EP0355520B1

EP0355520B1 - Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken

Info

Publication number: EP0355520B1
Application number: EP89114350A
Authority: EP
Inventors: Peter Dr. Dipl.-Ing. Vocke; Thomas Dipl.-Ing. Kamm; Andreas Dipl.-Ing. Dey; Hilmar Dipl.-Ing. Storz
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 1988-08-18
Filing date: 1989-08-03
Publication date: 1994-04-13
Anticipated expiration: 2009-08-03
Also published as: EP0355520A3; EP0355520A2; DE3828134A1; ZA896284B; ATE104360T1; DE58907441D1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken unter Behandlungsgasatmosphäre in einem Durchlaufofen mit Einlauf-, Behandlungs- und Kühlzone, bei dem Behandlungsgas in eine oder mehrere, die Kühlzone umfassende, Ofenzonen mit üblichem, niedrigem Druck zugeführt wird und außerdem ein Teil des Behandlungsgases in der Kühlzone gerichtet und mit einem höheren Druck eingeblasen und damit in Verbindung eine bestimmte Gasströmung im Ofeninnenraum hergestellt wird.
Es sind beispielsweise vielerlei Wärmebehandlungsverfahren für metallische Werkstücke unter verschiedensten Behandlungsgasatmosphären bekannt. Beispiele hierfür sind Aufkohl-, Härte-, Nitrier- und Glühverfahren z.B. unter Endogas, Exogas, Methanol- und Ammoniakspaltgas und Gasen, die verbrauchsfertig geliefert aus Speicherbehältern entnehmbar sind (z.B. Stickstoff, Wasserstoff). Ebenso sind Wärmebehandlungsverfahren unter Behandlungsgas für keramische Werkstücke in Durchlauföfen bekannt, z.B. das Brennen derartiger Werkstücke.
Die Behandlungsgasatmosphären lassen sich dabei in Schutzgasatmosphären und Reaktionsgasatmosphären einteilen. Schutzgase haben die Aufgabe, die zu behandelnden Werkstoffe bei der Wärmebehandlung vor unerwünschten Einflüssen zu schützen, z.B. vor Reaktionen mit dem in der Luft enthaltenen Sauerstoff, Kohlendioxid oder Wasserdampf, während mit Reaktionsgasatmosphären gewünschte Reaktionen mit dem zu behandelnden Werkstoff herbeigeführt werden.
Die Behandlungsgase werden bei den heute bekannten Verfahren in der Regel an mehreren Stellen mit geringfügig über dem Atmosphärendruck liegenden Druck (etwa zwischen 0.01 und 0.2 mbar) und niedriger Strömungsgeschwindigkeit in die Wärmebehandlungseinrichtungen bzw. -öfen eingeführt. Dabei werden die Einspeisemengen und die Einspeisestellen so gewählt, daß sich überall in der Einrichtung eine qualitativ für die jeweilige Behandlung ausreichende Behandlungsgasatmosphäre einstellt und Leckverluste ausgeglichen werden. Im Regelfall besteht dabei keine absichtlich gewählte Vorzugsstromrichtung des eingeleiteten Behandlungsgases, sondern es ergibt sich ein Strom, der von der jeweiligen Ofenausgestaltung abhängt, wobei der Strom im wesentlichen von einer oder mehreren Einspeisestellen zu einer oder mehreren Hauptausflußstellen, z.B. dem Ofenein- und -ausgang, verläuft.
Andererseits ist z.B. aus der EP-B1 75 438 ein Wärmebehandlungsverfahren für einen Durchlaufofen bekannt, bei dem durch vorhang- oder klappenartige Verschlüsse am Ofenausgang und eine geeignete Einführungsrate des Behandlungsgases in die verschiedenen Ofenbereiche und insbesondere auch in den Kühlzone eine Strömung in Richtung des Ofeneingangs bewirkt wird. In ausgeführten Gestaltungsvarianten dieses Verfahrens wird zudem angeregt, einen Anteil des der Kühlzone zuzuführenden Behandlungsgases mit einem Injektor entsprechend gerichtet in diese einzuführen, und so die gewünschte Strömungsausbildung zu unterstützen. Gemäß der EP-B1 75 438 wird also unter Aufwendung einer Reihe von Maßnahmen ein ganz spezifisches, zum Ofeneintritt hin gerichtetes Gasströmungsmuster in einem Durchlaufofen eingestellt, das vor allem dazu dient, die notwendige Menge an Behandlungsgas für eine Wärmebehandlung zu reduzieren.
Grundsätzlich ist es aber wünschenswert, die Gasströmung in einem Durchlaufofen, je nach Anforderung bei der durchzuführenden Behandlung, beeinflussen oder bestimmen zu können. Darin besteht auch die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung.
Diese Aufgabe wird mit einem wie eingangs beschriebenen Verfahren gelöst, wobei zudem das in der Kühlzone gerichtet eingeblasene Gas mit dem höheren Druck von 1 bis 20 bar Überdruck in Form eines oder mehrerer Blasstrahlen eingeblasen wird und die so eingeblasene Gasmenge 5 bis 35 % der, mit dem niedrigen Druck dem Ofen zugeführten, Gasmenge ausmacht und - allein dadurch - eine Behandlungsgasströmung im gesamten Ofen wahlweise in oder gegen die Durchlaufrichtung der zu behandelnden Werkstücke hergestellt wird.
In besonders vorteilhafter Weise wird beim erfindungsgemäßen Verfahren der Einblas-Anteil des mit dem höheren Druck eingeblasenen Behandlungsgases, der vorzugsweise nur 5 bis 20 % der mit dem niedrigen Druck zugeführten Gasmenge beträgt, mit einem Überdruck von 2 bis 6 bar eingeblasen.
Diese Drucke sind einerseits problemlos verfügbar und andrerseits zur Erzeugung der gewünschten Strömungen geeignet.
Besonders vorteilhaft wird das erfindungsgemäße Verfahren derart ausgestaltet, daß die Behandlungsgasströmung (= Ofenzug) mit einem Ofenzugsensor gemessen und der Einblasdruck des Behandlungsgases entsprechend diesem Meßwert und dem gewünschten Ofenzug eingestellt wird. Diese Vorgehensweise kann manuell oder in automtischer Weise mit einer elektronischen Regeleinheit ausgeführt werden.
Eine zur Ausführung der Erfindung besonders geeignete Einblasvorrichtung besteht im wesentlichen aus einer geraden, länglichen Röhre, deren eines Ende bis auf eine oder mehrere Gasauslaßöffnungen mit gewünschter Ausrichtung verschlossen ist und die über das andere Ende mit einer Behandlungsgasversorgung verbindbar ist.
Eine gerade, längliche Röhre kann im Gegensatz zu krummen oder im Durchmesser variierenden Formen einfach in eine in der Ofenwand angebrachte Öffnung eingeführt und darin montiert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die rohrartige Einblasvorrichtung zumindest im Bereich der Gasauslaßöffnung(en) um ihre Längsachse mindestens um 180 ° drehbar ausgestaltet. Dadurch kann mit einer Einblasvorrichtung eine Strömung in oder eine Strömung gegen die Durchlaufrichtung in einem Durchlaufofen erzeugt werden.
Anhand der folgenden schematischen Zeichnungen soll das erfindungsgemäße Verfahren mit dazugehörigen Vorrichtungen beispielhaft näher erläutert und eine geeignete Einblasvorrichtung genauer beschrieben werden.
Es zeigen:

Figur 1: einen Durchlaufofen mit einer in der Kühlzone angebrachten Einblasvorrichtung,
Figur 2: einen Durchlaufofen mit zwei Einblasvorrichtungen in der Kühlzone,
Figur 3: eine Einblasvorrichtung,
Figur 4:: eine günstige Anordnung zweier drehbarer Einblasvorrichtungen.

Figur 3 zeigt eine zur Durchführung der Erfindung geeignete Einblasvorrichtung. Sie besteht im wesentlichen aus einer geraden, einseitig verschlossenen Röhre 15, bei der sich am verschlossenen Ende am Umfang eine Gasauslaß-Öffnung 16 mit zur Rohrachse senkrechter Ausrichtung befindet. Diese Einblasvorrichtung kann durch eine Öffnung in der Ofenwand einfach installiert werden, beispielsweise wie im folgenden in Zusammenhang mit Figuren 1 und 2 gezeigt.
In den Figuren 1 und 2 ist jeweils ein Durchaufofen 1 mit Einlaufzone 2, Behandlungszone 3, Kühlzone 4, Ofeneingang 5 und Ofenausgang 6 gezeigt. Behandlungsgas wird dem Durchlaufofen 1 über die Leitungen 11, 12, 13, 14 und die Einblasvorrichtungen 7, 8 zugeführt, wobei die Einblasvorrichtungen 7 bzw. 7 und 8 über ein Ventil 9 bzw. über ein Dreiwegeventil 10 mit einer Behandlungsgasversorgung verbunden sind. Ein Pfeil 17 gibt schließlich die Richtung an, in der zu behandelnde Werkstücke den Durchlaufofen durchqueren.
Würde der gezeigte Durchlaufofen 1 in konventioneller Weise betrieben, so würde dem Ofen über die Leitungen 11, 12, 13, 14 Behandlungsgas in einer Menge zugeführt, daß sich in allen Ofenzonen 2, 3, 4 eine Atmosphäre gewünschter Qualität einstellen würde. Insgesamt ergäbe sich dabei etwa eine Ofengasströmung derart, daß in die Behandlungszone eingeführtes Schutz- oder auch Reaktionsgas sowohl zum Ofeneingang als auch zum Ofenausgang hin abfließen würde. Die in die Einlaufzone und Auslaufzone eingeführten Schutzgasmengen würden den Ofen dabei ebenfalls über die jeweils in der Nähe liegende Ofenöffnung verlassen. Man erhielte so also insgesamt im wesentlichen eine zweigeteilte Strömung von der Ofenmitte hin zum Ofenein- und -ausgang.
Erfindungsgemäß dagegen, wird, wie beispielsweise in Figur 1 gezeigt, ein Teil des Behandlungsgases mit Hilfe von Einblasvorrichtung 7 in die Kühlzone der Ofenanlage gerichtet eingeblasen. Die Einblasvorrichtung 7 ist etwa im mittleren Teil der Kühlzone 4 angeordnet und im gezeichneten Fall gegen die Durchlaufrichtung der zu behandelnden Gegenstände ausgerichtet. Behandlungsgas wird außerdem beidseitig der Einblasvorrichtung 7 mit Zufuhrleitungen 13, 14 der Kühlzone 4 zugeführt. Durch das gerichtete Einblasen mit hohem Druck, also Drucken zwischen 1 und 20 bar, vorzugsweise zwischen 2 und 6 bar, wird das die Einblasdüse umgebende Gas mitgerissen und es ergibt sich so zunächst in der Kühlzone eine Strömung die zur Behandlungszone 3 hin fließt, wobei am Ofenausgang 6 sogar ein geringer Anteil der außen anliegenden Luft eingesaugt wird. Zur Behandlungszone hin ergibt sich durch diese Strömungsausrichtung eine Art Staubereich, in dem aus der Behandlungszone ausfließendes und mit der Strömung aus der Kühlzone 4 fließendes Behandlungsgas gegeneinander anlaufen. Ingesamt wird dadurch im wesentlichen ein Ausfließen von Behandlungsgas aus der Behandlungszone 3 in die Kühlzone 4 verhindert. Dies hat zur Folge, daß Überschußbehandlungsgas aus der Behandlungszone 3 im wesentlichen zur Einlaufzone 2 hin abfließt, wodurch dort wiederum eine Gasströmung entgegengesetzt zur Durchlaufrichtung hin zum Ofeneingang 5 entsteht. Diese Strömungsverhältnisse sind durch die in Figur 1 dargestellten Pfeile angedeutet.
Durch Drehen der Einblasvorrichtung um 180 ° kann dagegen eine Ofengasströmung, ähnlich wie im folgenden in Zusammenhang mit Figur 2 beschrieben, in Durchlaufrichtung der zu behandelnden Gegenstände erzeugt werden.
In Figur 2 ist ein Durchlaufofen 1 mit zwei über das Dreiwegeventil 10 wechselweise schaltbaren Einblasvorrichtungen 7, 8 und nur einer weiteren Zufuhrleitung 14 für Behandlungsgas in die Kühlzone 4 dargestellt. Ist die Einblasvorrichtung 7 ein geschaltet, wird eine Ofengasströmung gegen die Durchlaufrichtung ähnlich wie eben beschrieben erzeugt. Soll ein Ofenzug in Durchlaufrichtung erzeugt werden, wird mit der im ersten Drittel der Kühlzone 4 im Anschluß an die Behandlungszone 3 angeordneten Einblasvorrichtung 8 Behandlungsgas in Richtung des Ofenausganges in die Kühlzone eingeblasen, wodurch wiederum die gesamte Atmosphäre in der Kühlzone mit dieser Strömungsrichtung beaufschlagt wird und wobei darüber hinaus - bei dieser Anordnung der Einblasdüse 8 - bereits Behandlungsgas aus der Behandlungszone 3 angesaugt wird. Daraus ergibt sich ein bevorzugtes Ausströmen des überschüssigen Behandlungsgases aus der Behandlungszone in die Kühlzone, während praktisch kein Behandlungsgas aus der Behandlungszone in die Einlaufzone 2 fließt und sogar das der Einlaufzone zugeführte Behandlungsgas eine überwiegende Strömung in die Behandlungszone hinein erhält. Wiederum sind die Strömungsverhältnisse in dieser Betriebssituation in der Figur durch Pfeile angedeutet.
Insgesamt ist festzustellen, daß je nach Ausrichtung der Einblasvorrichtung eine in die entsprechende Richtung stabile Ofenströmung erzeugt werden kann. Zielrichtung dabei im Hinblick auf Wärmebehandlungen unter Behandlungsgas ist, den grundsätzlich nicht zu vermeidenden Einbruch von Luftbestandteilen in den Ofen - der bekanntermaßen durch einen hohen Durchsatz von Behandlungsgas durch den Ofen verringert werden kann - absichtlich einseitig auf der für das Wärmebehandlungsgut unschädlicheren Seite zuzulassen. Dies wird durch die gerichtete Strömung erreicht. Damit einhergehend sind wesentliche Einsparungen an Behandlungsgas im Vergleich zum konventionellen Verfahren möglich, da mit geringerer Gasmenge trotzdem in allen Ofenbereichen die Ofenatmosphäre in notwendiger Reinheit hergestellt werden kann. Dies ist einen wesentlicher Effekt des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Menge des eingeblasenen Behandlungsgases liegt dabei zwischen 3 und 35 %, vorzugsweise zwischen 5 und 20 %, der Menge, die der Wärmebehandlungseinrichtung auf konventionelle Art mit dem niedrigeren Druck zugeführt wird.
Als Beispiel für eine Behandlung, bei dem das erfindungsgemäße Verfahren mit einem gegen die Durchlaufrichtung gerichteten Ofenzug angewendet werden kann, ist das Glühen von Nickel-Kupfer-Legierungen zu nennen, da wegen der hohen Korrosionsbeständigkeit dieser Werkstoffe das Eindringen von Luftanteilen, insbesondere Sauerstoff, in die Kühlzone zu keiner Verschlechterung des Glühergebnisses führt.
Als weiteres Beispiel sei das Glühen von Stahl erwähnt, bei dem mit einem in Durchlaufrichtung gerichteten Ofenzug gearbeitet werden kann, da für Stahl im Eingangsbereich des Behandlungsofen ein gewisses Maß an Verunreinigungen aus der Luft, insbesondere bezogen auf Kohlendioxid, tolerierbar ist.
Eine günstige, praktische Ausgestaltung der Erfindung erhält man durch zwei parallel angeordnete, bezüglich ihrer Ausblasrichtung teilweise gegeneinander ausgerichtete Einblasvorrichtungen der obenbeschriebenen Bauart, wie sie in Figur 4 gezeigt ist. Mit dieser Anordnung von Einblasvorrichtungen, die um ihre Achse drehbar sind, ist ein schräges, in verschiedenen Winkeln zur Durchlaufrichtung gerichtetes Einblasen von Behandlungsgas möglich. Durch geeignet koordinierte, insbesondere in gleicher Schräge bezüglich der Durchlaufrichtung ausgerichtete Orientierung der beiden Einblasvorrichtungen sind so ebenfalls Strömungen in oder gegen die Durchlaufrichtung in sehr effizienter Weise erzeugbar.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann schließlich auch Einfluß auf eine in einem Behandlungsofen von vorne herein auftretende Strömung genommen werden. Herrscht z.B. in einer Ofenanlage aufgrund ungünstiger Luftzugverhältnisse in der die Ofenanlage umgebenden Halle eine unerwünschte Strömung, so ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglicherweise sogar in geregelter Version mit Ofenzugsensor und entsprechend regelbarem Einblasdruck eine geeignete Möglichkeit, einen gewünschten Ofenzug zu erzeugen.
Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß das erfindungsgemäße Verfahren bei vielen Wärmebehandlungen in ökonomisch und/oder produktionstechnisch vorteilhafter Weise eingesetzt werden kann.

Claims

Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken unter Behandlungsgasatmosphäre in einem Durchlaufofen mit Einlauf-, Behandlungs- und Kühlzone,
bei dem Behandlungsgas in eine oder mehrere, die Kühlzone umfassende, Ofenzonen mit üblichem, niedrigem Druck zugeführt wird und außerdem ein Teil des Behandlungsgases in der Kühlzone gerichtet und mit einem höheren Druck eingeblasen und damit in Verbindung eine bestimmte Gasströmung im Ofeninnenraum hergestellt wird, wobei die in der Kühlzone gerichtet und mit dem höheren Druck von 1 bis 20 bar Überdruck in Form eines oder mehrerer Blasstrahlen eingeblasene Gasmenge 5 bis 35 % der, mit dem niedrigen Druck dem Ofen zugeführten, Gasmenge ausmacht und allein dadurch eine Behandlungsgasströmung im gesamten Ofen wahlweise in oder gegen die Durchlaufrichtung der zu behandelnden Werkstücke hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 5 bis 20 % der mit dem niedrigen Druck zugeführten Gasmenge mit dem höheren Druck eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil des mit dem höheren Druck eingeblasenen Behandlungsgases mit einem Überdruck von 2 bis 6 bar eingeblasen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Behandlungsgasströmung mit einem Ofenzugsensor gemessen und der Einblasdruck entsprechend diesem Meßwert und dem gewünschten Ofenzug eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennnzeichnet, daß das Einblas-Behandlungsgas im Falle mehrerer, unabhängiger Blasstrahlen zueinander koordiniert, jedoch schräg zur Durchlaufrichtung eingeblasen wird und so die gewünschte Gasströmung in oder gegen die Durchlaufrichtung erzeugt wird.