DE3347145A1 - Verfahren und anordnung zur aufkohlung der randschichten metallischer werkstuecke - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren mit Anordnung
• zur Aufkohlung der Randschichten metallischer Werkstücke durch ein als Kohlenstoffträger dienendes Aufkohlungsgas zum Zwecke der Oberflächenhärtung, bei dem die Werkstücke in einem Ofen auf Kohlungstemperatur erwärmt und vom Aufkohlungsgas umströmt werden, mit Taktzeiten insbesondere zum Chargieren der Werkstücke.
• Bekannte Verfahren und Anordnungen dieser Art sind vornehmlich in Stoßöfen verwirklicht und arbeiten über die gesamte Aufkohlungsdauer mit einer etwa gleichbleibenden zur Erhaltung einer ausreichenden Ofenatmosphäre während der Ofentaktzeiten erforderlichen maximalen Zufuhr von Aufkohlungsgas, wobei die während der taktzeitlosen Aufkohlungsphasen an sich nicht benötigte Gasmenge über eine Ofenrückleitung abgefackelt wird. Der Gasverbrauch solcher Anlagen ist entsprechend hoch.
• Aufgabe der Erfindung ist es, den Verbrauch von Aufkohlungsgas zu senken und das Verfahren wirtschaftlicher zu gestalten.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß während der taktzeitlosen Aufkohlungsphasen die Zufuhr von Aufkohlungsgas in den Ofen herabgesetzt wird, wobei die Herabsetzung der Aufkohlungsgasmenge vorteilhaft etwa 4/5 beträgt. Zweckmäßig können hierbei zyklische Gasmengenwechsel des dem Ofen zugeführten Aufkohlungsgases zwischen einem Maximalwert beim Takten (Chargieren, Abschrecken) -und einem Minimalwert außerhalb der Taktzeiten zur Anwendung kommen. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird bei konstantem Kohlenstoffpegel eine Einsparung an Aufkohlungsgas von rund 70 % erzielt.
• Unabhängig von den zyklischen Gasmengenwechseln wird die Ofenatmosphäre in an sich bekannter Weise ständig analysiert und über eine Reqelvorrichtunq in eine Zusatzversorgungsleitung bedarfsweise Regelgas der Ofenatmosphäre zugemischt. Auch hier ist eine Reduzierung des Regelgasverbrauchs um ca. 50 % erreichbar.
• Weitere Einzelheiten und Vorteile des Verfahrens und seiner Anordnung ergeben sich aus den Unteransprüchen und anhand eines Ausführungsbeispieles, welches in der Zeichnung dargestellt und anschließend näher erläutert ist.
• Es zeigen: Fig. 1 einen Stoßofen schematisch im Längsschnitt einschließlich der Versorgungseinrichtungen.
• Fig. 2 ein Schaubild über die Aufkohlungsgasversorgung des Stoßofens während des Aufkohlungsprozesses Der auf dem Fundament 1 verankerte allgemein mit 2 bezeichnete Stoßofen besteht im wesentlichen aus einem Ofenmantel 3 mit einer feuerfesten Auskleidung 4 und einer im Ofenraum 5 befindlichen Transporteinrichtung 6, die aus einer Schienenführung für den Transport des Härtegutes 7 gebildet ist.
• Durch den etwa acht Meter langen Stoßofen werden zwölf Roste transportiert, auf denen sich das Härtegut 7 befindet. Es handelt sich hierbei um Gelenknaben.
• Mit 8 ist eine oberhalb und unterhalb des Härtegutes angeordnete indirekte Ofenheizung bezeichnet, bestehend aus einer Vielzahl einzelner Stahlrohre mit zonenweiser unterschedlicher Temperaturverteilung zwischen etwa 8000 und 9500 C. Die Roste mit dem Härtegut 7 werden von einem außerhalb des Ofens befindlichen Transportband 9 über eine Eingangsschleuse 10 dem Ofenraum 5 taktweise zugeführt, nachdem vorher jeweils durch Entladung eines Rostes am Ende des Ofens über eine Ausgangsschleuse 11 der erforderliche Platz für die Beschickung geschaffen wurde.
• Schleusen- und Ofenraum sind jeweils durch eine heb- und senkbare Schleusentür 10' und 11' bzw. eine heb- und senkbare Ofenraumtür 5' und 5" voneinander getrennt.
• Innerhalb des Schleusenraumes der Ausgangsschleuse 11 befindet sich der Abschreckbehälter 12,. in welchen das Härtegut 7 mit Hilfe des hydraulisch betätigbaren Elevators 13 absenkbar ist.
• Das aus einem Trägergas, nämlich Endogas, und einem Regelgas, nämlich Propangas, bestehende Aufkohlungsgas wird dem Ofenraum durch die Versorgungsleitungen 14 bzw. 15 zugeführt und gelangt an mindestens drei Stellen 16 über eine Vielzahl von Düsen in an sich bekannter und hier nicht näher zu erläuternder Weise in den Ofenraum 5.
• In die entsprechenden Ofenzuleitungen 14' der Endogasversorgungsleitung 14 sind Strömungsmesser 17 und elektromagnetisch wirkende Absperrventile 18 installiert sowie jeweils die Absperrventile 18 umgehende, ebenfalls ein Absperrventil 19 aufweisende Bypassleitungen 20. Die Gasanalyse zur Regelung und Steuerung der Ofenatmosphäre erfolgt mit Hilfe eines bekannten und daher hier nicht näher dargestellten und beschriebenen Analysegerätes. Zu diesem Zweck werd-en ständig dem Ofenraum Aufkohlungsgasproben entnommen und nach Auswertung entsprechende Regelsignale über ein Steuergerät 21 je einem Stellmotor 22 zur Betätigung eines Steuerventils 23 übermittelt, das in die Regelgasleitung 15 installiert ist und über die Zuleitungsabneigungen 15' unter Umgehung der Ventile 18, 19 Propangas als Kohlungszuspeisung in die Versorgungsleitungen 14' und damit in den Ofenraum 5 leitet.
• Je eine von der Eingangs- und Ausgangsschleuse 10 bzw. 11 ausgehende Gasrückleitung 24 mündet in eine Abfackelleitung 24' und ist durch ein elektromagnetisch wirken--des Absperrventil 25 verschließbar.
• Das-Härtegut wird in bekannter Weise durch einen Zugstangenförderer nach Öffnen der Schleusentür 10' in die Eingangsschleuse 10 gebracht und anschließend nach dem Schließen der Schleusentür 10' und Öffnen der Ofentür 5v in den Ofenraum "eingestoßen". Nach Schließen der Ofentür 5' durchläuft das Härtegut im Beschickungstakt die Aufheiz-, Aufkohlungs- und Diffusionszone des Ofenraumes 5, um anschließend über die Ausgangsschleuse 11 durch Absenkung des Elevators 13 in den Abschreckbehälter 12 zu gelangen. Nach Beendigung des Abschreckvorganges -wird das Härtegut dem Abschreckbehälter wieder entnommen und durch die geöffnete Schleusentür 11' aus der Ausgangsschleuse 11 auf ein Transportband gebracht.
• Die Atfkohlungsgasversorgung des Ofenraumes geht zyklisch vor sich, d.h. während der Ofentakte, also beim Chargieren (Be- und Entladen), beim Abschrecken usw. wird der Ofen mit einer maximalen Aufkohlungsgasmenge betrieben und in der taktzeitlosen Aufkohlungsphase mit einer um etwa vierfünftel verminderten Menge. Die zyklischen Gasmengenwechsel sind in Fig. 2 veranschaulicht. Auf der Abszissenachse ist die Ofenzeit in Stunden und auf der Ordinatenachse der Verbrauch an Aufkohlungsgas pro Stunde dargestellt. In der taktzeitlosen Aufkohlungsphase wird der Ofen mit einem reduzierten Gasverbrauch betrieben, der zwischen 4,5 und 5 m3/Std. liegt. Diese Minimalmenge Endogas wird an den Absperrventilen 19 eingestellt, während die Absperrventile 18 und 25 geschlossen sind. Es strömt also in der Aufkohlungsphase nur Endogas über die Ventile 19 sowie gegebenenfalls Propangas entsprechend der gasanalytischen Regelung als Kohlungszuspeisung in den Ofenraum, wobei das Absperrventil 25 geschlossen bleibt. Sobald der Ofen taktet, melden an den Ofen- und Schleusentüren sowie am Elevator angeordnete Geber G die entsprechenden Bewegungsvorgänge an das Steuergerät, welches bei jedem Ofentakt die Ventile 18 und 25 bei unveränderter Ventilstellung 19 voll öffnet. Die obere bei 27 m3/Std. verlaufende gestrichelte Linie 27 (Fig. 2) markiert die den Ofenraum durchsetzende maximale Aufkohlungsgasmenge während der Taktzeiten. Aus dem Minimalverbrauch während der Aufkohlungsphase und dem Maximalverbrauch während der Ofentakte ergibt sich ein mittlerer reduzierter Gasverbrauch von etwa 7,8 m3/Std. über die gesamte Ofenzeit einer Härtecharge, vgl. gestrichelte Linie 28 in Fig. 2. Die Einsparung an Aufkohlungsgas gegenüber herkömmlichen Härteverfahren, bei denen der Ofen ständig mit maximaler Aufkohlungsgasmenge betrieben wird, beträgt bei konstantem C-Pegel rund 70 %. Unabhängig von der Endogasführung bei der in Fig. 2 dargestellten mäanderförmigen Begasungsart wird die Regelgaszuführung (15) für die Erreichung des C-Pegels wie üblich konstant oder linear betrieben. Auch dabei ist eine Reduzierung des Gasverbrauchs um ca. 50 % erreichbar. Durch die reduzierte Ofenbegasung während der taktzeitlosen Aufkohlungsphase konnte keine wesentliche oder gar störende Erhöhung der Wasserstoffausscheidung in der Ofenatmosphäre festgestellt werden.
• Es handelte sich bei den zu härtenden Gelenknaben um solche aus SAE-Stahl 8620 mit der Analyse C = 0,18 - 0,23; Si = 0,15 - 0,35; Mn = 0,60 - 0,80; Pmax = 0,035; S = 0,02 - 0,04; Cr = 0,40-- 0,60; Mo = 0,15 - 0,25 %. Die Temperatur beträgt in drei Ofenzonen 9400 C; 9200 C; 9000C, bei einer Taktzeit pro Rost von 58 min.
• Die Rostbeladung umfaßt 225 Teile, die gesamte Ofenzeit 690 min. Es wurde eine Einsatztiefe von ca. 1,5 mm erzeugt, bei einer Randhärte von 60 - 62 HRC durch Abschrecken in ö1.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist bevorzugt anwendbar in Härtereien mit eigener Endogasversorgung. Sind mehrere Härteanlagen in gleicher erfindungsgemäßer Weise konzipiert, wird sich ein Gleichzeitigkeitsfaktor einstellen, der zur Abschaltung von etwa 50 % der EndogasMnfagen führt. Der zentrale Anschluß an das Sticksoffnetz würde bei kurzzeitigem Mehrbedarf an Endogas N2 einspeisen.
• Somit kann die konstant produzierte Endogas- und über schußabfackelmenge während der Ofentaktzeiten gering gehalten werden. Eine gegenseitige Verriegelung von Großverbrauchern zur Vermeidung eines gleichzeitig hohen Gasverbrauchs ist alternativ denkbar. Durch das Betreiben der Härteöfen während der Aufkohlungsphasen mit Minimalgasmengen läßt sich ein Leerlaufbetrieb einzelner oder aller Ofenanlagen (z.B. an Wochenenden) auch bei Abschaltung der Endogaserzeugung vorteilhaft durchführen.

Claims (11)

1. Verfahren und Anordnung zur Auf kohlung der Randschichten metallischer Werkstücke Anscouche: 1. Verfahren zur Aufkohlung der Randschichten metallischer Werkstücke durch ein aus einem Kohlenstoffträger und einem Regelgas zusammengesetztes Aufkohlungsgas zum Zwecke der Oberflächenhärtung, bei dem die Werkstücke n einem Ofen auf Kohlungstemperatur erwärmt und vom AfKohlungsgasumströmt werden, mit Taktzeiten insbesondere zum Chargieren der Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, daß während der taktzeitlosen Aufkohlungsphasen die Zufuhr von Trägergas in den Ofen herabgesetzt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Herabsetzung der Trägergasmenge etwa 4/5 beträgt.
3. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch zyklische Gasmengenwechsel des dem Ofen zugeführten Trägergases zwischen einem Maximalwert beim Takten (Chargieren, Abschrecken) und einem Minimalwert außerhalb der Taktzeiten.
4. -4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß unabhängig von den zykli- schen Casmengenwcchscln die Ofenatmosphäre in an sich bekannter Weise ständig analysiert und über eine RcaelvorriciiLunc (21) in eine Zusatzversorgungsleitung (15) bedarfsweise Regelgas der Ofenatmosphäre ztlgemischt wird.
5. 5. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägergasversorgungsleitung (14) über mindestens ein Dosierventil (18) mit vorgeschaltetem Strömungsmesser (17) zum Ofenraum (5) geführt und an eine Vielzahl Einblasdüsen angeschlossen ist und daß eine vom Ofenraum (5) oder den Ofenschleusen (10, 11) ausgehende Gasrückleitung (24) über ein Absperrventil (25) in eine Abfackelleitung (24) mündet.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dosierventil (18) mindestens zwei Ventilstellungen für einen Hauptmengen- und einen Mindermengendurchlaß aufweist.
7. 7. Anordnung nach den Ansprüchen 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Steuergerät (21) vorgesehen ist, an welches das Dosierventil (18) und das Absperrventil (25) sowie einzelne die Ofentaktzeiten an das Steuergerät (21) übermittelnde Geber (G) angeschlossen sind.
8. 8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerung durch das Steuergerät (21) so ausgelegt ist, daß während der taktzeitlosen Aufkohlungsphasen das Dosierventil (18) auf den Durchlaß der Mindermenge an Trägergas eingestellt und das Absperrventil (25) geschlossen ist.
9. 9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Takten durch das Steuergerät (21) das Absperrventil (25) und das Dosierventil (18) voll geöffnet sind.
10. 10. Anordnung nach Anspruch 5 und einem ode ren der übrigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß anstell 1 ==-erventils (18) ein magnetisches Absperrventil (18j in die Trägergasversorgungsleitung zwischen Strömungsmesser und den Einblasdüsen installiert und eine ein weiteres Absperrventil (19) aufnehmende Bypassleit?g (20) vorgesehen ist, die vor dem magnetischen Abperrventil (18) von der Trägergasleitung (14') abzweigt und hinter dem magnetischen Absperrventil (18) wieder in die Trägergasleitung mündet.
11. 11. Anordnung nach Anspruch 4 und einem oder mehreren der übrigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelgasleitung (15) über ein elektrisch mit dem Steuergerät (21) verbundenes Motorstellventil (22, 23) und einem Strömungsmesser (26) unter Umgehung des Dosierventils (18) bzw.

    magentischen Absperrventils (18) und ggf. der Bypassleitung (20) an die Trägergasleitung (14) angeschlossen ist.