EP2796570A1 - Verfahren zur Regelung einer Taupunkttemperatur eines Wärmebehandlungsofens - Google Patents

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EP2796570A1
EP2796570A1 EP13002194.2A EP13002194A EP2796570A1 EP 2796570 A1 EP2796570 A1 EP 2796570A1 EP 13002194 A EP13002194 A EP 13002194A EP 2796570 A1 EP2796570 A1 EP 2796570A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
heat treatment
treatment furnace
dew point
point temperature
nitrogen
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13002194.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Matthias Bors
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Priority to EP13002194.2A priority Critical patent/EP2796570A1/de
Priority to PCT/EP2014/000892 priority patent/WO2014173494A1/de
Publication of EP2796570A1 publication Critical patent/EP2796570A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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
    • C21D1/76—Adjusting the composition of the atmosphere
    • 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
    • C21D9/46—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for sheet metals
    • 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
    • C21D11/00—Process control or regulation for heat treatments

Definitions

  • the invention relates to a method for controlling a dew point temperature of a heat treatment furnace for a heat treatment of workpieces and a heat treatment furnace for a heat treatment of workpieces.
  • certain material properties can be generated by exposing the workpieces to certain temperatures or temperature gradients.
  • Methods of heat treatment for example, the annealing, curing or tempering, with which the structure of a metal, so the arrangement of the crystallites contained, can be selectively influenced. Properties such as hardness, toughness, cold workability or microstructure homogeneity of the workpieces can be planned in this way.
  • the components of UHS steel can be austenitized in heat treatment plants and then formed in a press and simultaneously cooled and hardened. Components with a strength ⁇ 1450MPa can be manufactured in this way.
  • the object which now arises to those skilled in the art is to provide a way to prevent the formation of hydrogen in heat treatment furnaces and associated damage to workpieces manufactured in the heat treatment furnaces.
  • This object is achieved by an inventive method for controlling a dew point temperature of a heat treatment furnace for a heat treatment of workpieces and by a heat treatment furnace according to the invention for a heat treatment of workpieces according to the independent claims.
  • nitrogen and air are supplied to the heat treatment furnace, thereby producing a nitrogen-air atmosphere in the heat treatment furnace.
  • the amount of nitrogen supplied is determined based on an actual value of the dew point temperature determined in the heat treatment furnace.
  • the actual value of the dew point temperature is controlled by this specific amount of nitrogen supplied to a desired value.
  • the target value of the dew point temperature is expediently chosen such that no or hardly formation of hydrogen can occur.
  • the invention is suitable for all types of heat treatment furnaces or heat treatment systems.
  • the heat treatment furnace can be designed as a rotary drum furnace, a roller hearth furnace or a chamber furnace.
  • the invention is based on the finding that an atmosphere of a heat treatment furnace made of nitrogen and air has particular advantages.
  • said atmospheric composition has significant advantages over a pure nitrogen atmosphere.
  • a pure nitrogen atmosphere in a heat treatment furnace can prevent formation of hydrogen and thus the uptake of hydrogen into the workpieces and damage to the workpieces
  • a nitrogen atmosphere favors the formation of a fine silicon nitride layer on the fabricated workpieces, which in turn leads to increased wear of tools used to machine the finished workpieces (for example, in the forming of heat-treated sheets).
  • the use according to the invention of a nitrogen-air atmosphere for regulating the dew point temperature of the heat treatment furnace prevents or at least reduces the formation of hydrogen in the heat treatment furnace and thus damage to finished workpieces.
  • the reduced nitrogen content in the atmosphere of the heat treatment furnace compared to the pure nitrogen atmosphere reduces the reaction of the nitrogen with the workpieces, thereby preventing, or at least preventing, the formation of a silicon nitride layer on the workpieces and thus the associated increased wear of tools for machining the workpieces is reduced.
  • the inventive supply of the specific amount of nitrogen, the ratio of the nitrogen-air atmosphere is changed in dependence on the actual value of the dew point temperature.
  • the dew point temperature in the heat treatment furnace can accordingly be adjusted flexibly and reliably.
  • the invention is furthermore particularly suitable as a measure for a so-called Flue Gas Management System for reducing exhaust-induced water fractions in heat treatment furnaces.
  • dried air is supplied to the heat treatment furnace.
  • only the dried air or a mixture of (ambient) air and dried air can be supplied to the heat treatment furnace. Due to the reduced proportion of water in dried air, the formation of hydrogen from the air in the heat treatment furnace can be further prevented.
  • the heat treatment furnace preferably has at least one chamber or zone.
  • chambers can be physically separated units of the heat treatment furnace.
  • zones may also be formed as different regions within a chamber which have no fixed boundary to each other.
  • different temperatures prevail in the different chambers or zones and, in particular, different process steps of the heat treatment of the workpieces take place. Accordingly, different dewpoint temperatures can prevail in the different chambers or zones.
  • the regulation according to the invention of the dew point temperature is carried out for the at least one chamber or zone.
  • the inventive control of Dew point temperature can be performed over the entire heat treatment furnace as a zone or the heat treatment furnace can be divided into several zones, for each of which the control of the dew-point temperature according to the invention is carried out separately.
  • the regulation according to the invention of the dew-point temperature for each chamber or zone is carried out individually and independently of one another.
  • the dew point temperature of each chamber or zone can be suitably regulated to a separate, individual desired value.
  • the amount of nitrogen introduced is determined on the basis of the actual value of the dew-point temperature detected in the respective chamber or zone and on the basis of the individual setpoint value of the dew-point temperature determined for the respective chamber or zone.
  • an amount of supplied air is determined based on the actual value of the dew point temperature determined in the heat treatment furnace such that the actual value of the dew point temperature is adjusted to the target value by the determined amount of supplied nitrogen and supplied air.
  • Value is regulated.
  • the dew point temperature can thus be regulated even more flexible.
  • the ratio of the nitrogen-air mixture in the heat treatment furnace can thus also be set more flexibly and, if appropriate, adapted to different workpiece materials.
  • An upper limit of the dew-point temperature is preferably determined by the amount of supplied air.
  • a lower limit of the dew-point temperature is preferably determined by the amount of nitrogen supplied. The set target value is then within the range of lower and upper limit.
  • the dew point temperature to target values between -5 ° C and -60 ° C, in particular between -10 ° C and -40 ° C, regulated.
  • the dew point temperature can be controlled by means of the method according to the invention on the one hand to target values less than a minimum possible dew point temperature for a pure air atmosphere of about -10 ° C.
  • the dew point temperature can be controlled to target values greater than a dew point temperature for a pure nitrogen atmosphere of about -60 ° C.
  • the amount of nitrogen is fed to the heat treatment furnace at high speed.
  • a homogeneous nitrogen-air atmosphere can be generated in the heat treatment furnace.
  • the detection of the actual value of the dew point temperature and thus the analysis of the dew point temperature can thus be carried out more reliably and precisely.
  • the dew point temperature in particular, as well as the temperature of the heat treatment furnace can generally be adjusted homogeneously and without significant local variations.
  • a Carbojet process is used to supply the amount of nitrogen.
  • the Carbojet method and associated Carbojet nozzles or Carbojet lances are distributed by the applicant.
  • injection of small amounts of nitrogen at high speeds of up to 250-300 m / s is possible in individual areas of the heat treatment furnace.
  • the accuracy of analyzers as well as homogeneous gas and temperature distribution can be further improved.
  • a Carbojet process see for example the publication DE 10 2008 009 818 A1 directed.
  • the heat treatment furnace is operated by means of at least one premixing fuel gas-oxygen burner, in particular at least one hydrogen-oxygen burner.
  • Premixing fuel gas oxygen burners are characterized by a particularly high heat transfer efficiency.
  • a burner head of the premixing fuel gas oxygen burner while a gas mixture of fuel gas and oxygen is already supplied and not only generated in the corresponding burner head.
  • Premixing burners produce particularly hard flames, which are suitable for melting larger surface areas, which may also have pits or other irregularities.
  • Corresponding burners are also known as so-called Hydropox burners and are sold under this brand name by the applicant. For a detailed description of the Hydropox burner, see, for example, the data sheet "HYDROPOX®. Optimal glass surface treatment with pre-mixing hydrogen / oxygen burners.” referred to the applicant.
  • premixing fuel gas oxygen burner for the heat treatment furnace significantly affects the dew point temperature in the heat treatment furnace.
  • the dew point temperature of a heat treatment furnace with premixing fuel gas-oxygen burner can be controlled simply and reliably.
  • the invention is not limited to the use of premixing fuel gas-oxygen burners, but is also suitable for the use of, for example, external mixing burners.
  • an oxyfuel burner is possible.
  • an oxy-fuel burner does not use air, but rather an oxygen-rich gas, in particular (virtually) pure oxygen as oxidizer.
  • the workpieces are rapidly heated in the heat treatment furnace for the heat treatment.
  • This procedure is known as "Rapid Heating”. Since workpieces for a "rapid heating” process are heated to very high temperatures in a short time, premixing fuel gas oxygen burners, in particular hydropox burners, are suitable for a "rapid heating” process.
  • the rapid heating significantly affects the dew point temperature within the heat treatment furnace. Therefore, the invention is particularly suitable for a "rapid heating” process.
  • locally different material properties are preferably produced by local heat treatment.
  • This procedure is generally known as "tailored properties".
  • certain areas of a workpiece may be press-hardened, and other areas may be formed such that they have ductility and thus can absorb more energy by plastic deformation.
  • Possibilities for the production of "tailored properties”, ie of such locally different properties, can be, for example, a targeted influencing of alloy components of corresponding semi-finished products, a production of so-called “tailored welded blanks", ie blanks which are made of different materials, partial (local) Heating by means of inductive or Conductive heating technologies, a partial temperature control of certain areas of the press hardening tools by local heating, a partial tempering press-hardened components and / or masking of certain component areas to suppress heating (and thus austenitization).
  • the dew point temperatures of the individual zones can be regulated in a particularly simple manner independently of each other.
  • the heat treatment furnace is used for a region-wise austenitization.
  • This procedure is commonly known as tailored austenitizing.
  • different zones of the heat treatment furnace can also have different temperatures and different dew point temperatures in the case of a "tailored austenitizing" process. Therefore, the method according to the invention is also particularly suitable for controlling the dew point temperatures in the course of a tailored austenitizing process.
  • the invention further relates to a heat treatment furnace for a heat treatment of workpieces.
  • a heat treatment furnace for a heat treatment of workpieces.
  • Embodiments of the heat treatment furnace according to the invention will become apparent from the above description of the method according to the invention in an analogous manner and from the underlying embodiment, the features shown there can also be used alone or in other combinations.
  • FIG. 1 A preferred embodiment of a heat treatment furnace according to the invention for a heat treatment of workpieces is in FIG. 1 shown schematically and designated 100.
  • the heat treatment furnace is formed as a roller hearth furnace 100 in this example.
  • roller hearth furnace 100 On a plurality of rollers 103, workpieces 102 are conveyed through the roller hearth furnace 100 (in FIG FIG. 1 from left to right).
  • the roller hearth furnace 100 has two zones (1 01 a and 101 b), which are delimited from one another by heat treatment technology. In the two zones 101 a and 101 b, two different process steps of the heat treatment of the workpieces 102 take place.
  • the zone 101 a has a premixing fuel gas-oxygen burner 105 (shown only schematically).
  • the premixing fuel gas-oxygen burner 105 is formed in this example as a premixing hydrogen-oxygen burner, in particular as a Hydropox burner.
  • the Hydropox burner 105 produces a comparatively high temperature in the zone 101 a.
  • workpieces 102 are first heated to a high temperature in a short time, in particular according to a "rapid heating" process. Subsequently, the workpieces 102 pass through the holding zone 101 b and are homogenized therein.
  • the roller hearth furnace 100 is adapted to an embodiment of an inventive To carry out the process, which in FIG. 2 is shown schematically as a block diagram. In the course of this, the dew point temperature in each of the zones 101 a and 101 b is regulated separately from one another.
  • each of the zones 101a and 101b respectively has measuring instruments 110a and 110b, which are connected to a computing unit 120, in particular a control unit, for example a control cabinet, indicated by reference numeral 110
  • Method step 201 is in each case an actual value of the dew point temperature of the zones 101 a and 101 b determined by means of the measuring instruments 110 a and 110 b.
  • an amount of dried air and an amount of nitrogen are determined in the control unit 120 in step 202.
  • a nitrogen-air mixture is determined, which forms the atmosphere of the respective zone 101 a and 101 b of the roller hearth furnace 100.
  • the dew point temperature of the respective zone is changed.
  • the amount of dried air and the amount of nitrogen are determined such that the actual value of the dew point temperature of the respective zones 101 a and 101 b is regulated to a predetermined desired value.
  • the desired values for the two zones 101 a and 101 b may be the same or different.
  • the controller 120 communicates with a gas control unit 130, indicated by reference numeral 125.
  • the gas control unit supplies the determined amount of nitrogen and dried air to the zones 101 a and 101 b.
  • the roller hearth furnace 100 has a container for dried air 140 and a container for nitrogen 150, which are each connected via lines 141 and 151 to the gas control unit 130.
  • the line 151 includes an evaporator 160.
  • the gas control unit 130 is connected via lines 130a and 130b to the zones 101 a and 101 b and leads the zones 101 a and 101 b in step 203, the amount of dried air and nitrogen to.
  • the amounts of dried air and nitrogen can be supplied in each case via separate lines to the zones 101 a and 101 b or via one or more common lines per zone. If the amounts of nitrogen and dried air to the zones 101 a and 101 b supplied via separate lines, the amounts of nitrogen can be supplied to the chambers 101 a and 101 b in particular via a high-speed Carbojet method.
  • the process begins again at step 201 with the determination of the actual values of the dew point temperatures of the zones 101 a and 101 b of the roller hearth furnace 100.
  • the dew point temperatures are thus continuously monitored and controlled in real time to the predetermined target values.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Taupunkttemperatur eines Wärmebehandlungsofens (100) für eine Wärmebehandlung von Werkstücken (102), sowie einen Wärmebehandlungsofens (100) für eine Wärmebehandlung von Werkstücken (102), wobei Stickstoff und Luft dem Wärmebehandlungsofen (100) zugeführt werden und eine Menge an zugeführtem Stickstoff basierend auf einem in dem Wärmebehandlungsofen (100) bestimmten Ist-Wert der Taupunkttemperatur derart bestimmt wird, dass der Ist-Wert der Taupunkttemperatur durch die bestimmte Menge an zugeführtem Stickstoff auf einen Soll-Wert geregelt wird.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Taupunkttemperatur eines Wärmebehandlungsofens für eine Wärmebehandlung von Werkstücken sowie einen Wärmebehandlungsofen für eine Wärmebehandlung von Werkstücken.
    • Stand der Technik
  • Bei der Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere von Metallen, können bestimmte Werkstoffeigenschaften dadurch erzeugt werden, dass die Werkstücke gewissen Temperaturen oder Temperaturverläufen ausgesetzt werden. Verfahren der Wärmebehandlung sind beispielsweise das Glühen, das Härten oder das Anlassen, mit denen das Gefüge eines Metalls, also die Anordnung der enthaltenen Kristallite, gezielt beeinflusst werden kann. Eigenschaften wie Härtegrad, Zähigkeit, Kaltverformbarkeit oder Gefügehomogenität der Werkstücke können auf diese Weise planvoll gestaltet werden. Beispielsweise können die Komponenten von UHS-Stahl (Ultra hochfester Stahl) in Wärmebehandlungsanlagen austenitisiert und anschließend in einer Presse geformt und gleichzeitig abgekühlt und gehärtet werden. Bauteile mit einer Festigkeit □ 1450MPa können auf diese Weise gefertigt werden.
  • In solchen Wärmebehandlungsanlagen wird dabei meist eine Atmosphäre aus Luft genutzt, da die Werkstücke zumeist mit Zink oder AlSi beschichtet sind und somit einen Schutz gegen Oxidation aufweisen. An den gefertigten Werkstücken treten dabei allerdings vermehrt Schadensfälle in Form von Rissbildungen auf. Eine mögliche Ursache dieser Schäden ist ein erhöhter Anteil diffusiblen Wasserstoffs in Kombination mit der hohen Festigkeit und dem hohen Eigenspannungszustand der Werkstücke, wobei der Wasserstoff aus der feuchten Umgebungsluft in dem Wärmebehandlungsofen entsteht.
  • Die Aufgabe, die sich dem Fachmann nun stellt, ist es, eine Möglichkeit bereitzustellen, um die Bildung von Wasserstoff in Wärmebehandlungsöfen und damit verbundene Schäden an in den Wärmebehandlungsöfen gefertigten Werkstücken zu verhindern. Diese Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Regelung einer Taupunkttemperatur eines Wärmebehandlungsofens für eine Wärmebehandlung von Werkstücken sowie durch einen erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofen für eine Wärmebehandlung von Werkstücken gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Im Zuge eines erfindungsgemäßen Verfahrens werden dem Wärmebehandlungsofen Stickstoff und Luft zugeführt, wodurch eine Stickstoff-Luft-Atmosphäre in dem Wärmebehandlungsofen erzeugt wird. Die Menge an zugeführtem Stickstoff wird dabei basierend auf einem in dem Wärmebehandlungsofen bestimmten Ist-Wert der Taupunkttemperatur bestimmt. Der Ist-Wert der Taupunkttemperatur wird durch diese bestimmte Menge an zugeführtem Stickstoff auf einen Soll-Wert geregelt. Der Soll-Wert der Taupunkttemperatur wird dabei zweckmäßig derart gewählt, dass keine oder kaum Bildung von Wasserstoff auftreten kann.
  • Die Erfindung eignet sich dabei für sämtliche Arten von Wärmebehandlungsöfen bzw. Wärmebehandlungsanlagen. Insbesondere kann der Wärmebehandlungsofen dabei als ein Drehtrommelofen, ein Rollenherdofen oder als Kammerofen ausgebildet sein.
    • Vorteile der Erfindung
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass eine Atmosphäre eines Wärmebehandlungsofens aus Stickstoff und Luft besondere Vorteile aufweist.
  • Insbesondere wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass besagte Atmosphärenzusammensetzung erhebliche Vorteile gegenüber einer reinen Stickstoff-Atmosphäre aufweist. Zwar kann eine reine Stickstoff-Atmosphäre in einem Wärmebehandlungsofen Bildung von Wasserstoff und somit die Aufnahme von Wasserstoff in die Werkstücke und Schäden an den Werkstücken verhindern, allerdings begünstigt eine Stickstoff-Atmosphäre die Bildung einer feinen Silizium-Nitridschicht auf den gefertigten Werkstücken, was wiederum zu einem erhöhten Verschleiß von Werkzeugen führt, mit denen die gefertigten Werkstücke bearbeitet werden (beispielsweise bei der Umformung von wärmebehandelten Blechen).
  • Durch die erfindungsgemäße Nutzung einer Stickstoff-Luft-Atmosphäre zur Regelung der Taupunkttemperatur des Wärmebehandlungsofens werden zum Einen die Bildung von Wasserstoff in dem Wärmebehandlungsofen und somit Schäden an gefertigten Werkstücken verhindert oder wenigstens reduziert. Zum Anderen wird durch den reduzierten Anteil an Stickstoff in der Atmosphäre des Wärmebehandlungsofens im Vergleich zur reinen Stickstoff-Atmosphäre die Reaktion des Stickstoffs mit den Werkstücken reduziert, wodurch die Bildung einer Silizium-Nitridschicht auf den Werkstücken und damit der verbundene erhöhte Verschleiß von Werkzeugen zur Bearbeitung der Werkstücke verhindert oder wenigstens reduziert wird.
  • Durch die erfindungsgemäße Zufuhr der bestimmten Menge an Stickstoff wird das Verhältnis der Stickstoff-Luft-Atmosphäre in Abhängigkeit von dem Ist-Wert der Taupunkttemperatur geändert. Somit wird letztendlich auch die Taupunkttemperatur geändert. Im Sinne der Erfindung kann die Taupunkttemperatur in dem Wärmebehandlungsofen demgemäß flexibel und zuverlässig eingestellt werden.
  • Die Erfindung eignet sich des Weiteren insbesondere als eine Maßnahme zu einem sogenannten Flue Gas Management System zur Reduzierung von Abgas induzierten Wasseranteilen in Wärmebehandlungsöfen.
  • Vorteilhafterweise wird dem Wärmebehandlungsofen getrocknete Luft zugeführt. Dabei kann dem Wärmebehandlungsofen ausschließlich getrocknete Luft oder eine Mischung aus (Umgebungs-) Luft und getrockneter Luft zugeführt werden. Durch den reduzierten Anteil an Wasser in getrockneter Luft kann der Bildung von Wasserstoff aus der Luft in dem Wärmebehandlungsofen weiter vorgebeugt werden.
  • Bevorzugt weist der Wärmebehandlungsofen zumindest eine Kammer oder Zone auf. Kammern können dabei beispielsweise physisch voneinander abgegrenzte Einheiten des Wärmebehandlungsofens sein. Zonen können beispielsweise auch als unterschiedliche Bereiche innerhalb einer Kammer ausgebildet sein, die keine feste Begrenzung zueinander besitzen. In den unterschiedlichen Kammern bzw. Zonen herrschen dabei insbesondere unterschiedliche Temperaturen und es laufen insbesondere unterschiedliche Verfahrensschritte der Wärmebehandlung der Werkstücke ab. Demgemäß können in den unterschiedlichen Kammern bzw. Zonen auch unterschiedliche Taupunkttemperaturen herrschen.
  • Die erfindungsgemäße Regelung der Taupunkttemperatur wird dabei für die zumindest eine Kammer oder Zone durchgeführt. Je nach Länge und Größe der Wärmebehandlungsanlage kann die erfindungsgemäße Regelung der Taupunkttemperatur über den kompletten Wärmebehandlungsofen als eine Zone durchgeführt werden oder der Wärmebehandlungsofen kann in mehrere Zonen unterteilt werden, für welche jeweils die erfindungsgemäße Regelung der Taupunkttemperatur separat durchgeführt wird. Insbesondere wird die erfindungsgemäße Regelung der Taupunkttemperatur für jede Kammer oder Zone einzeln und unabhängig voneinander durchgeführt. Die Taupunkttemperatur jeder Kammer bzw. Zone kann dabei zweckmäßigerweise auf einen eigenen, individuellen Soll-Wert geregelt werden. Die Menge an zugeführtem Stickstoff wird dabei aufgrund des in der jeweiligen Kammer bzw. Zone erfassten Ist-Werts der Taupunkttemperatur und aufgrund des für die jeweilige Kammer bzw. Zone festgelegten individuellen SollWerts der Taupunkttemperatur bestimmt.
  • Bevorzugt wird zusätzlich zu der Menge an Stickstoff eine Menge an zugeführter Luft basierend auf dem in dem Wärmebehandlungsofen bestimmten Ist-Wert der Taupunkttemperatur derart bestimmt, dass der Ist-Wert der Taupunkttemperatur durch die bestimmte Menge an zugeführtem Stickstoff und an zugeführter Luft auf den Soll-Wert geregelt wird. Die Taupunkttemperatur kann somit noch flexibler geregelt werden. Des Weiteren kann somit auch das Verhältnis des Stickstoff-Luft-Gemischs in dem Wärmebehandlungsofen flexibler eingestellt werden und gegebenenfalls an unterschiedliche Werkstückmaterialien angepasst werden. Bevorzugt wird dabei ein oberer Grenzwert der Taupunkttemperatur durch die Menge an zugeführter Luft bestimmt. Alternativ oder zusätzlich wird bevorzugt ein unterer Grenzwert der Taupunkttemperatur durch die Menge an zugeführtem Stickstoff bestimmt. Der eingestellte Soll-Wert liegt dann innerhalb des Bereichs von unterem und oberem Grenzwert.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Taupunkttemperatur auf Soll-Werte zwischen -5°C und -60°C, insbesondere zwischen -10°C und -40°C, geregelt. Die Taupunkttemperatur kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens einerseits auf Soll-Werte geringer als eine minimal mögliche Taupunkttemperatur für eine reine Luftatmosphäre von ca. -10°C geregelt werden. Andererseits kann die Taupunkttemperatur auf Soll-Werte größer als eine Taupunkttemperatur für eine reine Stickstoff-Atmosphäre von ca. -60°C geregelt werden.
  • Vorzugsweise wird die Menge an Stickstoff mit hoher Geschwindigkeit dem Wärmebehandlungsofen zugeführt. Dadurch kann eine homogene Stickstoff-Luft-Atmosphäre in dem Wärmebehandlungsofen erzeugt werden. Die Erfassung des Ist-Werts der Taupunkttemperatur und somit die Analyse der Taupunkttemperatur können somit zuverlässiger und präziser durchgeführt werden. Des Weiteren können die Taupunkttemperatur im Speziellen sowie die Temperatur des Wärmebehandlungsofens im Allgemeinen homogen und ohne nennenswerte lokale Schwankungen eingestellt werden.
  • Insbesondere wird für die Zufuhr der Menge an Stickstoff ein Carbojet-Verfahren genutzt. Das Carbojet-Verfahren und zugehörige Carbojet-Düsen bzw. Carbojet-Lanzen werden durch die Anmelderin vertrieben. Dabei wird eine Eindüsung kleiner Mengen an Stickstoff mit hohen Geschwindigkeiten von bis zu 250-300m/s in einzelne Bereiche des Wärmebehandlungsofens ermöglicht. Mittels des Carbojet-Verfahrens können Genauigkeit von Analysegeräten sowie homogene Gas- und Temperaturverteilung nochmals verbessert werden. Für eine detaillierte Beschreibung eines Carbojet-Verfahrens sei beispielhaft auf die Druckschrift DE 10 2008 009 818 A1 verwiesen.
  • Vorzugsweise wird der Wärmebehandlungsofen mittels zumindest eines vormischenden Brenngas-Sauerstoff-Brenners, insbesondere zumindest eines Wasserstoff-Sauerstoff-Brenners, betrieben. Vormischenden Brenngas-Sauerstoff-Brenner zeichnen sich durch eine besonders hohe Wärmeübertragungseffizienz aus. Einem Brennerkopf des vormischenden Brenngas-Sauerstoff-Brenners wird dabei bereits ein Gasgemisch aus Brenngas und Sauerstoff zugeführt und nicht erst in dem entsprechenden Brennerkopf erzeugt. Vormischende Brenner erzeugen besonders harte Flammen, die sich dazu eignen, größere Oberflächenbereiche, die auch Vertiefungen oder andere Unregelmäßigkeiten aufweisen können, aufzuschmelzen. Entsprechende Brenner sind auch als sogenannte Hydropox-Brenner bekannt und werden unter dieser Markenbezeichnung durch die Anmelderin vertrieben. Für eine detaillierte Beschreibung des Hydropox-Brenners sei beispielhaft auf das Datenblatt "HYDROPOX®. Optimal glass surface treatment with pre-mixing hydrogen/oxygen burners." der Anmelderin verwiesen.
  • Die Nutzung eines vormischenden Brenngas-Sauerstoff-Brenners für den Wärmebehandlungsofen beeinflusst die Taupunkttemperatur in dem Wärmebehandlungsofen erheblich. Mittels der Erfindung kann die Taupunkttemperatur eines Wärmebehandlungsofens mit vormischendem Brenngas-Sauerstoff-Brenner einfach und zuverlässig geregelt werden.
  • Es sei angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die Nutzung von vormischenden Brenngas-Sauerstoff-Brenner beschränkt ist, sondern auch für die Nutzung von beispielsweise außenmischenden Brennern geeignet ist. Alternativ oder zusätzlich ist beispielsweise auch die Nutzung eines Oxyfuel-Brenners möglich. Im Gegensatz zu herkömmlichen Verbrennungsverfahren dient bei einem Oxyfuel-Brenner nicht Luft, sondern ein sauerstoffreiches Gas, insbesondere (nahezu) reiner Sauerstoff als Oxidator.
  • Vorteilhafterweise werden die Werkstücke in dem Wärmebehandlungsofen für die Wärmebehandlung schnell erhitzt. Dieses Vorgehen ist als "Rapid Heating" bekannt. Da Werkstücke für ein "Rapid Heating" Verfahren in kurzer Zeit auf sehr hohe Temperaturen erhitzt werden, eignen sich insbesondere vormischende Brenngas-Sauerstoff-Brenner, insbesondere Hydropox-Brenner, für ein "Rapid Heating" Verfahren. Durch die schnelle Erhitzung wird die Taupunkttemperatur innerhalb des Wärmebehandlungsofens erheblich beeinflusst. Daher ist die Erfindung besonders geeignet für ein "Rapid Heating" Verfahren.
  • Bevorzugt werden in dem Wärmebehandlungsofen lokal unterschiedliche Werkstoffeigenschaften durch lokale Wärmebehandlung erzeugt. Dieses Vorgehen ist allgemein als "Tailored Properties" bekannt. Beispielsweise können dabei bestimmte Bereiche eines Werkstücks pressgehärtet ausgebildet werden, und andere Bereiche können derart ausgebildet werden, dass diese eine Duktilität aufweisen und somit mehr Energie durch plastische Verformung absorbieren können.
  • Möglichkeiten zur Erzeugung von "Tailored Properties", also von derartigen lokal unterschiedlichen Eigenschaften, können beispielsweise eine gezielte Beeinflussung von Legierungsbestandteilen entsprechender Halbzeuge sein, eine Herstellung sogenannter "Tailored Welded Blanks", also Platinen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen gefügt sind, partielles (örtliches) Erwärmen mittels induktiver oder konduktiver Erwärmungstechnologien, eine partielle Temperierung bestimmter Bereiche der Presshärtewerkzeuge durch lokales Beheizen, ein partielles Anlassen pressgehärteten Bauteile und/oder Maskieren bestimmter Bauteilbereiche um Erwärmung (und damit Austenitisierung) zu unterdrücken.
  • Somit können in unterschiedlichen Bereichen bzw. Zonen des Wärmebehandlungsofens, in denen die jeweiligen unterschiedlichen Eigenschaften der Werkstücke erzeugt werden, unterschiedliche Temperaturen und unterschiedliche Taupunkttemperaturen herrschen. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens können besonders einfach die Taupunkttemperaturen der einzelnen Zonen individuell und unabhängig voneinander geregelt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Wärmebehandlungsofen für eine bereichsweise Austenitisierung genutzt. Dieses Vorgehen ist allgemein als "Tailored Austenitizing" bekannt. Analog zu einem "Tailored Properties" Verfahren können auch bei einem "Tailored Austenitizing" Verfahren unterschiedliche Zonen des Wärmebehandlungsofens unterschiedliche Temperaturen und unterschiedliche Taupunkttemperaturen aufweisen. Daher ist das erfindungsgemäße Verfahren auch für die Regelung der Taupunkttemperaturen im Zuge eines "Tailored Austenitizing" Verfahren besonders geeignet.
  • Die Erfindung betrifft weiterhin einen Wärmebehandlungsofen für eine Wärmebehandlung von Werkstücken. Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofens ergeben sich aus der obigen Beschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens in analoger Art und Weise sowie aus dem untigen Ausführungsbeispiel, wobei die dort gezeigten Merkmale auch in Alleinstellung oder in anderen Kombinationen eingesetzt werden können.
  • Die Erfindung und ihre Vorteile werden nun anhand der beigefügten Zeichnung weiter erläutert. In dieser zeigt
    • Figur 1
    schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofens für eine Wärmebehandlung von Werkstücken und
    Figur 2
    schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens als ein Blockschaltbild.
  • Eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsofens für eine Wärmebehandlung von Werkstücken ist in Figur 1 schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet. Der Wärmebehandlungsofen ist in diesem Beispiel als ein Rollenherdofen 100 ausgebildet.
  • Auf einer Vielzahl von Rollen 103 werden Werkstücke 102 durch den Rollenherdofen 100 (in Figur 1 von links nach rechts) transportiert.
  • Der Rollenherdofen 100 weist dabei zwei Zonen auf.(1 01 a und 101 b), die wärmebehandlungstechnisch voneinander abgegrenzt sind. In den beiden Zonen 101 a und 101 b laufen dabei zwei unterschiedliche Prozessschritte der Wärmebehandlung der Werkstücke 102 ab. Die Zone 101 a weist einen vormischenden Brenngas-Sauerstoff-Brenner 105 (nur schematisch dargestellt) auf. Der vormischende Brenngas-Sauerstoff-Brenner 105 ist in diesem Beispiel als vormischender Wasserstoff-Sauerstoff-Brenner, insbesondere als Hydropox Brenner, ausgebildet. Der Hydropox Brenner 105 erzeugt in der Zone 101 a eine vergleichsweise hohe Temperatur. Beim Durchlaufen der Zone 101 a werden Werkstücke 102 dabei zunächst in kurzer Zeit auf eine hohe Temperatur erhitzt, insbesondere gemäß einem "Rapid Heating" Verfahren. Anschließend durchlaufen die Werkstücke 102 die Haltezone 101 b und werden darin homogenisiert.
  • Um zu verhindern, dass sich in den Zonen 101 a bzw. 101 b aus feuchter Umgebungsluft Wasserstoff bildet, der in die Werkstücke 102 aufgenommen werden kann und somit zu Rissbildungen in den Werkstücken 102 beiträgt, ist der Rollenherdofen 100 dazu eingerichtet, eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen, welche in Figur 2 schematisch als ein Blockschaltbild dargestellt ist. Im Zuge dessen wird die Taupunkttemperatur in jeder der Zonen 101 a und 101 b separat voneinander geregelt.
  • Dazu weist jede der Zonen 101 a und 101 b jeweils Messinstrumente 110a bzw. 110b auf, die mit einer Recheneinheit 120, insbesondere einer Steuereinheit, beispielsweise einem Steuerschrank, verbunden sind, angedeutet durch Bezugszeichen 110. In Verfahrensschritt 201 wird dabei mittels der Messinstrumente 110a bzw. 110b jeweils ein Ist-Wert der Taupunkttemperatur der Zonen 101 a und 101 b bestimmt.
  • Aufgrund der bestimmten Ist-Werte der Taupunkttemperatur für die Zonen 101 a und 101 b wird in Schritt 202 in dem Steuergerät 120 eine Menge an getrockneter Luft und eine Menge an Stickstoff bestimmt. Somit wird ein Stickstoff-Luft-Gemisch bestimmt, welches die Atmosphäre der jeweiligen Zone 101 a bzw. 101 b des Rollenherdofens 100 bildet. Je nach Luft-Anteil bzw. Stickstoff-Anteil des Stickstoff-Luft-Gemischs wird die Taupunkttemperatur der jeweiligen Zone verändert. Die Menge an getrockneter Luft und die Menge an Stickstoff werden dabei derart bestimmt, dass der Ist-Wert der Taupunkttemperatur der jeweiligen Zonen 101 a und 101 b auf einen vorgegebenen Soll-Wert geregelt wird. Die Soll-Werte für die beiden Zonen 101 a und 101 b können sowohl gleich als auch unterschiedlich sein.
  • Das Steuergerät 120 steht mit einer Gasregeleinheit 130 in Verbindung, angedeutet durch Bezugszeichen 125. Die Gasregeleinheit führt die bestimmte Menge an Stickstoff und getrockneter Luft den Zonen 101 a und 101 b zu. Dafür weist der Rollenherdofen 100 einen Behälter für getrocknete Luft 140 und einen Behälter für Stickstoff 150 auf, die jeweils über Leitungen 141 bzw. 151 mit der Gasregeleinheit 130 verbunden sind. Die Leitung 151 enthält einen Verdampfer 160. Die Gasregeleinheit 130 ist über Leitungen 130a bzw. 130b mit den Zonen 101 a bzw. 101 b verbunden und führt den Zonen 101 a bzw. 101 b in Schritt 203 die Menge an getrockneter Luft und Stickstoff zu. Die Mengen an getrockneter Luft und Stickstoff können dabei jeweils über separate Leitungen den Zonen 101 a bzw. 101 b zugeführt werden oder über eine oder mehrere gemeinsame Leitungen pro Zone. Werden die Mengen an Stickstoff und getrockneter Luft den Zonen 101 a bzw. 101 b über separate Leitungen zugeführt, können die Mengen an Stickstoff insbesondere über ein Carbojet-Verfahren mit hohen Geschwindigkeiten den Kammern 101a bzw. 101b zugeführt werden.
  • Angedeutet durch Bezugszeichen 204 beginnt das Verfahren wieder bei Schritt 201 mit dem Bestimmen der Ist-Werte der Taupunkttemperaturen der Zonen 101 a und 101 b des Rollenherdofens 100. Die Taupunkttemperaturen werden somit kontinuierlich überwacht und in Echtzeit auf die vorgegebenen Soll-Werte geregelt.
    • Bezugszeichenliste
    • 100
    Wärmebehandlungsofen, Rollenherdofen
    101a
    Heizzone 1
    101b
    Heizzone 2
    102
    Werkstücke
    103
    Rollen
    105
    vormischender Brenngas-Sauerstoff-Brenner, Hydropox-Brenner
    110
    Datenverbindung
    110a, 110b
    Messinstrumente
    120
    Recheneinheit, Steuereinheit
    125
    Datenverbindung
    130
    Gasregeleinheit
    130a, 130b
    Gasleitungen
    140
    Behälter für trockene Luft
    150
    Behälter für Stickstoff
    160
    Verdampfer
    141, 151
    Gasleitungen
    201 bis 204
    Verfahrensschritte

Claims (15)

  1. Verfahren zur Regelung einer Taupunkttemperatur eines Wärmebehandlungsofens (100) für eine Wärmebehandlung von Werkstücken (102), dadurch gekennzeichnet, dass
    - Stickstoff und Luft dem Wärmebehandlungsofen (100) zugeführt werden und
    - eine Menge an zugeführtem Stickstoff basierend auf einem in dem Wärmebehandlungsofen (100) bestimmten Ist-Wert der Taupunkttemperatur derart bestimmt wird (202), dass der Ist-Wert der Taupunkttemperatur durch die bestimmte Menge an zugeführtem Stickstoff auf einen Soll-Wert geregelt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei dem Wärmebehandlungsofen (100) getrocknete Luft zugeführt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmebehandlungsofen (100) zumindest eine Kammer oder Zone (101 a, 101 b) aufweist und die Regelung der Taupunkttemperatur für die zumindest eine Kammer oder Zone (101 a, 101 b) durchgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei zusätzlich zu der Menge des Stickstoffs eine Menge an zugeführter Luft basierend auf dem in dem Wärmebehandlungsofen (100) bestimmten Ist-Wert der Taupunkttemperatur derart bestimmt wird (202), dass der Ist-Wert der Taupunkttemperatur durch die bestimmte Menge an zugeführtem Stickstoff und zugeführter Luft auf den Soll-Wert geregelt wird.
  5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein oberer Grenzwert der Taupunkttemperatur durch die Menge an zugeführter Luft bestimmt wird.
  6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein unterer Grenzwert der Taupunkttemperatur durch die Menge an zugeführtem Stickstoff bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Taupunkttemperatur auf Soll-Werte zwischen -5°C und -60°C, insbesondere zwischen -10°C und -40°C, geregelt wird.
  8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Menge an Stickstoff mit hoher Geschwindigkeit dem Wärmebehandlungsofen (100) zugeführt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wärmebehandlungsofen (100) mit zumindest einem vormischenden Brenngas-Sauerstoff-Brenner (105) betrieben wird.
  10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Werkstücke (102) in dem Wärmebehandlungsofen (100) für die Wärmebehandlung schnell erhitzt werden.
  11. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei in dem Wärmebehandlungsofen (100) lokal unterschiedliche Eigenschaften des Wärmebehandlungsgutes erzeugt werden.
  12. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Wärmebehandlungsofen (100) für eine bereichsweise Austenitisierung genutzt wird.
  13. Wärmebehandlungsofen (100) für eine Wärmebehandlung von Werkstücken (102), dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmebehandlungsofen (100) Mittel aufweist, um
    - dem Wärmebehandlungsofen Luft und Stickstoff zuzuführen (130, 130a, 130b, 140, 141, 150, 151) und
    - eine Ist-Taupunkttemperatur des Wärmebehandlungsofens durch eine Menge an zugeführtem Stickstoff auf einen Soll-Wert zu regeln (110a, 110b, 120, 130, 130a, 130b, 150, 151).
  14. Wärmebehandlungsofen (100) nach Anspruch 13, wobei der Wärmebehandlungsofen zumindest eine Kammer oder Zone (101 a, 101 b) aufweist und Mittel aufweist, um eine Ist-Taupunkttemperatur der zumindest einen Kammer oder Zone (101 a, 101 b) durch eine Menge an zugeführtem Stickstoff auf einen Soll-Wert zu regeln.
  15. Wärmebehandlungsofen (100) nach Anspruch 13 oder 14, wobei der Wärmebehandlungsofen (100) zumindest einen vormischenden Brenngas-Sauerstoff-Brenner (105) aufweist.
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