DE3523362C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erwärmung von Blöcken, Brammen o. dgl. Halbfertigprodukten als Wärmgut aus kohlenstofflegiertem Stahl auf Warmformgebungstemperatur in einem brennstoffbeheizten Wärmofen sowie eine Anlage zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Stähle, die als ein wesentliches Legierungselement Kohlenstoff enthalten, werden für zahlreiche Anwendungsbereiche eingesetzt, in welchem hohen Widerstände gegen Kaltverformbarkeit verlangt werden. Hierzu gehören beispielsweise Wälzlagerstähle und Federstähle, welche durch Kohlenstoff ihre Härtbarkeit erhalten. Bei diesen Werkstoffen verlangt der Anwender im allgemeinen, daß die aus ihnen erzeugten Produkte genau definierte mechanische Eigenschaften aufweisen. Hieraus ergibt sich die Notwendigkeit, daß die chemische Zusammensetzung des Werkstoffes bis an die Oberfläche des aus ihm erzeugten Werkstücks genau der geforderten entspricht.

Ausgangsprodukt für Werkstücke aus Stahl sind im allgemeinen Blöcke oder Brammen, zu denen der schmelzmetallurgisch erzeugte Stahl vergossen wird. Aus diesen Halbfertigprodukten erfolgt über mehrere Warmformgebungsprozesse als Zwischenstufen die Weiterverarbeitung zu den vorgesehenen Werkstücken. Bei den Warmformgebungsprozessen wird das Material so weit erwärmt, daß sein Widerstand gegen plastische Formgebung durch Walzen, Schmieden oder Pressen überwunden werden kann. Die erforderliche Temperatur liegt im allgemeinen nicht unter 900° C, aber stets oberhalb der α-γ-Umwandlung des Eisens, sofern diese Umwandlung stattfinden kann.

Die Erwärmung von Stahl als Wärmgut auf eine solche Temperatur kann auf verschiedene Arten erfolgen, z. B. durch induktive Erwärmung, durch Ausnützen des elektrischen Widerstandes des Eisens oder durch eine direkte Beheizung in einem brennstoffbetriebenen Wärmofen. Das letzte Verfahren ist das am weitesten verbreitete, da es gegenüber allen übrigen das mit Abstand kostengünstigste ist. Dieses Verfahren ist jedoch mit einem Nachteil behaftet: Es läßt nicht zu, daß die Ofenatmosphäre, die sich gegenüber dem Eisen und den meisten seiner Begleiter oxidierend verhält, vom Wärmgut ferngehalten wird. Als Folge hiervon kommt es zu einem chemischen Angriff der Atmosphäre auf das Material. Dieser äußert sich zum einen in der Ausbildung einer Zunderschicht an der Wärmgutoberfläche, wodurch ein Teil des Materials verlorengeht, zum anderen wird insbesondere im Stahl gelöster und durch Diffusion frei beweglicher Kohlenstoff an der Metalloberfläche oxidiert und als gasförmiges Oxidationsprodukt abgeführt. Es kommt somit beim Wärmgut zu einer oberflächennahen Verarmung an Kohlenstoff, durch welche eine Nachdiffusion von Kohlenstoff aus dem Wärmgutinneren hervorgerufen wird. Die Stärke der solchermaßen in ihrem Kohlenstoffgehalt verminderten Schicht kann bis zu einigen Millimetern betragen. Die geforderten technologischen Eigenschaften des Werkstücks können innerhalb dieser Schicht nicht gewährleistet werden, so daß sie vor einer weiteren Verarbeitung entfernt werden muß. Es fallen dadurch zusätzliche Kosten für die Bearbeitung und durch Materialverlust an, welche die Werkstückproduktion in erheblicher Weise verteuern. Man hat schon versucht, die nachteilige Randentkohlung durch eine reduzierend eingestellte Ofenatmosphäre zu verhindern. Hierbei hat man festgestellt, daß bei erdgasbeheizten Öfen eine Entkohlung erst bei einem Luftfaktor λ ≦ 0,2 vermieden werden kann. (Unter Luftfaktor versteht man das Verhältnis von angebotener Luftmenge zu der mindestens für die Verbrennung erforderlichen Luftmenge). Bei einem solchen Luftfaktor ist es aber nicht möglich, die für die Guterwärmung notwendige Wärme zur Verfügung zu stellen, sofern aufwendige Zusatzbeheizungen vermieden werden sollen. Man hat ferner versucht, durch Verkürzung der Verweilzeit des Wärmgutes im Wärmofen eine Verminderung der Entkohlung zu erreichen. Dabei kann man beispielsweise durch Übergang von der einseitigen auf die zweiseitige Erwärmung eines Wärmguts zu einer um das 1,4-fache verminderten Entkohlung kommen. Bei vierseitiger Erwärmung wird die Entkohlung um den Faktor 2,8 vermindert. Vermeidbar ist sie durch ein solches Wärmverfahren jedoch nicht. Man hat ferner versucht, durch die Erwärmung des Stahls in einer stark oxidierenden Atmosphäre den entkohlten Bereich der Stahloberfläche abzuzundern. Hierbei wurde festgestellt, daß bei niedrig gekohlten Stählen ein Luftfaktor von λ = 1,2 eine oberflächliche Anreicherung von Kohlenstoff hervorruft, weil die Eisenoxidation schneller als die Entkohlung verläuft. Eine Vermeidung der Entkohlung bei Endtemperaturen von mehr als 1000° C und gleichzeitig langen Wärmzeiten ist mit einem solchen Verfahren der Oberflächenabzunderung jedoch nicht erreichbar. Darüber hinaus ist dieses Verfahren durch hohen Materialverlust sehr kostenintensiv. Schließlich hat man auch versucht, die Nachteile der Entkohlung durch Abdeckung der Oberflächen des Wärmguts zu vermeiden. Hierdurch soll der oxidierenden Ofenatmosphäre der Zutritt zur Wärmgutoberfläche verwehrt werden. Ausprobiert wurde beispielsweise flüssiges Glas als Abdeckmittel. Dies erfordert jedoch eine sehr arbeitsintensive Vorbehandlung des Gutes vor der Erwärmung. Außerdem muß zur Schonung der Verformungswerkzeuge das Wärmgut nach dem Ziehen notwendigerweise gereinigt werden. Ein kostengünstiges und technisch einfaches Verfahren zur Erwärmung kohlenstofflegierter Stähle unter Vermeidung der Entkohlung steht daher bisher nicht zur Verfügung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, insbesondere diesem Mangel abzuhelfen, d. h. ein Verfahren der eingangs genannten Gattung vorzuschlagen, bei welchem eine Randentkohlung auf einfache und wirtschaftliche Weise vermieden wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man das Wärmgut nach der Erwärmung in einem nachgeschalteten Verfahrensschritt einer Wiederaufkohlung mittels eines stark reduzierenden, kohlenstoffreichen Aufkohlungsgases unterwirft, und zwar vorzugsweise in einem dem Wärmofen in Förderrichtung des Wärmgutes nachgeschalteten Aufkohlungsofen.

Im Wärmofen wird das Wärmgut bis zur Formgebungstemperatur erwärmt. Die hierbei auftretende, mit wirtschaftlichen Mitteln im Wärmofen nicht vermeidbare Randentkohlung wird nachfolgend in dem Aufkohlungsofen rückgängig gemacht und der ursprüngliche Kohlenstoffgehalt des Wärmgutes wenigstens annähernd wieder hergestellt. Dabei wird während der Wiederaufkohlung die im Wärmofen erreichte Temperatur gehalten.

Die erfindungsgemäße Lösung erfolgt also durch eine zusätzliche, vorzugsweise kontinuierlich arbeitende, vorzugsweise isotherme Prozeßstufe, welche zwischen Erwärmung und Formgebung geschaltet ist. Hierdurch wird einerseits erreicht, daß das aufzukohlende Wärmgut eine für eine hohe Diffusionsgeschwindigkeit des Kohlenstoffs ausreichende Temperatur aufweist und daß andererseits eine Wiedererwärmung nach der Formgebung unnötig wird, wodurch das Verfahren sehr wirtschaftlich und effektiv ausgeführt werden kann.

Es ist auch möglich, durch die Wiederaufkohlung einen Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht des Wärmgutes zu erzeugen, welcher oberhalb des ursprünglichen Wertes vor der Erwärmung liegt, um eine besondere Vergütung der Oberflächenschicht zu erreichen.

Eine isotherme Wiederaufkohlung des Wärmgutes erreicht man gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal im wesentlichen dadurch, daß man das Aufkohlungsgas für den Aufkohlungsofen durch Teilverbrennung eines kohlenstoffreichen Brennstoffes erzeugt. Die Teilverbrennung stellt weitgehend ein thermisches Gleichgewicht zwischen wiederaufzukohlendem Wärmgut und Aufkohlungsgas her. Eine Abkühlung des Wärmgutes durch das Aufkohlungsgas, welche u. a. die für die Wiederaufkohlung erforderliche Zeit erheblich verlängern würde, wird so vermieden. Das durch die Teilverbrennung erzeugte Aufkohlungsgas durchströmt den Aufkohlungsofen, wobei sich die mitgeführte thermische Enthalpie nur durch die Wandverluste des Ofens geringfügig ändert; es verläßt den Aufkohlungsofen ungefähr mit dessen Temperatur. Durch die Teilverbrennung wird also der Wärmebedarf des Aufkohlungsofens gedeckt. Der Grad der Teilverbrennung wird dadurch begrenzt, daß das entstehende Gas noch auf das Wärmgut aufkohlend wirken muß.

Zweckmäßigerweise führt man die Teilverbrennung des kohlenstoffreichen Brennstoffes in einem gesonderten Aufkohlungsgaserzeuger durch. Dadurch kann die Teilverbrennung mit Luftfaktoren erfolgen, welche eine Teilverbrennung im Ofenraum, insbesondere bei Verwendung von festem Kohlenstoff, unmöglich machen würden.

Das Verfahren kann wirtschaftlicher ausgeführt werden, wenn man gemäß einem weiteren Erfindungsmerkmal das vorzugsweise durch Teilverbrennung eines kohlenstoffreichen Brennstoffes erzeugte Aufkohlungsgas nach dem Durchlaufen des Aufkohlungsofens dem Wärmofen zuführt und dort durch Nachverbrennung als Heizgas verwendet. Hierdurch kann erreicht werden, daß der Energiebedarf nur unbedeutend über der eines konventionellen Wärmverfahrens liegt. Der geringe Energieverbrauch ergibt sich im wesentlichen aus den Wandverlusten im Aufkohlungsofen. Das den Aufkohlungsofen verlassende Aufkohlungsgas führt einen noch nicht genutzten thermischen Enthalpiestrom mit sich. Zusätzlich ist in diesem Gas aufgrund der Teilverbrennung noch chemisch gebundene Enthalpie enthalten. Diese beiden Enthalpien können so im Gesamtprozeß genutzt werden. Die Nachverbrennung in dem Wärmofen erfolgt ähnlich zu konventionellen Wärmöfen mit nicht oder schwach sauerstoffangereicherter Luft, um Temperaturspitzen an den Brennern zu vermeiden. Die Brenner sind den besonderen Bedingungen angepaßt, die sich bei einem solchen Verfahren daraus ergeben, daß ihnen als Brennstoff ein heißes, bereits teilverbranntes Gas zugeführt wird. Sie sind also im Wärmofen so zu verteilen, daß lokale Überhitzungen vermieden werden. Das Verfahren ist damit auch im Hinblick auf die Vermeidung von Stickoxidemissionen als günstig einzustufen.

Sofern durch die Nachverbrennung des Aufkohlungsgases der Energiebedarf des Wärmofens nicht gedeckt werden kann, wird in Weiterbildung des Erfindungsvorschlages vorgesehen, daß man dem Wärmofen Zusatzbrennstoff zuführt und wie das Abgas des Aufkohlungsofens, beispielsweise in dafür vorgesehenen eigenen Brennern, verbrennt.

Als kohlenstoffreichen Brennstoff für die Erzeugung des Aufkohlungsgases durch Teilverbrennung verwendet man vorteilhafterweise einen solchen mit einem Atomverhältnis Wasserstoff zu Kohlenstoff von maximal 2 (H/C ≦ 2). Mit abnehmenden Wert des H/C-Verhältnisses steigt die Verwendbarkeit des Brennstoffes. Aufgrund dessen, daß die einfach zu handhabenden Kohlenwasserstoffe, die aus Erdgas oder Erdöl unmittelbar gewonnen werden können, einen durch C_nH_2n+2darstellbaren chemischen Aufbau aufweisen, kann bei der ausschließlichen Verwendung solcher Brennstoffe der Wert von H/C = 2 nicht unterschritten werden.

Deswegen wird mit einem weiteren Erfindungsmerkmal vorgeschlagen, daß man als kohlenstoffreichen Brennstoff für die Erzeugung des Aufkohlungsgases durch Teilverbrennung eine Mischung aus festem Kohlenstoff und Kohlenwasserstoff(en) verwendet. Hierdurch ist eine beliebige Annäherung des H/C- Verhältnisses an Null möglich. Als fester Kohlenstoff eignet sich Stückkohle, Koks, Kohlenstaub od. dgl.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn man die Teilverbrennung des kohlenstoffreichen Brennstoffes zur Erzeugung des Aufkohlungsgases mittels Sauerstoff oder sauerstoffreicher Luft einstufig oder mehrstufig, jeweils mit einem Luftfaktor zwischen etwa 0,25 und 0,55 durchführt. Der günstigste Luftfaktor wird dadurch bestimmt, daß man das durch Teilverbrennung erzeugte Aufkohlungsgas etwa in Gleichgewicht mit dem einzustellenden Kohlenstoffgehalt im Wärmgut bringt.

Als Brennstoff für den Aufkohlungsgaserzeuger eignet sich beispielsweise ein Gemisch von C₄H₁₀+0,5 kg C/Nm³ C₄H₁₀ und als zusätzlichen Brennstoff für den Wärmofen CH₄.

Mit der Erfindung wird ferner vorgeschlagen, daß man das Wärmgut nach dem Verlassen des Wärmofens und vor dem Eintritt in den Aufkohlungsofen entzundert.

Die erfindungsgemäße Anlage zur Durchführung eines Verfahrens der zuvor erläuterten Art mit einem Wärmofen zeichnet sich dadurch aus, daß dem Wärmofen in Förderwegrichtung des Wärmgutes ein Aufkohlungsofen nachgeschaltet ist.

Dem Aufkohlungsofen ist dabei vorteilhafterweise eine gesonderter Aufkohlungsgaserzeuger zugeordnet.

Für die Überführung des durch Teilverbrennung entstandenen Aufkohlungsgases in den Wärmofen steht bei einer besonderen Ausgestaltung dieser Anlage der Aufkohlungsbereich des Aufkohlungsofens über einen vorzugsweise isolierten Überströmkanal mit dem Brennstoffbereich des Wärmofens in Strömungsverbindung.

Im Förderweg des Wärmgutes befindet sich zwischen Wärmofen und Aufkohlungsofen vorzugsweise eine Entzunderungsanlage.

Weitere Ziele, Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der beiliegenden Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.

Die einzige Figur veranschaulicht schematisch eine erfindungsgemäße Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel.

Der dargestellte Wärmofen I, II besteht aus einem unbeheizten Kolbenströmungsbereich I und einem über Deckenbrenner beheizten Bereich II. Der Wärmofen I, II ist als Stoßofen dargestellt, es können jedoch auch andere Durchlauföfen verwendet werden. Das Wärmgut durchläuft den Wärmofen I, II von links nach rechts, das von den Deckenbrennern kommende Wärmgas wird in Gegenstrom geführt. Rechts im Abstand von dem Wärmofen I, II ist ein Aufkohlungsofen III vorgesehen. Zwischen Wärmofen I, II und Aufkohlungsofen III führt der Wärmguttransportweg durch eine Entzunderungsanlage des Stahls. Die Aufkohlung erfolgt in dem Aufkohlungsofen III durch eine kohlenstoffreiche Gasatmosphäre, welche durch Teilverbrennung eines Brennstoffes, bestehend aus Kohlenstoff und Kohlenwasserstoff(en), mit reinem Sauerstoff oder mit sauerstoffreicher Luft in einem gesonderten Aufkohlungsgaserzeuger erzeugt wird. Das Aufkohlungsgas verläßt den Aufkohlungsofen III über einen isolierten Überströmkanal in den Brennstoffbereich des Wärmofens I, II; es wird dort nachverbrannt und dient damit als Heizgas.

Claims (18)

1. Verfahren zur Erwärmung von Blöcken, Brammen o. dgl. Halbfertigprodukten als Wärmgut aus kohlenstofflegiertem Stahl auf Warmformgebungstemperatur in einem brennstoffbeheizten Wärmofen, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wärmgut nach der Erwärmung in einem nachgeschalteten Verfahrensschritt einer Wiederaufkohlung mittels eines stark reduzierenden, kohlenstoffreichen Aufkohlungsgases unterwirft.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Wiederaufkohlung in einem dem Wärmofen in Förderrichtung des Wärmgutes nachgeschalteten Aufkohlungsofen vornimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man durch die Wiederaufkohlung einen Kohlenstoffgehalt in der Oberflächenschicht des Wärmgutes erzeugt, welcher oberhalb des ursprünglichen Wertes vor der Erwärmung liegt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das Aufkohlungsgas für den Aufkohlungsofen durch Teilverbrennung eines kohlenstoffreichen Brennstoffes erzeugt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man die Teilverbrennung des kohlenstoffreichen Brennstoffes in einem gesonderten Aufkohlungsgaserzeuger durchführt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man das vorzugsweise durch Teilverbrennung eines kohlenstoffreichen Brennstoffes erzeugte Aufkohlungsgas nach dem Durchlaufen des Aufkohlungsofens dem Wärmofen zuführt und dort durch Nachverbrennung als Heizgas verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man dem Wärmofen Zusatzbrennstoff zuführt.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß man als kohlenstoffreichen Brennstoff für die Erzeugung des Aufkohlungsgases durch Teilverbrennung einen solchen mit einem Atomverhältnis Wasserstoff zu Kohlenstoff von maximal 2 (H/C≦ 2) verwendet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man als kohlenstoffreichen Brennstoff für die Erzeugung des Aufkohlungsgases durch Teilverbrennung eine Mischung aus festem Kohlenstoff und Kohlenwasserstoff(en) verwendet.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als festen Kohlenstoff Stückkohle, Koks, Kohlenstaub od. dgl. verwendet.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man die Teilverbrennung des kohlenstoffreichen Brennstoffes zur Erzeugung des Aufkohlungsgases mittels Sauerstoff oder sauerstoffreicher Luft durchführt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man die Teilverbrennung, einstufig oder mehrstufig, jeweils mit einem Luftfaktor zwischen etwa 0,25 und 0,55 ausführt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß man als Brennstoff für den Aufkohlungsgaserzeuger ein Gemisch von C₄H₁₀ + 0,5 kg C/Nm³ C₄H₁₀ und als Brennstoff für den Wärmofen CH₄ verwendet.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wärmgut nach dem Verlassen des Wärmeofens und vor dem Eintritt in den Aufkohlungsofen entzundert.

15. Anlage zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10, mit einem brennstoffbeheizten Wärmofen, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmofen (I, II) in Förderwegrichtung des Wärmgutes ein gesonderter Aufkohlungsofen (III) nachgeschaltet ist.

16. Anlage nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Aufkohlungsofen (III) ein gesonderter Aufkohlungsgaserzeuger zugeordnet ist.

17. Anlage nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufkohlungsbereich des Aufkohlungsofens (III) über einen vorzugsweise isolierten Überströmkanal mit dem Brenngasbereich des Wärmofens (I, II) in Strömungsverbindung steht.

18. Anlage nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß im Förderweg des Wärmgutes zwischen Wärmofen (I, II) und Aufkohlungsofen (III) eine Entzunderungsanlage angeordnet ist.