DE4236801A1 - Gasaufkohlungsverfahren im Vakuumofen - Google Patents

Description

Gasaufkohlungsverfahren, die bei Unterdruck in einem Vakuumofen durchgeführt werden, sind bekannt. Nachteile dieser bekannten Verfahren: weder der Ofen ist für die spezifischen Verhältnisse der Gasaufkohlung eingerichtet noch wurden bzw. werden gasförmige Medien verwendet, die den heutigen Ansprüchen an die Regel- und Steuerbarkeit des sogenannten C-Pegels genügen.

Die Behandlungskammer in Vakuumöfen ist üblicherweise mittels 30 bis 60 mm starker Graphitplatten bzw. mehrerer metallischen Strah­ lungsschilde thermisch gegenüber dem Ofengehäuse isoliert. Beide Arten der thermischen Isolierung sind aber für einen Betrieb mit herkömmlichen Kohlungsgasen nicht ausreichend. Die Wärmeverluste infolge der Konvektion wasserstoffhaltiger Gase wären viel zu hoch. Überdies würden bei Ausbrennvorgängen zur Beseitigung von - teilweise unvermeidbaren - Verrußungen Graphitisolierungen ebenso verbrennen wie der zu beseitigende Ruß. Letzteres gilt ebenfalls für Graphitheizungen. In einem Vakuumofen mit Isolierung aus han­ delsüblichen Mineralfasermatten und indirekter Beheizung mittels Strahlrohren wird dieser Nachteil vermieden.

Aber auch die Isolierwirkung von Fasermatten ist begrenzt und daher ihre generelle Verwendung in normalen Aufkohlungsöfen unüb­ lich, wenn ein wasserstoffhaltiges Gas vorliegt. Um die Isolier­ wirkung einer gegebenen Faserisolierung zu verbessern, kann der Druck der Aufkohlungsatmosphäre vermindert werden. Übliche Auf­ kohlungsatmosphären auf der Basis Endogas enthalten neben ca. 20 Vol% CO und etwa 40 Vol% H2 rund 40 Vol% Stickstoff. Letzterer ist am Aufkohlungsprozeß nicht beteiligt und könnte ohne Einbu­ ßen des Prozeßablaufes eliminiert werden. Eine Aufkohlungsat­ mosphäre bei einem absoluten Gasdruck von 600 mbar und einem CO- Partialdruck von ca. 200 mbar sowie einem H2-Partialdruck von 400 mbar hat daher etwa die gleiche Kohlungseigenschaft und Regelbar­ keit wie eine Endogasatmosphäre.

Die bekannten Unterdruckaufkohlungsverfahren, die in üblichen Vakuumöfen durchgeführt werden, unterscheiden sich von den bei Normaldruck arbeitenden Aufkohlungsöfen dadurch, daß der Aufkohlungsprozeß vorzugsweise bei Arbeitsdrücken unter 100 mbar abso­ lut primär über den Methanzerfall gemäß der Reaktion CH4 ≠ C + 2*HH2 abläuft. Dadurch ist der Aufkohlungsprozeß bislang noch nicht ausreichend sicher steuerbar. In normalen Gasaufkohlungsö­ fen läuft dagegen der Aufkohlungsvorgang vorzugsweise über die heterogene Wassergasreaktion gemäß CO + H2 * C + H2O ab. Dieser Prozeß ist zum Beispiel mittels Sauerstoffsonden sehr gut zu regeln und zu steuern.

In normalen Gasaufkohlunganlagen unter atmosphärischen Bedingun­ gen werden zur Begasung größere Mengen an sogenanntem Trägergas benötigt. Dies geschieht einerseits aus Sicherheitsgründen, weil das Vorhandensein eventueller Undichtigkeiten bzw. gezielte Spül­ vorgänge im Schleusenbereich dazu zwingen, aber auch anderer­ seits, weil zum Beispiel bei Nutzung von Endogas durch die Zugabe des eigentlichen Kohlenstoffspenders (z. B. Methan bzw. Propan) erhebliche Änderungen in der Konzentration von CO und H2 und damit im Aufkohlungsverhalten eintreten können. Bei einer Aufkoh­ lung im Vakuumofen unter Nutzung der bei Normaldruck üblichen Aufkohlungsvorgänge auf der Basis der heterogenen Wassergasreaktion sind im Prinzip nur die Verdünnungseffekte durch den Zusatz von Kohlenstoffspendern zu kompensieren. Daher kann zum Beispiel das im Betrieb unter Normalbedingungen nicht übliche CO anstelle des Trägergases verwendet und damit auch die unnötige Zugabe von Stickstoff vermieden werden.

Damit das Verhältnis von CO zu H2 stets einen konstanten Wert beibehält, muß die zugegebene Menge CO zur zugegeben Menge an Kohlenstoffspender stets in einem festen Verhältnis stehen. Unter dieser Voraussetzung sowie unter der Voraussetzung eines konstan­ ten Unterdruckes sind die Aufkohlungsprozesse im Vakuumofen eben­ falls gut regel- und steuerbar, wozu sich ebenfalls Sauerstoff­ sonden verwenden lassen. Statt der Zugabe von CO plus einem Kohlenstoffspender kann auch ein einzelnes Medium verwendet wer­ den, zum Beispiel Aceton, Methanol, Isopropanol oder ähnliches, das bei der thermischen Zersetzung neben dem zur Aufkohlung benö­ tigten Kohlenstoff bereits ein Gasgemisch mit konstantem Verhält­ nis von CO zu H2 bildet.

Während in Gasaufkohlungsöfen, die unter Normaldruck arbeiten, durch die Wahl der Aufkohlungsgase die Konzentration an CO und H2 sowie deren Verhältnis zueinander praktisch kaum verändert werden kann, ist zumindest bei der Gasaufkohlung im Vakuumofen unter Verwendung von CO in weiten Bereichen eine Variation des Verhält­ nisses CO zu H2 möglich. Dieses Verhältnis kann ohne weiteres auf den idealen Wert 1 gebracht werden, wodurch gegebenenfalls die Aufkohlungsbedingungen zu Beginn der Aufkohlung verbessert wer­ den. Damit kann möglicherweise auch der Unterdruck auf etwa 400 bis 300 mbar absolut gesenkt werden, da für eine gleichmäßige Aufkohlung über die gesamte Charge hinweg nach heutiger Kenntnis ein CO-Partialdruck von mindestens 150 bis 200 mbar ausreichend ist.

Für die Unterdruckaufkohlung gemäß der zuvor beschriebenen Zusam­ menhänge ergibt sich somit ein sinnvoll nutzbarer Druckbereich zwischen 300 und 800 mbar absolut. Diese Beschränkung schließt nicht aus, daß einzelne Verfahrensschritte oder im Ausnahmefall auch das ganze Verfahren bei Gesamtdrücken unter 300 mbar bzw. oberhalb 800 mbar durchgeführt werden können.

Durch die Isolierung des Vakuumofens mit Fasermatten und die Beheizung mit Strahlrohren - insbesondere Gasstrahlrohren - ist eine einfache und rasche Zwischenkühlung zum Beispiel auf Perli­ tiserungstemperatur möglich. Auch dies ist ein Vorteil des beschriebenen Verfahrens gegenüber allen bisherigen Gasaufkoh­ lungsverfahren im Unterdruck- bzw. im Normaldruckbetrieb. Damit bei der Zwischenkühlung ein ausreichend hoher Druck erzeugt wer­ den kann, ohne daß die Zusammensetzung der Aufkohlungsatmosphäre wesentlich verändert wird, ist es zweckmäßig, das während des Aufkohlungsprozesses (zur Aufrechterhaltung des Arbeitsdruckes) abgepumpte Ofengas in einem Puffer zu sammeln und bei Bedarf dem Ofen wieder zuzuführen. Das gepufferte Gas kann auch verwendet werden, wenn nach einem Druckausgleich zwischen Schleuse und Ofenkammer der Druck in der Ofenkammer wieder auf den Arbeits­ druck angehoben werden muß.

Weitere Vorteile des beschriebenen Verfahrens: geringer Schutzgasverbrauch und damit verbunden reduzierte Bereitstellung explosionsfähiger Betriebsmittel bzw. von zusätzlichen Schutzga­ serzeugern, geringere Emission von Schadstoffen, geringeres Sicherheitsrisiko und umweltfreundlicherer Arbeitsplatz.

Claims (6)

1. Verfahren zum Gasaufkohlen von Stahlteilen unter Nutzung der heterogenen Wassergasreaktion, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vakuumofen verwendet wird, dessen thermische Isolierung überwie­ gend aus handelsüblichen Mineralfaserstoffen besteht und mit Strahlrohren beheizt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vermeidung zu hoher Wärmeverluste infolge des hohen Wasserstoff­ gehaltes der Aufkohlungsatmosphäre ein unterhalb des atmosphä­ rischen Druckes gelegener Arbeitsdruck zwischen 300 und 800 mbar absolut aufrecht erhalten wird.

3. Verfahren nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß nur soviel Frischgas zugegeben wird, wie zur Aufrechterhal­ tung des gewünschten C-Pegels und eines vorgegebenen CO-Gehaltes sowie H2-Gehaltes notwendig ist.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß neben einem Kohlenwasserstoffgas - wie z. B. Methan oder Pro­ pan - CO in einem festen Mengenverhältnis zum Kohlenwasserstoff als zweites Kohlungsgas verwendet wird.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich ein einziges Medium verwendet wird - wie z. B. Ace­ ton oder Äthylacetat -, das gleichzeitig die in Anspruch 3 genannten Bedingungen erfüllen kann.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das aus der Ofenkammer abgepumpte Kohlungsgas in einem Puf­ ferbehälter gespeichert wird, um es für Verfahrensnebenschritte - wie etwa ein rasches Anheben des Arbeitsdruckes bei Druckabfall - zu verwenden.