ein separates Heizelement 13 im unmittelbaren Bereich der Sonde, d.h. an der Meßstelle 7 vorgesehen. Durch den höheren Druck im Reaktionsraum strömen Gase durch die Leitung 9 zur Messstelle 7, werden dort auf eine Temperatur, die höher ist als diejenige im Reaktionsraum 3, aufgeheizt, und .rorzugsweise durch eine Sauerstoffpartial-Drucksonde 1 analysiert. Beim anschliessenden Austritt in die Umgebungsatmosphäre werden die Gase gezündet oder entzünden sich selbst an der Temperaturoberfläche der Austrittsöffnung.causes an increase in carbon activity greater than ac = 1, would without the provision of the heating element 13 on the probe, usually as shown in FIG. 2, with platinum discharge electrodes 15; 1Sa provided, soot fall out, which would result in an incorrect measurement. Therefore, according to the invention, the probe 1 itself is provided with a heater 13a, or a separate heating element 13 in the immediate vicinity Area of the probe, i.e. provided at measuring point 7. Due to the higher pressure in the Reaction space If gases flow through line 9 to measuring point 7, they are brought to a temperature which is higher than that in the reaction chamber 3, heated, and .ror preferably through an oxygen partial pressure probe 1 analyzed. With the subsequent exit in the surrounding atmosphere will ignite the gases or ignite themselves at the Temperature surface of the outlet opening.

Eine besondere Vorkehrung zur Vermeidung oder Beseitigung von Russ an der Sonde ist hier nicht notwendig, da bei entsprechender Wahl der Messstellentemperatur an der Sonde keinesfalls Russ auftreten kann, auch dann nicht, wenn durch einen Regelfehler der Ofen Russ abscheiden sollte.A special precaution to prevent or eliminate soot on the probe is not necessary here, since the measuring point temperature is selected accordingly Soot cannot under any circumstances occur on the probe, not even if it is caused by a Standard error the furnace should deposit soot.

Die von der Sonde 1 abgegebene elektromotorische Kraft kann dann bei bekannter Thermodynamik, unter Umständen unter Verwendung eines Rechners in einen dem Kohlenstoffpegel der Charge aequivalenten Wert umgerechnet werden. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, alle Cesamtaufkohlungsanlagen problemlos und kostengünstig mit Messonden 1 auszurüsten. Die besonderen Vorteile der Erfindung liegen darin, dass die Herstellung der Sonde 1 wesentlich kostengünstiger durchgeführt werden kann als bis anhin. Sie kann wesentlich kleiner, vorzugsweise mit einem Volumen des messaktiven Teils von weniger als 15 cm ausgeführt werden, als dies bislang möglich war,was sowohl durch Dimensionsreduktion des Ionenleiters, vorzugsweise Zirkonoxid, wie auch der Platinelektroden und deren Applikation drastische Preisreduktionen nach sich zieht.The electromotive force emitted by the probe 1 can then be at known thermodynamics, possibly using a computer in a converted to a value equivalent to the carbon level of the batch. With this Construction it is possible to use all carburizing systems easily and inexpensively to be equipped with measuring probes 1. The particular advantages of the invention are that the production of the probe 1 can be carried out much more cost-effectively can than so far. They can be much smaller, preferably with a volume of the active measuring part of less than 15 cm can be carried out than before was possible, both by reducing the dimensions of the ion conductor, preferably Zirconium oxide, as well as the platinum electrodes and their application, drastic price reductions entails.

Diese drastische Preisreduktion für die verwendbaren Sonden ermöglicht es nun bei grösseren Oefen gleichzeitig mehrere Messstellen zu betreiben. Die Lebensdauer der Sonden wird durch das Betreiben auf höheren Temperaturen als die im Reaktionsraum herrschenden wesentlich erhöht, da die Sauerstoffaktivität grösser, dadurch die Kohlenstoffaktivität geringer wird, und die zerstörerische Wirkung der Kohlenstoffaktivität auf die Grenzschicht des Platin/Zirkonoxidüberganges der Sonde sowie die Einlagerung von festem Kohlenstoff im Platin, der zur Brüchigkeit, Verflüchtigung und schliesslich zum Defekt der Sonde führt, stark reduziert werden. Ein sehr wesentlicher Aspekt der Erfindung ist es weiter, dass dieselbe Heizvorrichtung 13, 13a bei Verwendung von Zirkonoxid als Ionenleiter letzteren aktiviert, zudem Russniederschlag verhindert und zur Zündung des abzufackelnden, in die Umgebungsatmosphäre ausretenden Gases dient.This enables a drastic price reduction for the probes that can be used to operate several measuring points at the same time in larger furnaces. The lifespan the probes are operated at higher temperatures than those in the reaction chamber prevailing significantly increased, since the oxygen activity is greater, thereby the Carbon activity becomes lower, and the destructive effect of carbon activity on the boundary layer of the platinum / zirconium oxide transition of the probe and the inclusion of solid carbon in platinum, which leads to brittleness, volatilization and ultimately leads to a defect in the probe, can be greatly reduced. A very important aspect of the invention it is further that the same heating device 13, 13a when using The latter is activated by zirconium oxide as an ion conductor, and also prevents soot deposits and to ignite the gas to be flared and released into the ambient atmosphere serves.

Schliesslich sei die einfache Austauschbarkeit sowie die einfache Lagerhaltung von Ersatzsonden erwähnt. Die erwähnte Möglichkeit, die Beheizung der Sonde als Zündquelle für die Abfacklung des CO- und H2-haltigen Gases zu benutzen, lässt eine teure Zündsicherung, die ansonsten notwendig wäre, entfallen und somit weitere Kosten sparen.Finally, the simple interchangeability as well as the simple Storage of replacement probes mentioned. The mentioned possibility of heating the To use the probe as an ignition source for the flaring of the CO and H2-containing gas, an expensive ignition fuse, which would otherwise be necessary, is omitted and thus save further costs.

Die kleinen mechanischen Abmessungen der Sonde schliessen eine Zerstörung durch Vibration oder Schock im wesentlichen aus und ermöglichen den Einsatz auch bei Topf- und Retortenöfen sowie bei kleinen Ofeneinheiten.The small mechanical dimensions of the probe make it impossible to destroy it by vibration or shock and also enable their use in pot and retort ovens as well as in small oven units.

Wie Fig. 2 zeigt, umfasst die Sonde einen Festkörper-Ionenleiter 17, vorzugsweise aus Zirkonoxid, beispielsweise in Form eines einseitig geschlossenen Rohres.As FIG. 2 shows, the probe comprises a solid-state ion conductor 17, preferably made of zirconium oxide, for example in the form of a one-sided closed Pipe.

Beidseitig sind Platin-Abgriffelektroden 15a; 15 am Ionenleiter vorgesehen, der in seinem Inneren luftdicht gegen die Umgebungsatmosphäre abgeschlossen, ein Referenzmedium, vorzugsweise ein Referenzgas, enthält. Zur einfachen Montage der Sonde ist sie mit einem Gewindeteil 19 verseher so dass sie ohne weiteres in einen entsprechenden Gewindeteill9a an der Messstelle 7 (Fig. 1) eingeschraubt werden kann. Wie in Fig. 2 gezeigt, umfasst die Sonde weiter ein zum Festkörper-Ionenleiter koaxial angeordnetes Heizelement 13a.On both sides are platinum pick-off electrodes 15a; 15 provided on the ion conductor, which is hermetically sealed inside from the ambient atmosphere Reference medium, preferably a reference gas, contains. For easy assembly of the Probe is provided with a threaded part 19 so that they can easily be in a corresponding thread part 9a at the measuring point 7 (Fig. 1) are screwed can. As shown in FIG. 2, the probe further comprises a solid-state ion guide coaxially arranged heating element 13a.

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Claims

Claims: 1. Method for determining the carbon level and the degree of diffusion in gas carburizing systems by means of at least one partial pressure measuring probe in the raw gas, characterized in that a) the probe outside the reaction chamber attaches to a measuring point, which is connected by a on the other hand, the line opening into the air atmosphere is connected to the reaction space is, b) heats the measuring point area above the reaction chamber temperature, to the soot deposit connection at the probe.

2. The method according to claim 1, characterized in that the Measuring point in the immediate area of the line outlet into the air atmosphere provides and makes the heating so that when the carbon gas escapes in the air atmosphere self-ignition occurs.

3. The method according to claim 1, characterized in that as Line used an overpressure line provided anyway.

4. probe for performing the method according to claim 1, with a Solid-state ion conductor that separates the measurement atmosphere from a reference atmosphere, with discharge electrodes on both sides of the ion conductor, characterized in that the the active part of the probe does not take up more than 15 cm3.

5. Probe according to claim 4, characterized in that a heating element is integrated in the probe.

6. Probe according to claim 4 or 5, characterized in that the Ion conductor is zirconium oxide and that the heating is simultaneous with the activation of the Zirconium oxide, the soot precipitation prevention and the flaring is used.

7. Probe according to claim 4, characterized in that it is with a Threaded part is provided for their attachment.