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AICHELIN INDUSTRIA E COMERCIO DE FORNOS INDUSTRIAIS
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LTDA., Avenida Prestes Maia, No. 515, Diadema, Sao Paulo Verfahren
zur Regelung der Atmosphäre von Öfen zur Gasaufkohlung und -karbonitrierung Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wiederverwendung einer bei der
Gasaufkohlung oder -karbonitrierung von Metallen, insbesondere eisenhaltigen Metallen,
verwendeten Atmosphäre.
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Im allgemeinen setzen sich die Aufkohlungs- oder Karbonitrierungsatmosphären
aus Mischungen von Kohlenmonoxid, Wasserstoff, Kohlendioxid, Methan, Wasser-und/oder
Stickstoff zusammen, und zwar unabhängig vom Ursprung dieser Gase.
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Die Gasbestandteile CO, H2, C02, CH4, H20 stehen über das Methan-Wassergasgleichgewicht
in einem engen Austauschverhältnis. Dieser zu berücksichtigende Umstand bedeutet,
daß eine Mengen- oder Konzentrationsänderung bei einem Gasbestandteil zwangsläufig
immer eine Anpassung der anderen Gasbestandteile zur Folge hat.
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Hierbei wird selbstverständlich jeweils gleiche Temperatur vorausgesetzt.
Im allgemeinen erfolgt die kontinuierliche Bestimmung des Kohlenstoffpegels mit
Hilfe technischer Meßmittel durch indirekte Meßverfahren. Das Kohlendioxid, der
Taupunkt oder der Partialdruck des Sauerstoffs der jeweiligen Ofenatmosphäre bilden
hierbei die Parameter, die für die Messung verwendet werden können. In jedem Fall
stellt die Einregelung eines bestimmten Kohlenstoffpegels die wichtigste Voraussetzung
für die Regelung des Prozesses dar.
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üblicherweise wird die Atmosphäre in einem Gasgenerator erzeugt. Die
Atmosphäre wird z.B. aus Propan erhalten, das mittels eines Katalysators gespalten
wird.
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Der Kohlenstoffpegel muß durch Anreicherung der Ofenatmosphäre mit
reinem Propan geregelt werden; hierbei fällt überschüssige Ofenatmosphäre an.
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Alternativ wurden ab 1980 Alkoholverdüsungsverfahren zur Anreicherung
der Atmosphäre entwickelt. Der Alkohol wird mit Stickstoff oder Luft verdünnt. Beispiele
für Alkohole, die in diesen Atmosphären verwendet werden können (auch endothermes
Gas oder Endogas genannt), sind Methylalkohol oder Äthylalkohol.
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Die in der endothermen Atmosphäre erzeugten Gase werden sowohl im
Fall von Endogas aus Propan als auch im Fall von Endogas aus Alkohol nach ihrer
Verwendung für die thermochemische Behandlung üblicherweise abgefackelt.
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Im Falle einer nur aus wasserhaltigem Äthylalkohol erzeugten Atmosphäre,
bei der der Methangehalt (CH4) im Ofen auf unzulässig hohe Werte ansteigt, z.B.
16 + 2% Rauminhalt, wurde versucht, auch Alkohol als Träger für die Einstellung
der Ofenatmosphäre zu verwenden.
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Während der Auf kohlung muß genügend Kohlenstoff vorhanden sein (siehe
Tabelle 2). Dies bedeutet eine Atmosphäre mit viel CO und H2, so wenig Luftzusatz
wie möglich, um den Anteil des CH4 im Inneren des Ofens zu vermindern, das aus der
Dissotiation des Äthanols entsteht.
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T A B E L L E 1
| Reaktionserodukt Reaktion mit Methan |
| H20 CH4 + H20 = CO + 3112 |
| C°2 CH4 + OH4 + |
| CO2 200 + 2112 |
| n- |
| c |
| + H,O CO + 3H,-j |
Tabelle 2 zeiqt nachfolgend eine typische Zusammensetzung für verschiedene Atmosphären
TABELLE 2
| Typ des Gases CO H2 Kohlenstoff-Übergange |
| (% Raum (% Raum koeffizient |
| inhalt) inhalt) (cm/s) |
Endogas aus Naturgas 20 40 125.10-7 N2-Methylalkohol Endogas aus Propan 23 31 115.10-7
Aethylalkohol N2 23 46 165.10-7 Aethylalkohol -Luft 31 58 245.10-7
Bislang
ist es nicht gelungen, zufriedenstellende Resultate bei der Gasaufkohlung oder -karbonitrierung
zu erzielen, ohne die Atmosphäre mit Propan, Methan, Alkohol oder anderen Gasen
zur Aufrechterhaltung des entsprechenden Kohlenstoffpegels der Atmosphäre zusätzlich
anzureichern.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen großen Teil des eigentlichen Gases
für den thermochemischen Prozeß wiederzuverwenden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch-ein Verfahren mit den Merkmalen
des Hauptanspruches gelöst.
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Das vorliegende erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf,
ohne die Verwendung von Fremdgasen für die Flammenvorhänqe auszukommen, die sich
an den Stellen befinden, an denen sonst die Ofenatmosphäre der Oxidation ausgesetzt
wäre, wobei diese Flammenvorhänge eine Barriere gegen das Eindringen von Sauerstoff
bilden. Bei der vorliegenden Erfindung wird das Gas für die Vorhänge unmittelbar
dem Ofen entnommen.
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Auf diese Weise stellt das vorliegende Verfahren eine Möglichkeit
dar, die die vollständige Verwertung des Gases erlaubt, das die Ofen sowie die erwähnten
Flammenvorhänge speist, die die Ein- und Ausgänge der Öfen abdichtet.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, einen großen Teil des
Ofengases wiederzugewinnen, wozu es einem Abkühlungsvorgang unterzogen wird und
in einem Lager für eine spätere Verwendung aufbewahrt wird.
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An Trägergas kann durch die Erfindung gespart werden (siehe Tabelle
1). Es ist darauf hinzuweisen, daß das gelegentlich bei anderen Verfahren mit synthetischen
Atmosphären zur Aufkohlung beobachtete ungleichmäßige Aufkohlungs- und Karbonitrierungsverhalten
im allgemeinen an einem Mangel an Kohlenstoff liegt. Es ist auch sicher, daß das
Gleichgewicht (Reaktion) zwischen den vorliegenden Gasbestandteilen nicht oder nur
unvollständig vorliegt, wobei im wesentlichen die Reaktion des Methans (CH4) mit
H20 und C02 von Bedeutung ist und dessen Reaktionsgeschwindigkeit ebenso stark von
der Verdüsung (Zerstäubung) der Mischung aus Alkohol mit wiedergewonnenem Gas und
Luft ebenso wie von der Anwesenheit katalytisch wirkendem Materials und der Verweildauer
abhängt.
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Durchgeführte praktische Experimente haben die Wirksamkeit des Verfahrens
bei der Speisung der Ofenatmosphäre und der Bildung von schützenden Gasvorhängen
unter Beweis gestellt. Ein Beispiel einer Ofenatmosphäre für die Aufkohlung lautet
wie folgt: CO- 31 + 1% Rauminhalt CH4 - 6 + 2% Rauminhalt H2 - 58 + 2% Rauminhalt
CO2- 0,14 - 0,21% Rauminhalt (gemäß Gehalt an C, Zyklus und Temperatur; katalysierende
Wirkung) N2 - der Rest.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema des erfindungsgemäßen
Verfahrens, Fig. 2a den Zusammenhang zwischen den Kohlenstoffge-und 2b halt bei
randaufgekohlten Teilen und der Eindringtiefe des Kohlenstoffs, Fig. 3 ein Stirnzahnrad
eines Zahnradgetriebes, das gemäß der Erfindung aufgekohlt wurde, Fig. 3a eine mikroskopische
Aufnahme des bei 1 veranschaulichten Abschnitts eines Zahns des Zahnrades nach Fig.
3 und Fig. 3b eine mikroskopische Aufnahme eines mit 2 bezeichneten Bereiches an
einem Zahn des Zahnrades nach Fig. 3.
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Wenn in einem in Fig. 1 gezeigten Industrieofen 1 insbesondere Metalle
thermochemisch behandelt, beispielsweise aufgekohlt oder karbonitriert werden, fällt
ständig ein Überschuß an Ofenatmosphäre an. Diese überschüssige Ofenatmosphäre entsteht
beispielweise, wenn die Kammer des Industrieofens 1 kontinuierlich aus einem nicht
weiter veranschaulichten Endogasgenerator oder sonstwie mit frischer neu erzeugter
Ofenatmosphäre gespült wird. Uberschüssige Ofenatmosphäre fällt auch dann an, wenn
in die Kammer des Ofens 1 zum Zwecke der Einregelung des Kohlenstoffpegels entweder
ein Verdünnungsgas, beispielsweise Stickstoff, oder ein Kohlenstoffträger Methan
oder Alkohol zugeführt wird. Im letzteren Fall dissoziiert der Kohlenstoffträger
in der Ofenkammer und vermehrt die dort befindliche Gasmenge. Damit der Druck der
Ofenatmosphäre konstant bleibt, muß folglich ständig überschüssige Ofenatmosphäre
aus der Kammer abgelassen werden.
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Diese überschüssige Ofenatmosphäre, die giftige Bestandteile enthält,
muß entsorgt werden, was bislang im wesentlichen durch AbfaCkeln erfolgte. Mit dem
Abfackeln wird aber die an sich nahezu die richtigen Atmosphärenparameter aufweisende
überschüssige Atmosphäre praktisch ungenutzt vernichtet.
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Um dem entgegenzuwirken, wird deshalb gemäß Fig. 1 bei dem Ofen 1
zur thermochemischen Behandlung von Metallen dessen überschüssige Atmosphäre über
eine Leitung 2 gesammelt und einem Kühler 4 zugeführt; eine an die Leitung 2 angeschlossene
Sicherheitsleitung 3 mit Überdruckventil gestattet zusätzlich ein Abfackeln. Das
Gas strömt durch den Kühler 4 und von dort in ein nachgeordnetes Filter 5, wo Ruß
und andere Schwebeteilchen ausgefiltert werden. Danach strömt das Gas über ein Ventil
6 zu einem Kompressor 7, der es verdichtet und in einen Speichertank 8 preßt. Dort
wird es unter ständiger Kontrolle mittels eines Manometers 9 gespeichert bzw. zwischengespeichert.
Von dem Tank 8 führt eine Leitung 10 zurück, aus der Einspritzer-oder Verdüsungseinrichtungen
11 des Ofens 1 gespeist werden, die frische Ofenatmosphäre mit dem jeweils gewünschten
Kohlenstoffgehalt erzeugen. Ferner gehen von der Leitung 10 Zufuhrleitungen 12 ab,
die die Flammenvorhänge an den Öffnungen des Ofens 1 speisen.
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Die zwischengespeicherte Ofenatmosphäre kann auch anderen zu einer
getrennten Anlage gehörenden Ofen zugeführt werden. Ebenso ist es möglich, aus dem
Tank 8 zwischengespeicherte Atmosphäre zu verwenden, um schnell den Atmosphärenverlust
auszugleichen, der auftritt, wenn zum Beschicken oder Entleeren des Ofens 1 die
Türen oder Schleusen kurzzeitig geöffnet werden müssen. Das zwischengespeicherte
und nahe den optimalen Parametern liegende
Gas steht bei einem
derartigen impulsweisen Bedarf schneller und in einer größeren Menge zur Verfügung
als wenn es aus den Ausgangskomponenten Luft und Propan oder auch Luft und Alkohol
erzeugt werden müßte. Ein Eindringen von Außenluft durch die geöffneten Türen läßt
sich somit wirksam verhindern, was der Gleichmäßigkeit des Behandlungsvorgangs und
der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse zugute kommt.
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Je nach Art der Anlage lassen sich 40 bis 70% der Aufkohlungs- oder
Karbonitrierungsgasmengen gegenüber solchen Anlagen einsparen, bei denen das überschüssige
Gas lediglich abgefackelt wird.Schließlich eignet sich das zwischengespeicherte
Gas, das unter verhältnismäßig hohem Druck steht, auch gut zur Verdüsung von flüssigen
Kohlenstoffträgern, wie Alkohol, bzw. der Verwirbelung.
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Die Fig. 2a und 2b zeigen den Zusammenhang zwischen dem Kohlenstoffgehalt
und der Eindringtiefe des Kohlenstoffes im aufgekohlten Bereich. Eine Kurve 1 veranschaulicht
die Abhängigkeit bei einer mittels Propan eingeregelten Atmosphäre bei einem Gehalt
von ca. 23% CO.
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Eine Kurve 2 zeigt hingegen den Zusammenhang bei einer gemäß dem erfindungsgemäßen
Verfahren erzeugten Atmosphäre mit rückgeführtem und mittels Luft geregeltem Gas
bei einem Gehalt von 31% CO in der Atmosphäre.
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Kurven 3 und 4 veranschaulichen den Zusammenhang bei einer mit Stickstoff
verdünnten Atmosphäre aus Alkohol.
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Es ist ersichtlich, daß die Kurve für das erfindungsgemäße Verfahren
bei einem CO-Gehalt von 31% dieselbe Aufkohlungstiefe erkennen läßt wie die Kurve
für eine
mit Propan angereicherte Atmosphäre und daß die Kurven
besser liegen als bei einer mit Alkohol angereicherten Atmosphäre.
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Bei über der Sättigungslinie des Kohlenstoffpegels liegenden Atmosphären
oder bei solchen mit hohem Kohlenstoffübergangskoeffizienten wird das Aufkohlungsprofil
bei querschnittgestörten Bauteilen, wie Zahnrädern, Sackbohrungen, genormten Bauteilen
usw. günstiger, d.h.
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der vorhandene Kohlenstoffpotentialsprung wird geringer.
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Außerdem verringert sich die Korngrenzenkorrosion um ca. 30% infolge
des hohen Kohlenstoffgehalts und der besseren Ofen- bzw. Prozeßführung.
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In Fig. 3 ist schematisch ein Teil des Umfangs eines Zahnrades unter
Veranschaulichung der Zähne dargestellt. Eine der typischen Schwierigkeiten bei
der konventionellen Aufkohlung besteht darin, daß ein Bereich 1 und ein Bereich
2 unterschiedlich aufkohlen, was bedeutet, daß die Aufkohlungsschicht an der Spitze
des Zahnes im allgemeinen dicker ist als am Zahngrund.
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Einer der Vorteile des neuen Verfahrens besteht darin, daß bei Anwendung
dieses Verfahrens der Unterschied in der Aufkohlung an dem Zahnkopf und dem Zahnfuß
kleiner ist wie es die Fig. 3a (Mikrofotografie aus dem Bereich der Zahnspitze)
und 3b (Mikrofotografie aus dem Bereich des Zahngrundes) zeigen.
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Eine Erklärung hierfür ist eine Verminderung der sprunghaften Anderung
des Kohlenstoffpegels, wie sie bei Aufkohlungsatmosphären auftritt, bei denen keine
zusätzliche Anreicherung des Kohlenstoffs durch Propan oder ähnlichem erfolgt (siehe
Fig. 2a).
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Man erhält eine Verringerung der Aufkohlungszeit um ungefähr 25% bei
Aufkohlungstiefen von bis zu 0,8 mm, wodurch der Durchsatz beim Aufkohluncrsverfahren
erhöht wird. Bei geringeren Aufkohlungstiefen kann man eine gewisse Verminderung
der Prozeßtemperatur vornehmen, wodurch sich die Energiekosten vermindern und die
Lebensdauer der Hilfseinrichtungen steigt.
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Zusammenfassend läßt sich feststellen: a) Bislang wurden die Aufkohlungsatmosphären
mittels Trägergasen,beispielsweise Propan, angereichert; b) alternativ ging man
dazu über, die aus den Öfen austretenden Atmosphären mit einigen Arten von Alkohol
als Trägergas anzureichern; c) das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, den
größten Teil des Ofengases aufzusammeln, zu komprimieren, zu lagern und anschließend
demselben Ofen ganz oder teilweise wieder zuzuführen, wobei dieses Gas entsprechend
dem Kohlenstoffpegel für die Ofenatmosphäre mit verdüstem Alkohol versehen wird,
wodurch sich ein Trägergas erübrigt.
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Im Fall der nur teilweisen Wiedereinspeisung kann der überschuß in
anderen Öfen verwendet werden, die Gas für die Alkoholverdüsunq oder Schutzaas benötigen,
d) das wieder in den Prozeß eingeführte Gas wird auch als Brennstoff für die an
dem Ein- und dem Ausgang des Ofens vorgesehenen Flammenvorhänge zum Schutz der Ofenatmosphäre
verwendet;
e) im Falle der Aufkohlung von unregelmäßigen Teilen
wird eine bessere Gleichmäßigkeit der Aufkohlung erzielt; f) wegen der Einsparung
von Trägergas ergibt sich eine Kostenminderung für den Prozeß.
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Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren für'eine Aufkohlungsatmosphäre
beschrieben wurde, ist es ersichtlich, daß die Ausführungen auch für Karbonitrierungsatmosphären
gelten, bei denen der nitrierende Bestandteil (Ammoniak) zusammen mit Alkohol verdüst
wird.