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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Methode und eine Anlage zur
Rückführung eines
Gases oder Gasgemisches, das in einem Gashärtungsverfahren verwendet wird.
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Die
Gashärtung
von Stahl, der vorher einer Wärmebehandlung
unter Vakuum (Erhitzung für
der Härtung,
Glühen,
Anlassen, ...) oder einer thermochemischen Behandlung (Zementieren,
Karbonitrieren, ...) unterzogen wurde, erfolgt im Allgemeinen mit
einem Gas unter Druck, vorzugsweise zwischen 4 und 20 bar. Das Gas
kann Stickstoff, Luft, Argon, Helium oder jedes andere Industriegas
oder -gasgemisch enthalten.
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Die
in diesen letzten Jahren an den Verfahren zur raschen Abkühlung von
Stahl vorgenommenen Verbesserungen bestanden im Wesentlichen in
der Verwendung von Fluiden mit besseren Wärmeaustauscheigenschaften,
wie beispielsweise Helium und Wasserstoff, von inerten Gasgemischen
mit einem leichteren Gas (N2–H2, N2–He, ...),
in der Erhöhung
des Gasdrucks und der Zirkulationsgeschwindigkeiten in dem Druckraum. Die
Technologien der Härtungszellen
wurden parallel dazu verbessert: Erhöhung des Betriebsdrucks, der
Kapazität
der Wärmetauscher,
usw.
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Gewisse
teure Gase und Gasgemische, wie beispielsweise Helium, erfordern
die Verwendung von Gaswiedergewinnungssystemen, die es ermöglichen,
das bei einer Härtung
verwendete Gas rückzuführen und
wieder zu komprimieren, um es bei der folgenden Härtung verwenden
zu können.
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Die üblicherweise
verwendeten Rückführungssysteme
erfordern im Allgemeinen das Vorhandensein der folgenden Geräte:
- – eines
oder mehrerer Kompressoren;
- – einer
Vakuumpumpe, wenn hohe Gasrückführungsraten
gewünscht
sind (um die Härtungszelle
unter dem Luftdruck zu beseitigen);
- – Gasreinigungs-/-zerlegungsmittel;
- – Gasspeicherkapazitäten (aus
weicher oder harter Struktur, siehe das Dokument FR-2 634 866 ).
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Die
technischen Probleme, die im Allgemeinen in solchen Rückführungssystemen
anzutreffen sind, sind folgende:
- – betreffend
den Kompressor: auf Grund des erforderlichen Drucks und der erforderlichen
Durchflussmengen sind die zu verwendenden Kompressortechnologien
im Allgemeinen Kolbenkompressoren (trocken oder gut geschmiert).
Die Kosten solcher Gerate, die stark mit der erforderlichen Durchflussmenge
zusammenhängen,
stellen einen wesentlichen Teil der Kosten der Rückführungsanlage dar;
- – betreffend
die Vakuumpumpe: eine Vakuumpumpe liefert eine variable Durchflussmenge,
die vom Druck an ihrem Eingang abhängt; es stellt sich somit das
Problem der Anpassung zwischen der von der Vakuumpumpe gelieferten
Durchflussmenge und der am Eingang des Kompressors eingeleiteten
Menge;
- – betreffend
die Gasreinigungsmittel: diese machen im Allgemeinen die Anlage
komplexer; ferner erfordern die herkömmlichen Gaszerlegungsmittel
eine Kompression des Gases entweder mit Hilfe einer getrennten Kompressionseinheit
(siehe beispielsweise das Dokument US 2002/104589 A1 ) oder durch Mobilisieren des
oben erwähnten
Kompressors, der für
die Wiederkompression und die Weiterleitung des Gases verwendet
wird (siehe beispielsweise das Dokument EP 0451050 ).
- – Feststellung
der Härtungszelle:
die Härtungszelle
wird durch das Rückführungsverfahren
während
eines großen
Teils ihres Betriebszyklus festgestellt und ist nun in ihrer Rolle
zum Kühlen
einer Last nicht verfügbar.
Dies führt
dazu, dass die Menge der Antriebselemente (Kompressor, Vakuumpumpe) überdimensioniert
werden muss, um bessere Zykluszeiten zu erreichen.
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Die
vorliegende Erfindung soll eine Verbesserung für die oben angeführten technischen
Probleme bringen, wobei sie eine neue Architektur eines Rückführungssystems
des Härtungsgases,
das eine wirksamere Verwendung der eingesetzten Ausrüstungen
ermöglicht,
und insbesondere Mittel zur Rückführung und Kompression
des Gases im Rahmen der Härtung
von Metallteilen in einem Hochdruckgas nach einer Wärmebehandlung
unter Vakuum vorschlägt.
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Wie
nachstehend im Detail beschrieben, ermöglicht es die vorliegende Erfindung
nämlich:
- – die
Weiterleitungszeiten des Gases und die Zeiten des Rückführungszyklus
bei einer identischen Wiedergewinnungsrate im Vergleich mit einer
Anlage, die Kompressions- und Pumpausrüstungen verwendet, die für dieselben
Durchflussmengen dimensioniert sind, zu verringern und somit insbesondere
die sichtbare Wiedergewinnungszeit durch die Härtungszelle zu verringern;
- – Kompressions-
und Pumpausrüstungen
für Durchflussmengen
zu verwenden, die in Dimension kleiner als eine herkömmliche
Anlage sind, die dieselben Leistungen hinsichtlich der Weiterleitungszeit
gewährleistet;
- – das
gewünschte
Reinheitsniveau aufrecht zu erhalten, ohne die Verwendung von Gasreinigungsmitteln zu
erfordern;
- – Gasgemische
mit optimiertem Gasverbrauch einzusetzen.
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Die
Rückführungsanlage
gemäß der vorliegenden
Erfindung ist zwischen der Härtungszelle
(V1 in 1 unten) und dem Pufferballon (V2), der herkömmlicherweise
in den Gashärtungsanlagen
vorhanden ist, angeordnet und umfasst die folgenden Elemente:
- – eine
Hauptleitung, die die Zelle V1 mit der Kapazität V2 verbindet, wobei sie durch
eine Kompressions-/Überdruckgruppe
verläuft,
die einen oder mehrere Kompressoren oder Überdruck-apparate parallel umfasst (System mit
zwei Kompressoren C1 und C2 mit Kolben in 1);
- – einen
Zwischenspeicherballon V3, der die Kompressionsgruppe versorgen
kann und in Bezug zur Hauptleitung versetzt angeordnet ist;
- – nach
einer bevorzugten Ausführungsart,
die im Detail später
in der vorliegenden Anmeldung beschrieben ist, einen Gasometer oder
aufblasbaren Ballon (V4), der von einer Vakuumpumpe P1 gespeist
wird, die ebenfalls in Bezug zur Hauptleitung versetzt angeordnet
ist (wobei die Vakuumpumpe P1 entweder zu einer Öffnung oder zum Ballon V4 fördert);
- – nach
einer vorteilhaften Einsatzart der Erfindung im Falle der Verwendung
eines Gasgemisches für
die Härtung
ein Niederdruckmischmodul, das die Kompressionsgruppe mit Niederdruckgemisch
(M1) versorgt.
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Das
Volumen V3 ermöglicht
eine rasche Teilentleerung der Härtungszelle
V1 durch einen teilweisen oder völligen
Druckausgleich zwischen den beiden Volumina. Diese rasche Entleerung
bietet überdies
den Vorteil, dass sie den Energieverbrauch für das Durchmischen des Gases
in der Zelle verringert (da der Druck hier geringer wird und es
somit ermöglicht,
die Stärke
der Turbinen zu verringern), oder kann es auch ermöglichen,
die Kühlgeschwindigkeit
in einem Zwischenschritt des Härtungsverfahrens
(Abstufung) zu verringern.
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Wie
später
zu sehen sein wird, ist die Kapazität V3 in jedem Fall ein Schlüsselelement
der Erfindung auf Grund des Zeitgewinns, den sie während der
Rückführung ermöglicht,
da das in V3 enthaltene Gas behandelt werden kann, während V1
in Betrieb ist. Während
der Phasen, in denen die Härtungszelle
V1 beispielsweise in dem Ablauf des Gashärtungsverfahrens oder auch
bei Lastübertragungen
mobilisiert ist, kann das in der Kapazität V3 gespeicherte Gas zu der
Pufferkapazität
V2 weitergeleitet und neu komprimiert werden.
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Diese
Feststellung von V1 ist verbunden mit:
- – die Verwendungsdauer
des Druckgases in der Zelle V1 für
die Härtung
selbst;
- – die
Belade- und Entladedauer der Zelle V1.
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Die
kumulierte Feststellungsdauer kann auf ein Minimum von 5 Minuten
geschätzt
werden, was beispielsweise bei Zyklen von 20 Minuten einen Zeitgewinn
von 25 % darstellt.
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Wie
nachstehend im Detail zu sehen ist, ist diese Kapazität V3 im
Vergleich mit den anderen Rückführungsansätzen, die
bereits in der Literatur beschrieben wurden, völlig neu, sowohl hinsichtlich
ihrer Anordnung in Bezug zu den anderen Elementen der Rückführungsschaltung,
als auch hinsichtlich ihrer Funktion und Verwendung.
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So
beschreibt das Dokument
EP-1
211 329 einen Ansatz, bei dem das aus der Zelle 20 entnommene Gas
zu der herkömmlichen
Pufferkapazität
des Verfahrens entlang einer Hauptleitung gelangt, wobei es eine Reihe
von Reinigungs-, Pumpstationen, usw. durchläuft.
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Das
Dokument
EP-451 050 erwähnt die
Verwendung einer so genannten „Warte"-Kapazität 12. Allerdings
ist diese Kapazität
nicht dazu bestimmt, direkt durch den Aus gleich befüllt zu werden,
wie dies in der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, da sie von
einem Kompressor gespeist wird. Die Funktion der in diesem vorveröffentlichten
Dokument erwähnten
Kapazität
besteht in Wirklichkeit darin, einen einzigen Kompressor für die beiden
folgenden Funktionen verwenden zu können:
- – Druckerhöhung des
Gases, um de Reinigung des Gases auf dem Permeator 20 zu ermöglichen;
das zur reinigende Gas wird somit vorübergehend in dieser Wartekapazität gespeichert,
- – Druckerhöhung für die Befüllung der „Verfahrens"-Kapazität 2 (gleichwertig
mit der Kapazität
V2, die in 1 nachstehend angeführt ist).
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Das
Dokument
FR-2 634 866 verwendet
eine so genannte Speicherkapazität „mit variablem
Volumen", die eine
Speicherkapazität
unter Luftdruck ist, die direkt mit der in das Verfahren eingebundenen
Anlage verbunden ist. Die Rolle dieser Kapazität besteht darin, eine Speicherung
unter Luftdruck durchzuführen,
der dem Versorgungsdruck des Kompressors entspricht. Im Gegensatz
zu einer solchen Anordnung hat die Kapazität V3 der vorliegenden Erfindung
nicht den Zweck, eine Speicherung bei Luftdruck vorzunehmen, da
es sich um eine Kapazität
unter Druck handelt und da sie sich aus bereits erwähnten Gründen in
Bezug zur Hauptversorgungsleitung des Kompressors versetzt befindet.
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Ferner
kann das Dokument „Helium
recovery and Cleaning for High-Pressure Gas Quenching Connected
to an Atmosphere Furnance",
erschienen in Heat Treatment of Metals, 2000, 1, S. 9-12, genannt
werden, das ein Beispiel für
eine Heliumrückführungsanlage
anführt.
In diesem Fall, wie auch im Fall des Dokuments
EP-1 211 329 , gibt es nur die herkömmliche „Process"-Kapazität, die der
Kapazität
V2 im Sinne der vorliegenden Erfindung entspricht. Der in diesem
Dokument vorhandene Kompressor wird somit direkt von der Härtungsanlage
gespeist, ohne Zwischenspeicherung oder eine andere Abzweigung.
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Zusammenfassend
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung nach einem Härtungsvorgang
die Zelle geleert, wobei mindestens ein Teil des Gases rückgeführt wird
(solange der Druck in der Kapazität V1 größer als der Luftdruck bleibt):
- – durch
Ausgleich zwischen der Kapazität
V1 und der Kapazität
V3;
- – durch
Kompression des in V1 verbleibenden Gases bis in V1 eine Druckschwelle
mindestens gleich dem Luftdruck erreicht wird; das so komprimierte
Gas wird wieder in V2 geschickt; dieser Schritt kann eventuell während des
Ablaufs des Ausgleichsschrittes erfolgen;
- – durch
Kompression und Weiterleitung des in der Kapazität V3 enthaltenen Gases zu V2;
da es im Interesse der Erfindung liegt, dass die Kapazität V1 nicht
während
dieses Schrittes festgestellt wird;
- – gegebenenfalls
wird ein Teil des Inhalts von V1 an die Außenluft abgegeben.
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Wie
unten zu sehen sein wird, ist es, um die Zelle V1 unter dem Luftdruck
zu entleeren, notwendig, eine Vakuumpumpe einzusetzen, und hier
wird ganz vorteilhafterweise der Ballon V4 eingesetzt.
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Die
Verwendung der Kapazität
V4 kann nämlich
folgendermaßen
zusammengefasst werden: wenn das Gas mit einer hohen Wiedergewinnungsrate
weitergeleitet und wiederkomprimiert werden soll (typischerweise über 95 %),
d.h. unter den Luftdruck in der Zelle V1 absinken soll, ist es erforderlich,
das Gas der Härtungszelle
V1 unter Vakuum wiederzugewinnen. Es ist zu betonen, dass solche
hohen Wiedergewinnungsraten (größer als
95 % bzw. > 97 %)
im Allgemeinen im Falle der teuren Härtungsgase, wie beispielsweise
auf Basis von Helium, gewünscht
sind (aus gut verständlichen
wirtschaftlichen Gründen).
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Nun
liefert eine Vakuumpumpe keine konstante Gasmenge, während die
verwendeten Kompressoren mit konstanter Menge funktionieren; es
stellt sich somit das Problem der Anpassung zwischen den Arbeitsmengen
des Kompressors und der Vakuumpumpe, wenn diese beiden Typen von
Elementen direkt angeschlossen wären.
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Die
Kapazität
V4, die in der Figur dargestellt ist, ist ein aufblasbarer Ballon
unter Luftdruck. Die Vakuumpumpe P1 befüllt V4 mehr oder weniger vollständig mit
Gas aus V1, wobei V4 von der Kompressionseinheit abgekoppelt ist,
dann entleert die Kompressionseinheit V4 in V2, wobei V4 zu diesem
Zeitpunkt von der Pumpe P1 abgekoppelt ist.
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Während des
Betriebs der Vakuumpumpe und der Befüllung des Ballons V4 ist die
Kompressionseinheit beispielsweise verfügbar, um direkt das in V3 enthaltene
Gas wieder zu komprimieren und V2 zu speisen. Wenn V4 voll ist,
komprimiert die Kompressionseinheit das Gas aus V4 wieder, um V2
zu speisen. Dies ermöglicht
es, den (die) Kompressor(en) unter seinen Nominalbedingungen zu
verwenden und somit Zeit zu sparen. Die Kompressoren sind somit
immer auf einem Eingangsdruck, der dem Luftdruck entspricht oder
leicht höher als
der Luftdruck ist.
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Der
Ballon V4 gestattet somit das Trennen der Schritte des Pumpens und
der Rekomprimierung, da die Vakuumpumpe und die Kompressionsgruppe
nie direkt verbunden sind. So wird jede Einrichtung (Vakuumpumpe,
Kompressionseinheit) unter ihren nominalen Funktionsbedingungen
benutzt.
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Mit
anderen Worten, wenn der Ballon V4 nicht vorhanden wäre, würde P1 das
Gas von V1 direkt zur Kompressor-/Überdruckapparat-Gruppe
schicken, nun hängt
die von der Pumpe P1 gelieferte Menge vom Druck in der Zelle (der
variiert) ab, weshalb somit der stromabwärtige Kompressor ebenfalls
Druckschwankungen unterliegt. In diesem Fall funktioniert entweder
der Kompressor unterhalb seiner Nominalmenge während der Vakuumzugphase, oder
die Vakuumpumpe muss leicht überdimensioniert
sein, um eine ausreichende Menge zu liefern, auch wenn der Versorgungsdruck
derselben der geringste ist.
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Aus
dem vorhergehenden ist verständlich,
dass nun je nach Wiedergewinnungsrate, die erreicht werden soll,
mehrere Zyklen von Befüllung
von V4, Entleerung von V4 vorgenommen werden, bis ein annehmbarer
Druck in der Zelle V1 erzielt wird (typischerweise 100 mbar absolut
als Beispiel).
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Es
ist verständlich,
dass während
sich V4 füllt,
V3 verfügbar
ist, um den Kompressor mit dem Gas, das er enthält, und somit die Kapazität V2 zu
versorgen.
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Wie
für den
Fachmann klar hervorgeht, ist das Volumen von V3 und gegebenenfalls
von V4 in Abhängigkeit
von den Durchflussmengen der Kompressoren, aber auch von der Zeit,
die eingespart werden soll, angepasst.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft nun ein Gashärtungsverfahren, bei dem eine
Härtungszelle
vorhanden ist, die dazu bestimmt ist, mit einem Härtungsgas
zu härtende
Objekte aufzunehmen, und bei dem Mittel zur Bereitstellung des Härtungsgases
unter Druck, die an diese Zelle angeschlossen sind, vorhanden sind,
wobei die Mittel zur Bereitstellung von Gas eine Pufferkapazität umfassen,
die dazu ausgeführt
ist, Härtungsgas zu
enthalten, dadurch gekennzeichnet, dass nach einem Härtungsvorgang
eine Rückführung der
Gesamtheit oder eines Teils des in der Zelle enthaltenen Gases auf
folgende Weise vorgenommen wird:
- – Vorhandensein
einer Hauptleitung, die die Zelle mit der Pufferkapazität verbindet,
wobei sie durch eine Kompressions- oder Überdruckgruppe verläuft, die
einen oder mehrere Kompressoren oder Überdruckapparate parallel umfasst;
- – Vorhandensein
eines ersten Zwischenspeicherballons, der Härtungsgas von der Zelle aufnehmen
und die Kompressions-/Überdruckgruppe
speisen kann und sich in Bezug zur Hauptleitung versetzt befindet;
- – nach
einem Härtungsvorgang
Durchführen
eines oder mehrerer Teilentleerungsvorgänge des Inhalts der Zelle in
dem ersten Zwischenspeicherballon durch einen teilweisen oder völligen Druckausgleich
zwischen den beiden Volumina der Zelle und dem ersten Zwischenspeicherballon;
- – Durchführen der
Weiterleitung des im ersten Zwischenspeicherballon gespeicherten
Gases in die Pufferkapazität
(V2) bei Durchlaufen der Kompressions-/Überdruckgruppe;
- – gegebenenfalls
Ableiten eines Teils des Inhalts der Zelle ins Freie.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann überdies
eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
- – Weiterleitung
des in dem ersten Zwischenspeicherballon gespeicherten Gases zu
der Pufferkapazität während einer
Phase, in der die Härtungszelle
im Ablauf des Gashärtungsverfahrens
festgestellt ist, oder während
Lastübergaben
erfolgt;
- – Vorhandensein
eines aufblasbaren Ballons, der ebenfalls in Bezug zur Hauptleitung
versetzt ist und Gas von der Zelle durch eine Vakuumpumpe aufnehmen
kann, die entweder zu einer Öffnung
oder zum aufblasbaren Ballon fördern
kann, wobei der aufblasbare Ballon folgendermaßen verwendet wird: nach dem
einen oder den mehreren Vorgängen
der teilweisen Entleerung des Inhalts der Zelle in den ersten Zwischenspeicherballon
werden zur Absenkung unter den Luftdruck in der Zelle in oder mehrere
Vorgänge
der Weiterleitung des in der Zelle enthaltenen Gases in den aufblasbaren
Ballon folgendermaßen
durchgeführt:
- – Rückführung des
in der Zelle enthaltenen Gases in den aufblasbaren Ballon mit Hilfe
einer Vakuumpumpe, wobei der aufblasbare Ballon nicht an die Kompressions-/Überdruckeinheit angeschlossen
ist, dann
- – Ableiten
des in dem aufblasbaren Ballon enthaltenen Gases mit Hilfe der Kompression-/Überdruckeinheit, wobei
der aufblasbare Ballon nicht an die Vakuumpumpe (P1) angeschlossen
ist.
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Die
Erfindung wird durch die Studie der nachfolgenden Beschreibung besser
verständlich,
die nur als Beispiel angeführt
ist und sich auf die beiliegenden Zeichnungen bezieht, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung einer Anlage, die den Einsatz der Erfindung
ermöglicht,
ist;
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2 das
Ergebnis von Simulationen der Grenzverschmutzungsrate (Gehalt im
von V2 rückgeführten Gas,
das in der Härtungszelle
wieder verwendet wird) in Abhängigkeit
von der Gaswiedergewinnungsrate für verschiedene Anfangsverschmutzungsgrade
im wieder gewonnenen Härtungsgas
der Zelle V1 liefert;
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3 ein
erfindungsgemäßes Rückführungsbeispiel
mit der Entwicklung des Drucks in den Kapazitäten V1, V2, V3 während des
Härtungs-
und Wiederkompressionszyklus des Gases liefert;
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4 ein
Detail der Entwicklung des Drucks in den Kapazitäten V1 und V3 während der
Schritte 4 und 5 der Tabelle 1 (im Wesentlichen zwischen 21 und
25 min) liefert.
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In 1 sind
alle Element zu erkennen, die bereits ausführlich im Vorhergehenden beschrieben
und bezeichnet wurden, insbesondere die Zelle V1, die Pufferkapazität V2, die
Kolbenkompressionsgruppe, umfassend zwei Kompressoren parallel C1
und C2, der Zwischenspeicherballon V3, der die Kompressionsgruppe speisen
kann und sich in Bezug zur Hauptleitung versetzt befindet, der aufblasbare
Ballon V4, der ebenfalls in Bezug zur Hauptleitung versetzt ist,
sowie die Vakuumpumpe P1, die entweder zu einer Öffnung oder zum Ballon V4 fördert.
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In
der Figur ist zwischen der Pumpe und dem Ballon V4 das Vorhandensein
eines Ablassventils (durch einen gekrümmten Ableitungspfeil symbolisiert)
zu erkennen, das dazu vorgesehen ist, nach außen abzuleiten, wenn ein Teil
des Gases aus V1 entnommen werden soll.
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Wie
gut zu verstehen war, wird je nach Gaswiedergewinnungsrate, die
erzielt werden soll: ein Teil in das Verfahren rückgeführt und ein Teil nach außen abgeleitet.
Beispielsweise kann beschlossen werden, das aus V1 entnommene Gas
abzuleiten, wenn der Druck in V1 geringer als eine vordefinierte
Schwelle wird, die als Wiederaufnahmedruck in Abhängigkeit
von der gewählten
Wiedergewinnungsrate definiert ist.
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Wie
bereits oben erwähnt,
umfasst die Anlage nach einer vorteilhaften Einsatzart der Erfindung
im Falle der Verwendung für
die Härtung
eines Gasgemisches (in der Figur ist der Fall eines CO2-Helium-Gemisches dargestellt)
ein Mischmodul (M1), das die Kompressionsgruppe mit Niederdruckgasgemisch
versorgt.
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Das
Gemisch kann bei einem mehr oder weniger hohen Druck synthetisiert
werden.
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Vorzugsweise
wird hier vorgeschlagen, das Gemisch bei niedrigem Druck (unter
10 bar) zu synthetisieren und dieses Gemisch mit Hilfe der Kompressions-/Überdruckeinheit wieder zu komprimieren,
um die Gasspeicher maximal leeren zu können. Die Synthese des Hochdruckgemisches
würde es
ermöglichen,
auf den Einsatz eines Kompressors zur Versorgung der Hochdruckkapazität mit frischem
Gas zu verzichten. Ein System mit Niederdruckgemisch hingegen ermöglicht es,
die Gasspeicher zu verwenden, solange der Druck der Speicher größer als
der Versorgungsdruck bleibt. Der nicht verwendete Rest des verbrauchten
Gases, der in den Gasspeichern bleibt, ist somit geringer, woraus
sich geringere Betriebskosten ergeben. Da das beschriebene Gaswiedergewinnungssystem
notwendigerweise einen Kompressor umfasst, ist es somit günstiger,
das Niederdruckgemisch herzustellen. So wird die Kompressionsgruppe
des Gasrückführungssystems verwendet,
um eine Ergänzung
mit frischem Gas vorzunehmen.
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Bei
einer vorteilhaften Einsatzart der Erfindung umfasst das Mischmodul
einen Behälter,
der für
die Speicherung des frischen synthetisierten Gemisches bestimmt
ist.
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Dieser
Behälter
kann somit unbemerkt während
des Ablaufs der anderen Phasen befüllt werden. Die Menge an frischem
synthetisiertem Gas wird einfach durch den Druck dieses Behälters kontrolliert.
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Die
Synthesemenge des Gemisches kann somit unabhängig von der Durchflussmenge
der anderen Elemente, insbesondere des Kompressors, der für die Wiederkompression
des Gemisches bestimmt ist, dimensioniert werden.
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In
dem konkreten in Tabelle 1 angeführten
Beispiel wird das Gemisch während
eines oder mehrerer Schritte 0 bis 5 synthetisiert. Beim Druckabgleich
in V2 mit Hilfe des frischen Gemisches in Schritt 6 entspricht die
Befüllungsmenge
mit frischem Gemisch somit der normalen Durchflussmenge des Kompressors.
Bei Verwendung von Gemisches ist besonders zu empfehlen, eine Kontrolle
der Zusammensetzung des Gases durch ein Analysegerät (wie dies
in der Figur der Fall ist) vorzunehmen, um die Zusammensetzung des
Gemisches während
der Rückführung im
Falle eines bevorzugten Austretens eines der Bestandteile während des
Härtungszyklus
und/oder der Rückführung zu
verfolgen und anzupassen.
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Zum
Beispiel sind mehrere Analysetypen möglich, wobei zu nennen sind:
- – die
Hauptbestandteile des Gemisches;
- – die
für ein
Austreten repräsentativen
Schadstoffe (wie beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff);
- – die
mit dem Verfahren verbundenen Schadstoffe:
wie beispielsweise
H2O, CO, N2 oder
Hydrokarbide, Reste des Wärmebehandlungsverfahrens,
das vor dem Härtungsverfahren
durchgeführt
wird.
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Es
ist auch zu sehen, dass die Anlage einen Steuerautomaten für die Anlage
umfassen kann, der insbesondere die Befüllungs- und Entleerungssequenzen
der verschiedenen Bestandteile definiert.
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Die
vom Automaten verwendeten Informationen können geliefert werden von:
- – Temperatur-
und Druckfühlern
im Bereich der verschiedenen Kapazitäten V1, V2, V3, V4
- – einem
Füllstandsmesser
des Ballons V3
- – einem
Füllstandsmesser
des Ballons V4
- – dem
Gasanalysator.
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Aus
diesen Informationen kann der Automat steuern:
- – das Schwenken
der Ventile, die das Gas zu einer Kapazität oder einer anderen leiten,
- – die
Einstellung des Mischers,
- – die
Ingangsetzung oder das Anhalten der Pumpgruppe, usw.
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Die
unten stehende Tabelle 1 stellt einen konkreten Fall dar, der die
verschiedenen Schritte und ihre Dauern im Detail anführt.
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Die
im Vergleich mit einer Anlage gewonnene Zeit, die weder V3 noch
V4 umfasst, beträgt
zwischen 5 und 10 Minuten in Abhängigkeit
von der erforderlichen Zeit für
die Weiterleitung der zu behandelnden Stücklasten (Schritt 6).
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Während der
aufeinander folgenden Schritte des Härtens und Wiedergewinnens reichert
sich das Härtungsgas
mit Verunreinigungen/Schadstoffen an. Allerdings werden diese Verunreinigungen
durch die Beigabe eines Gases verdünnt, die durch die unvollständige Wiedergewinnung
des Härtungsgases
notwendig wird. Die Verunreinigungsrate bleibt somit unter einer
Obergrenze, die sowohl vom Gehalt an Schadstoffen, die bei jedem
Härtungszyklus
mitgebracht werden, als auch von der Wiedergewinnungsrate des Gases
abhängt,
die direkt mit der in jedem Zyklus vorgenommenen Gasbeigabe verbunden
ist.
2 liefert das Ergebnis von Simulationen dieser
Grenzverunreinigungsrate (Gehalt in dem von V2 rückgeführten und in der Härtungszelle
wieder verwendeten Gas) in Abhängigkeit
von der Gaswiedergewinnungsrate für verschiedene Anfangsverschmutzungsgrade
im wieder gewonnenen Härtungsgase
aus der Zelle V1: eine Kurve pro Anfangsverschmutzungsgrad, wobei
die Kurven von der obersten in der Figur bis zur untersten betrachtet
jeweils einem Anfangsverschmutzungsgehalt von 10, 20, 50, 100, 200,
500 und 1000 ppm entsprechen. Tabelle 1: Schritte der Weiterleitung
und Wiederkompression des Gases von V1 zu V2
| Schritte | Von
t = (min) | Zu
t = (min) | Beschreibung |
| 0 | 0 | 0.1 | Befüllung von
V1 für
die Härtung |
| 1 | 0.1 | 5.4 | Härtung unter
Druck (parallel Weiterleitung von Gas von V3 zu V2) |
| 2 | 5.4 | 5.5 | Ausgleich
V1-V3 (Teilentleerung von V1) |
| 3 | 5.5 | 20.9 | Wiederkompression ausgehend
von V1: das nicht zwischen V1 und V3 ausgeglichene Gas wird in V2
direkt über
die Kompressionsgruppe (bis zum Luftdruck) geschickt |
| 4 | 20.9 | 23.7 | Setzen
von V1 unter Vakuum mit Weiterleitung des Gases zu V2; Verwendung
des Ballons V4 |
| 5 | 23.7 | 25.0 | Verringerung
des Vakuums von V1; Gas aus V1 abgeleitet (da Wiedergewinnungsrate
nicht 100 %) |
| 6 | 25.0 | 35.0 | Weiterleitung
von Gas von V3 zu V2 und Abgleich des Drucks in V2 und Warten; Austritt
der gehärteten
Last, Eintritt der zu härtenden
Last |
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Um
die Kühleigenschaften
des Gases konstant zu halten, bleibt eine Verschmutzungsrate von
5 % völlig
annehmbar. Es ist beispielsweise zu bemerken, dass die Beigabe von
5 % Stickstoff in ein Gemisch von CO2 und
Helium, das 50 % Helium enthält,
zu einer Verringerung des vom Gas übertragenen Wärmestroms um
1,5 % führt;
diese Verringerung kann an den endgültigen Eigenschaften der behandelten
Teile beobachtet werden.
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Im
Falle von Wärmebehandlungen
unter Vakuum überschreitet
das Niveau von Verunreinigungen, die zu jedem Zyklus hinzukommen,
nicht 500 ppm. Eine Wiedergewinnungsrate von 99 % ermöglicht es
in diesem Fall, ein ausreichendes Reinheitsniveau aufrecht zu erhalten,
ohne Gaszerlegungsmittel zu verwenden, um den Gehalt an Schadstoffen
zu begrenzen.
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3 liefert
ihrerseits ein erfindungsgemäßes Rückführungsbeispiel
mit der Entwicklung des Drucks in den Kapazitäten V1, V2, V3 während des
Zyklus der Härtung
und Wiederkompression des Gases (Beispiel entsprechend Tabelle 1):
- – in
durchgehenden Linien: Druck in V3;
- – in
punktieren Linien (....): Druck in V2;
- – in
strichpunktierten Linien (._._._.): Druck in V1.
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4 liefert
ein Detail (Zoom) der Entwicklung des Drucks der Kapazitäten V1 und
V3 zwischen 21 und 25 min (im Wesentlichen während der Schritte 4 und 5
der Tabelle 1). Sie ermöglicht
es, die verschiedenen Schritte der gleichzeitigen Verwendung der
Vakuumpumpe zum Entleeren von V1 und des Kompressors zum Entleeren
von V3 und die Schritte der Entleerung des aufblasbaren Ballons
mit Hilfe des Kompressors (Druck V1 und V3 stabil) zu unterscheiden.
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Die
nicht gasförmigen
Verunreinigungen (Wasser, Öl,
Staub) werden mit Hilfe von speziellen Filtern vermieden.