DE60301860T2

DE60301860T2 - Vorrichtung und verfahren zum gasabschrecken

Info

Publication number: DE60301860T2
Application number: DE60301860T
Authority: DE
Inventors: Bruno Roques; Linda Lefevre; Jean-Martial Leger
Original assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA a Directoire et Conseil de Surveillance pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Current assignee: Air Liquide SA; LAir Liquide SA pour lEtude et lExploitation des Procedes Georges Claude
Priority date: 2002-02-12
Filing date: 2003-02-10
Publication date: 2006-06-22
Anticipated expiration: 2023-02-11
Also published as: DE60301860D1; ES2250887T3; EP1476585B1; ATE306565T1; AU2003224189A1; FR2835907A1; EP1476585A1; WO2003068998A1; US20060037678A1; FR2835907B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anlage zum Härten durch Gas des Typs, der eine Härtzelle aufweist, die dazu bestimmt ist, zu härtende Objekte aufzunehmen, und angepasst ist, um einem bestimmten Härtdruck des Härtgases standzuhalten, und Mittel zum Liefern von Härtgas unter Druck, die an diese Zelle angeschlossen sind.
Sie gilt insbesondere für Anlagen zum Härten durch Gas von Stahlteilen.
Anlagen zum Härten durch Gas sind bekannt. Eine solche Anlage weist eine Härtzelle, in der die zu härtenden Objekte angeordnet sind, und Mittel zum Liefern von Härtgas unter Druck, die an diese Zelle angeschlossen sind, auf. Derartige Härtanlagen weisen im Allgemeinen eine Zwischenlagerpufferkapazität des Gases auf, die zwischen der Gasquelle und der Härtzelle liegt.
Bei dem Fall einer Hochdruckhärtanlage (zum Beispiel 20 bar und darüber), umfassen die Gasliefermittel einen Verdichter, der ständig an die Härtgasquelle angeschlossen ist.
Der Einsatz eines Verdichters bei einer solchen Anlage weist insbesondere die folgenden Nachteile auf: die Investitionskosten des Verdichters, die Nichtverfügbarkeit der Härtanlage während der Instandhaltungszeit des Verdichters, der Stromverbrauch des Verdichters und die Lärmbelästigungen aufgrund des Verdichters.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, diesen Nachteilen mittels einer wirtschaftlichen Härtanlage abzuhelfen.
Dazu hat die Erfindung eine Anlage gemäß Anspruch 1 zur Aufgabe und insbesondere gekennzeichnet dadurch, dass die Gasliefermittel Folgendes aufweisen:

– einen Verdampfer, dessen Ausgang mit einem Eingang des Pufferbehälters durch zweite Verbindungsmittel verbunden ist, und
– einen Hochdrucklagerbehälter des Härtgases im flüssigen Zustand unter einem Lagerdruck (P_Lager) zwischen 15 und 40 bar, verbunden mit einem Eingang des Verdampfers durch dritte Verbindungsmittel,
– wobei die zweiten Verbindungsmittel kein Gasverdichtungsmittel zwischen dem Verdampfer und dem Pufferbehälter haben.

Man muss unter „Hochdruckbehälter" gemäß der vorliegenden Erfindung einen Behälter verstehen, dessen Lagerdruck (P_Lager) größer ist als der Pufferdruck (P_Puffer) und zwischen 15 und 40 bar liegt.
Gemäß besonderen Ausführungsformen der Anlage kann diese eine oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:

– Die ersten Verschlussmittel unterteilen die ersten Verbindungsmittel in einen Pufferteil, der zum Pufferbehälter gehört, und in einen Zellenteil, der zu der Härtzelle gehört, wobei das Volumen (V_Puffer) des Pufferbehälters und das Volumen (V_ct) des Pufferteils der Verbindungsmittel ein Effektivpuffervolumen (V_Puffer-eff) bilden, während das Volumen der Härtzelle (V_Zelle) und das Volumen (V_cc) des Zellenteils der Verbindungsmittel ein Effektivzellenvolumen (V_Zelle-eff) bilden, wobei das Effektivpuffervolumen (V_Puffer-eff) größer ist als das Effektivzellenvolumen (V_Zelle-eff)
– Das Effektivpuffervolumen (V_Puffer-eff) ist größer als das 1,2-fache des Effektivzellenvolumens (V_Zelle-eff) und liegt insbesondere zwischen dem 1,4-fachen und 5-fachen dieses Volumens.
– Der Pufferdruck (P_Puffer) ist größer als der Härtdruck (P_Härt) und das Effektivpuffervolumen und das

Effektivzellenvolumen sind durch die folgende Be ziehung verbunden:

– Das Effektivpuffervolumen und das Effektivzellenvolumen
– Der Pufferdruck (P_Puffer) ist größer oder gleich dem 1,2-fachen des Härtdrucks (P_Härt) und liegt vorzugsweise zwischen dem 1,2-fachen und dem 1,8-fachen dieses Drucks.
– Der Pufferdruck (P_Puffer) liegt zwischen 15 und 35 bar.
– Der Härtdruck (P_Härt) liegt zwischen 10 und 20 bar.
– Die Anlage umfasst ferner eine Härtgashilfsquelle, die mit dem Pufferbehälter durch Hilfsverbindungsmittel verbunden ist, die den Pufferbehälter mit Hilfshärtgas versorgen können.
– Die Härtgashilfsquelle umfasst ferner mindestens eines der Gase der Gruppe bestehend aus Wasserstoff und Helium.
– Das Härtgas ist Stickstoff.
– Das Härtgas ist CO₂ oder umfasst CO₂.

Ferner hat die Erfindung ein Nutzungsverfahren einer wie oben definierten Anlage zur Aufgabe, gekennzeichnet durch die aufeinander folgenden Schritte:

– der Pufferbehälter wird mit Härtgas mit Pufferdruck gefüllt,
– das zu härtende Objekt wird in der Härtzelle angeordnet,
– die ersten steuerbaren Verschlussmittel werden geöffnet, wobei sie eine Verbindung zwischen dem Pufferbehälter und der Härtzelle erstellen, bis zum Erstellen des Härtdrucks in der Härtzelle,
– das zu härtende Objekt wird auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt, und
– das gehärtete Objekt wird aus der Härtzelle genommen.

Die Erfindung wird bei der Lektüre der folgenden Beschreibung besser verstanden, die allein beispielhaft gegeben wird und sich auf die anliegende Zeichnung bezieht, deren alleinige Figur schematisch eine erfindungsgemäße Anlage darstellt.
Die alleinige Figur zeigt eine erfindungsgemäße Anlage zum Härten durch Gas, die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 2 bezeichnet ist.
Die Anlage ist zum Härten eines Objekts 3 durch Wärmebehandlung bestimmt. Das Objekt ist zum Beispiel ein Teil aus Stahl.
Die Härtanlage 2 weist einen Hochdrucklagerbehälter 4 eines Härtgases 6 im flüssigen Zustand auf, einen Verdampfer 8 für dieses Gas, einen Pufferbehälter 10 sowie eine Härtzelle 12.
Der Lagerbehälter 4 ist ein so genannter „Hochdrucklagerbehälter". Das Härtgas 6 wird darin unter einem Lagerdruck P_Lager zwischen 15 und 40 bar gelagert. Das Härtgas 6 ist zum Beispiel Stickstoff.
Der Lagerbehälter 4 ist mit einem Ausgang 14 versehen, der mit einem Eingang 16 des Verdampfers 8 durch eine erste Verbindungsleitung 18 verbunden ist. Der Verdampfer 8 ist vorzugsweise ein so genannter „Hochdruckverdampfer", der angepasst ist, um ein Gas unter Hochdruck ausgehend von dem Lagerbehälter 4 zu erzeugen. Dieser Druck liegt leicht unter dem Lagerdruck.
Der Verdampfer 8 weist einen Ausgang 20 auf, der mit einem Eingang 22 des Pufferbehälters 10 durch eine zweite Verbindungsleitung 24 verbunden ist, die mit einem ersten Abschaltventil 26 versehen ist. Das erste Abschaltventil 26 ist am Eingang des Pufferbehälters 10 angeordnet.
Erfindungsgemäß haben diese Verbindungsmittel kein Verdichtungsmittel des Gases zwischen dem Verdampfer und dem Pufferbehälter.
Der Pufferbehälter 10 ist angepasst, um einem Gasdruck während des Betriebs der Anlage, Pufferdruck P_Puffer genannt, standzuhalten. Der Druck ist im Wesentlichen gleich dem Gasdruck am Ausgang des Verdampfers 8.
Ein Ausgang 28 des Pufferbehälters 10 ist mit einem Eingang 30 der Härtzelle 12 über eine dritte Verbindungsleitung 32 verbunden, die mit einem zweiten Abschaltventil 34 versehen ist.
Die Härtzelle 12 ist angepasst, um einem Gasdruck beim Härten, Härtgasdruck P_Härt genannt, standzuhalten.
Der eigentliche Pufferbehälter 10 hat ein Volumen V_Puffer. Das Volumen der dritten Leitung 32 besteht aus einem ersten Teil V_ct, der zu dem Pufferbehälter gehört, der sich zwischen dem Pufferbehälter 10 und dem zweiten Absperrventil 34 erstreckt, sowie einen zweiten Teil V_cc, der zu der Härtzelle 12 gehört und sich zwischen dem zweiten Absperrventil 34 und dieser Zelle 12 erstreckt. Die Härtzelle hat ein Volumen V_Zelle.
Die zwei Volumina V_Puffer und V_ct definieren gemeinsam ein Effektivpuffervolumen V_Puffer-eff, während die zwei Volumina V_Zelle und V_cc gemeinsam ein Effektivzellenvolumen V_Zelle-eff bilden.
Gemäß einer vorteilhaften Umsetzungsform der Erfindung ist das Effektivpuffervolumen V_Puffer-eff größer als das Effektivzellenvolumen V_Zelle-eff. Vorzugsweise ist das Effektivpuffervolumen V_Puffer-eff größer als das 1,2-fache des Effektivzellvolumens V_Zelle-eff und liegt insbesondere zwischen dem 1,4-fachen und dem 5-fachen dieses Volumens.
Das Effektivpuffervolumen V_Puffer-eff erfüllt vorteilhafterweise
Bei einer besonderen Ausführungsform sind das Effektivpuffervolumen und das Effektivzellenvolumen durch die Beziehung
verbunden, was es erlaubt, den Platzbedarf des Behälters 10 zu minimieren.
Die Anlage umfasst ferner Mittel zum Herstellen eines Vakuums in der Härtzelle 12. Diese Mittel zum Herstellen des Vakuums bestehen aus einer Vakuumpumpe 36, die mit der Härtzelle 12 durch eine vierte Leitung 38 verbunden ist.
Die erfindungsgemäße Anlage funktioniert wie folgt.
Zu Beginn enthält der Pufferbehälter 10 Härtgas mit einem Restdruck, und die Härtzelle 12 enthält eine Restatmosphäre, im Allgemeinen mit einem Druck, der niedriger ist als der Luftdruck. In der Härtzelle befindet sich kein zu härtendes Objekt.
Das zweite Absperrventil 34 ist geschlossen, und das erste Absperrventil 26 ist offen. Der Verdampfer 8 wird daher in Gang gesetzt und erzeugt Härtgas, das im Wesentlichen den Pufferdruck P_Puffer und eine Temperatur T_Puffer hat. Dieser Druck P_Puffer liegt hier zwischen 25 und 35 bar.
Wenn der Druck in dem Pufferbehälter 10 den Druck P_Puffer erreicht, wird der Verdampfer 8 durch Schließen des ersten Absperrventils 26 gestoppt. Das Füllen des Pufferbehälters dauert typisch 5 und 20 Minuten.
Während dieser Zeit wird das zu härtende Objekt 3 einer Wärmebehandlung (nicht dargestellt) unterzogen.
Danach wird das heiße zu härtende Objekt 3 in der Härtzelle 12 angeordnet, und Letztere wird geschlossen. Der in der Härtzelle 12 herrschende Druck ist oft der Luftdruck, das heißt etwa 1000 hPa (die Zelle könnte anfangs aber auch ein Vakuum haben), und die Temperatur ist die Raumtemperatur.
Danach wird das zweite Absperrventil 34 geöffnet. Das Härtgas 6, das in dem Pufferbehälter 10 enthalten ist, entleert sich schnell durch die dritte Leitung 32 in die Härtzelle 12, bis der erwünschte Härtdruck erreicht ist. Dieser Härtdruck P_Härt liegt zwischen 10 und 25 bar, vorzugsweise zwischen 10 und 20 bar. Es ist ferner vorteilhaft, dass der Pufferdruck P_Puffer zwischen dem 1,2-fachen und 1,8-fachen des Härtdrucks ausgewählt wird, um einen Pufferbehälter verwenden zu können, der nicht sehr platzaufwändig ist.
Wenn das zu härtende Objekt 3 die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird der Druck der Härtzelle 12 abgelassen, und das gehärtete Objekt 3 wird aus der Zelle genommen. Schließlich wird das zweite Absperrventil 34 geschlossen und das erste Absperrventil 26 wird geöffnet.
Der Behandlungszyklus kann wieder beginnen.
Die erfindungsgemäße Anlage weist die folgenden Vorteile auf.
Da das Effektivpuffervolumen V_Puffer-eff größer ist als das Effektivzellenvolumen V_Zelle-eff, ist der Druck des Gases in dem Pufferbehälter P_Puffer für einen gegebenen Härt druck P_Härt relativ niedrig. Die Wandstärke des Pufferbehälters 10 kann daher relativ klein sein.
Ferner hat diese Anlage keinen Verdichter, der zwischen dem Verdampfer 8 und dem Pufferbehälter 10 angeordnet ist, was den Stromverbrauch während des Erzeugens des Gases unter Druck P_Puffer eliminiert. Die Anlage weist ferner dank der geringen erforderlichen Instandhaltungszeit eine große Verfügbarkeit auf.
Ferner braucht die Anlage wenig Platz und erzeugt nur wenig Lärm.
Als Variante kann der Pufferbehälter 10 benachbart mit der Härtzelle 12 angeordnet werden, so dass die dritte Leitung 32 weggelassen werden kann. In diesem Fall sind die Volumina V_ct und V_cc gleich 0, und die Effektivvolumina V_Puffer-eff und V_Zelle-eff sind gleich wie die entsprechenden Volumina des Pufferbehälters 10 und der Härtzelle 12.
Auch wenn die Erfindung in oben Stehendem besonders von einem Aufbau dargestellt wurde, bei dem der Pufferbehälter nur ausgehend von der Einheit Hochdruckflüssigkeitslager/Verdampfer gespeist wird, versteht es sich von selbst, dass es auch möglich und extrem vorteilhaft ist, erfindungsgemäß die Möglichkeit vorzusehen, den Pufferspeicher ebenfalls mit einem Hilfshärtgas über eine Härtgashilfsquelle zu speisen, die mit dem Pufferbehälter durch Hilfsverbindungsmittel verbunden ist, wobei ein solches Hilfshärtgas vorteilhafterweise mindestens eines der Gase der Gruppe bestehend aus Wasserstoff und Helium umfasst, um zum Beispiel über Härtgemische aus Stickstoff-Helium, Stickstoff-Wasserstoff, CO₂-Helium usw. zu verfügen.
Ferner ist es für den Fachmann klar, dass in oben Stehendem die Terminologie „Hochdrucklagerbehälter des Härtgases im flüssigen Zustand" verwendet wurde, um anzugeben, dass man über eine Hochdruckreserve des Härtgases in flüssiger Form verfügt. Diese Reserve hat vorteilhafterweise einfach die Form einer Hochdrucklagerung, es ist jedoch auch möglich (zum Beispiel aus praktischen Gründen in Zusammenhang mit dem lokalen Standort) und ohne den Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen, in Betracht ziehen, dass dieser „Hochdrucklagerbehälter" die Form der Kombination eines Lagerbehälters in flüssiger Form mit Niederdruck hat, der ein System zum Beaufschlagen mit Härtgas im flüssigen Zustand speist. Dies gilt natürlich insofern, als die erfindungsgemäße Bedingung, gemäß welcher die zwei Verbindungsmittel zwischen dem Verdampfer und dem Pufferbehälter kein Mittel zum Verdichten des Gases aufweisen, eingehalten wird.

Claims

Anlage zum Härten durch Gas des Typs umfassend: – eine Härtzelle (12), die dazu bestimmt ist, die zu härtenden Objekte (3) aufzunehmen und geeignet, um einem bestimmten Härtdruck (P_Härt) des Härtgases, zwischen 10 und 25 bar liegend, standzuhalten, und – Mittel zum Liefern von Härtgas unter Druck, die an diese Zelle angeschlossen sind, wobei die Gasliefermittel Folgendes umfassen: i) einen Pufferbehälter (10), der dazu geeignet ist, das Härtgas (6) zu enthalten, und einem bestimmten Pufferdruck (P_Puffer) des Härtgases standzuhalten, j) erste Gasverbindungsmittel (32), die den Pufferbehälter (10) mit der Härtzelle (12) verbinden, k) erste steuerbare Verschlussmittel (34) der ersten Verbindungsmittel (32); l) Mittel (4, 8, 18, 24, 26) zum Speisen mit Härtgas (10) des Pufferbehälters unter einem Druck, der höher ist als der Luftdruck; dadurch gekennzeichnet, dass die Gasspeisungsmittel umfassen: – einen Verdampfer (8), dessen Ausgang (20) mit einem Eingang (22) des Pufferbehälters (10) durch zweite Verbindungsmittel (24) verbunden ist, und – einen Hochdrucklagerbehälter (4) des Härtgases (6) im flüssigen Zustand unter einem Lagerdruck (P_Lager) zwischen 15 und 40 bar, verbunden mit einem Eingang (16) des Verdampfers (8) durch dritte Verbindungsmittel (18); – wobei die zweiten Verbindungsmittel kein Gasverdichtungsmittel zwischen dem Verdampfer und dem Pufferbehälter haben.
Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Verschlussmittel (34) die ersten Verbindungsmittel (32) in einen Pufferteil, der mit dem Pufferbehälter (10) verbunden ist, und in einen Zellenteil, der mit der Härtzelle (12) verbunden ist, unterteilen, und dadurch, dass das Volumen (V_Puffer) des Pufferbehälters (10) und das Volumen (V_ct) des Pufferteils der Verbindungsmittel (32) ein Effektivpuffervolumen (V_Puffer-eff) bilden, während das Volumen (V_Zelle) der Härtzelle (12) und das Volumen (V_cc) des Zellenteils der Verbindungsmittel (32) ein Effektivzellenvolumen (V_Zellen-eff) bilden, und dadurch, dass das Effektivpuffervolumen (V_Puffer-eff) größer ist als das Effektivzellenvolumen (V_Zelle-eff)
Anlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Effektivpuffervolumen (V_Puffer-eff) größer ist als das 1,2-fache des Effektivzellenvolumens (V_Zelle-eff) und insbesondere zwischen dem 1,4 und 5-fachen diese Volumens liegt.
Anlage nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferdruck (P_Puffer) größer ist als der Härtdruck (P_Härt), und dadurch, dass das Effektivpuffervolumen und das Effektivzellenvolumen durch die folgende Beziehung ver bunden sind
Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Effektivpuffervolumen und das Effektivzellenvolumen
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferdruck (P_Puffer) größer oder gleich dem 1,2-fachen des Härtdrucks (P_Härt) ist, und vorzugsweise zwischen dem 1,2 und 1,8-fachen dieses Drucks liegt.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Pufferdruck (P_Puffer) zwischen 15 und 35 bar liegt.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Härtdruck (P_Härt) zwischen 10 und 20 bar liegt.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Härtgashilfsquelle umfasst, die mit dem Pufferbehälter durch Hilfsverbindungsmittel, die den Pufferbehälter mit Hilfshärtgas versorgen können, verbunden ist.
Anlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Härtgashilfsquelle mindestens eines der Gase der Gruppe bestehend aus Wasserstoff und Helium umfasst.
Anlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Härtgas Stickstoff ist.
Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Härtgas CO₂ ist oder CO₂ umfasst.
Gashärtverfahren für Objekte (3), die in einer Härtzelle (12) bei einem Härtdruck (P_Härt) zwischen 10 und 25 bar zu härten sind, gemäß welchem: A/ man die Härtgaszelle mit Hilfe von Liefermitteln von Härtgas unter Druck, die an diese Zelle angeschlossen sind, beliefert, wobei die Gasliefermittel Folgendes umfassen: i) einen Pufferbehälter (10), der geeignet ist, um das Härtgas (6) zu enthalten und um einem bestimmten Pufferdruck (P_Puffer) des Härtgases standzuhalten, j) erste Gasverbindungsmittel (32), die den Pufferbehälter (10) mit der Härtzelle (12) verbinden, k) steuerbare erste Verschlussmittel (34) der ersten Verbindungsmittel (32); l) Gasspeisemittel (4, 8, 18, 24, 26) des Pufferbehälters (10) unter einem Druck, der höher ist als der Luftdruck, Folgendes umfassend: – einen Verdampfer (8), dessen Ausgang (20) mit einem Eingang (22) des Pufferbehälters (10) durch zweite Verbindungsmittel (24) verbunden ist, und – einen Hochdrucklagerbehälter (4) des Härtgases (6) im flüssigen Zustand unter einem Lagerdruck (P_Lager) zwischen 15 und 40 bar, der an einen Eingang (16) des Verdampfers (8) durch dritte Verbindungsmittel (18) angeschlossen ist; – wobei die zweiten Verbindungsmittel keine Gasverdichtungsmittel zwischen dem Verdampfer und dem Pufferbehälter haben; B/ der Pufferbehälter (10) mit Härtgas mit dem Pufferdruck (P_Puffer) gefüllt ist; C/ das zu härtende Objekt (3) in der Härtzelle (12) angeordnet ist; D/ die ersten steuerbaren Verschlussmittel (34) offen sind und eine Verbindung zwischen dem Pufferbehälter (10) und der Härtzelle (12) bis zu dem Erstellen des Härtdrucks (P_Härt) in der Härtzelle (12) herstellen, E/ das zu härtende Objekt (30) auf eine bestimmte Temperatur abgekühlt ist, und F/ das gehärtete Objekt (3) aus der Härtzelle (12) entnommen wird.