EP0379104B1 - Verfahren zum Glühen von Metallteilen unter wasserstoffreichem Schutzgas in einem Durchlaufofen - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glühen von Metallteilen unter wasserstoffreichem Schutzgas in einem Durchlaufofen.
• In der DE 37 33 884 A1 ist ein Verfahren zum Glühen von Metallteilen unter einer im wesentlichen aus Wasserstoff bestehenden Schutzgasatmosphäre vorgeschlagen. Dabei besteht folgende Problematik: Das Glühen mit einer Wasserstoffatmosphäre in einem Durchlaufofen ist verhältnismäßig kostspielig, da Wasserstoff einerseits ein vergleichsweise teures Schutzgas darstellt und andererseits aufgrund des kontinuierlichen Verfahrensablaufs mit ständig oder periodisch geöffneten Austrittsmöglichkeiten eine große Mengen davon aus dem Durchlaufofen verloren gehen.
• Diesbezüglich ist es aus dem genannten Dokument bekannt, die Austrittsverluste von Schutzgas durch schleusenartige Vorrichtungen am Ofeneintritt und -austritt der Anlage zu verringern. In die Schleusenkammern an Eintritt und Austritt des Durchlaufofens wird ständig Stickstoff eingeleitet und so der Austrittsverlust von Wasserstoff aus dem Ofenweiter verringert.
• Neben der jetzt beschriebenen Rein-Wasserstoff-Wärmebehandlung sind Wärmebehandlungen und Glühverfahren bekannt, die mit einer aus Ammoniak erzeugten Schutzgasatmosphäre arbeiten. Diese Atmosphäre wird durch Spaltung von Ammoniak (NH₃) erzeugt und enthält mit 75 Vol-% Wasserstoff und 25 Vol-% Stickstoff einen sehr hohen Wasserstoffanteil. Mit diesem Schutzgas und dieser Schutzgasherstellung werden auch viele Wärmebehandlungsverfahren durchgeführt, wobei für diese in Durchlauföfen wiederum besonders hohe Gasmengen notwendig sind.
• Darüber hinaus sind viele Wärmebehandlungen bekannt, die auf der Basis von getrennt vorhandenen Einzelgasen arbeiten und bei denen beim Anwender vor Ort beliebig zusammengesetzte, sogenannte synthetische Schutzgase hergestellt werden. Davon sind für die hier in Rede stehende Erfindung im wesentlichen die Wärmebehandlungsverfahren mit mehr als 50 % Wasserstoffanteil im Schutzgas von Bedeutung. Diese Verfahren sind im vorliegenden Zusammenhang als Verfahren mit wasserstoffreichen Schutzgasatmosphären anzusehen und bei diesen besteht ebenfalls das Bestreben, die Verluste an Schutzgas so niedrig wie möglich zuhalten.
• Insbesondere bei den Verfahren bei denen eine reine Wasserstoff-Atmosphäre angestrebt wird tritt noch ein weiteres Problem insbesondere dann wieder in den Vordergrund, wenn ein- und ausgangsseitig am Durchlaufofen Schleusen angeordnet sind und diese mit Stickstoff gespült werden, da dabei auch Stickstoff in die Hauptbereiche des Durchlaufofens eindringt. Das Eindringen von Stickstoff in besagte Zonen einer derartige Anlage bewirkt nämlich unter Umständen die Bildung eines sogenannten weißen Staubes, die im folgenden zur Verminderung der Abkühlleistung in der Kühlzone aufgrund der Verstopfung der dort befindlichen Wärmetauscher führt (diese Problematik siehe im Einzelnen in der obengenannten Patentanmeldung oder Stahl und Eisen/107, März 1987/Nr.6, Seiten 267 - 273, insbesondere Seite271, rechte Spalte, unten). Deshalb ergibt sich bei diesen Wasserstoff-Wärmebehandlungen die Problematik, entweder einen hohen Wasserstoffverbrauch ohne Stickstoffschleusen in Kauf zu nehmen oder die Bildung des weißen Staubes in verstärktem Maß zu akzeptieren.
• Die Aufgabenstellung der vorliegenden Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren zum Glühen von Metallteilen unter Wasserstoffgas oder wasserstoffreichem Schutzgas in Durchlauföfen so zu gestalten, daß der Bedarf an Schutzgas möglichst weit abgesenkt werden kann, ohne andere negative Erscheinungen, wie Lufteintritt oder die Bildung von weißem Staub, zu verursachen.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zum Unterschied vom Stand der Technik wird das Gas mit der höheren Dichte als Wasserstoff unmittelbar in die Öffnungen des Durchlaufofens eingeblasen, d.h. ohne daß Schleusenkammern notwendig sind, und das Einblasen erfolgt in Richtung vom Ofeninneren nach außen.
• Diese Vorgehensweise beruht auf der Erkenntnis, daß die Durchflußmenge Q eines Gases durch eine LeckÖffnung,aus einem mit Überdruck Δp betriebenen Ofen, von der Dichte d des durchfließenden Gases wie folgt abhängt:
  
  ${\text{Q = f (d) = A *( 1/}}_{\text{d}}{\text{* 2 Δp )}}^{\text{1/2}}$

  

  
  
  (A = Ofenkonstante).
• Da es sich bei wasserstoffreichen Atmosphären um Gase niedriger Dichte handelt, ergibt sich für Wasserstoff und wasserstoffreiche Gasgemische eine sehr große Durchflußmenge und deshalb im Fall von Wärmebehandlungen mit solchen Schutzgasen große Schutzgasverluste. Bringt man in die Umgebung solcher Lecköffnungen, beispielsweise in den Querschnitt der Lecköffnungen, im Sinne der Grundidee der vorliegenden Erfindung Gase höherer Dichte als Wasserstoff ein, z. B. Stickstoff, Argon oder auch SF₆ und andere, so wird das Schutzgas in diesem Bereich mit dem zugeführten Gas gemischt, wodurch sich die Dichte des entstehenden Gasgemisches erhöht und die Durchflußmenge durch die Lecköffnung unter der Voraussetzung eines gleichbleibenden Ofendrucks entsprechend sinkt. Daraus resultiert, daß insgesamt weniger Schutzgas bei gleichen Druckverhältnissen die Wärmebehandlungsanlage verläßt oder sich bei gleichbleibender Schutzgasmengenzugabe ein Druckanstieg in der Wärmebehandlungsanlage ergibt.
• Hiermit ergibt sich eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung, nämlich daß die Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre im Hinblick auf Zusammensetzung und Druck dadurch erfolgt, daß die Zugabe an Schutzgas basierend auf der Messung des Ofeninnendrucks geregelt wird und zwar so, daß ein festgelegter Druckverlauf, z.B. ein konstanter Druckwert, etwa zwischen 3 - 5 mbar Ofeninnendruck, eingehalten wird.
• Mit dieser druckgesteuerten Schutzgas-Zufuhr wird das erfindungsgemäße Ziel der Schutzgaseinsparung in automatisierter Weise erreicht, denn, wie bereits festgestellt, steigt der Ofendruck nach Zufuhr der Zumischgase und gleichbleibender Zufuhrmenge von Schutzgas an. Diese Zufuhrmenge wird nun aufgrund der druckinduzierten Steuerung verringert und somit weniger Schutzgas verbraucht. Die Zurücknahme der Schutzgasmenge darf dabei jedoch höchstens soweit reichen, daß andere, für die Schutzgasatmosphäre wichtige Parameter, z.B. das Verhältnis H₂/H₂O (Oxidationsgleichgewicht), nicht unterschritten werden. Dies kann in kritischen Fällen durch einen weiteren Sensor überwacht und in die Steuerung und Regelung miteinbezogen werden.
• Grundsätzlich wird durch die Zugabe der Zumischgase unmittelbar in die Öffnungen und in Richtung vom Ofeninneren nach außen erreicht, daß praktisch kein Zumischgas, insbesondere kein Stickstoff, in die Hauptbereiche des Durchlaufofens gelangt, was die Bildung von weißem Staub einschränkt.
• Anhand der schematischen Zeichnungen soll das erfindungsgemäße Verfahren im folgenden beispielhaft näher erläutert werden.

Figur 1

zeigt das Schema eines Durchlaufofens zum Glühen von Stahlbändern mit erfindungsgemäßen Einrichtungen an Ofenein- und -austritt,

Figur 2

zeigt einen erfindungsgemäßen Ofeneintritt im Detail,

Figur 3

zeigt einen Ofeneintritt mit Führungsrollen.

• Figur 1 zeigt einen Durchlaufofen zum Glühen von Stahlbändern. Ein Stahlband 5 wird mittels Rollen 6 durch den Ofen geführt, der aufeinanderfolgend aus einem Einlaufbereich 1, einem Glühbereich 2, einem Abkühlbereich 3 und einem Auslaufbereich 4 besteht. Zwischen Glühbereich 2 und Abkühlbereich 3 ist eine Schutzgaszuleitung 7, also z.B. bei einer Wärmebehandlung mit reiner H₂-Atmosphäre eine Wasserstoffzuleitung, angeordnet. Im Eintrittsbereich 1 und Austrittsbereich 4 befinden sich Einrichtungen 8, 8' zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Im Rein-Wasserstoff-Betrieb wird also über die Zuleitung 7 Wasserstoff in den Durchlaufofen eingeleitet. Im Vergleich zum Betrieb mit Ammoniakspaltgas oder einem entsprechenden synthetischen Gasgemisch aus 75 % Wasserstoff und 25 % Stickstoff erhöht sich allein durch den Einsatz reinen Wassersstoffs die benötigte, einzuleitende Menge Schutzgas bei ansonsten gleichen Bedingungen deutlich, da reiner Wasserstoff eine geringere Dichte als das eben genannte Gasgemisch besitzt. Insbesondere bei Reinwasserstoffatmosphären jedoch auch bei wasserstoffreichen Atmosphären ist deshalb der Einsatz des vorliegenden Verfahrens vorteilhaft.
• Erfindungsgemäß wird nun im Bereich der wesentlichen Leckquerschnitte, durch die Schutzgas die Anlage verläßt, Stickstoff in Richtung zum Ofenäußeren hin eingeblasen. Dazu sind Stickstoffzuführungen 8, 8' vorgesehen, die in Figur 2, welche einen Schnitt entsprechend der Linie A-A aus Figur 1 darstellt, im Detail gezeigt sind. Die Figur 2 zeigt also den Einlaufbereich des Durchlaufofens mit dem Stahlband 5 schematisch im Querschnitt. Mit der Stickstoffzufuhreinrichtung 8 ist quer eine an beiden Enden verschlossene Röhre 9 verbunden, die auf ihrem Umfang etwa auf einer Längslinie mit Bohrungen 10 versehen ist (sogenannter Düsenstock). Diese Bohrungen 10 sind in Bezug zur Zeichenebene schräg nach unten gerichtet, also in Richtung zum Ofenäußeren in den Eintrittsspalt des Stahlbandes 5 hinein ausgerichtet, der ja eine wesentliche Lecköffnung darstellt. Es wird also gemäß Figur 2 speziell in die Spalte seitlich neben dem laufenden Blechband 5 und einseitig auf der gesamten Eintrittsspaltbreite Stickstoff eingeführt und somit die erfindungsgemäß erwünschten Effekte erreicht.
• Insbesondere der Eintritts- oder auch der Austrittsbereich eines Bandglühofens kann auch mit Führungsrollen 21, 22 ausgestaltet sein. Dies ist in Figur 3 ebenfalls in einer Querschnittsdraufsicht dargestellt. Das Blechband 5 läuft zwischen den Rollen 21, 22 in den Durchlaufglühofen ein. Zur Abdichtung dieser Anordnung sind zwischen den Außenwänden 23, 24 und den Rollen 21, 22 dieser Anordnung Filzstreifen 25, 26 vorgesehen und die Rollen besitzen an ihren Stirnseiten Abschlußscheiben 27. Sowohl in die neben dem Blechband entstehenden Spalten 28 als auch in die Bereiche 29 außerhalb der Abschlußscheiben 27 wird Zumischgas über Zuleitungen 30, 31 in die Leckquerschnitte eingeblasen.
• Vom Gesamtablauf im Hinblick auf die durchzuführende Wärmebehandlung erfolgt das erfindungsgemäße Vorgehen wie folgt: Über einen im Durchlaufofen angebrachten Drucksensor 35 wird der Ofendruck gemessen. Die Zumischung einer bestimmten Menge des Zumischgases in den Leckquerschnitten bewirkt ein Ansteigen des Drucks im Ofen nach Beginn der Zumischung. Dieser Anstieg wird mittels des Drucksensors festgestellt und in der Folge wird die Schutzgaszugabe mittels einer entsprechend programmierten Regeleinheit 36, die mit einem in der Schutzgaszuleitung 7 angeordneten Regelventil 37 gekoppelt ist, vermindert und so der Druck wie gewünscht gehalten. Im Ganzen wird der Druck günstigerweise im Regelkreis-Verfahren etwa konstant auf einem festzulegenden Niveau eingestellt. Daraus ergibt sich, daß die für die Wärmebehandlung notwendige Schutzgasmenge deutlich verringert ist. Beispielsweise kann der Bedarf bei einer Wasserstoffatmosphäre unter den Bedarf bei einem Verfahren mit NH₃-Spaltgas gesenkt werden, bei dem ohne die erfindungsgemäße oder andere einsparende Einrichtungen gearbeitet wird. Ebenso wird im Falle von Rein-Wasserstoff-Atmosphären die Bildung von weißem Staub verringert.
• Neben einer Drucksteuerung des Glühverfahrens über den Ofendruck, ist insbesondere auch eine Steuerung über den Wasserstoffgehalt im Austrittsgas oder die Austrittsgeschwindigkeit des Austrittsgases aus der betreffenden Lecköffnung möglich. Die Zugabemenge an Zumischgas stellt darüber hinaus für sich selbst eine weitere regelbare Größe dar, die bei der Durchführung von Glühverfahren variiert werden kann.
• Aus dem erfindungsgemäßen Verfahren ergibt sich als Nebeneffekt zusätzlich eine Steigerung der Sicherheit für Verfahren mit wasserstoffreichen Atmosphären, da aufgrund des erniedrigten Wasserstoffgehalts des austretenden Schutzgases die Entzündungsgefahr vermindert ist.
• Das vorgeschlagene Verfahren ist also eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung einer Wärmebehandlungen mit wasserstoffreichem Schutzgas, bei dem durch den Einsatz geringer Mengen eines weiteren Gases wesentliche Einsparungen an Behandlungsgas erreicht werden.

Claims (3)

1. Verfahren zum Glühen von Metallteilen unter wasserstoffreichem Schutzgas in einem mit Überdruck betriebenen Durchlaufofen, bei dem einerseits Schutzgas in die Ofenanlage eingeleitet wird und andererseits Schutzgas den Ofen durch Anlagenöffnungen verläßt,
   während im übrigen im Durchlaufofen die wasserstoffreiche Schutzgas-Atmosphäre gemäß der durchzuführenden Wärmebehandlung aufrecht erhalten wird,
   und bei dem
   unmittelbar in die Öffnungen des Durchlaufofens am Ofeneintritt und -austritt und gegebenenfalls auch bei dessen sonstigen Lecköffnungen Gas mit höherer Dichte als Wasserstoff vom Ofeninnern kommend mit Richtung zum Ofenäußeren eingeblasen wird,
   somit gerade dem bei den Lecköffnungen befindlichen Schutzgas zugemischt und also gerade dort - und nur dort - die Dichte des jeweiligen Schutzgases erhöht wird, wobei das so gebildete Gasgemisch anschließend ausfließt, wodurch Schutzgasausfluß jedoch vermindert und auch das Eindringen von schwerem Zumischgas ins Anlageninnere verhindert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufrechterhaltung der Schutzgasatmosphäre dadurch erfolgt, daß die Zugabe an Schutzgas basierend auf der Messung des Ofeninnendrucks geregelt wird und zwar so, daß ein festgelegter Druckverlauf, der abhängig ist von Betriebsart und Produkt, eingehalten wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß soviel Gas höherer Dichte eingeblasen wird, daß der Anteil dieses Gases im ausfließenden Gas mehr als 25% beträgt.

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