DE3630833A1 - Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung metallischer werkstuecke - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zur waermebehandlung metallischer werkstueckeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung
metallischer Werkstücke in einem gasbeheizten Durchlaufofen
unter Einwirkung einer Gasatmosphäre, die im wesentlichen aus
Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht sowie einen
Durchlaufofen zur Durchführung des Verfahrens.
Die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke wird häufig in
Durchlauföfen durchgeführt, denen ein in seiner
Zusammensetzung auf die Art der Wärmebehandlung abgestelltes
Behandlungsgas von außen zugeleitet wird. So sind z.B.
Rollenherdöfen zum Glühen von Halbzeugen aus Eisen oder auch
Nichteisenmetallen bekannt, die mit sogenanntem Exogas, das
in Gasgeneratoren durch exotherme Verbrennung von
Kohlenwasserstoffen mit Luft, oder mit sogenanntem Endogas,
das in mit Katalysatoren gefüllten Reaktoren unter
Wärmezufuhr ebenfalls aus Kohlenwasserstoff-Luft-Gemischen
erzeugt wird, betrieben werden. Die bei beiden Verfahren
entstehenden Behandlungsgase enthalten im wesentlichen
Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid sowie unter
Umständen noch Beimengungen von Kohlendioxid und Wasserdampf.
Das genaue Mischungsverhältnis der Komponenten wird so
gewählt, wie es bei der jeweils vorliegenden Art der
Wärmebehandlung in der Hauptbehandlungszone, z.B. in der
heißen Zone des Durchlaufofens, erforderlich ist. Zur
Aufrechterhaltung des richtigen Mischungsverhältnisses oder
zu einer gezielten Änderung desselben sind Steuer- und
Regelverfahren bekannt, mit denen das Mischungsverhältnis in
Abhängigkeit einer im Ofen gemessenen Größe beeinflußt wird
(VDI-Zeitung 98 (1956), Nr. 24, Seiten 1486 bis 1490).
Die bekannten Verfahren und ihre neueren Weiterentwicklungen
arbeiten technisch weitgehend zufriedenstellend, jedoch ist
ihre Anwendung auf große Öfen, insbesondere auf
langgestreckte Durchlauföfen, nicht immer in dem Maße
wirtschaftlich, wie es wünschenswert wäre. Der
Gesamtgasverbrauch, d.h. der Verbrauch an Brenngas und
Behandlungsgas, ist wegen der räumlichen Ausdehnung solcher
Öfen größer als er zur eigentlichen Wärmebehandlung notwendig
wäre. Dieser Nachteil ist, insbesondere wegen des Verbrauchs
von wertvollen kohlenwasserstoffhaltigen Gasen, von nicht zu
vernachlässigender Bedeutung.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die
bekannten Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer
Werkstücke in gasbeheizten Durchlauföfen wirtschaftlicher zu
gestalten.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Gasatmosphäre aus
einem Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden
Behandlungsgas, das dem Durchlaufofen im Bereich seiner
Heizzone zugeführt und das unmittelbar vor seinem Eintritt in
den Durchlaufofen durch katalytische Umsetzung eines
Kohlenwasserstoffe und Luft enthaltenden Gases erzeugt wird,
und Stickstoff, der dem Durchlaufofen, beidseitig der
Zuführungsstelle für das Behandlungsgas, zwischen Ofeneinlauf
und Heizzone sowie zwischen Heizzone und Ofenauslauf
zugeführt wird, gebildet wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem
Durchlaufofen in optimaler Weise ein sich in Richtung der
Längsausdehnung des Durchlaufofens erstreckendes
Gasatmosphärenprofil aufgebaut, das vom Ofeneinlauf her mit
einer Zone geringer Reaktivität beginnt, dann im Bereich der
heißen Zone die höchste Reaktivität erreicht und schließlich
im Bereich des Ofenauslaufs wieder zur geringer Reaktivität
absinkt. Verglichen mit einer Exogasatmosphäre führt das
erfindungsgemäße Verfahren somit zu einer höheren Reaktivität
in der heißen Zone des Ofens, ohne daß die Ofenatmosphäre in
der Nähe von Ofenein- und auslauf giftiger oder brennbarer
wird als bei Exogas. Eine unmittelbare Folge dieser
Verfahrensweise ist eine erhebliche Einsparung bezüglich des
Verbrauches kohlenwasserstoffhaltiger Gase, die kostenmäßig
bis über 30% betragen kann.
Überraschenderweise wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße
Verfahren außer dem Vorteil seiner gegenüber bekannten
Verfahren erhöhten Wirtschaftlichkeit auch eine Verbesserung
der Qualität, insbesondere der Gleichmäßigkeit der Qualität,
der behandelten Werkstücke mit sich bringt, die darauf
beruht, daß die Zusammensetzung der Gasatmosphäre an jeder
Stelle des Ofens in optimaler Weise eingestellt werden kann.
Eine wesentliche Voraussetzung für diesen Vorteil ist neben
der getrennten Stickstoffzufuhr die Erzeugung des
Behandlungsgases unmittelbar vor seinem Eintritt in den
Durchlaufofen durch katalytische Umsetzung. Darüber hinaus
hat die beim erfindungsgemäßen Verfahren gebildete
Gasatmosphäre eine hohe Pufferwirkung gegenüber
Lufteinbrüchen und Undichtigkeiten in den Strahlrohrbrennern.
Außerdem werden Rußbildung und Schäden an der Ofenausmauerung
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sicher vermieden.
Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird
vorteilhaft das Mengenverhältnis zwischen Behandlungsgas und
dem getrennt zugeleiteten Stickstoff so gewählt, daß die
Ofenatmosphäre in den dem Ofeneinlauf und dem Ofenauslauf
benachbarten Bereichen weniger als 20%, vorzugsweise weniger
als 10%, Kohlenmonoxid und weniger als 30%, vorzugsweise
weniger als 10%, Wasserstoff enthält.
Besonders vorteilhaft ist auch eine Weiterentwicklung des
erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der der Durchlaufofen über
Strahlrohrbrenner beheizt wird und das Behandlungsgas dem
Durchlaufofen über einen konzentrisch zum Brennerraum
mindestens eines der im Bereich der heißen Zone angeordneten
Strahlrohrbrenner angeordneten und mit Katalysator gefüllten
Querschnitt zugeleitet wird.
Die Verwendung derartiger Katalysatorrohre ist zwar von
anderen Wärmebehandlungsöfen her schon bekannt, doch hat es
sich gezeigt, daß ihre Verwendung im Rahmen des
erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft ist.
Da in jüngster Zeit Durchlauföfen zur Wärmebehandlung
überwiegend mit Erdgas beheizt werden, ist die Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens bei solchen Öfen besonders
wirtschaftlich, wenn das Behandlungsgas aus einem
Erdgas-Luft-Gemisch erzeugt wird, da auf diese Weise
lediglich Stickstoff als zusätzliches Medium am Durchlaufofen
zur Verfügung stehen muß.
Bevorzugte Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind das Rekristallisieren und das kohlungsneutral- oder
entkohlende Glühen von Halbzeugen in Rollenherdöfen.
Ein Durchlaufofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens mit über seine Längsausdehnung angeordneten
Strahlrohrbrennern ist mit Vorteil so ausgebildet, daß
mindestens einer der im Bereich der heißen Zone des
Durchlaufofens angeordneten Strahlrohrbrenner einen
konzentrisch zum Brennerraum angeordneten und mit Katalysator
gefüllten Querschnitt für die Erzeugung des Behandlungsgases
aufweist und in Bezug auf die Längsausdehnung des
Durchlaufofens, beidseitig zu dem oder den einen mit
Katalysator gefüllten Querschnitt aufweisenden
Strahlrohrbrennern, im Bereich zwischen Ofeneinlauf und
heißer Zone sowie im Bereich zwischen heißer Zone und
Ofenauslauf Gaszuführungen für Stickstoff angeordnet sind.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Verfahrens anhand eines in der Figur
schematisch dargestellten Rollenherdofens beschrieben.
Der Rollenherdofen 1 besitzt einen Ofeneinlaß 2, von dem
mittels Transportrollen 4 metallische Werkstücke
kontinuierlich oder diskontinuierlich durch den Ofen 1
hindurch dem Ofenauslauf 3 zugeführt werden. Der Ofen 1 wird
über eine Anzahl von Strahlrohrbrennern 5 mit Erdgas als
Brenngas so beheizt, daß die den Ofen 1 durchlaufenden
Werkstücke, die z.B. kohlungsneutral geglüht werden sollen,
zunächst langsam erhitzt werden, dann ungefähr in der
Ofenmitte die höchste Temperatur erreichen und schließlich
dem Ofenauslauf 3 zu wieder langsam abkühlen.
Im Bereich der heißen Zone des Ofens 1 ist einer 6 der
Strahlrohrbrenner 5 dadurch als innenbeheizter katalytischer
Reaktor ausgebildet, daß der Brennerraum konzentrisch von
einem mit Katalysator gefüllten ringförmigen Raum zur
Erzeugung des Behandlungsgases umgeben ist. Außerdem besitzt
der Ofen 1 zwei Gaszuführungen 7, die in Längsrichtung des
Ofens beidseitig zu dem als katalytischer Reaktor
ausgebildeten Strahlrohrbrenner 6 angeordnet sind. Bei
größeren oder längeren Ofen können auch mehrere spezielle
Strahlrohrbrenner 6 und/oder weitere Gaszuführungen 7
vorgesehen sein.
Beim Betrieb des Ofens wird den Strahlrohrbrennern 5 ein
Erdgas-Luft-Gemisch zur Beheizung zugeführt. Bei dem als
katalytischen Reaktor ausgebildeten Strahlrohrbrenner 6 wird
das Erdgas-Luft-Gemisch zusätzlich dem zweiten, den
Katalysator enthaltenden Querschnitt zugeführt, wo durch
endotherme Umsetzung ein Behandlungsgas mit ungefähr 40%
Stickstoff, 38% Wasserstoff und 18% Kohlenmonoxid erzeugt
und durch einen Gasverteiler 8 in den Innenraum des Ofens 1
eingeblasen wird. Zusätzlich wird über die Gaszuführungen 7
reiner Stickstoff in den Ofen 1 eingeleitet, der das
Behandlungsgas im Bereich des Ofeneinlaufs 2 und des
Ofenauslaufs 3 so verdünnt, daß dort die Gasatmosphäre nur
noch etwa 8% Wasserstoff und ebenfalls etwa 8% Kohlenmonoxid
enthält. Ingesamt wird auf diese Weise im Ofen 1 über seine
Längsausdehnung ein Gasatmosphärenprofil aufgebaut, das in
der heißen Zone seine höchste und beim Ofeneinlauf 2 und beim
Ofenauslauf 3 seine niedrigste Reaktivität aufweist. Die
wechselnde Zusammensetzung der Ofenatmosphäre kann einerseits
durch Änderungen des Mischungsverhältnisses des
Erdgas-Luft-Gemisches, das über den als katalytischen
Reaktor ausgebildeten Strahlrohrbrenner 6 dem Ofen 1
zugeführt wird, und andererseits durch Änderungen der Menge
des über die Gaszuführungen 7 in den Ofen 1 eingebrachten
Stickstoffs in beliebiger Weise und außerordentlich genau den
jeweils vorliegenden Erfordernissen angepaßt werden.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einem
Durchlaufofen der beschriebenen Art eine erhebliche
Einsparung an Behandlungsgas erzielt werden. So konnten
beispielsweise in einem speziellen Fall einer Wärmebehandlung
220 m³/h Exogas durch nur 100 m3/h Stickstoff, 6 m3/h
Erdgas und 15 m3/h Luft ersetzt werden.
Claims (5)
1. Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke in
einem gasbeheizten Durchlaufofen unter Einwirkung einer
Gasatmosphäre, die im wesentlichen aus Stickstoff,
Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht, dadurch
gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre aus einem
Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden
Behandlungsgas, das dem Durchlaufofen im Bereich seiner
Heizzone zugeführt und das unmittelbar vor seinem
Eintritt in den Durchlaufofen durch katalytische
Umsetzung eines Kohlenwasserstoffe und Luft enthaltenden
Gases erzeugt wird, und Stickstoff, der dem
Durchlaufofen, beidseitig der Zuführungsstelle für das
Behandlungsgas, zwischen Ofeneinlauf und Heizzone sowie
zwischen Heizzone und Ofenauslauf zugeführt wird,
gebildet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Mengenverhältnis zwischen Behandlungsgas und dem
getrennt zugeleiteten Stickstoff so gewählt wird, daß
die Ofenatmosphäre in den dem Ofeneinlauf und dem
Ofenauslauf benachbarten Bereichen weniger als 20%,
vorzugsweise weniger als 10%, Kohlenmonoxid und weniger
als 30%, vorzugsweise weniger als 10%, Wasserstoff
enthält.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Durchlaufofen über Strahlrohrbrenner beheizt wird
und das Behandlungsgas dem Durchlaufofen über einen
konzentrisch zum Brennerraum mindestens eines der im
Bereich der heißen Zone angeordneten Strahlrohrbrenner
angeordneten und mit Katalysator gefüllten Querschnitt
zugeleitet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Durchlaufofen mit Erdgas beheizt
wird und das Behandlungsgas aus einem Erdgas-Luft-Gemisch
erzeugt wird.
5. Durchlaufofen zur Durchführung des Verfahrens nach einem
der Ansprüche 1 bis 4 mit über die Längsausdehnung des
Durchlaufofens in Reihe angeordneten Strahlrohrbrennern,
dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer (6) der im
Bereich der heißen Zone des Durchlaufofens (1)
angeordneten Strahlrohrbrenner (5) einen konzentrisch zum
Brennerraum angeordneten und mit Katalysator gefüllten
Querschnitt für die Erzeugung des Behandlungsgases
aufweist und in Bezug auf die Längsausdehnung des
Durchlaufofens (1), beidseitig zu dem oder den einen mit
Katalysator gefüllten Querschnitt aufweisenden
Strahlrohrbrennern (6), im Bereich zwischen
Ofeneinlauf (2) und heißer Zone sowie im Bereich zwischen
heißer Zone und Ofenauslauf (3) Gaszuführungen (5) für
Stickstoff angeordnet sind.
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