DE4318400C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Wärmebehandeln von Werkstücken - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Wärmebehandeln von Werkstücken, wobei die Werkstücke mit Strahlungswärme erwärmt werden, die durch Verbrennen von gas­ förmigen Brennstoff, insbesondere von Erdgas, erzeugt wird, und wobei mindestens ein Teil der Werkstücke mit einer Karburierat­ mosphäre beaufschlagt wird.

Derartige Aufkohlungsverfahren und -vorrichtungen, wie sie aus der Praxis bekannt sind, haben einen relativ hohen Energie­ bedarf. Dementsprechend ist es ein ständiges Bestreben der Fachwelt, die Wirtschaftlichkeit der Aufkohlungsprozesse zu steigern. Gleichzeitig sind die Bedürfnisse des Umweltschutzes zu berücksichtigen. Der Verminderung der Schadstoffemissionen kommt ein entsprechend hoher Stellenwert zu. Allerdings sind diesbezügliche Maßnahmen kostenintensiv und dementsprechend ge­ genläufig zu den Wirtschaftlichkeitsbestrebungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufkohlungs­ prozeß unter diesen Gesichtspunkten zu optimieren, d. h., die Schadstoffemissionen zu senken und gleichzeitig die Prozeßfüh­ rung zumindest so zu verbessern, daß keine wesentlichen wirt­ schaftlichen Einbußen hingenommen werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfin­ dung dadurch gekennzeichnet, daß aus dem bei der Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs entstehenden Rauchgas Kohlendioxid abgetrennt wird, daß das Kohlendioxid mit kohlenwasserstoffhal­ tigem Gas, insbesondere mit Erdgas, gemischt wird und daß das Gasgemisch zur Erzeugung der Karburieratmosphäre erwärmt wird.

Die DE-OS 41 10 361 offenbart ein Verfahren, bei dem CO aus der verbrauchten Karburieratmosphäre abgetrennt und dem fri­ schen Karburiergas beigemischt wird. Dabei handelt es sich je­ doch nicht um die Nutzbarmachung des bei der Werkstückerwärmung anfallenden Kohlendioxids.

Durch das erfindungsgemäße Abtrennen des Kohlendioxids aus den Rauchgasen der Strahlungsheizung vermindert sich die Um­ weltbelastung ganz erheblich. Der Anteil an Kohlendioxid im Rauchgas beträgt ca. 11%. Hiervon kann der überwiegende Teil abgetrennt werden. Bei entsprechender Prozeßsteuerung enthält das Rest-Rauchgas nach der Behandlung nur noch weniger als 1% Kohlendioxid.

Das Kohlendioxid wird dem Aufkohlungsprozeß als Sauerstoff- und Kohlenstofflieferant zugeführt, und zwar mit dem Effekt, daß die Aufkohlungszeit wesentlich reduziert wird, nämlich um 20 bis 40%. Die Aufkohlungszeit hängt ab von der Temperatur, dem Diffusionskoeffizienten und dem Stoffübergangskoeffizien­ ten. Bei vorgegebener Temperatur sind die beiden letztgenannten Koeffizienten geschwindigkeitsbestimmend, und zwar bei kleinen bis mittleren Aufkohlungstiefen (0,2 bis etwa 0,8 oder 1,0 mm) gleichrangig nebeneinander. In diesem Bereich wirkt sich die Erfindung besonders günstig aus. Sie führt zu einer Erhöhung des Stoffübergangskoeffizienten etwa um den Faktor 2,5.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß der gesamte Prozeß kontinuierlich gefahren werden kann, wobei ggf. die Möglichkeit besteht, das abgetrennte Kohlendioxid zwischen­ zuspeichern.

Die Karburieratmosphäre wird durch eine endotherme Reaktion erzeugt. Die hierzu erforderliche Wärme wird vorzugsweise der Strahlungswärme entnommen, die zur Beheizung der Werkstücke dient. Dies kann beispielsweise dadurch geschehen, daß man das Gemisch aus Kohlendioxid und kohlenwasserstoffhaltigem Gas di­ rekt in den Ofenraum einleitet. Allerdings besteht dabei die Gefahr, daß es zu einer unzulässigen Rußbildung kommt. Daher dann es vorteilhafter sein, das Gasgemisch über einen Katalysa­ tor zu leiten, der sicherstellt, daß die endotherme Reaktion ohne Rußbildung ablaufen kann. Der Katalysator sorgt gleichzei­ tig für eine optimale Durchmischung der Komponenten. Der Endo­ gas-Generator kann außerhalb des Ofenraums angeordnet sein. Da­ bei wird allerdings in der Regel eine gesonderte Beheizung er­ forderlich. Dementsprechend kann es vorteilhafter sein, den Ge­ nerator im Ofenraum anzuordnen, und zwar vorzugsweise im Decken­ bereich, also dort, wo ein hohes Temperaturniveau herrscht und wo sich darüberhinaus die Ventilatoren befinden.

In Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, das Koh­ lendioxid durch Druckwechsel aus dem bei der Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs entstehenden Rauchgas abzutrennen. Die­ ses Verfahren nutzt die druckabhängigen Anlagerungseigenschaf­ ten des Kohlendioxids beispielsweise an Molekularsieben. Es läßt sich problemlos in den kontinuierlichen Prozeß einbinden und ist wirtschaftlich günstig.

Bei der Aufkohlungsreaktion entsteht Kohlendioxid und Was­ ser. Da diese Reaktion bei dem Verfahren nach der Erfindung be­ sonders schnell abläuft, kann sich ein örtlicher Überschuß an Reaktionsprodukten ergeben, und zwar mit der Folge, daß es zu einer unerwünschten Randzonenoxidation der Werkstücke kommt. Um diesem Effekt zu begegnen, wird vorgeschlagen, die Karburierat­ mosphäre mit schwerem Kohlenwasserstoff zu impfen. Insbesondere das langsam reagierende Methan, das vorzugsweise in Form von Erdgas zur Verfügung gestellt wird, ist in der Lage, die Pro­ dukte der Aufkohlungsreaktion abzupuffern und an einer Oxida­ tion des Werkstoffs zu hindern. Gleichzeitig wird dafür ge­ sorgt, daß der Kohlenstoffpegel in der Karburieratmosphäre auf­ rechterhalten bleibt. Zur Verhinderung der Randzonenoxidation muß sichergestellt werden, daß der schwere Kohlenwasserstoff zu den Werkstücken gelangt, um die gefährdeten Oberflächen abzu­ schirmen. Hier sollte sich eine örtliche Kohlenwasserstoffkon­ zentration von 4 bis 6% einstellen.

Das nach dem Abtrennen des Kohlendioxids verbleibende Rest- Rauchgas der Strahlungsheizung kann als Spülgas eingesetzt wer­ den, beispielsweise zum Inertisieren von Schleusen. In wesent­ licher Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dieses Rest-Rauchgas zum Nitro-Karburieren eines Teils der Werkstücke zu verwenden, und zwar unter Zusatz von Ammoniak. Normalerweise ist es üblich, für das Nitro-Karburieren neben dem Ammoniak käuflich erworbenen Stickstoff und käuflich erworbenes Kohlen­ dioxid einzusetzen. Die beiden letztgenannten Bestandteile wer­ den erfindungsgemäß durch das Rest-Rauchgas geliefert. Dies führt zu einer zusätzlichen Erhöhung der Wirtschaftlichkeit und damit zu einer beträchtlichen Steigerung des angestrebten Opti­ mierungseffektes. Der Nitro-Karburier-Prozeß läßt sich ohne weiteres in den kontinuierlichen Gesamtprozeß einbinden. Die Kohlendioxidentnahme aus dem Rauchgas der Strahlungsheizung wird so eingestellt, daß sowohl den Bedürfnissen des Aufkoh­ lungsprozesses als auch denen des Nitro-Karburier-Prozesses Rechnung getragen werden kann. Insgesamt ergibt sich ein äu­ ßerst wirtschaftliches Verfahren von extremer Umweltfreundlich­ keit.

Die Erfindung schafft ferner eine Vorrichtung zum Wärmebe­ handeln von Werkstücken mit mindestens einer Ofenkammer, die mit gasbetriebenen Strahlheizrohren versehen ist, und mit einem Generator zum Erzeugen von Karburiergas für die Ofenkammer, wo­ bei diese Vorrichtung dadurch gekennzeichnet ist, daß die Strahlheizrohre mit ihren Rauchgasleitungen an eine Druckwech­ seleinrichtung angeschlossen sind und daß die Druckwechselein­ richtung mit ihrer Kohlendioxid-Auslaßleitung an den Generator angeschlossen ist. Die Druckwechseleinrichtung trennt Kohlendi­ oxid aus dem Rauchgas der Strahlheizrohre ab, worauf das Koh­ lendioxid als Sauerstoff- und Kohlenstofflieferant in den Gene­ rator gelangt, um dort mit einem kohlenwasserhaltigem Gas, vor­ zugsweise Erdgas, endotherm zu reagieren. Der Generator ist zu seiner Beheizung vorteilhafterweise in der Ofenkammer angeord­ net, und zwar in deren Deckenbereich.

In wesentlicher Weiterbildung der Erfindung wird vorge­ schlagen, die Druckwechseleinrichtung mit ihrer Rest-Rauchgas- Auslaßleitung an eine zweite Ofenkammer anzuschließen, die eine Ammoniak-Einlaßleitung aufweist und dazu dient, einen Teil der Werkstücke, die nicht aufgekohlt werden sollen, zu Nitro-Karbu­ rieren. Eine gemeinsame Steuerung sorgt dafür, die einzelnen Prozesse aufeinander zu synchronisieren und kontinuierlich ab­ laufen zu lassen.

Zur Beheizung der zweiten Ofenkammer wird man in der Regel ebenfalls gasbetriebene Strahlheizrohre einsetzen. Dabei ist es dann besonders vorteilhaft, deren Rauchgasleitungen auch an die Druckwechseleinrichtung anzuschließen, so daß das Rauchgas der­ selben Behandlung unterworfen wird wie das Rauchgas der in der Aufkohlungskammer arbeitenden Strahlheizrohre.

Als erfindungswesentlich offenbart gelten auch solche Kom­ binationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die von den vorste­ hend diskutierten Verknüpfungen abweichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Zu­ sammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein schematisches Blockschaltbild.

Demnach weist die Vorrichtung eine erste Ofenkammer 1 auf, die zum Aufkohlen von Werkstücken 2 dient und von gasbetriebe­ nen Strahlheizrohren 3 beheizt wird. Letztere sind über ihre Rauchgasleitungen 4 an eine Druckwechseleinrichtung 5 ange­ schlossen.

In der Druckwechseleinrichtung 5 wird Kohlendioxid aus dem Rauchgas der Strahlheizrohre 3 abgetrennt. Das Kohlendioxid ge­ langt über eine Auslaßleitung 6 zu einem Generator 7, der au­ ßerdem über eine Leitung 8 mit Erdgas beschickt wird. Da sich der Generator 7 innerhalb der Ofenkammer befindet, wird er von den Strahlheizrohren 3 beheizt. Im Generator 7 reagiert das Erdgas mit dem Kohlendioxid. Das dabei erzeugte Endogas gelangt in die Ofenkammer 1 und bewirkt dort an den Werkstücken 2 die Aufkohlungsreaktion.

Auf diese Weise wird zum einen das Rauchgas der Strahlheiz­ rohre 3 von Kohlendioxid befreit. Daraus resultiert eine Ver­ minderung der Umweltbelastung. Andererseits dient das Kohlendi­ oxid zur Erzeugung des Endogases, wobei durch Anhebung des Stoffübergangskoeffizienten eine beträchtliche Steigerung der Aufkohlungsgeschwindigkeit erzielt wird. Dadurch erhöht sich die Wirtschaftlichkeit des Aufkohlungsprozesses.

Durch die Beschleunigung der Aufkohlung kann sich an den Werkstoffoberflächen ein örtlicher Überschuß an Kohlendioxid und Wasserdampf bilden. Zur Abpufferung dieses Überschusses wird an geeigneter Stelle - schematisch angedeutet durch eine Leitung 9 - Methan in die Ofenkammer 1 eingeleitet.

Die Vorrichtung verfügt ferner über eine zweite Ofenkam­ mer 10, die zum Nitro-Karburieren von Werkstücken 11 dient. Die Beheizung der zweiten Ofenkammer erfolgt über Strahlheizrohre 12. Diese sind mit ihren Rauchgasleitungen 13 ebenfalls an die Druckwechseleinrichtung 5 angeschlossen. Dementsprechend tragen sie dazu bei, den Generator 7 mit Kohlendioxid zu versorgen.

Die Druckwechseleinrichtung 5 weist eine Auslaßleitung 14 auf, die dazu dient, das Rest-Rauchgas der Strahlheizrohre 3 und 12 in die zweiten Ofenkammer einzuleiten. Das Rest-Rauchgas enthält noch einen Anteil an Kohlendioxid und ferner einen An­ teil an Stickstoff. In Verbindung mit Ammoniak, der über eine Leitung 15 zugeführt wird, bildet das Rest-Rauchgas die Atmo­ sphäre zum Nitro-Karburieren der Werkstücke 11.

Eine nicht dargestellte Steuerung sorgt dafür, daß der Koh­ lendioxidgehalt der Rauchgase in der Druckwechseleinrichtung entsprechend den jeweiligen Anforderungen auf die Ofenkammern 1 und 10 aufgeteilt wird. Ferner bewirkt die Steuerung eine Syn­ chronisierung der einzelnen Abläufe, und zwar derart, daß der Gesamtprozeß kontinuierlich betrieben werden kann.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglich­ keiten gegeben. So kann auf die zweite Ofenkammer 10 verzichtet werden. Anstelle dessen kann das aus der Druckwechseleinrich­ tung 5 stammende Rest-Rauchgas zum Inertisieren von Schleusen o. dgl. Verwendung finden. Ferner kann der Generator 7 außerhalb der Ofenkammer 1 angeordnet werden, wobei dann allerdings eine zusätzliche Beheizung erforderlich wird. Auf den Generator 7 kann auch ganz verzichtet werden. Das aus der Druckwechselein­ richtung 5 kommende Kohlendioxid wird unter diesen Umständen mit dem Erdgas gemischt direkt in der Ofenkammer eingegeben.

Claims (9)

1. Verfahren zum Wärmebehandeln von Werkstücken, wobei die Werkstücke mit Strahlungswärme erwärmt werden, die durch Ver­ brennen von gasförmigem Brennstoff, insbesondere von Erdgas, erzeugt wird, und wobei mindestens ein Teil der Werkstücke mit einer Karburieratmosphäre beaufschlagt wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß aus dem bei der Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs entstehenden Rauchgas Kohlendioxid abgetrennt wird, daß das Kohlendioxid mit kohlenwasserstoffhaltigem Gas, insbe­ sondere mit Erdgas, gemischt wird und daß das Gasgemisch zur Erzeugung der Karburieratmosphäre erwärmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gasgemisch mit der zur Erwärmung der Werkstücke dienenden Strahlenwärme erwärmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Gasgemisch über einen Katalysator geleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Kohlendioxid durch Druckwechsel aus dem bei der Verbrennung des gasförmigen Brennstoffs entstehenden Rauchgas abgetrennt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Karburieratmosphäre mit schwerem Kohlen­ wasserstoff geimpft wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das nach dem Abtrennen des Kohlendioxid ver­ bleibende Rest-Rauchgas zum Nitro-Karburieren eines Teils der Werkstücke verwendet wird, und zwar unter Zusatz von Ammoniak.

7. Vorrichtung zum Wärmebehandeln von Werkstücken mit min­ destens einer Ofenkammer, die mit gasbetriebenen Strahlheizroh­ ren versehen ist, und mit einem Generator zum Erzeugen von Kar­ buriergas für die Ofenkammer, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlheizrohre (3, 12) mit ihren Rauchgasleitungen (4, 13) an eine Druckwechseleinrichtung (5) angeschlossen sind und daß die Druckwechseleinrichtung mit ihrer Kohlendioxid-Auslaßleitung (6) an den Generator (7) angeschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwechseleinrichtung (5) mit ihrer Rest-Rauchgas-Auslaß­ leitung (14) an eine zweite Ofenkammer (10) angeschlossen ist, die eine Ammoniak-Einlaßleitung (15) aufweist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ofenkammer (10) gasbetriebene Strahlheizrohre (12) aufweist, die mit ihren Rauchgasleitungen (13) an die Druck­ wechseleinrichtung (5) angeschlossen sind.