DE3432952C2 - Verfahren und Vorrichtung zum Wärmebehandeln von metallischen Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von metallischen Werkstücken, bei dem die Werkstücke in einem Ofen einer im wesentlichen Wasserstoff, Kohlen­ stoff und Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre ausge­ setzt werden und bei dem während des Öffnens des Ofens im Bereich der Ofenöffnungen Brenngase verbrannt werden, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der Wärmebehandlung von metallischen Werkstoffen, wie beispielsweise beim Aufkohlen, Entkohlen, Anlassen oder Glühen, ist es bekannt, die Gasatmosphäre des Ofens in Gasgeneratoren herzustellen. Dieses sogenannte Exogas wird durch Teilverbrennung von Kohlenwasserstoffen oder kohlenwasserstoffhaltigen Brenngasen mit Luft gebildet. Die Zusammensetzung des Exogases kann durch die Zusam­ mensetzung des Ausgangsgases sowie durch das einge­ stellte Gas-Luft-Verbrennungsverhältnis innerhalb be­ stimmter Grenzen beeinflußt werden. Das bei der Verbren­ nung gebildete Gas wird gekühlt, um den größten Teil des bei der Verbrennung entstandenen Wasserdampfes als Kondensat ableiten zu können. Gegebenenfalls sind Sauer­ stoff- und/oder Schwefelentferner erforderlich.

Bei dem sogenannten Fertiggasverfahren erübrigt sich der Einsatz separater Gasgeneratoren, wo­ durch Investitions-, Wartungs-, Energie und Kühlmittelkosten entfallen. Bei diesem Verfahren wird die Gasatmosphäre durch Mischen der Einzelkomponenten, wie Stickstoff, Kohlenmonoxid, Wasserstoff, synthetisch hergestellt. Kohlenmonoxid und Wasserstoff können allerdings auch erst im Ofen durch thermischen Zerfall eines Alkohols gebildet werden.

Zumindest zur Aufkohlung muß die Gasatmosphäre so eingestellt werden, daß sie 20 Vol-% Kohlenmonoxid, 40 Vol-% Wasserstoff und 40 Vol-% Stickstoff enthält. Eine solche Gasatmos­ phäre ist zusammen mit Luft jedoch explosionsfähig. Aus diesem Grund werden üblicherweise beim Öffnen der Ofentüren im Bereich der Ofenöffnungen Brenngase verbrannt oder eine Gas­ strömung erzeugt, um einen Luftzutritt in den Ofeninnenraum zu verhindern (GB-PS 15 62 739). Die Menge an Brenngasen, die zu diesem Zweck verbrannt wird, beträgt ungefahr 20% der Ge­ samtmenge an Brenngasen, wie Methan oder Propan, die für den Betrieb beispielsweise eines Aufkohlungsofens unter Verwendung von Exogas benötigt werden. Falls der Ofen im Fertiggas­ verfahren mit einer geeigneten Gasatmosphäre beschickt wird, müssen diese Brenngase zusätz­ lich zugeführt werden.

Die Nutzung der in brennbaren Ofenabgasen enthaltenen Wärmeenergie bei Trockenöfen für Farben und Lacke wird in den Schriften DE-30 33 641-A1, DE-22 54 848-B2 und DE-21 20 022-B2 behandelt. Die Ofenabgase werden mit Luft vermischt in die Verbrennungs­ zone eines Brenners, der eigens mit Brennstoff versorgt wird, geleitet und dort verbrannt. Das entstandene, heiße Verbrennungsgasgemisch wird zur Einsparung von Wärmeenergie in die Be­ handlungszone des Ofens zurückgeleitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens derart auszugestalten, daß die Brenner, die wäh­ rend des Öffnens des Ofens im Bereich der Ofenöffnungen Brenngase verbrennen, auf einfache und wirtschaftliche Weise betrieben werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Abgas des Ofens gekühlt, verdich­ tet und gespeichert wird und anschließend zumindest teilweise einem oder mehreren Brennern im Bereich der Ofenöffnungen als Brenngas zugeführt wird. Eine geeignete Vorrichtung besteht erfindungsgemäß aus den in Anspruch 3 angegebenen Merkmalen.

Damit wird das Ofenabgas nicht wie bisher direkt über eine Fackel an die Außenatmosphäre angegeben und ungenutzt ver­ brannt, sondern es wird zur Erzeugung von Hitzeschleiern vor den Ofenöffnungen herangezogen, die den Zutritt von Luft in den Ofeninnenraum bei geöffneten Ofentüren unter­ binden. Durch die Verwendung des Abgases als Brenngas kön­ nen die Hitzeschleier völlig unabhängig von Petroprodukten gebildet werden, so daß sich der Betrieb eines Ofens zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken gegenüber bisher wesentlich verbilligt. Zudem entfallen bei Öfen, die im Fertiggasverfahren mit einer Gasatmosphäre be­ schickt werden, die Investitionskosten für die zusätz­ liche Zuleitung von geeigneten Brenngasen.

Neben der Verwendung des Ofenabgases als Brenngas vor den Ofenöffnungen des Ofens, in dem es erzeugt wird, besteht auch mit Vorteil die Möglichkeit, das Abgas dieses Ofens zumindest teilweise als Brenngas für die Verbrennung im Bereich der Ofenöffnungen mindestens eines weiteren Ofens zu verwenden.

Vor einer Verwendung als Brenngas wird das Abgas zweck­ mäßigerweise gekühlt, verdichtet und gespeichert. Auf diese Weise wird erreicht, daß das Abgas ständig in ausreichender Menge für die Erzeugung von Hitzeschleiern vor den Ofenöffnungen dann zur Verfügung steht, wenn diese für das Be- und Entladen des Ofens mit Werk­ stücken geöffnet werden. Unter Umständen besteht je­ doch auch die Möglichkeit, das Abgas nach einer Kühlung über eine Fördereinrichtung direkt den Brennern als Brenngas zuzuführen. In diesem Fall würde das Abgas in den Brennern dauernd abgefackelt. Dies ist jedoch nur möglich, wenn die Abgasmenge so groß ist, daß die in den Brennern erzeugten Hitzeschleier ausreichend für die Verhinderung eines Luftzutritts in den Ofeninnen­ raum im Falle des Öffnens der Ofenöffnungen sind. Die Speicherung des Abgases hat demgegenüber jedoch den Vorteil, daß das Abgas, das für die Erzeugung von Hitzeschleiern vor den Ofenöffnungen nur zeit­ weise benötigt wird, auch noch für andere Zwecke genutzt werden kann. Beispielsweise kann bei einem Betrieb des Ofens als Aufkohlungsofen das Abgas als Behandlungsgas unter Zumischen von Stickstoff einem nachgeschalteten Anlaßofen zugeführt werden.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfaßt einen Ofen für die Wärmebehand­ lung von Werkstücken, der Ofentüren für das Be- und Entladen des Ofens mit Werkstücken auf­ weist, und mit Brennern im Bereich der Ofentüren. Erfindungsgemäß ist eine solche Vorrichtung dadurch gekennzeichnet, daß der Ofen eine Abgasleitung aufweist, die einen Wärmetauscher und einen Verdichter als Fördereinrichtung enthält, und in der ein Gasspeicher mit nachgeschaltetem Druckminderer angeordnet ist, der mit den Brennern in Verbindung steht.

Dabei ist in der Abgasleitung ein Wärmetauscher, der beispielsweise mit Wasser beschickt wird, zusammen mit dem Gasspeicher mit nachgeschaltetem Druckminderer angeordnet. Dadurch kann das Abgas vor der Fördereinrichtung, die im Hinblick auf den Gasspeicher mit Vorteil als Verdichter ausgebildet ist, auf eine für den Verdichter geeignete Ansaugtemperatur abgekühlt und im Gasspeicher aus Platzgründen unter Druck gespeichert werden.

Für einen sicheren Betrieb der Vorrichtung ist es zweckmäßig, wenn den Brennern Zündeinrichtungen zugeordnet sind, die beim Öffnen der Ofentüren die Brenner automatisch zünden.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfah­ rens schematisch dargestellt.

Dabei bezieht sich das Ausführungsbeispiel auf einen Aufkohlungsofen.

In der Zeichnung ist mit 1 ein Aufkohlungsofen bezeichnet, an dessen beiden Stirnseiten Ofentü­ ren 2 für das Be- und Entladen mit metallischen Werkstücken vorhanden sind. Der Ofen 1 kann z. B. ein Durchstoß-, Kammer- oder Schüttel­ herdofen sein. Die Gasatmosphäre im Ofeninnenraum wird aus einem Alkohol, wie Methanol oder Äthanol, der sich bei den hohen Ofentemperaturen in Kohlenmonoxid und Wasser­ stoff spaltet und aus Stickstoff gebildet, wobei zur Ein­ stellung des Kohlenstoffpotentials Wasser und/oder Luft zugeführt wird. Beispielsweise können in den Ofen 1 pro Stunde 24 m³ Stickstoff und 21,5 l Methanol eingeleitet und die Ofentemperatur kann bei 880°C gehalten werden. Daraus ergibt sich dann eine Gasatmosphäre mit etwa 20 Vol-% Kohlenmonoxid, 40 Vol-% Wasserstoff und 40 Vol-% Stickstoff. Zur Vermeidung eines Überdrucks ist der Ofen mit einem Ventil 3 ausgestattet, das darüber hinaus auch bei einem Unterdruck im Ofen schließt.

Das Abgas des Ofens 1, das im wesentlichen Stickstoff sowie Anteile von Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthält, wird über eine Abgasleitung 4 abgezogen. In der Abgas­ leitung 4 ist zunächst ein Wärmetauscher 5 angeordnet, in dem das etwa 500°C heiße Abgas mit Hilfe von Wasser, das über eine Zuleitung 6 zugeführt wird, auf etwa 25°C abgekühlt wird. Anschließend wird das Abgas mit Hilfe von Verdichtern 7, die bei einer Förderleistung von etwa 20 m³/h das Abgas auf etwa 3 bar verdichten, über Rück­ schlagventile 8 einem Gasspeicher 9 von etwa 500 l Fassungs­ vermögen zugeleitet. Der Gasspeicher 9 ist mit einem Druck­ minderer 10 sowie einem Druckwächter 11 ausgerüstet. Von dem Gasspeicher 9 wird das Abgas über Regelventile 12 als Brenngas Brennern 13 zugeführt, die im Bereich der Ofen­ türen 2 angeordnet sind. Durch die Verbrennung des Ab­ gases wird vor den Ofenöffnungen ein Hitzeschleier er­ zeugt, der ein Eindringen von Luft in den Ofeninnen­ raum beim Öffnen der Ofentüren 2 und somit ein Ver­ mischen der Ofengasatmosphäre mit Luft, was ein explosionsfähiges Gasgemisch ergeben würde, verhindert.

Den Brennern 13 sind zweckmäßigerweise Zündeinrichtungen zugeordnet, die beim Öffnen der Ofentüren 2 die Brenner 13 automatisch zünden, so daß zum einen die Erzeugung der Hitzeschleier rechtzeitig und zum anderen ein Gasver­ brauch nur bei Bedarf sichergestellt ist. Damit besteht dann auch die Möglichkeit, überschüssiges Abgas beispiels­ weise in einem Anlaßofen als Behandlungsgas zusammen mit Stickstoff zu verwenden.

Aufgrund der Verwendung des Ofenabgases als Brenngas für die Erzeugung der Hitzeschleier wird der Ofen unab­ hängig von der Zufuhr zusätzlicher Brenngase wie Propan oder Methan.

Claims (4)

1. Verfahren zum Wärmebehandeln von metallischen Werkstücken, bei dem die Werkstücke in einem Ofen einer im wesentlichen Wasserstoff, Kohlenstoff und Stickstoff enthaltenden Gasatmosphäre ausgesetzt werden und bei dem während des Öffnens des Ofens im Bereich der Ofenöffnungen Brenngase verbrannt werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas des Ofens (1) gekühlt, verdichtet und gespeichert wird und anschließend zumindest teilweise einem oder mehreren Brennern (13) im Bereich der Ofenöffnungen als Brenngas zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abgas des Ofens (1) zumindest teilweise als Brenngas für die Verbrennung im Bereich der Ofenöffnungen mindestens eines weiteren Ofens verwendet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit einem Ofen für die Wärmebehandlung von Werkstücken, der Ofentüren für das Be- und Entladen des Ofens mit Werkstücken aufweist, und mit Brennern im Bereich der Ofentüren, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Ofen (1) eine Abgasleitung (4) aufweist, die einen Wärmetauscher (5) und einen Verdichter (7) als Fördereinrichtung enthält, und in der ein Gasspeicher (9) mit nachgeschaltetem Druckminderer (10) angeordnet ist, der mit den Brennern (13) in Verbindung steht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß den Brennern (13) Zündeinrichtungen zugeordnet sind, die beim Öffnen der Ofentüren (2) die Brenner (13) automatisch zünden.