WO2006037459A1 - Verfahren zur atmosphärengestaltung bei wärmebehandlungen - Google Patents

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    • F27D2019/0028—Regulation
    • F27D2019/0068—Regulation involving a measured inflow of a particular gas in the enclosure

Definitions

  • the invention relates to a process for the preparation of a treatment gas atmosphere in an oven for the heat treatment of metallic material, wherein a major part of the treatment gas or its formation components via appropriate supply pipes, atomizing lances, dripping devices, internal generators and the like is introduced and where appropriate, further components of the treatment gas are supplied independently and / or optionally for setting a desired carbon level of the atmosphere to the furnace - at least in the treatment zone - also an enrichment gas / agent is supplied.
  • a nozzle according to the invention which can also be characterized as a suction and pulse input nozzle closer, reduced or completely eliminated.
  • the inventive method causes by the associated strong impulse entry a strong mixing of the introduced and the surrounding gases, which in particular is also spatially far-reaching than the usual supply with nozzles with a circular beam cross-section.
  • the characteristics of said nozzles are that pressurized gas is vented out of chambers provided therein through one or more narrow openings in one or more thin gas films, or even in a series of juxtaposed jets, these films then being intensively mixed with the ambient gas Interacting.
  • Typical film thicknesses range from fractions of a tenth of a millimeter down to the millimeter range (0.01 to 2 mm).
  • a large-scale gas envelope is formed which interacts with the ambient atmosphere, including thermally, and entrains it.
  • a rapid, intimate mixing of the gases involved one obtains a, compared to the usual entry types for gases far larger, moving gas stream, i. a pulse entry, which results in a far-reaching Verwirbelungs- and mixing effect in the entire, relevant volume of the existing atmosphere.
  • a pulse entry which results in a far-reaching Verwirbelungs- and mixing effect in the entire, relevant volume of the existing atmosphere.
  • the free active path ie the free path of the gas supplied or the gas films produced up to an obstacle, this must also be more than 0.3 meters with advantage.
  • film nozzles with adjustable annular gap are also particularly advantageous. Such nozzles can be adapted to a variety of conditions in terms of pressure, entrainment, gas quantity and the like
  • Figure 1 a nozzle with implied, inventive gas flow scheme
  • Figure 2 an application in the chamber furnace
  • Figure 3 an application in a continuous furnace
  • FIG. 1 shows a film or pulse-entry nozzle D according to the invention with an annular gap 1 and a conical closure body 2 tapering in the direction of discharge.
  • annular gap 1 an annular gas film is generated from the upstream chamber 3 out.
  • the annular gap width can be varied over a long, through the tubular body 5 longitudinally extending adjusting screw 4 from the nozzle back side ago.
  • the nozzle has a lancet-like design, so that it is particularly suitable for installation in large-volume chambers.
  • FIG. 2 shows an application according to the invention of a corresponding film nozzle 1 in a chamber furnace furnace installation.
  • the nozzle 1 is in the case shown from above vertically pointing downwards inserted into the ceiling of the chamber furnace, adjacent to the same direction oriented nitrogen-methanol lance 2. Methanol is set during operation and usual carburizing temperatures around 1000 0 C in CO and H2 and forms with the adjacent nitrogen introduced the so-called. Carrier gas for the heat treatment of the metallic charge.
  • the nozzle 1 is used to supply the enrichment or fatliquoring medium which gives rise to the carbon or C level.
  • This nozzle is - as shown advantageous according to the invention - further placed so that the resulting gas flow can traverse a greater free path, in the case shown more or less the entire Ofe ⁇ - chamber height.
  • This free effective distance should advantageously be more than 0.5 m.
  • the enrichment medium - in place of the usual media methane or propane - used in the present example, especially acetylene, which, as shown, can be diluted with nitrogen.
  • the nitrogen admixture provides an additional degree of freedom with which the desired pulse input can be varied without altering the chemistry.
  • the addition of the enrichment medium serves to vent the CO 2 and H 2 O resulting from carbon transfer to the workpiece and to keep the carbon transfer going - / to a desired extent.
  • the C carry is known to be essential to
  • Figure 3 shows an embodiment of the invention in a continuous furnace with two Fiimdüsen FD oriented in opposite directions.
  • the two nozzles FD are mounted in the area of the heating / heating zone.
  • the blowing direction is transverse to the direction of passage of the goods and advantageous at an angle of about 10 to 15 ° upwards.
  • the placement is further defined on the other hand with above the transport path of the material to be treated and approximately on the line connecting the gas-generating catalyst insert KAT on the one hand and the nitrogen supply N2O to the top furnace. In the lower furnace part below the transport path is also - ahead and adjacent to the catalyst insert KAT - a nitrogen supply N2U provided to the lower furnace.
  • the internal gas generator KAT supplies a main part of the treatment atmosphere, which is produced from natural gas and air (for example from 2.4 cbm per hour natural gas and 6.25 cbm / h air) and thus from the classic endogas (20% CO, 40 % H 2 , 40% N 2 ). Nitrogen is added to this, resulting in a - with regard to nitrogen - enriched and with regard to the other components reduced endogas atmosphere - eg approx. 10% CO.
  • This atmosphere is finally adjusted by the addition of enrichment gas suitable for the particular treatment. According to the invention, the addition of the addition of the
  • 34Cr Mo 4 carried out according to the invention.
  • 2 cbm of propane per hour were supplied as enrichment medium according to the invention with the film nozzle arrangement shown (with otherwise essentially conventional settings) (the method works - as was also found - with acetylene as the enrichment medium). Due to the apparently efficient conversion of the enrichment gas and the measurable good overall constitution of the atmosphere, a problem-free sequence with excellent properties with regard to the process control and error-free treatment result, which was controlled on the basis of a Carbodiffsensors.
  • the present method thus represents an advantageous alternative in the production of atmospheric heat in the heat treatment area.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Behandlungsgas-Atmosphäre in einem Ofen für die Wärmebehandlung von metallischem Gut, wobei ein Hauptteil des Behandlungsgases oder dessen Bildungskomponenten über entsprechende Zuleitungsrohre, Verdüsungs-Lanzen, Eintropfvorrichtungen, innen liegende Generatoren und dergleichen eingebracht wird und andererseits weitere Komponenten des Behandlungsgases oder Anreicherungsgas eigenständig zugeführt werden. Erfindungsgemäß wird das Anreicherungsgas und/oder die weiteren Komponenten des Behandlungsgases mit einer oder mehreren speziellen Düsen, so genannten Filmdüsen, dem Ofen zugeführt wird.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Atmosphärengestaltunq bei Wärmebehandlungen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Verfahren zur Herstellung einer Behand¬ lungsgas-Atmosphäre in einem Ofen für die Wärmebehandlung von metallischem Gut, wobei ein Hauptteil des Behandlungsgases oder dessen Bildungskomponenten über entsprechende Zuleitungsrohre, Verdüsungs-Lanzen, Eintropfvorrichtungen, innen liegende Generatoren und dergleichen eingebracht wird und wobei gegebenenfalls weitere Komponenten des Behandlungsgases eigenständig zugeführt werden und/oder gegebenenfalls zur Einstellung eines gewünschten Kohlenstoffpegels der Atmosphäre dem Ofen - zumindest in der Behandlungszone - zudem ein Anreicherungsgas/-mittel zugeführt wird.
Zahlreiche Wärmebehandlungsverfahreπ und insbesondere Wärmebehandlungen für metallische Werkstücke arbeiten mit Wärmebehandlungsöfen, die entweder als Kammer-, Durchlauf- oder Durchstoßofen ausgebildet sind. Die Erwärmung der
Anlagen erfolgt meist über Strahlrohre und das zur Wärmebehandlung notwendige Be¬ handlungsgas wird häufig in eigenständigen Gasgeneratoren oder in Katalysator¬ retorten erzeugt (Endogas). Ebenso kann neben dem generierten Gas weiteres geeignetes Gas, z.B. inerter Stickstoff, zusätzlich in den Wärmebehandlungsofen eingebracht werden (siehe EP-B1 261 461). Ferner ist oft die Zufuhr weiterer Mittel für gewünschte thermochemische Prozesse wie die Aufkohlung erforderlich (HTM 46/1991).
Eine vorteilhafte Ausgangslage in Verbindung mit durchzuführenden Wärmebe- handlungen sind sich schnell einstellende, gleichmäßig und homogen sich verhaltende Atmosphären und gute Möglichkeiten diese zu überwachen und zu regeln. Nicht immer - und speziell bei größeren Ofenanlagen und Direktbegasungen - ist dies gegeben, und es ist auch nicht immer möglich, eine zutreffende Information über Zusammensetzung und Wirkung einer Atmosphäre zu erhalten, geschweige denn diese zuverlässig zu regeln. Ziel der vorliegenden Erfindung war es daher, eine Verbesserung dieser Verhältnisse zu schaffen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das Anreicherungsgas und/oder die weiteren Komponenten des Behandlungsgases mit einer oder mehreren Filmdüsen dem Ofen zugeführt wird/werden. Zumindest zum Teil liegen die Mängel im Stand der Technik darin begründet, dass bei der Zufuhr von letztlich Atmosphäre bildenden Komponenten inhomogene Verhältnisse in den Atmosphären entstehen. Diese werden durch die
Anwendung einer erfindungsgemäßen Düse, die auch als Ansaug- und Impulseintrags- Düse näher gekennzeichnet werden kann, vermindert oder ganz behoben.
Das erfindungsgemäße Vorgehen bewirkt durch den zugehörigen starken Impulseintrag eine starke Vermischung der eingebrachten und der umgebenden Gase, die insbesondere auch räumlich weitreichender ist als die übliche Zufuhr mit Düsen mit kreisförmigem Strahlquerschnitt. Die Kennzeichen besagter Düsen bestehen darin, dass Druckgas aus darin vorgesehenen Kammern heraus über eine oder mehrere schmale Öffnungen in einen oder mehrere dünnen Gas-Filme - oder auch in eine Reihe nebeneinander liegender Strahlen - entspannt wird, wobei diese Filme dann mit dem Umgebungsgas in intensive Wechselwirkung treten. Typische Filmdicken liegen dabei in Bruchteilen von Zehntelmillimetern bis in den Millimeterbereich (0,01 bis 2 mm).
Wird eine derartige Düse mit beispielsweise ringförmigem Gasauslass aus der zugehörigen Druckkammer eingesetzt, entsteht eine großflächige Gashülle die mit der Umgebungsatmosphäre - auch thermisch - wechselwirkt und diese mitreißt. Neben einer schnellen, innigen Vermischung der beteiligten Gase erhält man einen, im Vergleich zu den üblichen Eintragsarten für Gase weit größeren, bewegten Gasstrom, d.h. einen Impulseintrag, der eine weitreichende Verwirbelungs- und Vermischungs¬ wirkung im gesamten, betreffenden Volumen der vorhandenen Atmosphäre ergibt. Auf diese Weise und bei günstiger Ausrichtung und Zufuhr - oder sogar dem Zusammen¬ wirken mehrerer erfindungsgemäßer 'Gasströme'- ergeben sich günstige Verhältnisse für eine schnelle Abreaktion zugeführter Medien sowie für eine schnelle Homogeni- sierung und Durchmischung des gesamten Zufuhrbereichs.
Die freie Wirkstrecke, d.h. die freie Wegstrecke des zugeführten Gases bzw. der erzeugten Gasfilme bis zu einem Hindernis, muss hierfür ferner mit Vorteil mehr als 0,3 Meter betragen. Besonders vorteilhaft sind zudem Film-Düsen mit verstellbarem Ringspalt. Derartige Düsen könne auf unterschiedlichste Bedingungen hinsichtlich Druck, Mitnahmeeffekt, Gasmenge und dergleichen angepasst werden
Die Erfindung sowie weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigen:
Figur 1: eine Düse mit angedeutetem, erfindungsgemäßem Gasfluss-Schema Figur 2: eine Anwendung im Kammerofen Figur 3: eine Anwendung im Durchlaufofen
In Figur 1 ist eine erfindungsgemäße Film- oder Impulseintrags-Düse D mit einem ringförmigen Spalt 1 und einem in Abblasrichtung sich verjüngendem, konischen Verschlusskörper 2 dargestellt. Im ringförmigen Spalt 1 wird ein ringförmiger Gasfilm aus der vorgelagerten Kammer 3 heraus erzeugt. Die Ringspalt-Weite ist über eine lange, durch den rohrartigen Körper 5 längs hindurch reichende Verstellschraube 4 von der Düsenrückseite her variierbar. Generell weist die Düse eine lanzenartige Ausbildung auf, so dass diese besonders für den Einbau in großvolumige Kammern geeignet ist.
Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Anwendung einer entsprechenden Film-Düse 1 in einer Kammerofen-Ofenanlage. Die Düse 1 ist im gezeigten Fall von oben senkrecht nach unten zeigend in die Decke des Kammerofens eingesetzt, und zwar benachbart zur gleichsinnig orientierten Stickstoff-Methanol-Lanze 2. Methanol setzt sich bei laufendem Betrieb und üblichen Aufkohlungstemperaturen um 10000C in CO und H2 um und bildet mit dem benachbart eingetragenen Stickstoff das sog. Trägergas für die Wärmebehandlung der metallischen Charge. Mit der Düse 1 wird das für den Kohlen¬ stoff- oder C-Pegel Ausschlag gebende Anreicherungs- oder Fettungsmedium zugeführt. Diese Düse ist - wie erfindungsgemäß vorteilhaft angezeigt - im Weiteren so platziert, dass der sich ergebende Gasstrom eine größere Freie Weglänge durchqueren kann, im gezeigten Fall mehr oder weniger die gesamte Ofeπ- kammerhöhe. Diese freie Wirkstrecke soll vorteilhaft mehr als 0,5 m betragen. Als Anfettungsmedium wird - an Stelle der üblichen Medien Methan oder Propan - im vorliegenden Beispielfall speziell Acetylen eingesetzt, das, wie gezeigt, mit Stickstoff verdünnt werden kann. Die Stickstoff-Zumischung ergibt einen zusätzlichen Freiheitsgrad mit dem der gewünschte Impulseintrag ohne Veränderung der Chemie variiert werden kann. Die Zugabe des Anreicherungsmediums dient dazu, das beim Kohlenstoffübertrag auf das Werkstück entstehende CO2 und H2O abzureagieren und den Kohlenstoffübertrag - /bis zu einem gewünschten Maß - in Gang zu halten. Der C- Übertrag ist bekanntermaßen wesentlich durch
CO + H2 — > (C) + H2O oder 2 CO > (C) + CO2
bestimmt. Das Anreicherungsgas Acetylen führt mit
C2H2 + 2 CO2 > 4 CO + H2
C2H2 + 2 H2O > 2 CO + 3 H2
zu einer Abreaktion der hemmenden Komponenten und zu einer besonders effektiven Kohlenmonoxid-Nachiieferung, die - wie bekannt - die schnellste Aufkohlungsreaktion stützt.
Durch die erfindungsgemäße Zufuhr von Acetylen mit einer Filmdüse mit Impuls¬ eintrag wurde bei ansonsten üblichen Parametern in einem Vergleichsversuch eine hochwertige und besonders schnelle Aufkohlung von gängigen Chargen von Getrie- beteilen erzielt, die mit üblicher Mess- und Regeltechnik problemfrei gestaltbar und kontrollierbar war.
Die erfindungsgemäß bewirkte, intensive Wechselwirkung des in der beschriebenen Weise zugeführten Anreicherungsgases mit dem übrigen Atmosphärengasen führt offenkundig zu einer günstigen und schnellen Beeinflussung des vorhandenen Atmosphärengasgemisches im Ganzen und insbesondere hinsichtlich dessen Wirksamkeit, Homogenität und Regelbarkeit. Besonders auffällig ist ferner, dass mit der geschilderten Vorgehensweise der Formierprozess eines Ofens nach Stillstandszeiten erheblich schneller als bei konventioneller Fahrweise abläuft.
Figur 3 zeigt ein Äusführungsbeispiel der Erfindung in einem Durchlaufofen mit zwei gegensinnig orientierten Fiimdüsen FD.
Die zwei Düsen FD sind im Bereich der Heiz-/Hitzezone montiert. Die Einblasrichtung ist Quer zur Durchlaufrichtung des Gutes und vorteilhaft in einem Winkel von ca. 10 bis 15 ° nach oben. Die Platzierung ist ferner mit oberhalb des Transportweges des Behandlungsgutes und in etwa auf der Verbindungslinie des Gas erzeugenden Katalysatoreinsatzes KAT einerseits und der Stickstoffzufuhr N2O zum Oberofen andererseits näher definiert. Im unteren Ofenteil unterhalb des Transportweges ist ferner - voraus liegend und benachbart zum Katalysatoreinsatz KAT - eine Stickstoffzufuhr N2U zum Unterofen vorgesehen.
Mit dieser Anordnung findet nunmehr die Begasung des gezeigten Durchlaufofens statt. Dabei liefert der innen liegende Gaserzeuger KAT einen Hauptteil der Behandlungsatmosphäre, welcher aus Erdgas und Luft (beispielsweise aus 2,4 cbm pro Stunde Erdgas und 6,25 cbm/h Luft) erzeugt wird und also aus dem klassischen Endogas (20% CO, 40 % H2 ,40 % N2) besteht. Zu diesem kommt Stickstoff hinzu, womit eine - bezüglich Stickstoff - angereicherte und hinsichtlich der anderen Komponenten reduzierte Endogas-Atmosphäre entsteht - z.B. ca. 10 % CO. Diese Atmosphäre wird schließlich über die Zugabe von Anreicherungsgas für die jeweilige Behandlung geeignet eingestellt. Erfindungsgemäß erfolgt die Zugabe des
Anreicherungsgases nunmehr über die zwei - von den beiden Ofenseiten her - eingebrachte und gegensinnig und leicht nach oben orientierte Düsen FD.
Mit dem gezeigten Begasungs-Schema mit zwischen Endo- und Stickstoffgaszufuhr liegender Einbringung von Anreicherungsgas mit zwei Impulsdüsen wird eine hocheffiziente Anreicherung bzw. C-Pegeleinstellung der vorhanden Atmosphäre erzielt, die insbesondere auch sehr schnell auf Nachregulierungen reagiert und die das zugeführte Anreicherungsgas sehr effektiv ausnutzt. Beispielsweise ergibt sich mit den in Fig.3 gezeigten Verhältnissen und dem Betrieb zweier Filmdüsen FD in der gezeigten Weise und jeweils der Zufuhr von 1 ,0 cbm Propan pro Stunde (bislang ca. 2,5 cbm/h seitliche Propanzugabe als Anfettung) eine hinsichtlich des C-Pegels - im Vergleich zu vorher - sogar leicht verbesserte Atmosphä- re, wobei es sich im geschilderten Fall um die Präparation relativ niedriger C-Pegel um 0,2% handelt. Diese Atmosphäre ist ferner mit erfindungsgemäßem Vorgehen in kurzer Zeit variierbar. Generell können mit der Erfindung und entspechend variierten Begasungsystemen auch erhebliche höhere C-Pegel problemlos eingestellt werden.
Im oben beschriebenen Ofen wurde schließlich eine Rückkohlung von Rohren aus
34Cr Mo 4 erfindungsgemäß durchgeführt. Es wurden - bei ansonsten im wesentlichen herkömmlichen Einstellungen - 2 cbm Propan pro Stunde als Anfettungsmedium erfindungsgemäß mit der gezeigten Filmdüsenanordnung zugeführt (das Verfahren funktioniert - wie festgestellt wurde - ebenso mit Acetylen als Anreicherungsmedium). Aufgrund der offenbar effizienten Umsetzung des Anreicherungsgases und der messbar guten Gesamtkonstitution der Atmosphäre ergab sich ein problemfreier Ablauf mit vorzüglichen Eigenschaften hinsichtlich der Prozessführung und fehlerfreiem Behandlungsergebnis, wobei auf der Basis eines Carbodiffsensors gesteuert wurde.
Auffällig war femer, dass erfindungsgemäß auch der Formierprozess erheblich schneller als bei üblicher, vorbekannter Verfahrensweise von statten ging.
Vorliegendes Verfahren stellt somit eine vorteilhafte Alternative bei der Atmosphä- reπherstellung im Wärmebehandlungsbereich dar.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer Behandlungsgas-Atmosphäre in einem Ofen für die Wärmebehandlung von metallischem Gut, wobei ein Hauptteil des Behandlungsgases oder dessen Bildungskomponenten über entsprechende Zuleitungsrohre, Verdüsungs-Lanzen, Eintropfvorrichtungen, innen liegende
Generatoren und dergleichen eingebracht wird und wobei gegebenenfalls weitere Komponenten des Behandlungsgases eigenständig zugeführt werden und/oder gegebenenfalls zur Einstellung eines gewünschten Kohlenstoffpegels der Atmosphäre dem Ofen - zumindest in der Behandlungszone - zudem ein AnreicherungsgasAmittel zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das
Anreicherungsgas und/oder die weiteren Komponenten des Behandlungsgases mit einer oder mehreren Filmdüsen dem Ofen zugeführt wird/werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Filmdüsen mit Filmdicken zwischen 0,01 und 2 mm, vorzugsweise 0,05 und 1 mm, und ein
Durchsatz zwischen 0,2 und 50 Kubikmeter (cbm) , vorzugsweise 0,5 und 20 cbm, pro Stunde zur Anwendung kommen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Filmdüsen mit verstellbarem Ringspalt verwendet werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine freie Wirkstrecke für die Filmdüseπgasströme von wenigsten 30 cm, vorzugsweise mehr als 50 cm, vorgesehen wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmungsgröße der Atmosphäre gemessen und davon abhängig die Menge des über die Filmdüse(n) zugeleiteten Gases, insbesondere Anreicherungsgases, eingestellt und/oder geregelt wird.
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