Verfahren zur Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen, insbesondere zum Glühen von Rohren, Profilen, Drähten, Stäben und Blechen aus Metall oder Stahl, in einer Wärmebehandlungsanlage mit einem Kühltunnel und einem Heizraum unter einer Schutzgasatmosphäre aus Endogas-Gemischen. Beim Glühen von Rohren, Profilen, Drähten, Stäben und Blechen wird oftmals Exogas als Schutzgas eingesetzt. Dieses Exogas wird aus einem Kohlenwasserstoff und Luft hergestellt, z. B.: CH4 + x (0,79 U2 + 0,21 02) → CO + CO2 + H2 + H20 + N2 wobei Wert x von >2,41 und <9,64 (λ = >0,25 bis.,1 ,00) liegt. Die Herstellung dieses Schutzgases erfolgt in Exogasgeneratoren. Dazu wird der vorgemischte Erdgas/Luft-Gasstrom einer Brennkammer zugeführt und dort zur Reaktion gebracht. Da das CH4/Luft- Verhältnis größer 2,41 (z. B. 6,5) ist, braucht kein externes Aufheizen des Gasgemisches auf Reaktionstemperatur erfolgen. The invention relates to a method for heat treatment of iron materials, in particular for the annealing of pipes, profiles, wires, rods and sheets of metal or steel, in a heat treatment plant with a cooling tunnel and a boiler room under a protective gas atmosphere of endogas mixtures. When annealing pipes, profiles, wires, rods and sheets, exogas is often used as protective gas. This exogas is made from a hydrocarbon and air, for. B: CH4 + x (0.79 U2 + 0.21 O2) → CO + CO2 + H2 + H20 + N2 where x is> 2.41 and <9.64 (λ => 0.25 to. 1, 00). This protective gas is produced in exogas generators. For this purpose, the premixed natural gas / air gas stream is fed to a combustion chamber and reacted there. Since the CH4 / air ratio is greater than 2.41 (eg 6.5), there is no need for external heating of the gas mixture to the reaction temperature.
Es handelt sich hierbei um eine exotherme Reaktion, die Wärmeenergie im Überschuss erzeugt. Das so erzeugte, sehr feuchte Exogas wird auf Raumtemperatur abgekühlt und einem Trockner zugeführt. Der Taupunkt des getrockneten Gases beträgt dann ca. -30°C (0,10 Vol.-% H2O).It is an exothermic reaction that generates excess thermal energy. The very moist exogas produced in this way is cooled to room temperature and fed to a dryer. The dew point of the dried gas is then about -30 ° C (0.10 vol .-% H2O).
Ein typisches Exogas hat eine Zusammensetzung von 7% H2, 7% CO, 7% C02, 0,10% H2O, Rest N2.A typical exogas has a composition of 7% H2, 7% CO, 7% CO2, 0.10% H2O, balance N2.
Das Gasgemisch wird dann einer Wärmebehandlungsanlage zugeführt und es stellt sich in deren Heizraum - bei einer Temperatur von größer 400°C - schlagartig ein feuchtes Ofengas ein.The gas mixture is then fed to a heat treatment plant and it turns in the boiler room - at a temperature of greater than 400 ° C - abruptly a moist furnace gas.
Heizraumreaktion: C02 + H2 → CO + H20 (homogene Wassergasreaktion)
Im Heizraum verringert sich bei einer Temperatur von größer 650°C die Kohlenstoffaktivität auf kleiner 1 , wodurch die Eisen-Kohlenstoff-Legierungen während der Wärmebehandlung entkohlt werden.Boiler room reaction: C02 + H2 → CO + H20 (homogeneous water gas reaction) In the boiler room, at a temperature greater than 650 ° C, the carbon activity decreases to less than 1, thereby decarburizing the iron-carbon alloys during the heat treatment.
Aufgrund der steigenden Qualitätsansprüche an die Fertigprodukte ist aber eine Entkohlung unerwünscht. Es besteht sogar im zunehmenden Maße der Wunsch nach einer Rückkohlung von entkohlten Eisen-Kohlenstoff-Legierungen während der Wärmebe-handlung (Glühen).Because of the increasing quality demands on the finished products, however, decarburization is undesirable. There is even an increasing desire to recarburize decarburized iron-carbon alloys during heat treatment (annealing).
Diese Qualitätsanforderungen sind mit dem Einsatz von Exogas als Schutzgas in Wärmebehandlungsöfen nicht zu realisieren, weshalb auch Endogas als Schutzgas bei der Wärmehandlung von Eisenwerkstoffen zum Einsatz kommt.These quality requirements can not be realized with the use of Exogas as a protective gas in heat treatment furnaces, which is why endogas is also used as a protective gas in the heat treatment of iron materials.
Die Herstellung von Endogas erfolgt in Endogasgeneratoren. Dazu wird das vorgemischte Erdgas/Luftgemisch einer beheizten Retorte mit Katalysatorfüllung zugeführt und dort zur Reaktion gebracht.The production of endogas takes place in endogas generators. For this purpose, the premixed natural gas / air mixture is fed to a heated retort with catalyst filling and reacted there.
Da das CH4/Luft-Verhältnis wenig größer 2,41 (λ = 0,26 - 0,28) ist, muss die Katalysatorretorte aufgeheizt und das durch die Retorte strömende Gasgemisch auf Reaktionstemperatur gebracht werden, um auf der Katalysatoroberfläche zu reagieren.Since the CH4 / air ratio is slightly greater than 2.41 (λ = 0.26-0.28), the catalyst retort must be heated and the gas mixture flowing through the retort be brought to the reaction temperature to react on the catalyst surface.
Es handelt sich hierbei um eine endotherme Reaktion, d.h., ein Teil der Aufheiz- und die gesamte Reaktionsenthalpie muss dem System zugeführt werden.This is an endothermic reaction, i.e., part of the heating and total reaction enthalpy must be supplied to the system.
Das Endogas wird aus einem Kohlenwasserstoff und Luft, z.B. nach folgender Reaktionsgleichung hergestellt:The endogas is made from a hydrocarbon and air, e.g. prepared according to the following reaction equation:
CH4 + 2,41 (0,79 N2 + 0,21 O2) → CO + 2 H2 + 0,79 N2 + Spuren H2O und CO2CH4 + 2.41 (0.79 N2 + 0.21 O2) → CO + 2 H2 + 0.79 N2 + traces H2O and CO2
Das erzeugte Endogas wird auf Raumtemperatur abgekühlt und ist dann einsatzbereit.The generated endogas is cooled to room temperature and is then ready for use.
Der Taupunkt des bei der Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen als Schutzgas eingesetzten Endogases liegt im Bereich von - 10°C und +5°C mit 0,30 bis 0,86 Vol.-% H2O.The dew point of the endogas used in the heat treatment of iron materials as a protective gas is in the range of - 10 ° C and + 5 ° C with 0.30 to 0.86 Vol .-% H2O.
Ein bei der herkömmlichen Wärmebehandlung von Metallen als Schutzgas häufig eingesetztes Endogas hat eine Zusammensetzung von: 40% H2, 20% CO, 0,30% CO2, 0,86% H2O, Rest N2.Endogenous gas commonly used in the conventional heat treatment of metals as inert gas has a composition of: 40% H2, 20% CO, 0.30% CO2, 0.86% H2O, balance N2.
Dieses „reine" Endogas wird mit Stickstoff verdünnt (versetzt) und anschließend der Wärmebehandlungsanlage, z.B. einem Rollenherddurchlauf-Ofen, zugeführt.This "pure" endogas is diluted with nitrogen and then fed to the heat treatment equipment, e.g., a roller hearth furnace.
Bei diesen Schutzgasgemischen mit 1 bis 5% CO sinkt - aufgrund der starken Verdünnung mit Stickstoff - der Taupunkt auf Werte von -20 bis -30°C, so dass der Einsatz eines zusätzlichen Trockners, wie bei der Exogaserzeugung, nicht notwendig ist.With these shielding gas mixtures with 1 to 5% CO - due to the strong dilution with nitrogen - the dew point drops to values of -20 to -30 ° C, so that the use of an additional dryer, as in the Exogaserzeugung, is not necessary.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen zur Verfügung zu stellen, mit welchem durch eine gezielte Schutzgasdosierung der Wärmebehandlungsprozess verbessert und sicherer gestaltet werden kann. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Die die Erfindung ausgestaltenden Merkmale sind den Unteranspruchen zu entnehmenThe invention is therefore based on the object to provide a method for heat treatment of iron materials available, with which can be improved and made safer by a targeted inert gas metering of the heat treatment process. The object is achieved by a method for heat treatment of iron materials with the features of claim 1. The features of the invention ausgestaltenden can be found in the dependent claims
Erfindungsgemaß wird als Schutzgas reines Endogas oder teilweise mit Stickstoff verdünntes Endogas und zusatzlich reiner Stickstoff separat voneinander in unterschiedlichen Bereichen der Warmebehandlungsanlage eingespeist.According to the invention pure inert gas or partially diluted with nitrogen endogas and additionally pure nitrogen is fed separately as protective gas in different areas of the heat treatment plant.
Vorteilhaft wird das Endogas in das Heizraumende, d h in den dem Heizraumeinlauf gegenüberliegenden endseitigen Bereich des Heizraums, quer zur Transportrichtung des Warmebehandlungsguts und zusatzlich Stickstoff in unterschiedlichen Bereichen des Kuhltunnels der Warmebehandlungsanlage mittels herkömmlicher Dusenvorπchtungen eingespeist.Advantageously, the endogas is fed into the heating chamber end, ie in the end region of the heating chamber opposite the heating chamber inlet, transversely to the transport direction of the heat treatment material and additionally nitrogen in different regions of the cooling tunnel of the heat treatment plant by means of conventional nozzle devices.
Der erfindungsgemäße Schutzgaseintrag in die Warmebehandlungsanlage bewirkt die Ausbildung eines zum Heizraumeinlauf ausgerichteten Stromungsprofils, wodurch eine hohe Schutzgaskonzentration im Heizraum und eine wesentlich niedrigere Schutzgaskonzentration im Kuhltunnel der Warmebehandlungsanlage vorliegt.The protective gas entry according to the invention into the heat treatment plant causes the formation of a flow profile oriented to the heating chamber inlet, whereby a high protective gas concentration in the heating chamber and a much lower inert gas concentration in the cooling tunnel of the heat treatment plant is present.
Das in einem externen Endogasgenerator erzeugte und in die Warmebehandlungsanlage eingespeiste Endogas weist einen etwas höheren Taupunkt (+5 bis +10°C) als das bei der herkömmlichen Verfahrensweise eingesetzte Endogas (Taupunkt maximal +5°C) auf.The endogas produced in an external endogas generator and fed into the heat treatment plant has a slightly higher dew point (+5 to +10 ° C) than the endogas used in the conventional procedure (dew point maximum +5 ° C).
Die höhere Taupunkttemperatur bewirkt eine Erhöhung der Standzeit des Katalysators und der Retorte der Warmebehandlungsanlage, da die Gefahr der Russabscheidung im Katalysatorbett geringer ist und somit Uberhitzungen des Katalysators beim notwendigen Russabbrennen zum Regenerieren des Katalysators verhindert werdenThe higher dew point temperature causes an increase in the service life of the catalyst and the retort of the heat treatment plant, since the risk of soot deposition in the catalyst bed is lower, thus preventing overheating of the catalyst in the necessary Rußabbrennen to regenerate the catalyst
Die für den jeweiligen Wärmebehandlungsprozess erforderliche Dosiermenge an Endogas wird mittels eines Dosierventils in Abhängigkeit von den jeweiligen Prozessbedingungen automatisch eingestellt, wodurch die Uberschussmenge an Endogas minimiert werden kann und zudem möglichst wenig Endogas abgefackelt werden muss.The dosage of endogas required for the respective heat treatment process is set automatically by means of a metering valve as a function of the respective process conditions, whereby the excess amount of endogas can be minimized and moreover as little endogas as possible has to be flared.
Die Dosierzeit von dem Endogas und dem Stickstoff wird auf übliche Weise erfasst und findet zur Berechnung der aktuellen Sauerstoff- und Kohlenstoffaktivitaten wahrend des Warmebehandlungsprozesses Verwendung.The dosing time of the endogas and the nitrogen is detected in the usual way and used to calculate the actual oxygen and carbon activities during the heat treatment process.
Um die Konvektion des Endogases im Heizraum der Warmebehandlungsanlage zu verbessern, wird das Endogas - in einem außerhalb der Warmebehandlungsanlage angeordneten Endomat - mit einer Teilmenge an Stickstoff gemischtIn order to improve the convection of the endogases in the boiler room of the heat treatment plant, the endogas is mixed with a partial amount of nitrogen in an endomat arranged outside the heat treatment plant
Zur möglichst schnellen homogenen Gasgemischbildung wird das Endogas mit einem Überdruck von 40 bis 60 bar durch ein, in die Stickstoff-Rohrleitung angeordnetes, vorteilhaft L-formig ausgebildetes Rohr, in den mittels eines Feindruckreglers auf einen Überdruck von 20 bis 30 mbar geregelten Stickstoff eingetragen Bei einem erhöhten Staudruck in der Stickstoff-Endogas-Leitung wird die Dosiermenge an Erdgas und Luft so verändert, dass die erforderliche Dosiermenge an Endogas verringert und/oder das Erdgas/Luft Verhältnis verändert wird, wodurch die Zusammensetzung des Endogases negativ verändert wird. Durch die Änderung des Mischungsverhältnisses kann sich Russ im Katalysator abscheiden,
wodurch die Wirksamkeit des Katalysators gemindert wird. Bei zuviel Luftzufuhr steigt der Taupunkt ungewollt an, so dass eine Überhitzung am Katalysatoranfang auftreten kann.For the fastest possible homogeneous gas mixture formation, the endogas with an overpressure of 40 to 60 bar by a, arranged in the nitrogen pipe, advantageously L-shaped tube formed in the regulated by means of a Feindruckreglers to an excess pressure of 20 to 30 mbar registered nitrogen an increased back pressure in the nitrogen endogas line, the metered amount of natural gas and air is changed so that the required dosage of endogas reduced and / or the natural gas / air ratio is changed, whereby the composition of the endogases is changed negatively. By changing the mixing ratio, soot can deposit in the catalyst, whereby the effectiveness of the catalyst is reduced. If the air supply is too high, the dew point rises unintentionally, so that overheating can occur at the beginning of the catalytic converter.
Der Eintrag des zusätzlichen Stickstoffs in den Kühltunnel der Wärmebehandlungsanlage erfolgt mittels üblicher Düsen, vorteilhaft aber mittels eines herkömmlichen Düsenstocks.The entry of additional nitrogen in the cooling tunnel of the heat treatment plant by means of conventional nozzles, but advantageously by means of a conventional nozzle assembly.
Vorteilhaft wird der Stickstoff in unterschiedlichen Bereichen des Kühltunnels der Wärmebehandlungsanlage eingetragen, besonders vorteilhaft aber in den vor dem Heizraumeinlauf angeordneten Kühltunnelbereich und in den vor dem Kühltunnelauslauf angeordneten Kühltunnelbereich eingedüst.Advantageously, the nitrogen is introduced into different regions of the cooling tunnel of the heat treatment plant, but particularly advantageously injected into the cooling tunnel region arranged in front of the heating chamber inlet and into the cooling tunnel region arranged upstream of the cooling tunnel outlet.
Durch den erfindungsgemäßen Schutzgaseintrag wird ein optimales Konzentrationsprofil des Schutzgases im Heiz- und Kühlraum der Wärmebehandlungsanlage eingestellt und gleichzeitig das unerwünschte Einströmen von Luftsauerstoff in den Kühltunnel der Wärmebehandlungsanlage verhindert.The protective gas entry according to the invention an optimal concentration profile of the protective gas in the heating and cooling chamber of the heat treatment plant is adjusted and at the same time prevents the unwanted influx of atmospheric oxygen into the cooling tunnel of the heat treatment plant.
Zweckmäßigerweise ist die Wärmebehandlungsanlage mit einer am Kühltunnelauslauf angeordneten Lambda-Sonde ausgerüstet, mittels der das Einströmen von Umgebungslust, ebenso wie die Stickstoffeinspeisung, erfasst werden kann.Expediently, the heat treatment plant is equipped with a lambda probe arranged at the cooling tunnel outlet, by means of which the inflow of environmental pleasure, as well as the nitrogen feed, can be detected.
Um eine zum Heizraumeinlauf gerichtete Schutzgasströmung zu erhalten, werden die abdampfenden flüchtigen Bestandteile, der sich bei der Wärmebehandlung zersetzenden Hiifsschichten (Phosphate, Borate, Oxalate u.a.) und Ziehmittelrückstande des Wärmebehandlungsguts zum Heizraumeinlauf transportiert und dort abgefackelt.In order to obtain a protective gas flow directed towards the heating chamber inlet, the volatile constituents which are transported during the heat-treatment-dissipating layers (phosphates, borates, oxalates, etc.) and drawing agent residues of the heat treatment material are transported to the heating chamber inlet where they are flared.
Durch die nachfolgende Kondensation der abgedampften Bestandteile des Behandlungsguts an den kalten Wänden der wassergekühlten Kühlregister wird die Kühlleistung wesentlich verringert, so dass die Kühleinrichtungen in größeren Zeitabständen gereinigt werden müssen. Dies wird durch die neue Gastechnik verhindert bzw. stark verringert.The subsequent condensation of the evaporated components of the material to be treated on the cold walls of the water-cooled cooling registers, the cooling capacity is significantly reduced, so that the cooling devices must be cleaned at longer intervals. This is prevented or greatly reduced by the new gas technology.
Durch die Erfindung wird der zeitliche, personelle und finanzielle Aufwand bei der Wärmebehandlung von Eisenwerkstoffen wesentlich verringert und eine sichere Prozessführung möglich.Due to the invention, the time, personnel and financial expense in the heat treatment of ferrous materials is substantially reduced and a secure process management possible.
Durch den Eintrag von tiefkaltem flüssigem Stickstoff in den Kühltunnel der W rmebehandlungsanlage kann die Kühlleistung des Kühltunnels weiter erhöht werden. Der eine Temperatur von -196°C aufweisende flüssige Stickstoff wird vorteilhaft in das letzte Drittel des Kühltunnels, d.h. in den dem Kühltunnelauslauf nächstliegenden Kühltunnelbereich zur Senkung der Austrittstemperatur des aus dem Heizraum transportierten Wärmebehandlungsguts oder in das erste Drittel des Kühltunnels, d.h. in den Kühltunneleinlauf nächstliegenden Kühltunnelbereich zur Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit des Wärmebehandlungsguts zu Härtezwecke eingetragen. Durch die zusätzliche Dosierung von tiefkaltem flüssigen Stickstoff in die Warmebehandlungsanlage wird die Konvektion des Schutzgases wesentlich verbessert und zudem durch die Aufheizenthalpie des Stickstoffs, eine schnellere Abkühlung der wärmebehandelteπ Werkstücke ermöglicht. Durch eine entsprechend dem jeweiligen Einsatzzweck ausgebildete und an der Wärmebehandlungsanlage zweckentsprechend angeordnete Gasentnahmeeinrichtung kann
- an jedem an der Wärmebehandlungsanlage angeordneten Thermoelement - Prozessgas zur Bestimmung des optimalen Konzentrationsprofils von Schutzgas über die gesamte Anlagenlänge entnommen werden.By introducing cryogenic liquid nitrogen into the cooling tunnel of the heat treatment plant, the cooling capacity of the cooling tunnel can be further increased. The liquid nitrogen having a temperature of -196 ° C. is advantageously introduced into the last third of the cooling tunnel, ie into the cooling tunnel area closest to the cooling tunnel outlet for lowering the outlet temperature of the heat treatment material transported from the heating room or into the first third of the cooling tunnel, ie nearest to the cooling tunnel inlet Cooling tunnel area entered to increase the cooling rate of the heat treatment material for hardening purposes. Due to the additional dosage of cryogenic liquid nitrogen in the heat treatment plant, the convection of the protective gas is significantly improved and also allows the heating enthalpy of the nitrogen, a faster cooling of the heat treatedππ workpieces. By a trained according to the particular application and appropriately arranged on the heat treatment system gas sampling device can - at each thermocouple located at the heat treatment plant - process gas is taken to determine the optimum concentration profile of shielding gas over the entire plant length.
Die Gasentnahmeeinrichtung kann zudem mit einem Gasanalysengerät, einer Lambda- Sonde oder anderen Meßsystemen ausgerüstet sein, wodurch keine zusätzliche Gasentnahmestellen an der Wärmebehandlungsanlage erforderlich sind.The gas sampling device can also be equipped with a gas analyzer, a lambda probe or other measuring systems, whereby no additional gas sampling points are required at the heat treatment plant.
Durch ein mit der Gasentnahmeeinrichtung gekoppeltes Meßsystem werden (taktweise) alle Messstellen angesteuert und die aktuelle Gaszusammensetzung gemessen.By means of a measuring system coupled to the gas sampling device, all measuring points are controlled (intermittently) and the current gas composition is measured.
Die elektronisch ermittelten Messwerte finden zur automatischen Schutzgasregelung bei einer von einem vorgegebenen Sollwert abweichenden Gaszusammensetzung Verwendung.The electronically determined measured values are used for the automatic protective gas control at a gas composition deviating from a predetermined nominal value.
Durch die erfindungsgemäße Schutzgasdosierung wird die Schutzgaskonzentration im Heizraum der Wärmebehandlungsanlage um etwa 50 bis 60 Prozent erhöht, so dass die Eintragsmenge an Endogas um etwa 30 bis 40 Prozent verringert werden kann.Due to the protective gas metering according to the invention, the protective gas concentration in the heating chamber of the heat treatment plant is increased by about 50 to 60 percent, so that the entry amount of endogas can be reduced by about 30 to 40 percent.
Zudem wird gewährleistet, dass die Summe der Konzentration an Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) im Kühltunnelende kleiner als 5 Volumen-Prozent ist und damit unter der Explosionsgrenze des Schutzgases liegt. Dieses ist besonders wichtig, da die Schutzgastemperatur im Auslaufbereich der Wärmebehandlungsanlage annähernd Raumtemperatur aufweist und damit die Sicherheitstemperatur von 750°C weit unterschritten wird.In addition, it ensures that the sum of the concentration of carbon monoxide (CO) and hydrogen (H2) in the cooling tunnel end is less than 5% by volume, which is below the explosion limit of the protective gas. This is particularly important because the protective gas temperature in the outlet area of the heat treatment plant has approximately room temperature and thus far below the safety temperature of 750 ° C.
Durch den erfindungsgemäßen Schutzgaseintrag bildet sich eine - dem Wärmebehandlungsgut entgegenströmende Reaktionsfront aus, d.h., dass das teilweise reagierte Endogas über den Heizraumeinlauf entströmt und somit nur mit Stickstoff versetztes Endogas in den Kühltunnel einströmt, wodurch die unerwünschte Oxidation von Eisen im Kühltunnel der Wärmebehandlungsanlage wesentlich verringert wird, da das H2O/H2-Verhältnis im Kühltunnel viel niedriger als im Heizraum der Wärmebehandlungsanlage ist.The protective gas entry according to the invention forms a reaction front, which flows counter to the heat treatment material, ie, the partially reacted endotherm escapes via the heating chamber inlet and thus only nitrogen-displaced endogas flows into the cooling tunnel, whereby the undesired oxidation of iron in the cooling tunnel of the heat treatment system is substantially reduced because the H2O / H2 ratio in the cooling tunnel is much lower than in the boiler room of the heat treatment plant.
Dadurch, dass das Schutzgas im Kühltunnel einen deutlich niedrigeren Taupunkt (z.B. -7 Grad Celsius) als im Heizraum (z.B. +10 Grad Celsius) aufweist, wird eine Wasserkondensation im Kühltunnel der Wärmebehandlungsanlage verhindert.The fact that the protective gas in the cooling tunnel has a significantly lower dew point (for example -7 degrees Celsius) than in the heating chamber (for example +10 degrees Celsius) prevents water condensation in the cooling tunnel of the heat treatment plant.
Aufgrund der hohen Endogaskonzentration im Heizraum der Wärmebehandlungsanlage ist die Kinetik der Auf- oder Rückkohlung während der Wärmebehandlung größer, so dass die Verweilzeit des Wärmebehandlungsguts in Heizraum wesentlich verringert wird.Due to the high concentration of endogas in the heating chamber of the heat treatment plant, the kinetics of carburizing or recarbonization during the heat treatment are greater, so that the residence time of the heat treatment material in the heating chamber is substantially reduced.
Zudem ist durch die hohe Konzentration an Endogas im Heizraum der Wärmebehandlungsanlage die Kinetik der Reduktion von Eisenoxid auf warmverformten Eisenlegierungen, wie z.B. Drähten, Rohren, Profilen, besonders groß, so dass deren Oxidschichten vollständig reduziert werden. Die oxidfreien Werkstücke können anschließend mit verringertem Aufwand bearbeitet, wie z.B. gebeizt, werden und weisen eine den steigenden Anforderungen gerecht werdende Oberflächenqualität auf. Das erfindungsgemäß zur Wärmebehandlung eingesetzte Endogas besitzt auch eine wesentlich höhere „Reduktionskraft" als herkömmlich eingesetztes Exogas, d. h. es kann mehr Wasser und Kohlendioxid bilden und aufnehmen, ohne dass die Reduktion gestoppt
wird.In addition, due to the high concentration of endogas in the heating chamber of the heat treatment plant, the kinetics of the reduction of iron oxide to hot-deformed iron alloys, such as wires, pipes, profiles, particularly large, so that their oxide layers are completely reduced. The oxide-free workpieces can then be processed with reduced effort, such as pickled, be and have the ever increasing expectations of surface quality. The endogas used according to the invention for heat treatment also has a much higher "reduction power" than conventionally used exogas, ie it can form and absorb more water and carbon dioxide without the reduction being stopped becomes.
Die höhere Konzentration an Wasserstoff (H2) und Kohlenmonoxid (CO) im Heizraum der Wärmebehandlungsanlage bewirkt eine höhere Aufheizgeschwindigkeit des Warmebehand- lungsguts als bei Einsatz eines herkömmlichen Schutzgases aus Exogas oder Monogas (N2 kleiner 5%H2).The higher concentration of hydrogen (H2) and carbon monoxide (CO) in the boiler room of the heat treatment plant results in a higher heating rate of the heat treatment material than with conventional protective gas of exogas or monogas (N2 less than 5% H2).
Die erfindungsgemaße Endogas- und Stickstoffeinspeisung bewirkt den wesentlichen Vorteil, dass sich ein Konzentrationsprofil der reaktiven Komponenten vorteilhaft einstellt, wodurch die Explosionsgefahr verringert und die Reaktionskinetik und Aufheizge-schwindigkeit optimiert werden.The endogas and nitrogen feed according to the invention has the significant advantage that a concentration profile of the reactive components is advantageously established, whereby the risk of explosion is reduced and the reaction kinetics and heating rate are optimized.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausfuhrungsbeispiels naher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to an exemplary embodiment.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 Grafische Darstellung der Regelbarkeit der Kohlenstoffaktivitat von Exogas und Endohn-Gas bei der Wärmebehandlung von Eisen-Kohlenstoff-Legierungen;Fig. 1 Graphical representation of the controllability of the carbon activity of exogas and Endohn gas in the heat treatment of iron-carbon alloys;
Fig. 2 Grafische Darstellung der Stickstoffkonzentration in Abhängigkeit von dem Endogas- Endolm-Schutzgaseinsatz in einer Warmebehandlungsanlage mit Kuhltunnel.Fig. 2 Graphical representation of the nitrogen concentration as a function of the Endogas endolm protective gas used in a heat treatment plant with Kuhltunnel.
In Fig. 1 ist die Regelbarkeit der Kohlenstoffaktivitat von Exogas und Endogas (Endolin) bei der Wärmebehandlung von typischen Eisen-Kohlenstofflegierungen mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,15 bis 0,70% dargestellt Bei einer derartigen, in einem Temperaturbereich von 400 bis 900°C stattfindenden Wärmebehandlung sind die Kohlenstoffaktivitäten ac von einem herkömmlichen Schutzgas (Exogas) und von mehreren Schutzgasen (Endogas in Form von Endolin) mit 1 bis 5% CO gegenübergestellt. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, dass bei Einsatz eines Endogases mit 1 % CO bei einer Temperatur von großer 650°C und bei Einsatz eines Endogases mit 5% CO die Kohlenstoffaktivität ac auf kleiner 1 verringert wird, bei der die Eisen-Kohlenstoff-Legierungen während der Wärmebehandlung entkohlt werden. Aus Fig. 1 ist weiterhin zu entnehmen, dass die im Temperaturbereich 650 bis 740°C bewirkte Kohlenstoffaktivitat ac von gleich/kleiner 1 über das Mischungsverhältnis Endogas/Stickstoff, wie z.B. 1 -19 bis 1 :3, geregelt werden kann. Somit ist durch Einsatz von Schutzgasgemischen aus Endogas und Stickstoff eine Rückkohlung von entkohlten Eisen- Kohlenstoff-Legierungen wahrend der Wärmebehandlung einfach zu realisieren. Bei Temperaturen von großer 740°C muss dem mit Stickstoff versetzten Endogas ein die Kohlenstoffaktivitat ac auf den Wert von 1 steigerndes Gas, bevorzugt Propan, wegen seiner bedeutend besseren Reaktivität mit Wasser und Kohlendioxid zugesetzt werden. Weiterhin kann die Kohlenstoffaktivität im Heizraumgas durch Senkung des Taupunktes im erzeugten Endogas am Endogenerator erhöht werden, da mit fallender Wasserkonzentration im Endogas die Kohlenstoffaktivit t im Mischgas ansteigt. Fig. 2 zeigt einen Ofen (Heizraum) mit Kuhltunnel, worin einmal Endogas mit einer Menge an Stickstoff vorgemischt in das letzte Drittel des Heizraumes und die Hauptmenge an reinem Stickstoff in der Mitte/letztes Drittel des Kühltunnels eingespeist werden (Variante 2). In den Varianten 1 und 3 sind verschiedene Endogasmengen (10 und 30 m3/h) mit Stickstoff extern der Ofenanlage gemischt und in die Einspeisstelle im Heizraumende komplett eingespeist, d. h., dass an jeder Stelle im Heizraum und Kühltunnel die gleiche Konzentrationen an Wasserstoff und Kohlenmonoxid herrschen müssen Bei allen 3 Varianten ist die
Gesamtgasmenge immer auf 140 m3/h konstant gehalten. Mit Variante 2 ergibt sich bei externer vollständiger Mischung von Endogas und Stickstoff eine Wasserstoff konzentration von 5,8 Vol.-%H2, d. h., die Explosionsgrenze von 5 Vol.-%H2,CO ist deutlich überschritten. Teilt man diese Gesamtmenge von Variante 2 auf, in Endogas/N2-Gemisch und N2 und speist die beide Teilströme an geeigneter Stelle ein, so ergeben sich Konzentrationen an Wasserstoff im Heizraum von 9 Vol.-%H2 und im Kühltunnel von 2,8 Vol.-%H2, also nahe der geforderten Explosionsgrenze. Die Wasserstoffkonzentration liegt somit im Heizraum um 40% höher und im Kühltunnel um 40% niedriger als die komplette Mischung von Endogas und Stickstoff. Es hat sich eine gerichtete Gasströmung von Stickstoff aus dem Kühltunnel in den Heizraum ausgebildet. Aufgrund der gemessenen Konzentrationen an Wasserstoff ist ersichtlich, dass die Stickstoffströme zu ungefähr zwei gleichen Teilen gerichtet sind, sodass die Verdünnung im Kühltunnel und Aufkonzentration im Heizraum und Gasabfuhr zum Heizraumeinlauf optimal sind. Variante 3 verdeutlicht, dass es nur mit einer kleinen Menge an Endogas (10m3/h) möglich ist, um die Sicherheitsbedingung von kleiner 5Vol.-%H2,CO zu realisieren.In Fig. 1, the controllability of the carbon activity of exogas and endogas (Endolin) in the heat treatment of typical iron-carbon alloys is shown with a carbon content of 0.15 to 0.70% In such, in a temperature range of 400 to 900 ° C. The heat treatment is compared with the carbon activities a c of a conventional protective gas (exogas) and of several protective gases (endogas in the form of endolin) with 1 to 5% CO. It can be seen from Fig. 1 that when using an endogase with 1% CO at a temperature of high 650 ° C and using a endogase with 5% CO, the carbon activity a c is reduced to less than 1, in which the iron-carbon Alloys are decarburized during the heat treatment. It can also be seen from FIG. 1 that the carbon activity a c of equal to / less than 1 caused in the temperature range 650 to 740 ° C. can be regulated via the mixing ratio endogas / nitrogen, such as, for example, 1 to 1: 3. Thus, by using protective gas mixtures of endogas and nitrogen recarbonization of decarburized iron-carbon alloys during the heat treatment is easy to implement. At temperatures of greater than 740 ° C, the nitrogen gas added endogenous gas must be added to the carbon activity a c to the value of 1 gas, preferably propane, because of its significantly better reactivity with water and carbon dioxide. Furthermore, the carbon activity in the heating chamber gas can be increased by lowering the dew point in the generated endogenous gas at the endogenerator, since with decreasing water concentration in the endogas, the carbon activity increases in the mixed gas. Fig. 2 shows an oven (boiler room) with Kuhltunnel, wherein once endogas with a quantity of nitrogen premixed in the last third of the boiler room and the main amount of pure nitrogen in the middle / last third of the cooling tunnel are fed (variant 2). In variants 1 and 3, different amounts of endogas (10 and 30 m3 / h) are mixed with nitrogen externally of the furnace and fed completely into the feed point in the boiler room, ie the same concentrations of hydrogen and carbon monoxide prevail at each point in the boiler room and cooling tunnel For all 3 variants is the Total amount of gas always kept constant at 140 m3 / h. With variant 2 results in external complete mixture of endogas and nitrogen, a hydrogen concentration of 5.8 vol .-% H2, ie, the explosion limit of 5 vol .-% H2, CO is significantly exceeded. Dividing this total amount of variant 2, in endogas / N2 mixture and N2 and feeds the two streams at a suitable location, resulting in concentrations of hydrogen in the boiler room of 9 vol .-% H2 and in the cooling tunnel of 2.8 vol .-% H2, ie close to the required explosion limit. The hydrogen concentration is thus 40% higher in the boiler room and 40% lower in the cooling tunnel than the complete mixture of endogas and nitrogen. It has formed a directed gas flow of nitrogen from the cooling tunnel in the boiler room. Based on the measured concentrations of hydrogen, it can be seen that the nitrogen flows are directed to approximately two equal parts, so that the dilution in the cooling tunnel and concentration in the boiler room and gas removal to the boiler room inlet are optimal. Variant 3 illustrates that it is only possible with a small amount of endogas (10m3 / h) to realize the safety condition of less than 5% by volume H2, CO.
Nach Variante 2 sind somit die Aspekte der Sicherheit und eine möglichst hohe H2,CO- Konzentration im Heizraum realisiert.
Variant 2 thus implements the aspects of safety and the highest possible H2, CO concentration in the boiler room.