EP1842931A1 - Verfahren zur Wärmebehandlung - Google Patents

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EP1842931A1
EP1842931A1 EP07006603A EP07006603A EP1842931A1 EP 1842931 A1 EP1842931 A1 EP 1842931A1 EP 07006603 A EP07006603 A EP 07006603A EP 07006603 A EP07006603 A EP 07006603A EP 1842931 A1 EP1842931 A1 EP 1842931A1
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EP
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heat treatment
furnace
atmosphere
injected
propellant gas
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EP07006603A
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Thomas Mahlo
Gerd Waning
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Linde GmbH
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Linde GmbH
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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
    • C21D1/767—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material with forced gas circulation; Reheating thereof
    • 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
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0056—Furnaces through which the charge is moved in a horizontal straight path
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
    • F27B9/00—Furnaces through which the charge is moved mechanically, e.g. of tunnel type; Similar furnaces in which the charge moves by gravity
    • F27B9/30—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types
    • F27B9/3005—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types arrangements for circulating gases
    • F27B9/3011—Details, accessories, or equipment peculiar to furnaces of these types arrangements for circulating gases arrangements for circulating gases transversally
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D7/00—Forming, maintaining, or circulating atmospheres in heating chambers
    • F27D7/02—Supplying steam, vapour, gases, or liquids

Definitions

  • the invention relates to a method for heat treatment of workpieces in a heat treatment furnace, wherein a propellant gas is injected directly into the heat treatment furnace by means of at least one motive nozzle and the treatment atmosphere is circulated in the heat treatment furnace.
  • the treatment atmosphere is circulated by fans to improve the homogeneity of the atmosphere within the furnace. Furthermore, it should be achieved by a faster mass transfer between the furnace atmosphere and the heat treatment. Without circulation of the treatment atmosphere, large inhomogeneities would occur in the treatment atmosphere.
  • a continuous furnace in which by blowing the treatment gas into the cooling section of the continuous furnace a defined gas flow in or against the passage direction of the material to be treated, ie parallel to the longitudinal direction of the furnace is generated.
  • the gas flow is preferably oriented so that the advance of false air at critical points is prevented as possible.
  • Object of the present invention is therefore to provide a method for heat treatment, which avoids the problems associated with the circulation of the treatment atmosphere by fans as possible.
  • This object is achieved by a method of the type mentioned above, wherein the workpieces at a temperature of more than 600 ° C, preferably more than 750 ° C, are heat treated in the treatment atmosphere and that the propellant gas is injected into the heat treatment furnace that the Treatment atmosphere is circulated substantially by the injected propellant gas and inhomogeneities in the treatment atmosphere can be reduced, and that are provided in the heat treatment furnace no means for guiding the treatment atmosphere to the motive nozzle.
  • the EP 0 355 520 B1 is, as described above, proposed to improve the heat transfer in the cooling section of a continuous furnace, characterized in that in the cooling section by blowing a treatment gas, a directed gas flow is generated.
  • the workpieces are cooled, for example, from temperatures of about 300 ° C to about 100 ° C. At temperatures below 600 ° C, the convective portion predominates during heat transfer.
  • Proposed process control is enhanced convection and thus achieved an improved cooling.
  • the present invention is directed to the heat treatment of workpieces at temperatures above 600 ° C., preferably above 750 ° C. In these temperature ranges, the heat transfer takes place essentially by radiation. The convection contributes only insignificantly to the improvement of the actual heat transfer.
  • the invention is based on the finding that, under the aspect of mass transfer - ie the thermochemical interaction between the treatment atmosphere and the workpieces - a circulation of the treatment atmosphere, on the other hand, certainly brings advantages.
  • propellant gas is injected into the heat treatment furnace.
  • the Einstrahlorte and the irradiation directions of the various propellant jets are chosen so that the best possible circulation of the treatment atmosphere takes place in the heat treatment furnace.
  • additional measures for circulating the treatment atmosphere can essentially be dispensed with.
  • the propellant is injected according to the invention directly into the heat treatment furnace.
  • the propellant nozzle for feeding the propellant gas are arranged in the side walls or in the roof or the ceiling of the heat treatment furnace and the propellant gas is irradiated directly into the furnace interior.
  • the outlet opening of the motive nozzle ends directly in the heat treatment furnace.
  • the propellant gas is not injected into pipes or pipe sections in which a negative pressure is to be generated in order to suck in treatment atmosphere into the pipe sections according to the water jet pump principle and thereby to achieve a circulation of the treatment atmosphere.
  • the atmosphere in the heat treatment furnace is circulated only by the injected propellant gas.
  • the atmosphere in the heat treatment furnace is circulated only by the injected propellant gas.
  • fans as they are previously used for this purpose, can be dispensed with.
  • the invention thus represents a largely maintenance-free replacement for the previously conventional fan systems.
  • the maintenance and repair costs can be significantly reduced.
  • the propellant gas is injected substantially transversely to the longitudinal direction of the heat treatment furnace.
  • the initially mentioned method according to the EP 0 355 520 B1 is only applicable in the cooling zone of the continuous furnace, but not in the actual furnace chamber.
  • the cooling zone is relatively long, but has only a very small transverse extent, so that a longitudinal flow can be well produced.
  • the furnace or treatment room in which the actual heat treatment takes place is much higher and has numerous installations.
  • the atmosphere in the treatment room has a different composition, in particular a higher viscosity. Because of these factors, it would be difficult to do with the method according to the EP 0 355 520 B1 cause a defined longitudinal flow in the treatment room. Circulation of the atmosphere and reduction or elimination of inhomogeneities in the treatment atmosphere is not achieved in any case by the orientation of the gas flow proposed in this document.
  • the propellant gas is injected transversely to the furnace longitudinal direction, ie in a continuous furnace transverse to the direction of passage of the workpieces to be treated.
  • the angle between the injection direction of the propellant gas and the furnace longitudinal direction is more than 45 °, more preferably more than 60 °, most preferably more than 80 °.
  • the propellant is injected at high speed, preferably at a rate of more than 50 m / s, more preferably more than the speed of sound, in the heat treatment furnace. Due to the high exit velocity of the propellant gas surrounding the propellant nozzle and the propellant gas atmosphere is entrained and achieved the desired increased circulation and thus elimination of inhomogeneities in the treatment atmosphere.
  • the motive nozzle is designed so that the ratio of injected propellant gas amount to entrained gas amount is as large as possible, preferably between 1 to 10 and 1 to 60.
  • the propellant gas is particularly preferably injected into the heat treatment furnace such that the ratio of the volumes of circulated treatment atmosphere to the propellant gas introduced is greater than 20, particularly preferably greater than 25.
  • the ratio of the volumes of circulated treatment atmosphere to the propellant gas introduced is greater than 20, particularly preferably greater than 25.
  • the propellant is injected at a pressure between 2 and 20 bar, preferably between 2 and 10 bar in the heat treatment furnace. It has been shown that the choice of high pressures also a more uniform distribution of the treatment atmosphere is achieved.
  • Nitrogen has the advantage that, in most treatment atmospheres, it always occurs or has to be added as an inert constituent. The free nitrogen pressure in these cases is used to move the treatment atmosphere.
  • a heat treatment furnace usually has different furnace zones, for example an inlet zone, the actual treatment room in which the material to be treated is exposed under defined conditions to a defined atmosphere, and a cooling and outlet zone.
  • the invention is particularly suitable for circulating the atmosphere in the treatment room of a heat treatment furnace.
  • the invention can be used with advantage in various types of heat treatment furnaces, in particular for the heat treatment of metallic workpieces.
  • a preferred area of application is the defined thermochemical interaction between the furnace atmosphere and the workpieces or the workpiece surface at temperatures above 600 ° C.
  • the use of the invention in a roller hearth furnace has shown that the supplied reaction gases are better utilized and, in particular when changing the composition of the treatment atmosphere, the conversion of the atmosphere takes place faster.
  • higher carbon levels are achieved, the soot formation, in particular the soot accumulation in the form of soot flakes on the workpiece surface, is reduced and the carbon transfer to the workpiece surface is improved.
  • the greater mixing of the atmosphere improves the correlation between the measured carbon level and the actual carbonization effect on the workpieces.
  • drawing agent residues burn better in the front area of the roller hearth furnace.
  • the invention brings advantages.
  • the speed of the retort could be increased and the metered amount per charging process increased, so that the throughput through the rotary kiln could be increased.
  • the process is easy to implement, so existing ovens can be converted quickly.
  • the propellant gas nozzles are arranged so that the propellant jets ejected from them influence each other so that the atmosphere is circulated as well as possible.
  • hydrocarbon carrier preferably in liquid form
  • the hydrocarbon carrier can be injected together with the carrier gas or fed via separate nozzles.
  • the hydrocarbon carrier is injected under high pressure of more than 50 bar, preferably more than 100 bar, in the heat treatment furnace. Due to the high pressure, the hydrocarbon carrier atomizes after injection and is finely dispersed in the furnace atmosphere. The improved mixing of the hydrocarbon carrier with the atmosphere significantly reduces soot formation.
  • the injection of the hydrocarbon carrier under high pressure makes it possible to use liquid-phase atmospheric-forming hydrocarbons.
  • high pressures of more than 200 bar and / or pulsed introduction are advantageous. Both measures achieve an improved momentum effect on the surrounding atmosphere.
  • the invention thus also allows the use of higher-value hydrocarbons.
  • gaseous hydrocarbon carriers are fed to the heat treatment furnace under low pressure and distributed by means of a propellant gas in the furnace chamber.
  • the hydrocarbon carrier is supplied to the intake region of a propellant nozzle so that it is entrained and swirled by the propellant injected under high pressure and at high speed.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken in einem Wärmebehandlungsofen, wobei die Behandlungsatmosphäre in dem Wärmebehandlungsofen umgewälzt wird. Erfindungsgemäß wird ein Treibgas so in den Wärmebehandlungsofen eingedüst, dass die Behandlungsatmosphäre im Wesentlichen durch das eingedüste Treibgas umgewälzt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken in einem Wärmebehandlungsofen, wobei ein Treibgas mittels mindestens einer Treibdüse direkt in den Wärmebehandlungsofen eingedüst wird und die Behandlungsatmosphäre in dem Wärmebehandlungsofen umgewälzt wird.
  • In vielen Wärmebehandlungsöfen wird die Behandlungsatmosphäre mit Ventilatoren umgewälzt, um die Homogenität der Atmosphäre innerhalb der Ofenanlage zu verbessern. Desweiteren soll dadurch ein rascherer Stoffaustausch zwischen der Ofenatmosphäre und dem Wärmebehandlungsgut erreicht werden. Ohne Umwälzung der Behandlungsatmosphäre würden sich große Inhomogenitäten in der Behandlungsatmosphäre einstellen.
  • Betrieb, Wartung und Instandhaltung dieser Ventilatorensysteme verursachen beim Betreiber der Ofenanlage oftmals erhebliche Kosten. Auch können durch Unwuchten an den Ventilatoren in dem Wärmebehandlungsofen Vibrationen hervorgerufen werden, die die Ofenkonstruktion, beispielsweise Muffeln, Retorten, Heizelemente oder die Ausmauerung, schädigen können.
  • Aus der EP 0 355 520 B1 ist ein Durchlaufofen bekannt, bei dem durch Einblasen des Behandlungsgases in die Kühlstrecke des Durchlaufofens eine definierte Gasströmung in oder gegen die Durchlaufrichtung des Behandlungsgutes, d.h. parallel zur Längsrichtung des Ofens, erzeugt wird. Die Gasströmung wird dabei vorzugsweise so ausgerichtet, dass das Vordringen von Falschluft an kritische Stellen möglichst verhindert wird.
  • Durch diese bekannte Verfahrensweise wird zwar eine Hauptströmungsrichtung im Ofen hervorgerufen, allerdings keine Umwälzung der Atmosphäre in sich. Das heißt, die Homogenität der Atmosphäre im Ofeninneren wird nicht erhöht. Im Gegenteil, die Gasströmung erzeugt im Ofen gezielt ein Konzentrationsgefälle.
  • Aufgabe vorliegender Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Wärmebehandlung aufzuzeigen, welches die mit der Umwälzung der Behandlungsatmosphäre durch Ventilatoren verbundenen Probleme möglichst vermeidet.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei die Werkstücke bei einer Temperatur von mehr als 600 °C, bevorzugt mehr als 750 °C, in der Behandlungsatmosphäre wärmebehandelt werden und dass das Treibgas so in den Wärmebehandlungsofen eingedüst wird, dass die Behandlungsatmosphäre im Wesentlichen durch das eingedüste Treibgas umgewälzt wird und Inhomogenitäten in der Behandlungsatmosphäre verringert werden,und dass in dem Wärmebehandlungsofen keine Vorrichtungen zur Führung der Behandlungsatmosphäre zu der Treibdüse vorgesehen sind.
  • In der EP 0 355 520 B1 wird, wie eingangs beschrieben, vorgeschlagen, die Wärmeübertragung in der Kühlstrecke eines Durchlaufofens dadurch zu verbessern, dass in der Kühlstrecke durch Einblasen eines Behandlungsgases eine gerichtete Gasströmung erzeugt wird. Dabei werden die Werkstücke beispielsweise von Temperaturen um etwa 300 °C auf etwa 100 °C abgekühlt. Bei Temperaturen unter 600°C überwiegt bei der Wärmeübertragung der konvektive Anteil. Durch die in der EP 0 355 520 B1 vorgeschlagene Verfahrensführung wird die Konvektion verstärkt und so eine verbesserte Abkühlung erreicht.
  • Die vorliegende Erfindung ist dagegen auf die Wärmebehandlung von Werkstücken bei Temperaturen oberhalb von 600 °C, bevorzugt oberhalb 750 °C, gerichtet. In diesen Temperaturbereichen erfolgt die Wärmeübertragung im Wesentlichen durch Strahlung. Die Konvektion trägt nur unwesentlich zur Verbesserung der eigentlichen Wärmeübertragung bei.
  • Unter Wärmeübertragungsgesichtspunkten ist daher eine verstärkte Umwälzung der Behandlungsatmosphäre nicht erforderlich. Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, dass unter dem Aspekt der Stoffübertragung - also der thermochemischen Interaktion zwischen der Behandlungsatmosphäre und den Werkstücken - eine Umwälzung der Behandlungsatmosphäre dagegen durchaus Vorteile bringt.
  • Mittels Hochgeschwindigkeitseindüsung eines Treibgases kann eine intensive Umwälzung der Behandlungsatmosphäre und eine verbesserte Vermischung aller Komponenten der Behandlungsatmosphäre erzielt werden. Die verschiedenen reaktionsbereiten Medien in der Behandlungsatmosphäre können so schneller ihre Reaktionspartner finden und die Wärmebehandlung läuft schneller und gleichmäßiger ab. Durch die erfindungsgemäße Erhöhung der Geschwindigkeit der Behandlungsatmosphäre an der Werkstückoberfläche wird die Intensität des Stoffaustausches verstärkt.
  • Erfindungsgemäß wird in den Wärmebehandlungsofen Treibgas eingestrahlt. Die Einstrahlorte und die Einstrahlrichtungen der verschiedenen Treibgasstrahlen werden so gewählt, dass eine möglichst gute Umwälzung der Behandlungsatmosphäre in dem Wärmebehandlungsofen stattfindet. Bei geeigneter Anordnung der für die Einstrahlung des Treibgases vorgesehenen Treibgasdüsen kann auf zusätzliche Maßnahmen zur Umwälzung der Behandlungsatmosphäre im Wesentlichen verzichtet werden.
  • Das Treibgas wird erfindungsgemäß direkt in den Wärmebehandlungsofen eingedüst. Die Treibdüse zur Einspeisung des Treibgases sind in den Seitenwänden oder im Dach bzw. der Decke des Wärmebehandlungsofens angeordnet und das Treibgas wird direkt in das Ofeninnere eingestrahlt. Die Austrittsöffnung der Treibdüse endet direkt im Wärmebehandlungsofen. Zur Umrüstung eines bestehenden Ofens sind nur die Treibdüsen an geeigneten Stellen in den Wänden bzw. der Decke des Ofens anzubringen und mit dem Treibgas zu beaufschlagen.
  • Im Ofeninneren sind keine Einbauten oder Vorrichtungen zur Zwangsführung der Behandlungsatmosphäre in Richtung der Treibdüse(n) vorgesehen. Insbesondere wird das Treibgas nicht in Rohre oder Rohrstücke eingedüst, in denen ein Unterdruck erzeugt werden soll, um nach dem Wasserstrahlpumpen-Prinzip Behandlungsatmosphäre in die Rohrstücke einzusaugen und dadurch eine Umwälzung der Behandlungsatmosphäre zu erzielen.
  • Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass durch Eindüsung des Treibgases mit hoher Geschwindigkeit ein Strömungsprofil erzeugt werden kann, welches große Mengen an Behandlungsatmosphäre ansaugt, mitreißt und umwälzt. Es ist daher erfindungsgemäß nicht notwendig, aufwändige Installationen in dem Wärmebehandlungsofen vorzusehen. Bereits bestehende Wärmebehandlungsöfen können daher auf einfache Weise auf das erfindungsgemäße Verfahren umgestellt werden.
  • Vorzugsweise wird die Atmosphäre in dem Wärmebehandlungsofen nur durch das eingedüste Treibgas umgewälzt. Auf Ventilatoren, wie sie bisher zu diesem Zweck eingesetzt werden, kann verzichtet werden. Die Erfindung stellt damit einen weitgehend wartungsfreien Ersatz für die bisher üblichen Ventilatorsysteme dar. Die Wartungs- und Instandhaltungskosten können wesentlich abgesenkt werden.
  • Von Vorteil wird das Treibgas im Wesentlichen quer zur Längsrichtung des Wärmebehandlungsofens eingedüst. Das eingangs erwähnte Verfahren gemäß der EP 0 355 520 B1 ist nur in der Kühlzone des Durchlaufofens, dagegen nicht im eigentlichen Ofenraum anwendbar. Die Kühlzone ist relativ lang, hat aber nur eine sehr geringe Querausdehnung, so dass eine Längsströmung gut erzeugt werden kann. Der Ofen- oder Behandlungsraum, in dem die eigentliche Wärmebehandlung stattfindet, ist dagegen wesentlich höher und besitzt zahlreiche Einbauten. Zudem hat die Atmosphäre im Behandlungsraum eine andere Zusammensetzung, insbesondere eine höhere Viskosität. Aufgrund dieser Faktoren wäre es nur schwer möglich, mit dem Verfahren gemäß der EP 0 355 520 B1 im Behandlungsraum eine definierte Längsströmung hervorzurufen. Eine Umwälzung der Atmosphäre und Verringerung bzw. Beseitigung von Inhomogenitäten in der Behandlungsatmosphäre wird durch die in diesem Dokument vorgeschlagene Ausrichtung der Gasströmung ohnehin nicht erreicht.
  • Von Vorteil wird daher das Treibgas quer zur Ofenlängsrichtung, d.h. bei einem Durchlaufofen quer zur Durchlaufrichtung der zu behandelnden Werkstücke, eingedüst. Bevorzugt beträgt der Winkel zwischen der Eindüsrichtung des Treibgases und der Ofenlängsrichtung mehr als 45°, besonders bevorzugt mehr als 60°, ganz besonders bevorzugt mehr als 80°. Auf diese Weise werden Atmosphärenumwälzungen hervorgerufen, die sich nicht über den gesamten Innenraum des Wärmebehandlungsofens erstrecken, sondern auf bestimmte Teilbereiche beschränkt sind. In diesen Teilbereichen wird eine weitgehend homogene Atmosphäre erzeugt und, aufgrund der Umwälzung, die Wechselwirkung zwischen dem Behandlungsgut und der Atmosphäre verstärkt.
  • Es hat sich gezeigt, dass auch bei Winkeln zwischen 15 und 40°, bevorzugt zwischen 20 und 35°, besonders bevorzugt zwischen 25 und 30°, bei geeigneter Anordnung der Treibdüsen eine gute Umwälzung der Ofenatmosphäre erzielt werden kann.
  • Von Vorteil wird das Treibgas mit hoher Geschwindigkeit, bevorzugt mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50 m/s, besonders bevorzugt mehr als Schallgeschwindigkeit, in den Wärmebehandlungsofen eingedüst. Durch die hohe Austrittsgeschwindigkeit des Treibgases wird die die Treibgasdüse und den Treibgasstrahl umgebende Atmosphäre mitgerissen und die gewünschte verstärkte Umwälzung und damit Beseitigung von Inhomogenitäten in der Behandlungsatmosphäre erzielt.
  • Vorzugsweise wird die Treibdüse so ausgelegt, dass das Verhältnis von eingedüster Treibgasmenge zu mitgerissener Gasmenge möglichst groß wird, vorzugsweise zwischen 1 zu 10 und 1 zu 60 liegt. Besonders bevorzugt wird das Treibgas so in den Wärmebehandlungsofen eingedüst, dass das Verhältnis der Volumina von umgewälzter Behandlungsatmosphäre zu eingebrachtem Treibgas größer als 20, besonders bevorzugt größer als 25 ist. So lassen sich beispielsweise bei einem Rollenherdofen mitttels nur vier erfindungsgemäßen Treibdüsen, die jeweils 10 Nm3/h Treibgas beaufschlagt werden, mehr als 1000 m3/h Behandlungsatmosphäre umwälzen.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Treibgas mit einem Druck zwischen 2 und 20 bar, bevorzugt zwischen 2 und 10 bar in den Wärmebehandlungsofen eingedüst. Es hat sich gezeigt, dass durch die Wahl hoher Drücke ebenfalls eine gleichmäßigere Verteilung der Behandlungsatmosphäre erreicht wird.
  • Ebenso hat sich eine gepulste Einbringung des Treibgases bewährt.
  • Als Treibgas wird von Vorteil gasförmiger Stickstoff verwendet. Stickstoff hat den Vorteil, dass dieser in den meisten Behandlungsatmosphären ohnehin als inerter Bestandteil vorkommt oder zugeführt werden muss. Der in diesen Fällen kostenfrei vorliegende Stickstoffdruck wird zur Bewegung der Behandlungsatmosphäre genutzt.
  • Grundsätzlich ist es aber auch möglich, Luft als Treibgas einzudüsen. Hierbei ist darauf zu achten, dass die eingedüste Luftmenge in einem sinnvollen Verhältnis zur Gesamtmenge an Schutzgas sowie den anderen zugeführten Medien, beispielsweise Kohlenwasserstoffen, steht.
  • Ein Wärmebehandlungsofen weist in der Regel verschiedene Ofenzonen auf, beispielsweise eine Einlaufzone, den eigentlichen Behandlungsraum, in dem das Behandlungsgut unter definierten Bedingungen einer definierten Atmosphäre ausgesetzt wird, und eine Kühl- und Auslaufzone. Die Erfindung eignet sich insbesondere, um die Atmosphäre im Behandlungsraum eines Wärmebehandlungsofens umzuwälzen.
  • Die Erfindung kann mit Vorteil in unterschiedlichsten Arten von Wärmebehandlungsöfen, insbesondere zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, eingesetzt werden. Vorzugsweiser Einsatzbereich ist die definierte thermochemische Interaktion zwischen der Ofenatmosphäre und den Werkstücken bzw. der Werkstückoberfläche bei Temperaturen oberhalb von 600 °C.
  • Der Einsatz der Erfindung in einem Rollenherdofen hat gezeigt, dass die zugeführten Reaktionsgase besser ausgenutzt werden und insbesondere bei einem Wechsel der Zusammensetzung der Behandlungsatmosphäre die Umstellung der Atmosphäre schneller erfolgt. Erfindungsgemäß werden höhere Kohlenstoffpegel erreicht, die Rußbildung, insbesondere der Rußanfall in Form von Rußflocken auf der Werkstückoberfläche, wird reduziert und die Kohlenstoffübertragung an der Werkstückoberfläche verbessert. Durch die stärkere Vermischung der Atmosphäre wird die Korrelation zwischen dem gemessenen Kohlenstoffpegel und der tatsächlichen Kohlungswirkung an den Werkstücken verbessert. Zudem hat sich gezeigt, dass Ziehmittelrückstände im vorderen Bereich des Rollenherdofens besser abbrennen.
  • Ferner wurden Versuche an einem Topfofen durchgeführt. Hierzu wurde eine Charge an Werkstücken zum Vergleich in einem Topfofen mit herkömmlichem Ventilator bei 930 °C, eine zweite Charge mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Treibgaseindüsung behandelt. Der Topfofeninnenraum hatte eine Größe von etwa 900 mm Durchmesser und eine Höhe von 2000 mm. Die Treibdüsen wurden im oberen Bereich des Topfofens in Umfangsrichtung orientiert angeordnet und zur Horizontalen geneigt.
  • Der Vergleich der Versuche am Topfofen ergab, dass die Geschwindigkeit der Behandlungsatmosphäre bei Verwendung der erfindungsgemäßen Treibgasinjektion gleichmäßiger ist als bei Verwendung des Ventilators. Die Rußbildung wurde erfindungsgemäß wesentlich reduziert. Die Aufkohlung erfolgte gleichmäßiger.
  • Auch in Drehrohröfen bringt die Erfindung Vorteile. So konnte in Versuchen die Retortendrehzahl angehoben und die Dosiermenge pro Chargiervorgang erhöht werden, so dass der Durchsatz durch den Drehrohrofen gesteigert werden konnte. Das Verfahren ist einfach zu implementieren, so dass bestehende Öfen schnell umgerüstet werden können.
  • Vorzugsweise werden die Treibgasdüsen so angeordnet, dass sich die von diesen ausgestoßenen Treibgasstrahlen gegenseitig so beeinflussen, dass die Atmosphäre möglichst gut umgewälzt wird.
  • Es hat sich weiter als günstig erwiesen, zusätzlich einen Kohlenwasserstoffträger, bevorzugt in flüssiger Form, in den Wärmebehandlungsofen einzudüsen. Der Kohlenwasserstoffträger kann gemeinsam mit dem Trägergas eingedüst oder über separate Düsen zugeführt werden.
  • Vorzugsweise wird der Kohlenwasserstoffträger unter hohem Druck von mehr als 50 bar, bevorzugt mehr als 100 bar, in den Wärmebehandlungsofen eingedüst. Aufgrund des hohen Drucks zerstäubt der Kohlenwasserstoffträger nach dem Eindüsen und wird in der Ofenatmosphäre fein verteilt. Durch die verbesserte Vermischung des Kohlenwasserstoffträgers mit der Atmosphäre wird die Russbildung deutlich verringert.
  • Das Eindüsen des Kohlenwasserstoffträgers unter hohem Druck erlaubt es, flüssigphasige atmosphärenbildende Kohlenwasserstoffe einzusetzen. Hierbei sind insbesondere hohe Drücke von mehr als 200 bar und/oder ein gepulstes Einbringen von Vorteil. Durch beide Maßnahmen wird eine verbesserte Impulswirkung auf die umgebende Atmosphäre erreicht. Die Erfindung ermöglicht damit auch den Einsatz von höherwertigen Kohlenwasserstoffen.
  • Insbesondere gasförmige Kohlenwasserstoffträger werden dem Wärmebehandlungsofen unter niedrigem Druck zugeführt und mittels eines Treibgases im Ofenraum verteilt. Hierzu wird der Kohlenwasserstoffträger so im Einsaugbereich einer Treibgasdüse zugeführt, dass dieser von dem unter hohem Druck und mit hoher Geschwindigkeit eingedüsten Treibgas mitgerissen und verwirbelt wird.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Wärmebehandlung von Werkstücken in einem Wärmebehandlungsofen, wobei ein Treibgas mittels mindestens einer Treibdüse direkt in den Wärmebehandlungsofen eingedüst wird und die Behandlungsatmosphäre in dem Wärmebehandlungsofen umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke bei einer Temperatur von mehr als 600 °C, bevorzugt mehr als 750 °C, in der Behandlungsatmosphäre wärmebehandelt werden und dass das Treibgas so in den Wärmebehandlungsofen eingedüst wird, dass die Behandlungsatmosphäre im Wesentlichen durch das eingedüste Treibgas umgewälzt wird und Inhomogenitäten in der Behandlungsatmosphäre verringert werden, und dass in dem Wärmebehandlungsofen keine Vorrichtungen zur Führung der Behandlungsatmosphäre zu der Treibdüse vorgesehen sind.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlungsatmosphäre nur durch das eingedüste Treibgas umgewälzt wird.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibgas im Wesentlichen quer zur Längsrichtung des Wärmebehandlungsofens eingedüst wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibgas mit einer Geschwindigkeit von mehr als 50 m/s, bevorzugt mehr als Schallgeschwindigkeit, in den Wärmebehandlungsofen eingedüst wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibgas mit einem Druck zwischen 2 und 20 bar, vorzugsweise zwischen 2 und 10 bar, in den Wärmebehandlungsofen eingedüst wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibgas gepulst in den Wärmebehandlungsofen eingedüst wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Stickstoff als Treibgas in den Wärmebehandlungsofen eingedüst wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Kohlenwasserstoffträger, bevorzugt in gasförmiger oder flüssiger Form, in den Wärmebehandlungsofen eingedüst wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibgas so in den Wärmebehandlungsofen eingedüst wird, dass das Verhältnis der Volumina von umgewälzter Behandlungsatmosphäre zu eingebrachtem Treibgas größer als 10, bevorzugt größer als 20, besonders bevorzugt größer als 25 ist.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke in einem Rollenherdofen wärmebehandelt werden.
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