EP1830147A1

EP1830147A1 - Mehrkammer-Durchlaufofen mit Schutzgasbetrieb und Verfahren zum oxidfreien Erwärmen von verzinkten Werkstücken

Info

Publication number: EP1830147A1
Application number: EP06004360A
Authority: EP
Inventors: Rolf-Josef Schwartz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: ES2383964T3; EP1830147B1; ATE553344T1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zunderfreien Erwärmen von verzinkten Werkstücken (20) in einem Durchlaufofen (10) und einen Durchlaufofen zur Durchführung des Verfahrens. Der Ofen (10) ist in mehrere Kammerbereiche (11;12;13;14) aufgeteilt, in denen jeweils über Einspeisepunkte (31;32;33;34) Schutzgasgemische mit vorzugsweise untrschiedlicher Zusammensetzung eingespeist werden, wobei die Zusammensetzung des Schutzgases an die Temperatur de Werkstücks (20) in dem jeweiligen Ofenbereich angepasst ist. In den letzten Kammerbereich (40) wird dabei das Schutzgasgemisch mit dem geringsten Sauerstoffanteil eingespeist. Der Durchlaufofen weist zwischen den einzelnen Kammerbereichen (11;12;13;14) entsprechende Schutzgasführungssysteme (71;72;73;74) vorzugsweise in Form von Trennwänden mit Öffnungen auf, durch die der Gesamtstrom des Schutzgases so geführt wird, dass eine Konvektionswalze durch den gesamten Durchlaufofen (10) verhindert wird und die Geschwindigkeit des Schutzgasstromes durch den Durchlaufofen höher ist als die Rückdiffusionsgeschwindigkeit. Das Schutzgasgemisch wird durch Teilverbrennung eines Kohlenwasserstoff-Luft Gemisches in einem Edelmetallkatalysator erzeugt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines verzinkten Werkstücks, bei dem das Werkstück mit einem Fördermittel durch einen Durchlaufofen geführt und in diesem durch ein Heizmittel erwärmt wird.
Die Erfindung betrifft ferner einen Durchlaufofen zur Durchführung des Verfahrens.
Im Bereich der Fahrzeugindustrie ist es das Bestreben, Fahrzeuge mit einem möglichst geringen Kraftstoffverbrauch zu entwickeln. Ein übliches Mittel zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs liegt dabei beispielsweise in der Reduzierung des Fahrzeuggewichts. Um jedoch steigenden Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden, müssen die verwendeten Karosseriebaustähle bei geringerem Gewicht eine höhere Festigkeit aufweisen. Dies wird üblicherweise durch den Prozess des so genannten Presshärtens erreicht. Dabei wird ein Blechteil auf etwa 800-1000°C erwärmt und anschließend in einem gekühlten Werkzeug verformt und abgeschreckt. Die Festigkeit des Bauteils nimmt µdadurch bis auf etwa das Dreifache zu.
Im Fahrzeugbau werden ferner vorzugsweise verzinkte Stahlbleche eingesetzt, da diese gute Korrosionseigenschaften aufweisen. Das Presshärten von verzinkten Stahlblechen ist jedoch mit den bekannten Verfahren und zugehörigen Öfen bisher nicht zufrieden stellend möglich. Wenn die Metalloberflächen von verzinktem Stahlblech in einem Durchlaufofen erwärmt werden, bildet sich in Gegenwart von Sauerstoff in freier oder chemisch gebundener Form ein Metalloxid, da sich die Reaktionsfähigkeit durch den Sauerstoff erhöht. Dadurch verzundert das Werkstück und da das Metalloxid ein wesentlich kleineres Raumgewicht als das Metall hat, löst es sich vom Basismaterial ab. Dadurch wird die elektrolytische Schutzeigenschaft des Zinks auf dem Grundwerkstoff zunichte gemacht.
Zum Schutz gegen diese Verzunderung ist es beispielsweise bekannt, das zu erhitzende Blech beidseitig mit einer Legierung aus Al-Si zu überziehen. Dieser Metallüberzug legiert einerseits in die Stahloberfläche und andererseits bildet er eine dichte Al-Si-Oxidschicht, welche den Grundwerkstoff gegen weitere Verzunderung schützt. Diese Beschichtung ist jedoch vor dem Erwärmen schlecht zu verformen, sowie nach dem Presshärten nicht mehr galvanisch geschützt.
Weitere Alternativen stellen die Beschichtungen mit so genannten NANO-Partikeln der Firma NANO-X oder mit einer Zink-Aluminium-Legierung dar. Beim Einsatz einer Beschichtung aus einer Zink-Aluminium-Legierung ist zwar kein Schutzgas erforderlich, die Beschichtung ist jedoch sehr kostenintensiv und nach dem Presshärten bildet sich ebenfalls keine galvanisch aktive Schutzschicht aus.
Eine weitere bekannte Lösung stellt die Verwendung von unbeschichtetem Stahlblech da, bei denen jedoch die sauerstoffhaltige Luftatmosphäre gegen eine Schutzgasatmosphäre (z.B. Endogas) ausgetauscht wird. Doch auch bei Verwendung eines Schutzgases zum Erwärmen des Werkstücks muss nach dem Presshärten Zunder durch Sandstrahlen entfernt werden, welcher während der Übergabe an die Presse entstanden ist.
Wird ein Werkstück in einer Schutzgasatmosphäre erwärmt, werden für einen Ofen herkömmlicherweise interne oder externe Endogaserzeuger verwendet. Bekannte Gaserzeuger sehen beispielsweise das Führen des Gasgemisches über ein Nickel-Katalysatorbett bei hoher Temperatur vor. Bei einem externen Gaserzeuger muss das damit erzeugte Gas für den Weitertransport zum Ofen jedoch abgekühlt werden und verliert dabei durch Bildung von Kohlenstoffketten an Reduktionspotenzial.
Interne Endogaserzeuger sind beispielsweise aus der Deutschen Patentschrift DE 196 21 036 C2 bekannt. Die Schrift beschreibt die Verwendung eines Katalysatorbetts auf Nickelbasis, das in den Ofenraum eingebaut ist. Das Katalysatorbett dient dabei zum Spalten von eingespeisten Kohlenwasserstoff-Luftgemischen mit einer zusätzlichen Beheizungseinrichtung. Dieses Katalysatorbett muss auf ca. 900 bis 1100°C erwärmt werden, um reaktionsfähig zu sein.
Durchlauföfen mit Schutzgasatmosphäre bringen üblicherweise den Nachteil mit sich, dass die Atmosphäre aufgrund einer während der Produktion entstehenden Konvektion im Ofeninneren ständig durch mit dem Gut eingeschleppten Sauerstoff und Feuchtigkeit der Gutoberfläche verunreinigt wird. Die Konvektion wird durch die noch kalten Werkstücke am Anfang des Ofens bewirkt, da diese die Atmosphäre abkühlen und eine daraus entstehende Thermik eine große Schutzgaswalze durch die gesamte Ofenanlage erzeugt, die eine unerwünschte Vermischung der einlaufseitig eingeschleppten oxidierenden Gase im kritischen Endbereich des Ofens bewirkt.
Die Deutsche Patentschrift DE 197 19 203 C2 offenbart ein Sinterverfahren für auf Basis von Eisen-Pulver gepresste Formteile, bei dem eine Schutzgasführung im Ofen vorgesehen ist. Der Betrieb dieses bekannten Sinterofens kann jedoch nicht auf das Erwärmen und Presshärten von verzinkten Stahlblechen übertragen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe verzinkte Werkstücke insbesondere aus härtbarem Stahlblech erwärmt werden können, um sie anschließend presszuhärten, ohne dass die gute Kaltverformbarkeit und die hohe Korrosionsbeständigkeit eingebüßt werden müssen.
Das Verfahren sollte dabei sowohl die bereits auf dem Metall vorhandenen Oxide reduzieren, als auch eine neue Oxidbildung vermeiden und ferner den Verbrauch von Schutzgas reduzieren.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, einen Ofen zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen 2-6 und der Gegenstand des Anspruchs 7 ergänzt die Erfindung um ein Verfahren zum Presshärten von Werkstücken, die zuvor mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwärmt wurden. Die Aufgabe wird ferner durch einen Durchlaufofen nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Ofens ergeben sich aus den Unteransprüchen 9-13.
Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Erwärmen eines verzinkten Werkstücks, bei dem das Werkstück durch einen Durchlaufofen geführt und in diesem durch ein Heizmittel erwärmt wird. Das Werkstück wird mittels eines Fördermittels durch mehrere aufeinander folgende Kammerbereiche des Durchlaufofens geführt und in diesen Kammerbereichen wird über jeweilige Einspeisepunkte ein Schutzgasgemisch eingespeist. Der Gesamtstrom des Schutzgasgemisches strömt dabei entgegen der Durchlaufrichtung des Werkstücks durch den Durchlaufofen, wobei sich die Zusammensetzungen der über die jeweiligen Einspeisepunkte eingeführten Schutzgasgemische in den Kammerbereichen vorzugsweise unterscheiden. Das im letzten Kammerbereich eingespeiste Schutzgasgemisch weist dabei den geringsten Sauerstoffanteil auf, da die Werkstücke in diesem Bereich die höchste Temperatur annehmen. Ferner wird erfindungsgemäß durch Führungssysteme zwischen den Kammerbereichen eine Konvektionswalze von Schutzgas durch den gesamten Durchlaufofen verhindert.
In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Schutzgasgemisch durch Teilverbrennung eines Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisches in einem Edelmetallkatalysator erzeugt. Die für die Teilverbrennung erforderliche Wärme wird durch den Spaltungsprozess im Katalysator erzeugt. Die Teilverbrennung im Edelmetallkatalysator erfolgt dabei beispielsweise ab etwa 700°C.
Vorzugsweise wird die Zusammensetzung eines in einen Kammerbereich des Durchlaufofens eingespeisten Schutzgasgemisches in Abhängigkeit von der Temperatur des Werkstücks in dem jeweiligen Kammerbereich so gewählt, dass eine Verzinkung des Werkstücks nicht oxidiert. Die Flussgeschwindigkeit des Schutzgasgemisches durch den Ofen ist dabei vorzugsweise höher als die Rückdiffusionsgeschwindigkeit.
Von der Erfindung umfasst ist ferner ein Verfahren zum Presshärten eines Werkstücks in einer Presse, bei dem das Werkstück vor der Einbringung in die Presse mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erwärmt wurde.
Ferner umfasst die Erfindung einen Durchlaufofen zum Erwärmen eines verzinkten Werkstücks mit einem Fördermittel zum Führen des Werkstücks durch den Durchlaufofen und einem Heizmittel zum Erwärmen des Werkstücks beim Durchlaufen des Ofens. Der Durchlaufofen umfasst mehrere Kammerbereiche, durch die das Werkstück mittels des Fördermittels geführt werden kann, wobei in jedem der Kammerbereiche wenigstens ein Einspeisepunkt zur Einspeisung eines Schutzgasgemisches vorgesehen ist. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheiden sich die Zusammensetzungen der über die jeweiligen Einspeisepunkte eingeführten Schutzgasgemische in den Kammerbereichen, wobei das im letzten Kammerbereich eingespeiste Schutzgasgemisch den geringsten Sauerstoffanteil aufweist.
Zwischen den Kammerbereichen sind ferner Schutzgasführungssysteme angeordnet, welche die Bildung einer großen Konvektionswalze von Schutzgasgemisch durch die gesamte Ofenanlage verhindern. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt es sich bei den Führungssystemen um Trennwände mit jeweils einer Öffnung, durch welche das Fördermittel des Ofens verläuft. Im Durchlaufofen wird ferner ein Schutzgasstrom entgegen der Durchlaufrichtung des Werkstücks erzeugt.
Die Geschwindigkeit des Schutzgasstromes durch den Durchlaufofen wird vorzugsweise so eingestellt, dass sie höher ist als die Rückdiffusionsgeschwindigkeit. Außerdem ist der Ofen zweckmäßigerweise thermostatisch auf einer Temperatur haltbar, die oberhalb der vorgegebenen Erwärmungstemperatur des Werkstücks liegt.
Das erfindungsgemäße Verfahren und der zugehörige Durchlaufofen haben den Vorteil, dass ein Schutzgas derart durch den Ofen geführt wird, dass in jeder Sektion des Ofens das richtige Schutzgasgemisch angeboten wird, das zur Guttemperatur passt. Dazu wird das im Katalysatorbett in der Ofenwand bei niedriger Temperatur erzeugte Endogas im Inneren des Durchlaufofens gezielt durch Einbauten geführt, welche eine große Konvektionswalze durch die gesamte Ofenanlage verhindern. Das Schutzgas wird vielmehr so geführt, dass das Verhältnis der reagierenden Bestandteile stets temperaturbezogen im reduzierenden Bereich gehalten wird. Die Verwendung eines Edelmetallkatalysators ermöglicht dabei die Erzeugung von Endogas schon ab Temperaturen von 700°C, wobei ein Edelmetallkatalysator gegenüber beispielsweise einem Nickelkatalysator gesundheitlich unbedenklich ist.
Die Erfindung wendet sich somit ab von Durchlauföfen, in denen das Schutzgas außerhalb des Ofens erzeugt und in den Ofenraum eingespeist wird. Sie wendet sich ferner ab von beheizten Nickelretorten im Ofen selbst und von den verschiedenen Methoden zur Beschichtung von verzinkten Metallbauteilen, um ein Schutzgas überflüssig zu machen.
Ein Vorteil der Erfindung gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Vermeidung einer Verzunderung von verzinkten Stahlbauteilen liegt in der stets auf die Temperatur des Werkstücks abgestimmten Schutzgasatmosphäre. Das alleinige Einspeisen von Schutzgas an mehreren Stellen in den Ofenraum würde zwar an genau dieser Einspeisestelle ebenfalls die gewünschte Atmosphäre schaffen, aber aufgrund einer während der Produktion entstehenden Konvektion im Ofeninneren würde die Atmosphäre ständig durch mit dem Gut eingeschleppten Sauerstoff und eingeschleppter Feuchtigkeit der Gutoberfläche verunreinigt.
Der Grund hierfür ist das im Ofeneinlaufbereich noch kalte Werkstück. Das Werkstück kühlt in diesem Bereich auch die Schutzgasatmosphäre ab, wodurch diese spezifisch schwerer wird als die Atmosphäre im weiteren Ofenverlauf. Dadurch fällt das Gas mit seinem größeren spezifischen Gewicht nach unten und verdrängt die wärmere und besser qualifizierte Atmosphäre im weiteren Verlauf des Ofens. Diese steigt im Auslaufbereich nach oben und so entsteht im Ofen eine durch Thermik angetriebene Schutzgaswalze, die eine unerwünschte Vermischung der einlaufseitig eingeschleppten oxidierenden Gase im kritischeren heißen, letzten Teil des Ofens bewirkt.
Diese Verschlechterung der Qualität der Schutzgasatmosphäre im relevanten hinteren Bereich des Ofens wäre durch eine wirtschaftlich nachteilige Vergrößerung der Schutzgasmenge einigermaßen kompensierbar, die Erfindung löst dieses Problem jedoch vorteilhaft durch Führungssysteme innerhalb des Ofens, welche eine Schutzgaswalze durch den gesamten Ofen verhindern. Durch die als Führungssysteme verwendeten Trennwände zwischen den einzelnen Kammerbereichen des Ofens wird die Bildung einer großen Schutzgaswalze durch die gesamte Ofenanlage verhindert. Es treten gegebenenfalls lediglich kleinere Gaswalzen innerhalb der Kammerbereiche auf. Der verbleibende Schutzgasstrom durch die Öffnungen in den Trennwänden kann jedoch keine Gaswalze erzeugen, mit der Schutzgas mit geringer Qualität in den hinteren Bereich des Ofens gelangen kann.
Die Verwendung eines Edelmetallkatalysators, der ab einer Verbrennungstemperatur von etwa 700°C Schutzgas erzeugen kann, hat ferner den Vorteil, dass er gegenüber üblichen Katalysatorbetten weniger aufwändig und aufgrund des geringeren Energieverbrauches wirtschaftlicher ist. Die für die Verbrennung von Gasen im Edelmetallkatalysator erforderliche Temperatur kann durch den Spaltungsprozess im Katalysator erreicht werden, während herkömmliche Nickelkatalysatoren beispielsweise eine Temperatur von mindestens 1000°C erfordern, die nur durch eine zusätzliche Energiezufuhr zu erreichen ist. Ferner hat sich in der Praxis herausgestellt, dass im Bereich eines ca. 1000°C heißen Katalysators die Temperaturregelung eines Ofens bei beispielsweise 930°C schwierig oder sogar nicht durchführbar ist.
Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Abbildungen.
Von den Abbildungen zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Durchlaufofens; und
Fig. 2: eine Querschnittsansicht des Durchlaufofens gemäß Fig.1;
Fig. 3: einen Ausschnitt aus der Ofenwand eines Durchlaufofens mit einem internen Schutzgaserzeuger;
Fig. 4: ein Diagramm mit Reduktionskurven verschiedener Metalle in Gasgemischen; und
Fig. 5: ein Diagramm für das Mischungsverhältnis von Luft zu Methan zur Erzeugung verschiedener Schutzgasgemische.

In Fig. 1 ist schematisch ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Durchlaufofens dargestellt. Der Durchlaufofen 10 umfasst typischerweise ein lang gestrecktes Gehäuse mit einer Eingangs- und einer Ausgangsöffnung, durch welche zu erwärmende Werkstücke den Ofen durchlaufen können. Der Ofen umfasst zudem wenigstens zwei voneinander getrennte Bereiche, in denen jeweils Schutzgas eingespeist wird. Diese Bereiche sind in Form von Kammern ausgebildet. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Ofen vier Kammerbereiche 11, 12, 13 und 14.
Die Kammern sind durch Führungssysteme 71, 72 und 73 voneinander getrennt, wobei die Führungssysteme zum gezielten Führen des Schutzgases durch den Ofen dienen. Bei den Führungssystemen handelt es sich vorzugsweise um Trennwände mit einer Öffnung, durch die ein Werkstück geführt werden kann. Zur Verhinderung einer Schutzgaswalze durch den gesamten Ofeninnenraum ist die Öffnung in der Trennwand möglichst klein, sie muss jedoch ausreichend dimensioniert sein, um in dem Ofen zu erwärmende Werkstücke mit möglicherweise verschiedenen Größen und Formen auf dem Fördermittel durch den Ofen transportieren zu können.
Der Durchlaufofen weist ferner ein Fördermittel 50 auf, mit dem ein Werkstück 20 durch den Ofen transportiert wird. Bei diesem Transportmittel handelt es sich beispielsweise um einen Rollenherd. Ein Werkstück 20 ist dazu in Fig. 1 beispielhaft als gewölbtes Bauteil dargestellt, das auf den Rollenherd 50 gelegt wird, um im Ofen auf eine vorgegebene Temperatur erwärmt zu werden. Das Fördermittel 50 durchläuft den Ofen mit dem Werkstück, wobei es durch die Eingangsöffnung, die Öffnungen in den Trennwänden und die Ausgangsöffnung verläuft. Das Werkstück kann dabei direkt auf der Fördervorrichtung oder indirekt mit Hilfe von Werkstückträgern transportiert werden.
Die Bewegungsrichtung des Transportmittels mit dem Werkstück ist in Fig. 1 mit einem großen Pfeil gekennzeichnet. Der Schutzgasfluss ist dagegen in Fig. 1 mit kleinen Pfeilen gekennzeichnet und verläuft erfindungsgemäß entgegen der Bewegung der Werkstücke. Dieser Schutzgasfluss wird durch die Führungssysteme im Inneren des Ofens bewirkt. Der gewünschte Gasstrom kann ferner durch eine leichte Schräglage der gesamten Ofenanlage unterstützt werden, bei der das vordere Ende des Ofens höher steht als das hintere Ende. So strömt das wärmere Schutzgasgemisch vom Ende des Ofens nach oben und damit zum vorderen Ende des Ofens. Bei einer Ofenlänge von 20m hat sich beispielsweise eine Erhöhung des vorderen Ofenabschnitts um etwa 5cm als vorteilhaft erwiesen. Der Schutzgasfluss entgegen der Werkstückbewegung kann ferner durch eine Ausrichtung der Einspeisepunkte für das Schutzgas unterstützt werden. Dabei werden die jeweiligen Gasaustritte so justiert, dass es zu einer gerichteten Strömung des austretenden Schutzgases kommt.
Die Geschwindigkeit des Schutzgasflusses ist vorzugsweise höher als die Geschwindigkeit, mit der die Rückdiffusion stattfindet. So ist die Qualität des Schutzgases am Anfang des Ofens zwar am geringsten, dies ist jedoch unschädlich, da sie dort auf Werkstücke mit niedriger Temperatur trifft, die gerade erst in den Ofen eingebracht wurden. Diese Werkstücke stellen einen geringeren Anspruch an die Schutzgasqualität, wohingegen die vollständig erwärmten Werkstücke am Ende des Durchlaufofens eine höhere Schutzgasqualität erfordern und diese insbesondere durch die Führungssysteme innerhalb des Ofens sichergestellt werden kann.
Bei einem zu erwärmenden Werkstück 20 handelt es sich oftmals um ein Blechformteil aus verzinktem Stahlblech. Es können jedoch auch anders geformte Werkstücke aus anderen Metallen erwärmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur Erwärmung von Werkstücken aus Stahlblech für pressgehärtete Karosserieteile im Automobilbau.
Zur Erwärmung des Werkstücks umfasst der Ofen 10 eine Beheizungseinrichtung 60. Die dazu verwendeten Heizelemente befinden sich in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel im oberen Bereich der Ofenkammern, so dass das Werkstück von oben erwärmt wird. Die Heizelemente können jedoch auch unterhalb oder auf beiden Seiten der Werkstücke angeordnet sein. Die Beheizung kann beispielsweise elektrisch über Widerstände oder durch mit Brennstoff betriebene Brenner erfolgen. Nach einer vorgegebenen Verweilzeit in dem Wärmbereich des Ofens ist jedes dort eingebrachte Werkstück auf die vorgegebene Temperatur gebracht, die beispielsweise für einige Stähle 930-980°C beträgt.
Nach einem vorgegebenen Zeitablauf wird jedes Werkstück aus dem Wärmbereich entnommen und kann anschließend in einer Presse sowohl umgeformt als auch gehärtet werden. Das Pressverfahren kann mit dem Fachmann allgemein bekannten Verfahren und Pressen durchgeführt werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Übergabe von dem Ofen an die Presse schnell erfolgt, damit eine unzulässige Oxidation des Zinks in der Umgebungsluft unterbleibt.
Der Ofen umfasst vorzugsweise in jedem Kammerbereich 11, 12, 13 und 14 jeweils einen Einspeisepunkt 31, 32, 33 und 34, um ein Schutzgasgemisch einzuspeisen. Ein Einspeisepunkt umfasst einen Metallkatalysator, der vorzugsweise am tiefsten Punkt des Ofens eingebaut ist. Der Fig. 2 ist dazu schematisch ein Querschnitt durch den Durchlaufofen gemäß Fig. 1 zu entnehmen. Ein Werkstück 20 wird auf einem Fördermittel 50 durch den Ofen 10 transportiert und wird dabei durch oberhalb des Transportmittels angeordnete Beheizungsmittel 60 erwärmt. Der Katalysator 40 eines Einspeisepunktes ist in die Ofenwand 15 eingebaut.
Ein Ausführungsbeispiel für den Einbau eines Katalysators in die Ofenwand zur Erzeugung einer Schutzgasmischung ist in Fig. 3 dargestellt. Es handelt sich vorzugsweise um einen Edelmetallkatalysator, der so in die Ofenwand eingebaut ist, dass er von außen mit Gas gespeist werden kann. Typischerweise ist ein Rohrsystem beispielsweise für Erdgas und Luft angeschlossen, mit dem ein bestimmtes Mischungsverhältnis eingestellt werden kann.
Das Schutzgas wird beispielsweise durch Teilverbrennung von kohlenwasserstoffreichen Brenngasen wie Erdgas oder Propan erzeugt. Die Wärme für diese Verbrennung erzeugt der Spaltungsprozess des Katalysators, wobei der Prozess auf dem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau von etwa 800°C stabil ist. Der Edelmetallkatalysator kann vorzugsweise schon bei Temperaturen ab 700°C Kohlenwasserstoff-Luftgemische in stark reduzierendes Endogas umwandeln und ist gegenüber einem herkömmlichen Nickelkatalysator gesundheitlich unbedenklich. Ferner ist die Lebenserwartung eines Edelmetallkatalysators höher als beispielsweise die eines Nickelkatalysators.
Das entstehende Schutzgas besteht im Wesentlichen aus Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid und anderen Gasen. Um eine reduzierende Atmosphäre sicherzustellen, muss das Verhältnis der Einzelgase unterhalb der Reduktionskurve für Zn/ZnO liegen, welche in Fig. 4 in einem Diagramm gekennzeichnet ist. In dem Diagramm sind die Reduktionskurven für verschiedene Metalle in Abhängigkeit von den Verhältnissen der Partialdrücke der Einzelgase in der Atmosphäre über die Temperatur aufgetragen. Die Lage der Reduktionskurve für Zink ist somit abhängig von der Temperatur des Werkstücks innerhalb des Durchlaufofens. Da die Guttemperatur beim Durchlaufen des Ofens stetig ansteigt, ist auch die optimale Schutzgasmischung über den Ofen veränderlich. Vorzugsweise wird daher in jedem Kammerbereich über einen Einspeisepunkt ein anderes Schutzgasgemisch eingespeist.
Wird ein Werkstück durch einen Durchlaufofen 10 transportiert, nimmt er im Laufe der Erwärmung in den einzelnen Kammerbereichen 11, 12, 13 und 14 beispielsweise die in Fig. 1 gekennzeichneten Temperaturen von 500, 700, 800 und 980°C an. Im letzten Kammerbereich ist das Werkstück daher am wärmsten und hat eine Guttemperatur von etwa 980°C. Bei dieser Glühtemperatur ist aus dem Diagramm in Fig. 4 abzulesen, dass zum oxidfreien Glühen von Zink ein Verhältnis der Partialdrücke H₂/H₂O von über 80 und CO/CO₂ von über 90 erforderlich ist. Soll diese Atmosphäre beispielsweise durch eine partielle Verbrennung von Erdgas mit 90% Methan (CH₄) oder Propan (C₃H₈) mit Luft erfolgen, muss bestimmt werden, bei welchem Luft/Methanverhältnis diese Partialdruckverhältnisse in dem entstehenden Schutzgas eingehalten werden. Diese Bestimmung wird durch das Diagramm in Fig. 5 ermöglicht, in dem Kurven für die Anteile in der Verbrennungsluft von H₂, H₂O, CO und CO₂ in Vol.-% über das Verhältnis von Luft zu Methan im Brennstoffgemisch aufgetragen sind.
Wie in dem Diagramm in Fig. 5 gekennzeichnet, wird ein Partialdruckverhältnis H₂/H₂O von etwa 80 und ein Partialdruckverhältnis CO/CO₂ von etwa 90 in dem erzeugten Gasgemisch beispielsweise bei einem Verhältnis von Luft zu Methan im Brennstoffgemisch von etwa 2,4 erreicht. Dabei werden jeweils die Kurven für feuchte Gase (f) und dampfförmiges H₂O (D) verwendet. In diesem Fall liegen in der Schutzgasatmosphäre etwa 39 Vol.-% H₂ und 0,45 Vol.-% H₂O vor, während etwa 21 Vol.-% CO und 25 Vol.-% Co₂ vorliegen.
Bei einer Guttemperatur von etwa 980°C werden im letzten Bereich 14 des Durchlaufofens somit Erdgas und Luft im Verhältnis von etwa 2,4 in den Edelmetallkatalysator 40 eingeführt und teilweise verbrannt. Da das Werkstück in diesem Bereich die höchste Temperatur einnimmt und hier somit die höchste Gefahr einer unerwünschten Reduktion besteht, wird das optimale Schutzgasgemisch über den Einspeisepunkt 34 in den Bereich eingeleitet, um eine Verzunderung der Zinkschicht zu verhindern. In den vorherigen Kammerbereichen wird für die darin vorliegenden Guttemperaturen ebenfalls die optimale Schutzgasatmosphäre für die Vermeidung einer Reduktion des Zinks auf dem Werkstück bestimmt und das erforderliche Mischungsverhältnis von Luft zu Methan analog bestimmt.
Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das Verhältnis von Luft zu Methan in den Einspeisepunkten 31, 32, 33 und 34 beim Durchlaufen des Werkstücks durch den Ofen zu verringern, um jeweils eine Schutzgasatmosphäre bereitzustellen, die eine Reduktion des Zinks auf dem Werkstück verhindert. Im Bereich von etwa 980°C am Ende des Ofens wird daher das geringste Verhältnis von Luft zu Methan eingestellt. Für die vorderen Bereiche werden an die Schutzgasatmosphäre geringere Ansprüche gestellt, da die Guttemperatur dort tiefer ist. Daher kann dort Schutzgas mit einem höheren Luftanteil eingespeist werden, was zu einer Reduzierung der Brennstoffkosten führt. Es ist jedoch auch möglich, in allen Kammerbereichen des Ofens ein Schutzgasgemisch mit einem Sauerstoffanteil einzuspeisen, wie er eigentlich nur für den letzten Bereich 14 erforderlich ist. Dies erhöht zwar den Kostenaufwand für das Schutzgas, das Risiko einer Verzunderung kann dadurch jedoch noch weiter reduziert werden.
So wird das Schutzgas bedarfsgerecht in den abgetrennten Sektionen 11, 12, 13 und 14 des Durchlaufofens erzeugt und eingespeist. Dabei werden die unterschiedlichen Anforderungen des Metalls und dessen Temperatur berücksichtigt. Ferner wird durch die Einbauten innerhalb des Ofens die Bildung einer Schutzgaswalze verhindert, welche Schutzgas mit zu hohem Sauerstoffanteil in den kritischen hinteren Ofenbereich führen könnte.

Bezugszeichenliste:

10: Durchlaufofen
11,12,13,14: Teilbereich des Durchlaufofens, Kammer, Kammerbereich
15: Ofenwand
20: Werkstück
31,32,33,34: Einspeisepunkt für Schutzgasgemisch
40: Katalysator
50: Fördermittel, Transportmittel, Rollenherd
60: Heizmittel, Beheizungseinrichtung
71,72,73: Führungssystem

Claims

Verfahren zum Erwärmen eines verzinkten Werkstücks (20), bei dem das Werkstück (20) mittels eines Fördermittels (50) durch einen Durchlaufofen (10) geführt und in diesem durch ein Heizmittel (60) erwärmt wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Werkstück (20) mittels eines Fördermittels (50) durch mehrere aufeinander folgende Kammerbereiche (11;12;13;14) des Durchlaufofens geführt wird und in den mehreren Kammerbereichen (11;12;13;14) des Durchlaufofens über jeweilige Einspeisepunkte (31;32;33;34) ein Schutzgasgemisch eingespeist wird, dessen Gesamtstrom entgegen der Durchlaufrichtung des Werkstücks (20) durch den Durchlaufofen strömt, wobei durch Führungssysteme (71;72;73) zwischen den Kammerbereichen (11;12;13;14) eine Konvektionswalze von Schutzgas durch den gesamten Durchlaufofen verhindert wird.
Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Zusammensetzungen der über die jeweiligen Einspeisepunkte (31;32;33;34) eingeführten Schutzgasgemische in den Kammerbereichen (11;12;13;14) unterscheiden, wobei das im letzten Kammerbereich (14) eingespeiste Schutzgasgemisch den geringsten Sauerstoffanteil aufweist.
Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Schutzgasgemisch durch Teilverbrennung eines Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisches in einem Edelmetallkatalysator (40) in der Ofenwand (15) des Durchlaufofens (10) erzeugt wird, wobei die für die Teilverbrennung erforderliche Wärme durch den Spaltungsprozess im Katalysator (40) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Teilverbrennung im Edelmetallkatalysator (40) bei Temperaturen ab etwa 700°C erfolgt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das die Zusammensetzung eines in einem Bereich (11;12;13;14) des Durchlaufofens (10) eingespeisten Schutzgasgemisches in Abhängigkeit von der Temperatur des Werkstücks (20) in dem jeweiligen Bereich (11;12;13;14) so gewählt wird, dass eine Verzinkung des Werkstücks (20) nicht oxidiert.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Flussgeschwindigkeit des Schutzgasgemisches durch den Ofen (10) höher ist als die Rückdiffusionsgeschwindigkeit.
Verfahren zum Presshärten eines Werkstücks in einer Presse,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Werkstück vor der Einbringung in die Presse mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 erwärmt wurde.
Durchlaufofen zum Erwärmen eines verzinkten Werkstücks (20), umfassend ein Fördermittel (50) zum Führen des Werkstücks (20) durch den Durchlaufofen (10) und ein Heizmittel (60) zum Erwärmen des Werkstücks beim Durchlaufen des Ofens (10),
dadurch gekennzeichnet,
dass der Durchlaufofen (10) mehrere Kammerbereiche (11;12;13;14) umfasst, durch die das Werkstück (20) mittels des Fördermittels (50) geführt werden kann, wobei in jedem der Kammerbereiche (11;12;13;14) wenigstens ein Einspeisepunkt (31;32;33;34) zur Einspeisung eines Schutzgasgemisches vorgesehen ist, und dass zwischen den Kammerbereichen (11;12;13;14) Führungssysteme (71;72;73) angeordnet sind, welche Mittel zum Verhindern einer Konvektionswalze aus Schutzgas durch den gesamten Ofen umfassen.
Durchlaufofen nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Zusammensetzungen der über die jeweiligen Einspeisepunkte (31;32;33;34) eingeführten Schutzgasgemische in den Kammerbereichen (11;12;13;14) unterscheiden, wobei das im letzten Kammerbereich (14) eingespeiste Schutzgasgemisch den geringsten Sauerstoffanteil aufweist.
Durchlaufofen nach einem oder beiden der Ansprüche 8 und 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Führungssysteme (71;72;73) Trennwände mit jeweils einer Öffnung sind, durch welche das Fördermittel (50) verläuft.
Durchlaufofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Ofenwand (15) des Durchlaufofens (10) wenigstens ein Edelmetallkatalysator (40) angeordnet ist, der durch Teilverbrennung eines Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisches ein Schutzgas erzeugt, wobei die für die Teilverbrennung erforderliche Wärme durch den Spaltungsprozess im Katalysator (40) erzeugt wird.
Durchlaufofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Geschwindigkeit des Schutzgasstromes durch den Durchlaufofen (10) höher ist als die Rückdiffusionsgeschwindigkeit.
Durchlaufofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ofen thermostatisch auf einer Temperatur haltbar ist, die oberhalb der vorgegebenen Erwärmungstemperatur des Werkstücks (20) liegt.