DE4311447A1 - Verfahren und Einrichtung zum Überwachen einer den Kohlenstoffanteil eines Nitrocarburier-Ofens beschreibenden Größe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überwachen einer den Kohlenstoffanteil einer Ofenatmosphäre eines Nitrocarburier- Ofens beschreibenden Größe, der auf einer konstanten Temperatur gehalten wird und dem definierte Mengen von Luft, von Ammoniak und von eine definierte Zusammensetzung aufweisendem Reaktions­ gas zugeführt werden, und eine Einrichtung zum Durchführen des Verfahrens.

In einer älteren, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung (P 42 11 395.4) wird bereits ein Verfahren vorgeschlagen, mit wel­ chem die Ofenatmosphäre beim Nitrocarburieren von Werkstücken meßtechnisch erfaßt und geregelt werden kann. Hierbei wird ein durch den Ofen hindurchgehendes optisches Meßsystem eingesetzt, um die Einzelkomponenten der Ofenatmosphäre zu messen. Neben den üblichen Komponenten der Ofenatmosphäre wird insbesondere vorgesehen, die HCN-Anteile zu messen, die eine Qualitätsbeur­ teilung der Ofenatmosphäre zulassen. Mittels einer Regelein­ richtung werden die HCN-Anteile auf einen optimalen Wert einge­ regelt. Aus den gemessenen Größen können Werte abgeleitet wer­ den, wie insbesondere die Nitrierkennzahl N oder Kohlenstoffak­ tivität a_C, die dann ebenfalls geregelt werden können. Dieses Verfahren ist jedoch nicht mehr anwendbar, wenn die Ofenkon­ struktion keinen direkten Durchtritt eines Meßstrahles durch die Ofenatmosphäre zuläßt, wie dies beispielsweise bei Retor­ tenöfen der Fall ist.

Es ist auch bekannt, eine Ofenanlage mit einem Meßsystem auszu­ rüsten, das einen kleinen Meßgasstrom kontinuierlich dem Ofen­ raum entnimmt. Dieser Meßgasstrom wird außerhalb des Ofens in Analysatoren auf seine Bestandteile hin untersucht, um Regel­ signale zu gewinnen. Bei einem derartigen System besteht die Gefahr einer Verfälschung der zu errechnenden Nitrocarburier­ kenngrößen, da aufgrund veränderter Temperaturen Anteile der Ofenatmosphäre als feste oder flüssige Bestandteile ausfallen können und da sich außerdem entsprechend dem Wassergasgleichge­ wicht eine andere Gaszusammensetzung einstellen kann.

Es ist auch bekannt, die sich bildende Ofenatmosphäre, insbe­ sondere bei einem Chargenofen, aus den eingeleiteten Gasmengen in Verbindung mit der Reaktionstemperatur zu berechnen. Die Hauptschwierigkeit dieses Verfahrens besteht darin, daß der so­ genannte Spaltungsgrad nicht aus den eingeleiteten Gasmengen ermittelt werden kann, d. h. welcher Anteil des eingeleiteten Ammoniaks unter Volumenvergrößerung in N₂ und H₂ aufgespalten wird. Diese Aufspaltung und damit der Spaltungsgrad hängt von dem zur Verfügung stehenden, katalytisch wirkenden Reaktions­ flächen ab, wie Ofenwandungen oder Chargenoberflächen. Um den Spaltungsgrad zu ermitteln, ist es bekannt, zusätzlich den Restanteil von Ammoniak im Ofenabgas zu messen und mit der ein­ geleiteten Ammoniakmenge in eine Beziehung zu setzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine zuverlässige Er­ mittlung des Kohlenstoffanteils zu ermöglichen, die insbesondere auch on-line durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Spaltungsgrad des Ammoniaks in der Ofenatmosphäre ermittelt wird, daß eine einem Sauerstoffpartialdruck einer unter Zugrunde legen der zugeführ­ ten Gasmengen gebildeten Ofenatmosphäre zugehörige, dem Spal­ tungsgrad zugeordnete Spannung errechnet wird, die mit der dem tatsächlichen Sauerstoffpartialdruck der Ofenatmosphäre zugehö­ rigen, gemessenen Spannung verglichen wird, und daß bei Auftre­ ten einer Differenz ein zugeordneter Korrekturwert gebildet wird, wonach unter Berücksichtigung des Korrekturwertes die den Kohlenstoffanteil beschreibende Größe errechnet wird.

Mit diesem Verfahren wird berücksichtigt, daß die den Kohlen­ stoffanteil beschreibende Größe, beispielsweise die Kohlen­ stoffaktivität in starkem Maße von den der Ofenatmosphäre zuge­ führten Mengen an Wasserdampf und Luft abhängig ist. Soweit diese nicht bewußt in definierter Menge zugesetzt werden, sind sie Additive, die aufgrund von Zufällen oder Fehlern in die Ofenatmosphäre gelangen. Beispielsweise kann Luft infolge von Undichtheiten und Wasserdampf infolge von unbekannten Wasser- oder Wasserdampfbeimengungen zum Ammoniak in den Ofen gelangen. Mit dem gebildeten Korrekturwert werden diese unbekannten Addi­ tive, die den Sauerstoffpartialdruck ändern, dadurch berück­ sichtigt, daß der Sauerstoffpartialdruck der nur aus den einge­ leiteten Gasmangen gebildeten Atmosphäre errechnet und mit dem tatsächlichen Sauerstoffpartialdruck verglichen wird. Dadurch lassen sich die Sauerstoffunterschiede als Ursache eines "Stör­ gases" auch mengenmäßig erkennen und in Form eines Korrektur­ wertes bei der Berechnung beispielsweise der Kohlenstoffaktivi­ tät berücksichtigen.

Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgesehen, daß als Korrekturwert eine zusätzliche Luft­ menge oder Wasserdampfmenge ermittelt wird, die zusammen mit der zugeführten Luftmenge in der Berechnung der den Kohlen­ stoffanteil bescheibende Größe berücksichtigt wird. Dieses Ver­ fahren ist einfach durchführbar, da errechnet wird, welche theoretische Luftmenge bei dem ermittelten Spaltungsgrad der gemessenen Spannung entspricht, wobei dann diese theoretische Luftmenge der Berechnung zugrundegelegt wird. Dieses Verfahren liefert Ergebnisse, die für eine praktische Regelung eines Nit­ rocarburier-Ofens ausreichend genau arbeitet.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß zum Ermitteln des Spaltungsgrades des Ammoniaks in der Ofenat­ mosphäre eine Spannungsdifferenz aus der gemessenen, dem Sauer­ stoffpartialdruck der normalen Ofenatmosphäre zugehörigen Span­ nung und aus der nach vollständiger Spaltung des Ammoniaks dem Sauerstoffpartialdruck bei diesem Zustand der Ofenatmosphäre zugehörige Spannung gebildet wird, aus der der Spaltungsgrad errechnet wird. Dieses Verfahren ist im Prinzip bekannt (DE 36 32 480 C2 und H.-J. Berg u. a.: "Einsatz eines Nitriersensors", HTM 46 (1991) 6, S. 375 bis S. 378). Bei dem bekannten Verfah­ ren wird der Spaltungsgrad des Ammoniaks bei Gasnitrierprozes­ sen gemessen, um die Nitrierkennzahl zu ermitteln.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgesehen, daß unter Zugrunde legen des über die Differenz der gemessenen Sau­ erstoffpartialdrücke ermittelten Spaltungsgrades des Ammoniak und der zugeführten Menge die Nitrierkennzahl ermittelt wird. Es hat sich überraschend gezeigt, daß dieses beim Gasnitrieren bekannte Verfahren auch bei dem Nitrocarburieren anwendbar ist. Versuche haben gezeigt, daß ungewollte Luft- und/oder Wasser­ dampfmengen in der Ofenatmosphäre die Nitrierkennzahl nicht verfälschen. Sie verändern zwar den Spaltungsgrad, nicht jedoch das Verhältnis zwischen Spaltungsgrad und Nitrierkennzahl.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Karbonitrierofen mit einer erfindungsgemäßen Einrich­ tung zum Ermitteln der Nitrierkennzahl und einer Koh­ lenstoffanteil beschreibenden Größe und

Fig. 2 ein Diagramm zur Erläuterung des Verfahrens.

Der schematisch dargestellte Nitrocarburier-Ofen (10) enthält in seinem Inneren eine Muffel (11), in welche Chargen von Werk­ stücken (12) mittels geeigneter Trageinrichtungen (13) einge­ bracht werden. Die Muffel (11) ist an ihrer Unterseite mit Ein­ strömöffnungen (14) und an ihrer Oberseite mit einer Abström­ öffnung (15) versehen. Der Abströmöffnung (15) ist ein Ventila­ tor zugeordnet, der mittels eines außerhalb des Ofens (10) an­ geordneten Motors (17) angetrieben ist. Der Ventilator (16) zieht die Ofenatmosphäre durch die Muffel (11), die von der Ab­ strömöffnung (15) zu der Zuführöffnung (14) zurückströmt, wobei im Bereich der Seitenwandungen des Ofeninnenraums angeordnete Heizeinrichtungen (18) die Ofenatmosphäre auf die gewünschte Temperatur aufheizt. Diese Temperatur beträgt je nach dem ver­ folgten Zweck zwischen etwa 500°C und 1100°C.

In das Ofeninnere ragt eine Zuführ- und Verteileinrichtung (19), mit welcher außerhalb der Muffel (11) Gase zugeführt wer­ den. Die Zuführ- und Verteileinrichtung (19) ist an steuerbare Dosiereinrichtungen (20, 21, 22) angeschlossen, die beispiels­ weise Elektromagnetventile sind. Diese Dosiereinrichtungen (20, 21, 22) führen unter Druck die Gase zu, aus denen die Ofenat­ mosphäre gebildet wird. Insbesondere führen die Dosiereinrich­ tungen (20, 21, 22) definierte Mengen von Luft, von Ammoniak (NH₃) und Reaktionsgas zu. Dieses Reaktionsgas hat seinerseits wieder eine definierte Zusammensetzung von Kohlenmonoxyd (CO), Wasserstoff (H₂), Kohlendioxyd (CO₂), Wasserdampf (H₂O) und Stickstoff (N₂). Die zugeführten Gasmengen werden von einer ei­ nen Rechner enthaltenden Regeleinrichtung (23) bestimmt. Diese Regeleinrichtung (23) enthält eine Eingabeeinrichtung, mit der die Regelkriterien eingegeben werden, d. h. ein die Regelkrite­ rien enthaltendes Programm aufgerufen wird. Die Regeleinrich­ tung (23) regelt außerdem die Heizeinrichtung (18) zur Auf­ rechterhaltung der vorgegebenen Ofentemperatur. Eine wesentli­ che Aufgabe der Regeleinrichtung (23) besteht darin, daß die einzelnen Gase in den Ofen in einer Menge nachgeführt werden, so daß eine definierte Ofenatmosphäre aufrechterhalten wird, die einen optimierten Ablauf des Nitrocarburierprozesses gestattet. Hierzu ermittelt die Regeleinrichtung (23) in noch zu erläu­ ternder Weise die Nitrierkennzahl (N) und die Kohlenstoffakti­ vität (a_C), die durch Messung der eingeleiteten Gasmengen und durch Messungen der Ofenatmosphäre eindeutig festgelegt sind und somit auch steuerbar sind.

In die Muffel (11) ragen zwei Gassensoren (24, 25) hinein, deren Signale in den Rechner der Regeleinrichtung (23) eingegeben und dort ausgewertet werden. Der Gassensor (24) ist in bekannter Weise als eine Sauerstoffmeßsonde mit einer Festelektrolytzelle aus stabilisiertem Zirkondioxyd ausgebildet. Dieser Gassensor (24) mißt den Sauerstoffpartialdruck der Ofenatmosphäre gegen­ über atmosphärischer Luft als Referenzgas. Der Gassensor (25) ist entsprechend dem im Bild 1 der Veröffentlichung "H. -J. Berg" u. a.: "Einsatz eines Nitriersensors", HTM 46 (1991) 6, ausge­ bildet. Er mißt eine verkettete Spannung oder Differenzspan­ nung, d. h. die Differenz zwischen der dem Sauerstoffpartial­ druck der Ofenatmosphäre zugeordneten Spannung und der Spannung des Sauerstoffpartialdruckes der gleichen Atmosphäre bei einer Spaltung des Ammoniak (NH₃) von 100%. Dies wird mit der bekann­ ten Sondenkonstruktion dadurch erreicht, daß die Ofenatmosphäre zunächst an einer äußeren Meßstelle zugeführt, danach über ei­ nen Katalysator geleitet und danach innen als Referenzgas an der inneren Meßstelle vorbeigeführt wird. Diese Spannungsdiffe­ renz U_D repräsentiert somit sofort den Spaltungsgrad des Ammo­ niak (NH₃) in der Ofenatmosphäre.

Unter Zugrundelegung des Spaltungsgrades und der zugeleiteten Gasmengen wird die Nitrierkennzahl (N) errechnet. Versuche haben gezeigt, daß Störgrößen von unbekannten Mengen von zuge­ führtem Wasserdampf oder Luft die Nitrierkennzahl bei einem Nitrocarburierverfahren nicht in relevanter Weise beeinflussen. Diese unbekannten Mengen haben zwar einen Einfluß auf den Spal­ tungsgrad, jedoch nicht auf die diesem Spaltungsgrad zugeordnete Nitrierkennzahl (N). Dagegen haben jedoch diese unbekannten Störmengen einen Einfluß auf den Kohlenstoffanteil, der als Kohlenstoffaktivität (a_C) ermittelt wird. Um diese Störgrößen zu berücksichtigen, wird zunächst mittels des Gassensors die dem Sauerstoffpartialdruck der Ofenatmosphäre zugehörige tat­ sächliche Spannung gemessen. Zusätzlich wird die dem Spaltungs­ grad entsprechende, sich unter Berücksichtigung der zugeleite­ ten Gasmengen aus dem theoretischen Sauerstoffpartialdruck er­ gebende Spannung errechnet. Diese beiden Spannungen werden mit­ einander verglichen. Besteht kein Unterschied, so ist das ein Zeichen dafür, daß keine Störgrößen in der Ofenatmosphäre ent­ halten sind. In diesem Fall kann die Kohlenstoffaktivität (a_C) direkt errechnet werden. Besteht jedoch eine Differenz zwischen diesen beiden Spannungen, so wird ein Korrekturwert gebildet, mit dessen Hilfe die Kohlenstoffaktivität berechnet wird. Hier­ zu wird errechnet, welche zusätzlichen Luftmengen oder Wasser­ dampfmengen benötigt würden, um von der errechneten Spannung zu der gemessenen Spannung zu gelangen. Diese zusätzlichen Luft­ mengen oder Wasserdampfmengen werden dann bei der Berechnung der Kohlenstoffaktivität (a_C) zugrundegelegt, so daß dann die tatsächlich gegebene Kohlenstoffaktivität (a_C) erhalten wird.

Um das Verfahren zum Ermitteln der Nitrierkennzahl (N) und der Kohlenstoffaktivität (a_C) in einem Nitrocarburier-Ofen noch ein­ mal zu erläutern, wird auf Fig. 2 verwiesen. Fig. 2 zeigt in einem Diagramm über den Spaltungsgrad die mittels des Gassen­ sors (25) gemessenen Spannungsdifferenzen (U_D) in Millivolt, die Nitrierkennzahl (N), die Sauerstoffpartialdruck der Ofenat­ mosphäre entsprechende mit dem Gassensor (24) gemessene Spannung (U) in Millivolt sowie die Kohlenstoffaktivität (a_C). Diese Kur­ ven sind für eine Ofenatmosphäre mit bekannten Gasbestandteilen bei einer Temperatur von 580°C ermittelt worden. Die bekannte Ofenatmosphäre enthält beispielsweise 50% NH₃, 2% CO₂ und 48% N₂. In das Diagramm der Fig. 2 sind ferner die Kurven einge­ zeichnet, die sich bei einem Hinzufügen von 1% Luft ergeben - strichpunktierte Linien - und die sich bei 2% H₂O in NH₃ erge­ ben - gestrichelte Linien -. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, führen diese als Störgrößen geltenden Zusätze im wesentlichen nur zu einer Veränderung der dem Sauerstoffpartialdruck ent­ sprechenden Spannung (U), die zu U₁ oder U₂ wird. Außerdem er­ gibt sich eine wesentliche Veränderung der Kohlenstoffaktivität (a_C) die sich auf die Kohlenstoffaktivitäten (a_C1) und a_C2) verändern. Es ergeben sich zwar auch bezüglich der Differenz­ spannung (U_D) und der Nitrierkennzahl (N) Abweichungen, die je­ doch vernachlässigbar klein sind, so daß sie in Fig. 2 nicht dargestellt sind.

Wird beispielsweise von dem Gassensor (25) eine Differenzspan­ nung von 35 Millivolt gemessen, so läßt sich daraus direkt die Nitrierkennzahl (N) errechnen, die bei dem Beispiel bei etwa 3 liegt.

Mit dem Gassensor (24) wird die dem Sauerstoffpartialdruck der Ofenatmosphäre entsprechende Spannung (U) gemessen. Diese ge­ messene Spannung wird mit einer errechneten Spannung (U_R) ver­ glichen, bei deren Berechnung der gemessene Spaltungsgrad und die zugeleiteten Gasmengen zugrundegelegt werden. Entsprechen die gemessene Spannung und die errechnete Spannung (U_R) einan­ der, so ist dies ein Indiz dafür, daß die Ofenatmosphäre frei von Störgrößen ist. Es kann dann ohne jede Korrektur die Koh­ lenstoffaktivität (a_C) berechnet werden, die bei dem darge­ stellten Beispiel dann etwa 1,5 beträgt. Ist dagegen die gemes­ sene Spannung kleiner und hat beispielsweise den Wert (U_1a), so ist eine Störgröße vorhanden, d. h. eine unbekannte Menge von Luft oder Wasserdampf. In dem Rechner wird dann ein Korrektur­ wert gebildet, mit dem dann die Kohlenstoffaktivität (a_C) be­ rechnet wird. Es wird dabei die zusätzliche Luftmenge oder Was­ serdampfmenge ermittelt, die notwendig wäre, um die berechnete Spannung (U_R) auf die gemessene Spannung (U_1a) abzusenken. Es wird dann die entsprechend geringere Kohlenstoffaktivität (a_C1a) errechnet, die bei dem Beispiel etwa 1,06 beträgt.

Aus dem Vorstehenden wird deutlich, daß es durch das erfin­ dungsgemäße Verfahren möglich ist, nicht nur die Nitrierkenn­ zahl (N), sondern auch die Kohlenstoffaktivität (a_C) on-line zu ermitteln und als Regelgrößen dem Nitrocarburierverfahren zu­ grundezulegen. Anstelle der Kohlenstoffaktivität (a_C) kann auch eine andere Größe zugrundegelegt werden, die den Kohlenstoffan­ teil der Ofenatmosphäre beschreibt, insbesondere auch die Koh­ lenstoffkennzahl.

Der Spaltungsgrad des Ammoniak (NH₃) kann auch auf andere Weise ermittelt werden. Beispielsweise ist es möglich, den zweiten Gassensor (25) als ein Gassensor auszubilden, der mit Luft als Referenzgas arbeitet und dem die Ofenatmosphäre über einen Ka­ talysator oder Reaktor zugeführt wird, so daß der Sauerstoff­ partialdruck bei einem Spaltungsgrad von 100% an dieser Gasson­ de gemessen wird. Dies wäre dann die Spannung (U) oder (U₁) oder (U₂) (oder auch eine andere Spannung) am rechten Ende des Diagramms der Fig. 2, d. h. bei einem Spaltungsgrad von 100%. Aus dem Umstand, daß die Kurvenscharen (U, U₁, U₂) im wesentli­ chen parallel zueinander verlaufen, wird auch deutlich, daß die dann von dem Rechner gebildete Spannungsdifferenz (U_D) zur Er­ mittlung des Spaltungsgrades sich beim Auftreten von Störgrößen nur unwesentlich ändert.

Ebenso wäre es auch möglich, den Spaltungsgrad dadurch zu er­ mitteln, daß die Restmenge von Ammoniak (NH₃) im Abgas gemessen wird.

Claims (5)

1. Verfahren zum Überwachen einer den Kohlenstoffanteil einer Ofenatmosphäre eines Nitrocarburier-Ofens beschreibenden Größe, der auf einer konstanten Temperatur gehalten wird und dem definierte Mengen von Luft, von Ammoniak und von eine defi­ nierte Zusammensetzung aufweisendem Reaktionsgas zugeführt wer­ den, dadurch gekennzeichnet, daß der Spaltungsgrad des Ammoni­ aks in der Ofenatmosphäre ermittelt wird, daß eine einem Sauer­ stoffpartialdruck einer unter Zugrundelegen der zugeführten Gasmengen gebildeten Ofenatmosphäre zugehörige, dem Spaltungs­ grad zugeordnete Spannung errechnet wird, die mit der dem tat­ sächlichen Sauerstoffpartialdruck der Ofenatmosphäre zugehöri­ gen, gemessenen Spannung verglichen wird, und daß bei Auftreten einer Differenz ein dieser Differenz zugeordneter Korrekturwert gebildet wird, wonach unter Berücksichtigung des Korrekturwer­ tes die den Kohlenstoffanteil beschreibende Größe errechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Korrekturwert eine zusätzliche Luftmenge oder Wasserdampf­ menge ermittelt wird, die zusammen mit der bekannten, zugeführ­ ten Luftmenge oder Wasserdampfmenge in der Berechnung berück­ sichtigt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß zum Ermitteln des Spaltungsgrades des Ammoniaks in der Ofenatmosphäre eine Spannungsdifferenz aus der gemessenen , dem Sauerstoffpartialdruck der normalen Ofenatmosphäre zugehörigen Spannung und aus der nach vollständiger Spaltung des Ammoniaks dem Sauerstoffpartialdruck in diesem Zustand der Ofenatmosphäre zugehörige Spannung gebildet wird, aus der der Spaltungsgrad errechnet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß unter Zugrundelegung des über die Differenz der gemessenen Sau­ erstoffpartialdrücke ermittelten Spalungsgrades des Ammoniaks und der zugeführten Mengen an Gasen die Nitrierkennzahl ermit­ telt wird.

5. Einrichtung zum Überwachen des Kohlenstoffanteils der Ofenatmosphäre eines Nitrocarburier-Ofens, der mit einer gere­ gelten Heizeinrichtung und mit Mitteln zum Zuführen definierter Mengen von Luft, von Ammoniak und von eine definierte Zusammen­ setzung aufweisendem Reaktionsgas versehen ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß Mittel (25) zum Ermitteln des Spaltungsgrades des in der Ofenatmosphäre befindlichen Ammoniaks, Mittel (24) zum Messen einer dem Sauerstoffpartialdruck der Ofenatmosphäre zu­ gehörigen Spannung (U), Mittel (23) zum Errechnen einer sich theoretisch abhängig von dem Sauerstoffpartialdruck unter Zu­ grundelegen der zugeführten Gasmengen und des ermittelten Spal­ tungsgrades ergebenden Spannung, Mittel (23) zum Bilden eines sich von einer Differenz der beiden Spannungen abgeleiteten Korrekturwertes und Mittel zum Berechnen der den Kohlenstoffan­ teil beschreibenden Größe unter Berücksichtigung des Korrektur­ wertes vorgesehen sind.