DE3926417A1 - Verfahren zum gluehen von metallteilen unter wasserstoffreichem schutzgas in einem durchlaufofen - Google Patents
Verfahren zum gluehen von metallteilen unter wasserstoffreichem schutzgas in einem durchlaufofenInfo
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- C21D9/56—Continuous furnaces for strip or wire
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- C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glühen von
Metallteilen unter wasserstoffreichem Schutzgas in einem
Durchlaufofen.
In der DE 37 33 884 A1 ist ein Verfahren zum Glühen von
Metallteilen unter einer im wesentlichen aus Wasserstoff
bestehenden Schutzgasatmosphäre vorgeschlagen. Dabei
besteht folgende Problematik: Das Glühen mit einer
Wasserstoffatmosphäre in einem Durchlaufofen ist
verhältnismäßig kostspielig, da Wasserstoff einerseits ein
vergleichsweise teures Schutzgas darstellt und
andererseits aufgrund des kontinuierlichen Verfahrens
ablaufs mit ständig oder periodisch geöffneten Austritts
möglichkeiten eine große Mengen davon aus dem
Durchlaufofen verloren gehen.
Diesbezüglich ist es bekannt, die Austrittsverluste von
Schutzgas durch schleusenartige Vorrichtungen am
Ofeneintritt und -austritt der Anlage zu verringern. In
einer günstigen Variante geschieht dies beispielsweise
derart, daß in die Schleusenkammern an Eintritt und
Austritt des Durchlaufofens ständig Stickstoff eingeleitet
wird und so die Austrittsverluste von Wasserstoff aus dem
Ofen verringert werden.
Neben der jetzt beschriebenen Rein-Wasserstoff-Wärme
behandlung sind Wärmebehandlungen und Glühverfahren
bekannt, die mit einer aus Ammoniak erzeugten
Schutzgasatmosphäre arbeiten. Diese Atmosphäre wird durch
Spaltung von Ammoniak (NH3) erzeugt und enthält mit
75 Vol-% Wasserstoff und 25 Vol-% Stickstoff einen sehr
hohen Wasserstoffanteil. Mit diesem Schutzgas und dieser
Schutzgasherstellung werden auch viele Wärmebehandlungs
verfahren durchgeführt, wobei für diese in Durchlauföfen
wiederum besonders hohe Gasmengen notwendig sind.
Darüber hinaus sind viele Wärmebehandlungen bekannt, die
auf der Basis von getrennt vorhandenen Einzelgasen
arbeiten und bei denen beim Anwender vor Ort beliebig
zusammengesetzte, sogenannte synthetische Schutzgase
hergestellt werden. Davon sind für die hier in Rede
stehende Erfindung im wesentlichen die Wärmebehandlungs
verfahren mit mehr als 50% Wasserstoffanteil im Schutzgas
von Bedeutung. Diese Verfahren sind im vorliegenden
Zusammenhang als Verfahren mit wasserstoffreichen
Schutzgasatmosphären anzusehen und bei diesen besteht
ebenfalls das Bestreben, die Verluste an Schutzgas so
niedrig wie möglich zuhalten.
Insbesondere bei den Verfahren bei denen eine reine
Wasserstoff-Atmosphäre angestrebt wird tritt noch ein
weiteres Problem insbesondere dann wieder in den
Vordergrund, wenn ein- und ausgangsseitig am Durchlaufofen
Schleusen angeordnet sind und diese mit Stickstoff gespült
werden, da dabei auch Stickstoff in die Hauptbereiche des
Durchlaufofens eindringt. Das Eindringen von Stickstoff in
besagte Zonen einer derartigen Anlage bewirkt nämlich unter
Umständen die Bildung eines sogenannten weißen Staubes,
die im folgenden zur Verminderung der Abkühlleistung in
der Kühlzone aufgrund der Verstopfung der dort
befindlichen Wärmetauscher führt (diese Problematik siehe
im Einzelnen in der obengenannten Patentanmeldung oder
Stahl und Eisen/l07, März 1987/Nr.6, Seiten 267-273,
insbesondere Seite 271, rechte Spalte, unten). Deshalb
ergibt sich bei diesen Wasserstoff-Wärmebehandlungen die
Problematik, entweder einen hohen Wasserstoffverbrauch
ohne Stickstoffschleusen in Kauf zu nehmen oder die
Bildung des weißen Staubes in verstärktem Maß zu
akzeptieren.
Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung besteht
deshalb darin, ein Verfahren zum Glühen von Metallteilen
unter Wasserstoffgas oder wasserstoffreichem Schutzgas in
Durchlauföfen so zu gestalten, daß der Bedarf an Schutzgas
möglichst weit abgesenkt werden kann, ohne andere negative
Erscheinungen, wie Lufteintritt oder die Bildung von
weißem Staub, zu verursachen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei
den Lecköffnungen des Durchlaufofens, beispielsweise und
insbesondere am Ofeneintritt und -austritt, Gas mit
höherer Dichte als Wasserstoff eingeblasen wird und somit
dem dort befindlichen Schutzgas zugemischt wird, während
ansonsten im Durchlaufofen die wasserstoffreiche
Atmosphäre gemäß der durchzuführenden Wärmebehandlung
aufrecht erhalten wird.
Diese Vorgehensweise beruht auf der Erkenntnis, daß die
Durchflußmenge Q eines Gases durch eine Lecköffnung, aus
einem mit Überdruck Δ p betriebenen Ofen, von der Dichte d
des durchfließenden Gases wie folgt abhängt:
Q = f (d) = A* (1/d 2Δ p)1/2
(A = Ofenkonstante).
Da es sich bei wasserstoffreichen Atmosphären um Gase
niedriger Dichte handelt, ergibt sich für Wasserstoff und
wasserstoffreiche Gasgemische eine sehr große
Durchflußmenge und deshalb im Fall von Wärmebehandlungen
mit solchen Schutzgasen große Schutzgasverluste. Bringt
man in die Umgebung solcher Lecköffnungen, beispielsweise
in den Querschnitt der Lecköffnungen, im Sinne der
Grundidee der vorliegenden Erfindung Gase höherer Dichte
als Wasserstoff ein, z. B. Stickstoff, Argon oder auch
SF6 und andere, so wird das Schutzgas in diesem Bereich
mit dem zugeführten Gas gemischt, wodurch sich die Dichte
des entstehenden Gasgemisches erhöht und die Durchfluß
menge durch die Lecköffnung unter der Voraussetzung eines
gleichbleibenden Ofendrucks entsprechend sinkt. Daraus
resultiert, daß insgesamt weniger Schutzgas bei gleichen
Druckverhältnissen die Wärmebehandlungsanlage verläßt oder
sich bei gleichbleibender Schutzgasmengenzugabe ein
Druckanstieg in der Wärmebehandlungsanlage ergibt.
Hiermit ergibt sich eine besonders vorteilhafte
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, nämlich daß die
Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre im Hinblick auf
Zusammensetzung und Druck dadurch erfolgt, daß die Zugabe
an Schutzgas basierend auf der Messung des Ofeninnendrucks
geregelt wird und zwar so, daß ein festgelegter
Druckverlauf, z.B. ein konstanter Druckwert, etwa zwischen
3-5 mbar Ofeninnendruck, eingehalten wird.
Mit dieser druckgesteuerten Schutzgas-Zufuhr wird das
erfindungsgemäße Ziel der Schutzgaseinsparung in
automatisierter Weise erreicht, denn, wie bereits
festgestellt, steigt der Ofendruck nach Zufuhr der
Zumischgase und gleichbleibender Zufuhrmenge von Schutzgas
an. Diese Zufuhrmenge wird nun aufgrund der druckinduzier
ten Steuerung verringert und somit weniger Schutzgas
verbraucht. Die Zurücknahme der Schutzgasmenge darf dabei
jedoch höchstens soweit reichen, daß andere, für die
Schutzgasatmosphäre wichtige Parameter, z.B. das
Verhältnis H2/H2O (Oxidationsgleichgewicht), nicht
unterschritten werden. Dies kann in kritischen Fällen
durch einen weiteren Sensor überwacht und in die Steuerung
und Regelung miteinbezogen werden.
Grundsätzlich wird durch die Zugabe der Zumischgase nur in
der Umgebung der Lecköffnungen darüber hinaus erreicht,
daß praktisch kein Zumischgas, insbesondere kein
Stickstoff, in die Hauptbereiche des Durchlaufofens
gelangt, was die Bildung von weißem Staub einschränkt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden die
Zumischgase mit höherer Dichte als Wasserstoff im Bereich
der Lecköffnungen mit Richtung zum Ofenäußeren hin in die
Leckquerschnitte eingeblasen. Dadurch wird erreicht, daß
eine besonders effiziente Mischung der Zumischgase mit dem
Schutzgas stattfindet und nur ein minimaler Anteil der
Zumischgase in die Hauptbereiche des Durchlaufofens
eingeschleppt wird. Man könnte diese Vorgehensweise auch
als die Zufuhr eines Mischimpulses mit Richtung zum
Ofenäußeren bezeichnen.
Anhand der schematischen Zeichnungen soll das
erfindungsgemäße Verfahren im folgenden beispielhaft näher
erläutert werden.
Fig. 1 zeigt das Schema eines Durchlaufofens zum Glühen
von Stahlbändern mit erfindungsgemäßen
Einrichtungen an Ofeneintritt und -austritt,
Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Ofeneintritt im
Detail,
Fig. 3 zeigt einen Ofeneintritt mit Führungsrollen.
Fig. 1 zeigt einen Durchlaufofen zum Glühen von
Stahlbändern. Ein Stahlband 5 wird mittels Rollen 6 durch
den Ofen geführt, der aufeinanderfolgend aus einem
Einlaufbereich 1, einem Glühbereich 2, einem Abkühl
bereich 3 und einem Auslaufbereich 4 besteht. Zwischen
Glühbereich 2 und Abkühlbereich 3 ist eine Schutzgas
zuleitung 7, also z.B. bei einer Wärmebehandlung mit
reiner H 2-Atmosphäre eine Wasserstoffzuleitung,
angeordnet. Im Eintrittsbereich 1 und Austrittsbereich 4
befinden sich Einrichtungen 8, 9 zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens.
Im Rein-Wasserstoff-Betrieb wird also über die Zuleitung 7
Wasserstoff in den Durchlaufofen eingeleitet. Im Vergleich
zum Betrieb mit Ammoniakspaltgas oder einem entsprechenden
synthetischen Gasgemisch aus 75% Wasserstoff und 25%
Stickstoff erhöht sich allein durch den Einsatz reinen
Wassersstoffs die benötigte, einzuleitende Menge Schutzgas
bei ansonsten gleichen Bedingungen deutlich, da reiner
Wasserstoff eine geringere Dichte als das eben genannte
Gasgemisch besitzt. Insbesondere bei Reinwasserstoff
atmosphären jedoch auch bei wasserstoffreichen Atmosphären
ist deshalb der Einsatz des vorliegenden Verfahrens
vorteilhaft.
Erfindungsgemäß wird nun im Bereich der wesentlichen
Leckquerschnitte, durch die Schutzgas die Anlage verläßt,
Stickstoff in Richtung zum Ofenäußeren hin eingeblasen.
Dazu sind Stickstoffzuführungen 8, 9 vorgesehen, die in
Fig. 2, welche einen Schnitt entsprechend der Linie A-A
aus Fig. 1 darstellt, im Detail gezeigt sind. Die Fig. 2
zeigt also den Einlaufbereich des Durchlaufofens mit dem
Stahlband 5 schematisch im Querschnitt. Mit der
Stickstoffzufuhreinrichtung 8 ist quer eine an beiden
Enden verschlossene Röhre verbunden, die auf ihrem Umfang
etwa auf einer Längslinie mit Bohrungen 10 versehen ist
(sogenannter Düsenstock). Diese Bohrungen 10 sind in Bezug
zur Zeichenebene schräg nach unten gerichtet, also in
Richtung zum Ofenäußeren in den Eintrittsspalt des
Stahlbandes 5 hinein ausgerichtet, der ja eine wesentliche
Lecköffnung darstellt. Es wird also gemäß Fig. 2 speziell
in die Spalte seitlich neben dem laufenden Blechband 5 und
einseitig auf der gesamten Eintrittsspaltbreite Stickstoff
eingeführt und somit die erfindungsgemäß erwünschten
Effekte erreicht.
Insbesondere der Eintritts- oder auch der Austrittsbereich
eines Bandglühofens kann auch mit Führungsrollen 21, 22
ausgestaltet sein. Dies ist in Fig. 3 ebenfalls in einer
Querschnittsdraufsicht dargestellt. Das Blechband 5 läuft
zwischen den Rollen 21, 22 in den Durchlaufglühofen ein.
Zur Abdichtung dieser Anordnung sind zwischen den
Außenwänden 23, 24 und den Rollen 21, 22 dieser Anordnung
Filzstreifen 25, 26 vorgesehen und die Rollen besitzen an
ihren Stirnseiten Abschlußscheiben 27. Sowohl in die neben
dem Blechband entstehenden Spalten 28 als auch in die
Bereiche 29 außerhalb der Abschlußscheiben 27 wird
Zumischgas über Zuleitungen 30, 31 in die Leckquerschnitte
eingeblasen.
Vom Gesamtablauf im Hinblick auf die durchzuführende
Wärmebehandlung erfolgt das erfindungsgemäße Vorgehen wie
folgt: Über einen im Durchlaufofen angebrachten
Drucksensor 35 wird der Ofendruck gemessen. Die Zumischung
einer bestimmten Menge des Zumischgases in den Leckquer
schnitten bewirkt ein Ansteigen des Drucks im Ofen nach
Beginn der Zumischung. Dieser Anstieg wird mittels des
Drucksensors festgestellt und in der Folge wird die
Schutzgaszugabe mittels einer entsprechend programmierten
Regeleinheit 36, die mit einem in der Schutzgaszuleitung 7
angeordneten Regelventil 37 gekoppelt ist, vermindert und
so der Druck wie gewünscht gehalten. Im Ganzen wird der
Druck günstigerweise im Regelkreis-Verfahren etwa konstant
auf einem festzulegenden Niveau eingestellt. Daraus ergibt
sich, daß die für die Wärmebehandlung notwendige
Schutzgasmenge deutlich verringert ist. Beispielsweise
kann der Bedarf bei einer Wasserstoffatmosphäre unter den
Bedarf bei einem Verfahren mit NH3-Spaltgas gesenkt
werden, bei dem ohne die erfindungsgemäße oder andere
einsparende Einrichtungen gearbeitet wird. Ebenso wird im
Falle von Rein-Wasserstoff-Atmosphären die Bildung von
weißem Staub verringert.
Neben einer Drucksteuerung des Glühverfahrens über den
Ofendruck, ist insbesondere auch eine Steuerung über den
Wasserstoffgehalt im Austrittsgas oder die Austritts
geschwindigkeit des Austrittsgases aus der betreffenden
Lecköffnung möglich. Die Zugabemenge an Zumischgas stellt
darüber hinaus für sich selbst eine weitere regelbare
Größe dar, die bei der Durchführung von Glühverfahren
variiert werden kann.
Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich als
Nebeneffekt zusätzlich eine Steigerung der Sicherheit für
Verfahren mit wasserstoffreichen Atmosphären, da aufgrund
des erniedrigten Wasserstoffgehalts des austretenden
Schutzgases die Entzündungsgefahr vermindert ist.
Das vorgeschlagene Verfahren ist also eine besonders
vorteilhafte Ausgestaltung einer Wärmebehandlung mit
wasserstoffreichem Schutzgas, bei dem durch den Einsatz
geringer Mengen eines weiteren Gases wesentliche
Einsparungen an Behandlungsgas erreicht werden.
Claims (4)
1. Verfahren zum Glühen von Metallteilen unter
wasserstoffreichem Schutzgas in einem Durchlaufofen,
dadurch gekennzeichnet, daß bei den Lecköffnungen des
Durchlaufofens, beispielsweise und insbesondere am
Ofeneintritt und -austritt, Gas mit höherer Dichte als
Wasserstoff eingeblasen wird und somit dem dort
befindlichen Schutzgas zugemischt wird, während im
übrigen im Durchlaufofen die wasserstoffreiche
Schutzgas-Atmosphäre gemäß der durchzuführenden Wärme
behandlung aufrecht erhalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre dadurch
erfolgt, daß die Zugabe an Schutzgas basierend auf der
Messung des Ofeninnendrucks geregelt wird und zwar so,
daß ein festgelegter Druckverlauf, der abhängig ist
von Betriebsart und Produkt, eingehalten wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das Gas mit höherer Dichte als
Wasserstoff mit Richtung zum Ofenäußeren hin in die
jeweilige Lecköffnungen des Durchlaufofens eingeblasen
wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß soviel Gas höherer Dichte
eingeblasen wird, daß der Anteil dieses Gases im
ausfließenden Gas mehr als 25% beträgt.
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