EP1767660B1 - Method of operating a single chamber vacuum furnace for hydrogen quenching - Google Patents
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- EP1767660B1 EP1767660B1 EP06018641A EP06018641A EP1767660B1 EP 1767660 B1 EP1767660 B1 EP 1767660B1 EP 06018641 A EP06018641 A EP 06018641A EP 06018641 A EP06018641 A EP 06018641A EP 1767660 B1 EP1767660 B1 EP 1767660B1
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- furnace
- hydrogen
- gas
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
Definitions
- the present invention relates to a method for operating a heat treatment plant with a single-chamber vacuum furnace having the features of the preamble of claim 1 and a single-chamber vacuum furnace.
- Low-alloyed steels have hitherto been hardened mainly in protective gas furnaces with oil quenching (so-called sealed quenching).
- the vacuum gas carburization is carried out in special multi-chamber plants using quenching oil baths or high pressure quenching stations with nitrogen or helium.
- gas quenching is preferred.
- the currently used multi-chamber furnaces are very expensive and are especially suitable for the production of large series of automobile parts or the like. Parts have been developed. They lack the flexibility to be adaptable to changing tasks.
- the control and monitoring of the process is much easier to carry out because the workpieces do not have to be moved during the process and therefore sensors can be placed directly on or in the workpiece, which can detect its actual temperature.
- the lambda value is the cooling time from 800 ° C to 500 ° C measured in seconds divided by 100. These values for the cooling rate are significantly slower than those achievable with quenching in an oil bath.
- DE-A 4121277 relates to a method and a device for monitoring the operational safety and for controlling the process sequence in a vacuum heat treatment furnace.
- Curve 2 shows the course of the pressure within the curing oven over the duration of the process.
- the time scale is arranged on the horizontal X-axis, which represents a total of five hours from the beginning of the process to the end.
- the temperature scale covers a temperature range from 0 ° C to 1200 ° C.
- the pressure scale is located on the right side of the diagram. This indicates the pressure in absolute bar. It goes from 0 bar to 10 bar, where 0 bar is vacuum.
- the curve 1 first begins at room temperature. This is the section 1a on the temperature curve 1. Thereafter, the heater is turned on and brings along the section 1b the furnace to a temperature of about 1050 °.
- the required temperature range for the various carburizing applications for which the furnace is to be suitable is from 800 ° C to 1100 ° C.
- the furnace temperature is kept constant in section 1c.
- Section 1c is about an hour long.
- the furnace is rapidly cooled, ie from 1050 ° to room temperature within about 20 minutes. There, the temperature is then kept constant until the end of the process, ie until unloading of the workpieces. This section is labeled 1e.
- the pressure curve which is illustrated in the curve 2, initially starts at 1 bar, ie at ambient pressure. This corresponds to the air when loading the hardening furnace in the interior of the oven is present.
- the furnace chamber is first evacuated for a period of about 20 minutes. The air in the oven chamber is removed before switching on the heater, so that no oxidation can take place. Instead, with the switching on of the heater, ie in the transition from 1a to 1b on the temperature curve, the furnace chamber is flooded with about 2 bar of nitrogen as inert gas. For a period of about 2 hours, the pressure is maintained. This corresponds to section 2b of the pressure curve. The nitrogen filling of the furnace is maintained approximately up to a temperature of 700 ° C.
- the workpieces in the furnace will be heated by convection heating. Thereafter, the furnace interior is evacuated by applying vacuum. The associated pressure drop from 2 bar to 0 bar is marked with the section 2c. The further heating of the workpieces from 700 ° to the final temperature of 1050 ° takes place via radiant heating.
- a carbon-containing gas is repeatedly introduced at a pressure of about 30 mbar into the furnace chamber for a short time.
- This gas for example acetylene, causes the surface to be exposed to carbon via the thermal decomposition on the surface of the workpieces during the time periods 2e. This carbon diffuses from the surface into the workpiece.
- so-called diffusion phases 2f are provided between the carburization phases 2e, in which the gas is removed from the furnace chamber by applying a vacuum. Carbon taken up by then from the workpiece surface can then diffuse into the workpiece without newly added carbon.
- phases 2e and 2f can be repeated.
- This embodiment contains method steps as they are for thin-walled Workpieces would be suitable in which a relatively low carburization is sought.
- the furnace interior evacuated until then is flooded with hydrogen gas, up to an absolute pressure of 10 bar.
- the heating is switched off, which has until then kept the temperature in the curve section 1c constant.
- the temperature drops rapidly to ambient temperature through hydrogen cooling along curve 1d.
- the phase of hydrogen cooling is designated 2g.
- a circulation of the hydrogen gas with a powerful fan in the furnace interior supports the heat dissipation.
- the hydrogen flow within the furnace chamber is deflected several times, so that the workpieces are charged from several sides with the cooling gas. If the cooling is completed close to room temperature, the hydrogen gas is removed in section 2h from the furnace chamber, until reaching the vacuum.
- the interior is flooded from 0 bar to ambient pressure with nitrogen, which is illustrated by the curve portion 2i. If the oven is then opened, air enters the interior. The pressure adjusts to the atmospheric pressure. This section of the pressure curve is labeled 2k.
- the method described offers the possibility in a single-chamber vacuum furnace of achieving cooling rates which otherwise could only be achieved during oil quenching or water quenching.
- the cooling rate depends from the slope of the curve 1 in section 1d.
- the hydrogen is then introduced into the interior in section 2g, then there is no more oxygen there. An explosion hazard is thereby completely excluded. During the cooling phase, no oxygen comes into the furnace interior.
- the hydrogen is then vented to the flue through bleed valves, and upon reaching atmospheric pressure, the residual hydrogen is pumped out of the furnace interior by vacuum pumps (section 2h). Any existing residual hydrogen is diluted to such an extent by flooding with nitrogen in Section 2i that in each case no ignitable mixture can arise.
- the drive motors of the fans and the heater are de-energized.
- the opening of the oven in section 2k for unloading the inventory therein is then completely uncritical. The air entering at the opening will have neither an ignition source nor sufficient hydrogen concentration to form explosive conditions.
- the hydrogen pumped out in section 2h is vented to the atmosphere through gas-tight pipes and vacuum pumps via a chimney, outside the plant building. After pumping off the hydrogen, the chimney 17 is completely purged with nitrogen to ensure that there is no hydrogen left in it, which could form an ignitable mixture.
- the factory building is in the FIG. 2 illustrated in more detail.
- FIG. 2 shows a schematic representation of an operating building 10 for carrying out the method described above.
- the operating building is designed as a hall in which a hardening furnace 11 is set up in a conventional manner.
- a storage tank 12 is provided for hydrogen.
- a storage tank 13 is arranged for gaseous nitrogen in addition to another storage tank 14 for liquid nitrogen.
- the two storage tanks 12 and 13 for the gaseous supply are connected via connecting lines 15, 16 with the hardening furnace 11.
- the hardening furnace 11 is further provided with a chimney 17 which leads out of the building into the atmosphere.
- the chimney 17 is made higher than the ridge line of the building 10th
- the hardening furnace 11 has on its left front side a closure lid 18 which is to open for loading and unloading of the curing oven 11.
- Behind the plane of the cap Figure 18 illustrates a hatched area 20 in which special provisions are provided against mechanical damage to the external attachments and piping.
- This area 20 is mechanically secured in such a way that driving this area in the vicinity of the hardening furnace 10 with machines such as forklifts and the like is not possible.
- driving over the area 20 with a gantry crane is precluded by appropriate mechanical devices or electrical precautions that affect the control of the crane. For this purpose, barriers, crash barriers or even a cage can be provided. These safety measures prevent the hydrogen-carrying lines 15, 17, the associated valve means and pumps and the hardening furnace itself from being damaged in such a way that hydrogen can escape within the operating building 10.
- the closure lid 18 of the curing oven 11 is further provided with a circumferential seal that hermetically seals in operation safely by overpressure of a protective gas. In this way it is avoided that when changing from negative pressure to overpressure, as occurs in operation and in the curve 2 of FIG. 1 Illustrated is leaks.
- FIG. 3 finally shows the curing oven 11 in an enlarged view.
- the oven is of the single chamber vacuum oven type with a fan whose axis of rotation is identical to the central axis of the oven.
- the oven door 18 is particularly equipped to leakages when switching between negative pressure and pressure. This is in the published patent application WO 2004/096427 A1 described in more detail, which goes back to the same applicant. It should be mentioned that also vertical Einttingöfen be built, and that the cooling fan and the heat exchanger can also be installed in an external housing, which is then connected to the furnace housing.
- the particularly critical time phase of the first quenching of the holding temperature 1c is favorably influenced.
- the quality of the workpieces is also determined by the delay that arises during the hardening process.
- the gas flow with frequent reversal of direction in vacuum ovens was successfully introduced several years ago.
- the present invention provides a new, complementary approach to this problem.
- the full gas pressure of hydrogen is introduced into the furnace for quenching. Depending on the oven, this pressure can be 10bar amount, but also 20bar or 40bar.
- the cooling rate to be set to achieve a given lambda value is controlled by the gas velocity and ultimately the rate of circulation within the furnace.
- the circulating fan is regulated in its speed, with a control range of 10% of the maximum speed is provided to the full maximum speed.
- the technical effect is that there are three factors influencing the rate of cooling, namely the type of gas, the gas pressure and the gas flow rate. So far, the experts believe that these three components are of equal importance. This may apply to the narrative hardness. In the delay of the workpieces, however, differences have been found.
- the type of cooling gas used affects all surfaces of the workpieces exposed to the cooling gas. The same applies to the gas pressure, which is the same everywhere in the treatment room of the furnace. However, the flow velocity of the cooling gas will vary on the workpiece surfaces, depending on how they are reached by the gas flow.
- a swirl throttle or a similar means for influencing the flow velocity can also be used.
Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Wärmebehandlungsanlage mit einem Einkammervakuumofen mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie einen Einkammervakuumofen.The present invention relates to a method for operating a heat treatment plant with a single-chamber vacuum furnace having the features of the preamble of
In den herkömmlichen Einkammervakuumöfen mit Gasabschreckung werden bislang verschiedenen Wärmebehandlungsverfahren durchgeführt. Zu diesen Verfahren gehören das Glühen, das Löten, das Sintern, das Entgasen, das Härten von Werkzeugstählen, Schnellstählen, Warm- und Kaltarbeitsstählen sowie das Tiefkühlen und das Anlassen.Conventional single chamber vacuum ovens with gas quenching have heretofore been subjected to various heat treatment processes. These processes include annealing, brazing, sintering, degassing, hardening of tool steels, high-speed steels, hot and cold work steels, as well as deep-freezing and tempering.
Zu diesen Wärmebehandlungsverfahren sollen zukünftig auch Verfahren zum Härten niedrig legierter Stähle und das Unterdruck-Gasaufkohlen hinzukommen. Die Notwendigkeit zur Erweiterung des Anwendungsbereichs ergibt sich aus dem starken Kostendruck in Wärmebehandlungsbetrieben. Der größte Einflussfaktor auf die Fertigungskosten ist die Zahl der Betriebsstunden der Ofenanlagen pro Jahr. Ein Wärmebehandlungsbetrieb kann Spezialöfen für die beiden letztgenannten Verfahren einsetzen, wenn langfristige Verträge mit Kunden vorliegen. Für das übrige Geschäft, für das nur kurzfristige Vertragsbindungen vorliegen, ist eine große Flexibilität erforderlich. Dies bedingt, dass die beiden letztgenannten Verfahren nach Möglichkeit mit den gleichen Öfen durchgeführt werden sollen wie auch die eingangsgenannten Standardverfahren.In future, processes for hardening low-alloy steels and vacuum gas carburization will be added to these heat treatment processes. The need to expand the scope of application results from the heavy cost pressure in heat treatment plants. The largest influencing factor on the production costs is the number of operating hours of the kiln plants per year. A heat treatment plant may use special ovens for the latter two processes, if long-term contracts with customers are available. For the rest of the business, which has only short-term commitments, great flexibility is required. This requires that the latter two methods should be carried out as far as possible with the same ovens as well as the standard methods mentioned above.
Niedrig legierte Stähle werden bislang hauptsächlich in Schutzgasöfen mit Ölabschreckung (sogenanntes sealed quenching) gehärtet. Die Unterdruck- Gasaufkohlung wird in speziellen Mehrkammeranlagen durchgeführt, wobei zum Abschrecken Ölbäder oder Hochdruckabschreckstationen mit Stickstoff oder Helium eingesetzt werden.Low-alloyed steels have hitherto been hardened mainly in protective gas furnaces with oil quenching (so-called sealed quenching). The vacuum gas carburization is carried out in special multi-chamber plants using quenching oil baths or high pressure quenching stations with nitrogen or helium.
Weil beim Abschrecken in Gas weniger Verzug am Härtegut entsteht und anschließend keine Reinigung erforderlich ist, wird die Gasabschreckung bevorzugt. Die dafür derzeit gebräuchlichen Mehrkammeröfen sind sehr teuer und speziell für die Fertigung von Großserien von Automobilzulieferteilen o.ä. Teilen entwickelt worden. Es fehlt ihnen die Flexibilität, um an sich ändernde Aufgabenstellungen anpassbar zu sein. Außerdem ist bei Einkammeröfen die Steuerung und Überwachung des Prozesses wesentlich besser durchzuführen, weil die Werkstücke während des Vorgangs nicht bewegt werden müssen und deshalb Messfühler unmittelbar am oder im Werkstück angeordnet werden können, die dessen tatsächliche Temperatur erfassen können.Because quenching in gas causes less distortion on the material to be hardened and then no cleaning is required, gas quenching is preferred. The currently used multi-chamber furnaces are very expensive and are especially suitable for the production of large series of automobile parts or the like. Parts have been developed. They lack the flexibility to be adaptable to changing tasks. In addition, with single-chamber furnaces, the control and monitoring of the process is much easier to carry out because the workpieces do not have to be moved during the process and therefore sensors can be placed directly on or in the workpiece, which can detect its actual temperature.
Standard-Einkammervakuumöfen arbeiten zur Zeit mit 10 bar Stickstoff zum Abschrecken und erreichen folgende Lambdawerte im Materialkern von Bolzen aus Baustahl:
Dabei ist der Lambdawert die Abkühlzeit von 800°C auf 500°C gemessen in Sekunden dividiert durch 100. Diese Werte für die Abkühlgeschwindigkeit sind deutlich langsamer als diejenigen, die mit Abschrecken im Ölbad erzielbar sind.The lambda value is the cooling time from 800 ° C to 500 ° C measured in seconds divided by 100. These values for the cooling rate are significantly slower than those achievable with quenching in an oil bath.
Der derzeitige Stand der Technik ist beschrieben in den Zeitschriftenartikel von
Um den Einsatzbereich für Einkammervakuumöfen in der oben beschriebenen Weise zu erweitern, ist es deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Abschreckgeschwindigkeiten zu erzielen, die dem Abschrecken im Ölbad entsprechen.In order to extend the range of use for single chamber vacuum ovens in the manner described above, it is therefore an object of the present invention to achieve quenching rates that correspond to quenching in an oil bath.
Diese Aufgabe wird von einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.This object is achieved by a method having the features of
Bevorzugte Merkmale der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführt.Preferred features of the present invention are set forth in the dependent claims.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1:
- den prinzipiellen zeitlichen Verlauf von Temperatur und Druck sowie der jeweils zugeführten Gasart beim Gasaufkohlen von Werkstücken;
- Figur 2:
- die räumliche Anordnung der wesentlichen Anlagenteile in einem Betrieb in einer schematischen Darstellung; sowie
- Figur 3:
- einen für das Verfahren gemäß
geeigneten Härtereiofen in einem Querschnitt von der Seite.Figur 1
- FIG. 1:
- the basic time course of temperature and pressure and the respectively supplied gas during gas carburizing workpieces;
- FIG. 2:
- the spatial arrangement of the essential system parts in one operation in a schematic representation; such as
- FIG. 3:
- one for the method according to
FIG. 1 suitable hardening furnace in a cross section from the side.
In der
Unterhalb des Diagramms ist veranschaulicht, welche Gase zu welchen Zeiten in die Vorrichtung geleitet werden und wann Vakuum angelegt wird. Diese Darstellung wird später im Detail beschrieben.Below the diagram is illustrated which gases are fed into the device at which times and when vacuum is applied. This presentation will be described later in detail.
Zunächst sei der Temperaturverlauf über die Prozessdauer von 5 Stunden beschrieben. Die Kurve 1 beginnt zunächst bei Raumtemperatur. Dies ist der Abschnitt 1a auf der Temperaturkurve 1. Danach wird die Heizung eingeschaltet und bringt entlang des Abschnitts 1b den Ofen auf eine Temperatur von etwa 1050°. Der erforderliche Temperaturbereich bei den verschiedenen Aufkohlungsanwendungen, für die der Ofen geeignet sein soll, liegt bei 800°C bis 1100°C.First, the temperature profile over the process time of 5 hours is described. The
Bei der im vorliegenden Ausführungsbeispiel vorgegebenen Zieltemperatur von 1050°C wird im Abschnitt 1c die Ofentemperatur konstant gehalten. Der Abschnitt 1c ist etwa eine Stunde lang. Im Abschnitt 1d wird der Ofen schnell abgekühlt, und zwar etwa innerhalb von 20 Minuten von 1050° auf Raumtemperatur. Dort wird die Temperatur dann bis zum Ende des Vorgangs, also bis zum Entladen der Werkstücke, konstant gehalten. Dieser Abschnitt ist mit 1e bezeichnet.In the specified in the present embodiment target temperature of 1050 ° C, the furnace temperature is kept constant in section 1c. Section 1c is about an hour long. In
Der Druckverlauf, der in der Kurve 2 veranschaulicht ist, beginnt zunächst bei 1 bar also bei Umgebungsdruck. Dies entspricht der Luft, die beim Beladen des Härtereiofens im Innenraum des Ofens vorhanden ist. Im Abschnitt 2a der Kurve wird zunächst für einen Zeitraum von etwa 20 Minuten der Ofenraum evakuiert. Die im Ofenraum befindliche Luft wird vor dem Einschalten der Heizung entfernt, so dass keine Oxidation stattfinden kann. Stattdessen wird mit dem Einschalten der Heizung, also im Übergang von 1a zu 1b auf der Temperaturkurve, der Ofenraum mit etwa 2 bar Stickstoff als Schutzgas geflutet. Für einen Zeitraum von etwa 2 Stunden wird der Druck aufrechterhalten. Dies entspricht dem Abschnitt 2b der Druckkurve. Die Stickstofffüllung des Ofens wird etwa bis zu einer Temperatur von 700°C beibehalten. Bis zu diesem Temperaturbereich wird das Aufheizen der Werkstücke im Ofen über Konvektionsheizung erfolgen. Danach wird der Ofeninnenraum durch anlegen von Vakuum evakuiert. Der damit verbundene Druckabfall von 2 bar auf 0 bar ist mit dem Abschnitt 2c gekennzeichnet. Die weitere Heizung der Werkstücke von 700° bis zur Endtemperatur von 1050° erfolgt über Strahlungsheizung.The pressure curve, which is illustrated in the
Nachdem das Vakuum im Ofenraum erreicht ist, was mit 2d angedeutet ist, wird für kurze Zeit wiederholt ein kohlenstoffhaltiges Gas mit einem Druck von etwa 30 mbar in den Ofenraum eingeleitet. Dieses Gas, beispielsweise Azetylen, bewirkt über die thermische Zersetzung an der Oberfläche der Werkstücke während der Zeitabschnitte 2e eine Beaufschlagung der Oberfläche mit Kohlenstoff. Dieser Kohlenstoff diffundiert von der Oberfläche in das Werkstück hinein. Um die Kohlenstoffkonzentration über die Dicke der aufgekohlten Schicht gleichmäßiger zu erhalten, sind zwischen den Aufkohlungsphasen 2e sogenannte Diffusionsphasen 2f vorgesehen, in denen das Gas durch Anlegen von Vakuum aus dem Ofenraum entfernt wird. Bis dahin von der Werkstückoberfläche aufgenommener Kohlenstoff kann dann ohne neu hinzukommenden Kohlenstoff in das Werkstück hinein diffundieren. Je nach gewünschter Kohlenstoffverteilung können die Phasen 2e und 2f wiederholt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel gibt es insgesamt vier Aufkohlungsphasen 2e. Dieses Ausführungsbeispiel enthält Verfahrensschritte, wie sie für dünnwandige Werkstücke geeignet wären, bei denen eine relativ geringe Aufkohlungstiefe angestrebt wird.After the vacuum is reached in the furnace chamber, which is indicated by 2d, a carbon-containing gas is repeatedly introduced at a pressure of about 30 mbar into the furnace chamber for a short time. This gas, for example acetylene, causes the surface to be exposed to carbon via the thermal decomposition on the surface of the workpieces during the
Nach dem Abschluss der letzten Diffusionsphase 2f wird der bis dahin evakuierte Ofeninnenraum mit Wasserstoffgas geflutet, und zwar bis zu einem Absolutdruck von 10 bar. Gleichzeitig wird die Heizung ausgeschaltet, die bis dahin die Temperatur im Kurvenabschnitt 1c konstant gehalten hat. Die Temperatur fällt durch die Wasserstoffkühlung entlang der Kurve 1d rapide auf die Umgebungstemperatur ab. Die Phase der Wasserstoffkühlung ist mit 2g bezeichnet. Eine Umwälzung des Wasserstoffgases mit einem leistungsfähigen Gebläse im Ofeninnenraum unterstützt die Wärmeabfuhr. Zur gleichmäßigen Abkühlung, die den Verzug der Werkstücke beim Abkühlen minimiert, wird der Wasserstoffstrom innerhalb des Ofenraums mehrfach umgelenkt, so dass die Werkstücke von mehreren Seiten mit dem Kühlgas beaufschlagt werden. Ist die Kühlung bis nahezu auf Raumtemperatur abgeschlossen, so wird das Wasserstoffgas im Abschnitt 2h aus dem Ofenraum entfernt, und zwar bis zum Erreichen des Vakuums. Danach wird zum Entladen des Ofeninnenraums der Innenraum von 0 bar auf Umgebungsdruck mit Stickstoff geflutet, was durch den Kurvenabschnitt 2i veranschaulicht ist. Wird der Ofen dann geöffnet, so tritt Luft in den Innenraum ein. Der Druck stellt sich auf den Atmosphärendruck ein. Dieser Abschnitt der Druckkurve ist mit 2k bezeichnet.After completion of the
Bei massiveren Werkstücken kann auch vorgesehen sein, dass das Abschrecken zunächst bis oberhalb der Martensit-Startlinie erfolgt und die Temperatur dort gehalten wird, bis sich die Randtemperatur und die Kerntemperatur des Werkstücks angeglichen haben. Danach kann das weitere Abschrecken bis in den Bereich der Raumtemperatur erfolgen.In the case of solid workpieces, provision may also be made for quenching to initially take place above the martensite start line and for the temperature to be maintained there until the edge temperature and the core temperature of the workpiece have become equal. Thereafter, the further quenching can take place up to the range of room temperature.
Das beschriebene Verfahren bietet in einem EinkammerVakuumofen die Möglichkeit, Abkühlgeschwindigkeiten zu erreichen, die sonst nur beim Ölabschrecken oder beim Wasserabschrecken erreichbar waren. Die Abkühlgeschwindigkeit hängt von der Flankensteilheit der Kurve 1 im Abschnitt 1d ab. Obwohl es bekannt ist, Werkstücke bei der Härterei mit Wasserstoff abzukühlen, wird dieses Verfahren in der Praxis bei Einkammervakuumöfen nicht angewendet, denn die Sicherheitsprobleme werden als nicht wirtschaftlich lösbar betrachtet.The method described offers the possibility in a single-chamber vacuum furnace of achieving cooling rates which otherwise could only be achieved during oil quenching or water quenching. The cooling rate depends from the slope of the
Hier wird mit dem beschriebenen Verfahren eine neue Lösung für die Sicherheitsprobleme gefunden. Die Explosionsgefährdung bei Füllung des Ofeninnenraums mit Wasserstoff entsteht dadurch, das zum Einen Zündquellen im Ofen vorhanden sind, nämlich die bei über 1000°C gehaltenen Werkstücke, und dass zum Anderen Wasserstoff als oxidierbares Gas vorhanden ist. Um eine Explosionsgefahr auszuschließen, muss deshalb jeglicher Sauerstoff aus dem Ofeninnenraum ferngehalten werden. Dies wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch erreicht, dass zunächst im Abschnitt 2a durch Evakuieren die nach dem Beladen des Ofens vorhandene Luft nahezu vollständig entfernt wird. Danach wird zunächst eine Stickstoffatmosphäre aufgebaut (2b) die dann später im Verfahrensablauf ebenfalls wieder abgepumpt wird. Eventuell vorhandener Restsauerstoff aus der Atmosphäre oder durch Entgasen der Werkstücke wird dann mit dem Stickstoff ausgespült. Schließlich wird das Kohlungsgas in den Ofen gebracht, welches mit Wasserstoff nicht reagiert. Auch dieses Gas wird wiederholt abgepumpt, was einer weitergehenden Spülung des Ofeninnenraums gleichkommt.Here, a new solution to the security problems is found with the method described. The danger of explosion when filling the interior of the furnace with hydrogen arises as a result of ignition sources in the furnace, namely the workpieces kept at more than 1000 ° C., and, on the other hand, that hydrogen is present as oxidizable gas. To exclude an explosion hazard, therefore, all oxygen must be kept away from the interior of the furnace. In the method according to the invention, this is achieved by first evacuating in
Wird dann im Abschnitt 2g der Wasserstoff in den Innenraum eingeleitet, so befindet sich dort kein Sauerstoff mehr. Eine Explosionsgefahr ist dadurch vollständig ausgeschlossen. Während der Abkühlphase kommt auch kein Sauerstoff in den Ofeninnenraum. Der Wasserstoff wird dann durch Ablassventile in den Kamin abgelassen, und bei Erreichen des Atmosphärendrucks wird der restliche Wasserstoff durch Vakuumpumpen aus dem Ofeninnenraum abgepumpt (Abschnitt 2h). Eventuell vorhandener Rest-Wasserstoff wird dann durch Fluten mit Stickstoff im Abschnitt 2i soweit verdünnt, dass in jedem Falle kein zündfähiges Gemisch mehr entstehen kann. Zu dem Zeitpunkt fehlt es auch an einer Zündquelle im Ofeninnenraum, denn der gesamte Inhalt des Ofens ist bis in die Nähe der Raumtemperatur abgekühlt. Die Antriebsmotoren der Gebläse und die Heizung sind stromlos geschaltet. Das Öffnen des Ofens im Abschnitt 2k zum Entladen des darin befindlichen Inventars ist dann vollkommen unkritisch. Die bei der Öffnung eindringende Luft findet weder eine Zündquelle noch eine ausreichende Wasserstoffkonzentration vor, um explosive Bedingungen zu bilden.If the hydrogen is then introduced into the interior in section 2g, then there is no more oxygen there. An explosion hazard is thereby completely excluded. During the cooling phase, no oxygen comes into the furnace interior. The hydrogen is then vented to the flue through bleed valves, and upon reaching atmospheric pressure, the residual hydrogen is pumped out of the furnace interior by vacuum pumps (
Der im Abschnitt 2h abgepumpte Wasserstoff wird durch gasdichte Leitungen und Vakuumpumpen über einen Kamin in die Atmosphäre entlassen, und zwar außerhalb des Betriebsgebäudes. Nach dem Abpumpen des Wasserstoffs wird der Kamin 17 vollständig mit Stickstoff gespült, um sicher zu stellen, dass darin kein Wasserstoff verbleibt, der ein zündfähiges Gemisch bilden könnte.The hydrogen pumped out in
Das Betriebsgebäude ist in der
Die
Der Härtereiofen 11 ist weiter mit einem Kamin 17 versehen, der aus dem Gebäude heraus in die Atmosphäre führt. Der Kamin 17 ist dabei höher ausgeführt als die Firstlinie des Gebäudes 10.The hardening
Der Härtereiofen 11 weist an seiner linken Stirnseite einen Verschlussdeckel 18 auf, der zum Be- und Entlanden des Härtereiofens 11 zu öffnen ist. Hinter der Ebene des Verschlussdeckels 18 ist ein schraffierter Bereich 20 veranschaulicht, in dem besondere Vorkehrungen gegen mechanische Beschädigungen der äußeren Anbauteile und der Rohrleitungen vorgesehen sind. Dieser Bereich 20 ist in der Weise mechanisch gesichert, dass ein Befahren dieses Bereichs in der Nähe des Härtereiofens 10 mit Maschinen wie Gabelstaplern und dergleichen nicht möglich ist. Auch das Überfahren des Bereichs 20 mit einem Portalkran ist durch entsprechende mechanische Vorrichtungen oder elektrische Vorkehrungen, die die Steuerung des Krans beeinflussen, ausgeschlossen. Hierfür können Barrieren, Leitplanken oder auch ein Käfig vorgesehen sein. Diese Sicherheitsvorkehrungen verhindern, dass die Wasserstoff führenden Leitungen 15, 17, die dazugehörigen Ventilmittel und Pumpen und der Härtereiofen selbst in der Weise beschädigt werden, dass Wasserstoff innerhalb des Betriebsgebäudes 10 austreten kann.The hardening
Der Verschlussdeckel 18 des Härtereiofens 11 ist weiter mit einer umlaufenden Dichtung versehen, die im Betrieb sicher durch Überdruck eines Schutzgases hermetisch abdichtet. Auf diese Weise wird vermieden, dass beim Wechsel von Unterdruck zu Überdruck, wie er im Betrieb vorkommt und in der Kurve 2 der
Aufgrund der beschriebenen Sicherheitsvorkehrungen ist es nicht erforderlich, den Bereich 20 explosionsgeschützt auszuführen. Dies führt zu einer Verringerung der Anlagen- und Betriebskosten gegenüber den bisher bekannten Konzepten zur Wasserstoffkühlung im Härtereibetrieb.Due to the described safety precautions, it is not necessary to carry out
Die
Erste Versuche mit der beschriebenen Anlage und dem Verfahren haben gezeigt, dass folgende Lambdawerte im Materialkern von Bolzen aus Baustahl erreicht werden können:
Dies sind Werte, die dem Abschrecken in Öl entsprechen.These are values that correspond to quenching in oil.
Für eine weitere Verbesserung der erreichbaren Abkühlraten kann es vorgesehen sein, eine Kaltwasservorlage von einigen Kubikmetern Kühlwasser bei niedriger Temperatur von ca. 3°C - 5°C vorzuhalten, die für die ersten 30 - 60 Sekunden des Abkühlvorgangs in den Wärmetauscher eingeleitet werden. Hierdurch wird die besonders kritische Zeitphase des ersten Abschreckens von der Haltetemperatur 1c vorteilhaft beeinflusst.For a further improvement of the achievable cooling rates, provision may be made for a cold water supply of a few cubic meters of cooling water at a low temperature of about 3 ° C.-5 ° C., which are introduced into the heat exchanger for the first 30-60 seconds of the cooling process. As a result, the particularly critical time phase of the first quenching of the holding temperature 1c is favorably influenced.
Die Qualität der Werkstücke wird auch bestimmt durch den Verzug, der bei dem Härtevorgang entsteht. Um die immer noch verbleibenden Verzugsprobleme in Öfen mit Gasabschreckung zu verringern, wurde bereits vor einigen Jahren mit Erfolg die Gasströmung mit häufiger Richtungsumkehr in Vakuumöfen eingeführt. Jetzt zeigt die vorliegende Erfindung einen neuen, ergänzenden Lösungsweg für dieses Problem auf.The quality of the workpieces is also determined by the delay that arises during the hardening process. In order to reduce the residual distortion problems in ovens with gas quenching, the gas flow with frequent reversal of direction in vacuum ovens was successfully introduced several years ago. Now, the present invention provides a new, complementary approach to this problem.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und mit der Vorrichtung ist es möglich, bestimmte Lambdawerte gezielt zu erreichen. Dabei wird der volle Gasdruck an Wasserstoff zum Abschrecken in den Ofen eingeleitet. Je nach Ofen kann dieser Druck 10bar betragen, aber auch 20bar oder 40bar. Die Kühlgeschwindigkeit, die zur Erzielung eines bestimmten Lambdawertes einzustellen ist, wird über die Gasgeschwindigkeit und letztlich über die Umwälzrate innerhalb des Ofens geregelt. Das Umwälzgebläse wird in seiner Drehzahl geregelt, wobei ein Regelbereich von 10% der maximalen Drehzahl bis zur vollen maximalen Drehzahl vorgesehen ist.In the method according to the invention and with the device, it is possible to achieve specific lambda values in a targeted manner. The full gas pressure of hydrogen is introduced into the furnace for quenching. Depending on the oven, this pressure can be 10bar amount, but also 20bar or 40bar. The cooling rate to be set to achieve a given lambda value is controlled by the gas velocity and ultimately the rate of circulation within the furnace. The circulating fan is regulated in its speed, with a control range of 10% of the maximum speed is provided to the full maximum speed.
Der technische Effekt besteht darin, dass es drei Einflussgrößen für Kühlgeschwindigkeit gibt, nämlich die Gasart, den Gasdruck und die Gasströmungsgeschwindigkeit. Bislang war die Fachwelt der Auffassung, diese drei Komponenten seien von gleicher Bedeutung. Auf die erzählbare Härte mag dies zutreffen. Bei dem Verzug der Werkstücke sind jedoch Unterschiede aufgefunden worden. So betrifft die Art des verwendeten Kühlgases sämtliche Oberflächen der Werkstücke, die dem Kühlgas ausgesetzt werden. Gleiches gilt für den Gasdruck, der im Behandlungsraum des Ofens überall gleich ist. Die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases jedoch wirkt an den Werkstückoberflächen unterschiedlich, je nach dem, wie sie vom Gasstrom erreicht werden.The technical effect is that there are three factors influencing the rate of cooling, namely the type of gas, the gas pressure and the gas flow rate. So far, the experts believe that these three components are of equal importance. This may apply to the narrative hardness. In the delay of the workpieces, however, differences have been found. Thus, the type of cooling gas used affects all surfaces of the workpieces exposed to the cooling gas. The same applies to the gas pressure, which is the same everywhere in the treatment room of the furnace. However, the flow velocity of the cooling gas will vary on the workpiece surfaces, depending on how they are reached by the gas flow.
Der Einsatz von Wasserstoffgas bei sehr hohem Druck legt die beiden erst genannten Punkte fest. Wenn nun geringere Lambdawerte angestrebt werden, als sie bei voller Gebläseleistung möglich wären, so wird die Leistung des Umwälzventilators reduziert und der Parameter "Strömungsgeschwindigkeit des Kühlgases" dem Bedarf angepasst. Durch die dann langsamere Gasumwälzung wird ein geringerer Verzug des bearbeiteten Werkstücks erreicht als wenn das Gebläse bei voller Leistung betrieben würde und einer der anderen Parameter verändert würde.The use of hydrogen gas at very high pressure determines the first two points. If now lower lambda values are sought than they would be possible at full fan power, the performance of the circulating fan is reduced and the parameter "flow velocity of the cooling gas" adapted to the needs. The slower gas recirculation will result in less distortion of the machined workpiece than if the fan were operated at full power and one of the other parameters was changed.
Alternativ zu der Regelung der Gebläseleistung kann auch eine Dralldrossel oder ein ähnliches Mittel zur Beeinflussung der Strömungsgeschwindigkeit eingesetzt werden.As an alternative to the regulation of the blower power, a swirl throttle or a similar means for influencing the flow velocity can also be used.
Claims (9)
- Method for operating a single-chamber vacuum furnace with hydrogen cooling, having the following method steps:a) filling the furnace interior with workpieces;b) closing the furnace interior;c) evacuating the furnace interior;d) heating the workpieces and maintaining a set temperature;e) filling the furnace interior with hydrogen at high pressure, switching off the heating and circulating the hydrogen to cool the workpieces;f) releasing the hydrogen and evacuating the furnace interior;g) filling the furnace interior with an inert shielding gas until it reaches approximately atmospheric pressure;h) opening the furnace and unloading the workpieces.
- Method according to Claim 1, characterised in that after step c), the following is provided:c1) filling the furnace interior with a shielding gas;c2) convectively heating the workpieces by circulating the shielding gas;c3) evacuating the furnace interior.
- Method according to one of the preceding claims, characterised in that in step c2) and/or in step g), the shielding gas is nitrogen.
- Method according to one of the preceding claims, characterised in that in step f) the hydrogen is fed out of the plant building (10) by means of a chimney (17).
- Method according to Claim 3, characterised in that the chimney (17) is higher than the roof height of the plant building (10).
- Method according to one of the preceding claims, characterised in that during and/or after method step d), a gas containing carbon is introduced into the furnace interior at least once.
- Method according to Claim 6, characterised in that the gas is pumped out again before method step e).
- Method according to one of the preceding claims 6 or 7, characterised in that the gas is acetylene, to which optionally a carrier gas is added.
- Method according to one of the preceding claims, characterised in that at least in step e) the rotational speed of the fan for circulating the hydrogen can be regulated.
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