[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines verzinkten werkstücks, bei
dem das Werkstück mittels eines Fördermittels durch mehrere aufeinander folgende Kammerbereiche
eines Durchlaufofens geführt und in diesem durch ein Heizmittel erwärmt wird, wobei
in die Kammerbereiche des Durchlaufofens über jeweilige Einspeisepunkte ein Schutzgasgemisch
eingespeist wird.
[0002] Die Erfindung betrifft ferner einen Durchlaufofen zur Durchführung des Verfahrens.
[0003] Im Bereich der Fahrzeugindustrie ist es das Bestreben, Fahrzeuge mit einem möglichst
geringen Kraftstoffverbrauch zu entwickeln. Ein übliches Mittel zur Reduzierung des
Kraftstoffverbrauchs liegt dabei beispielsweise in der Reduzierung des Fahrzeuggewichts.
Um jedoch steigenden Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden, müssen die verwendeten
Karosseriebaustähle bei geringerem Gewicht eine höhere Festigkeit aufweisen. Dies
wird üblicherweise durch den Prozess des so genannten Presshärtens erreicht. Dabei
wird ein Blechteil auf etwa 800-1000°C erwärmt und anschließend in einem gekühlten
Werkzeug verformt und abgeschreckt. Die Festigkeit des Bauteils nimmt dadurch bis
auf etwa das Dreifache zu.
[0004] Im Fahrzeugbau werden ferner vorzugsweise verzinkte Stahlbleche eingesetzt, da diese
gute Korrosionseigenschaften aufweisen. Das Presshärten von verzinkten Stahlblechen
ist jedoch mit den bekannten Verfahren und zugehörigen Öfen bis her nicht zufrieden
stellend möglich. Wenn die Metalloberflächen von verzinktem Stahlblech in einem Durchlaufofen
erwärmt werden, bildet sich in Gegenwart von Sauerstoff in freier oder chemisch gebundener
Form ein Metalloxid, da sich die Reaktionsfähigkeit durch den Sauerstoff erhöht. Dadurch
verzundert das Werkstück und da das Metalloxid ein wesentlich kleineres Raumgewicht
als das Metall hat, löst es sich vom Basismaterial ab. Dadurch wird die elektrolytische
Schutzeigenschaft des Zinks auf dem Grundwerkstoff zunichte gemacht.
[0005] Zum Schutz gegen diese Verzunderung ist es beispielsweise bekannt, das zu erhitzende
Blech beidseitig mit einer Legierung aus Al-Si zu überziehen. Dieser Metallüberzug
legiert einerseits in die Stahloberfläche und andererseits bildet er eine dichte Al-Si-Oxidschicht,
welche den Grundwerkstoff gegen weitere Verzunderung schützt. Diese Beschichtung ist
jedoch vor dem Erwärmen schlecht zu verformen, sowie nach dem Presshärten nicht mehr
galvanisch geschützt.
[0006] Weitere Alternativen stellen die Beschichtungen mit so genannten NANO-Partikeln der
Firma NANO-X oder mit einer Zink-Aluminium-Legierung dar. Beim Einsatz einer Beschichtung
aus einer Zink-Aluminium-Legierung ist zwar kein Schutzgas erforderlich, die Beschichtung
ist jedoch sehr kostenintensiv und nach dem Presshärten bildet sich ebenfalls keine
galvanisch aktive Schutzschicht aus.
[0007] Eine weitere bekannte Lösung stellt die Verwendung von unbeschichtetem Stahlblech
da, bei denen jedoch die sauerstoffhaltige Luftatmosphäre gegen eine Schutzgasatmosphäre
(z.B. Endogas) ausgetauscht wird. Doch auch bei Verwendung eines Schutzgases zum Erwärmen
des Werkstücks muss nach dem Presshärten Zunder durch Sandstrahlen entfernt werden,
welcher während der Übergabe an die Presse entstanden ist.
[0008] Wird ein Werkstück in einer Schutzgasatmosphäre erwärmt, werden für einen Ofen herkömmlicherweise
interne oder externe Endogaserzeuger verwendet. Bekannte Gaserzeuger sehen beispielsweise
das Führen des Gasgemisches über ein Nickel-Katalysatorbett bei hoher Temperatur vor.
Bei einem externen Gaserzeuger muss das damit erzeugte Gas für den Weitertransport
zum Ofen jedoch abgekühlt werden und verliert dabei durch Bildung von Kohlenstoffketten
an Reduktionspotenzial.
[0009] Interne Endogaserzeuger sind beispielsweise aus der Deutschen Patentschrift
DE 196 21 036 C2 bekannt. Die Schrift beschreibt die Verwendung eines Katalysatorbetts auf Nickelbasis,
das in den Ofenraum eingebaut ist. Das Katalysatorbett dient dabei zum Spalten von
eingespeisten Kohlenwasserstoff-Luftgemischen mit einer zusätzlichen Beheizungseinrichtung.
Dieses Katalysatorbett muss auf ca. 900 bis 1100°C erwärmt werden, um reaktionsfähig
zu sein.
[0010] Durchlauföfen mit Schutzgasatmosphäre bringen üblicherweise den Nachteil mit sich,
dass die Atmosphäre aufgrund einer während der Produktion entstehenden Konvektion
im Ofeninneren ständig durch mit dem Gut eingeschleppten Sauerstoff und Feuchtigkeit
der Gutoberfläche verunreinigt wird. Die Konvektion wird durch die noch kalten Werkstücke
am Anfang des Ofens bewirkt, da diese die Atmosphäre abkühlen und eine daraus entstehende
Thermik eine große Schutzgaswalze durch die gesamte Ofenanlage erzeugt, die eine unerwünschte
Vermischung der einlaufseitig eingeschleppten oxidierenden Gase im kritischen Endbereich
des Ofens bewirkt.
[0011] Der Artikel "ANNEALING HOT-ROLLED SHEETS IN AN ATMOSPHERE OF NITROGEN
[0012] WITH NATURAL GAS ADDITIONS" von I.M. Fomin, Yu.M. Brunzel und N.G. Ryabova, erschienen
in "STEEL IN TRANSLATION" im Januar 1993, offenbart einen kontinuierlichen Dreikammer-Wärmebehandlungsofen,
mit einer Schutzgasströmung die entgegen der Bewegungsrichtung der Werkstücke verläuft.
[0013] Die
Deutsche Patentschrift DE 197 19 203 C2 offenbart ein Sinterverfahren für auf Basis von Eisen-Pulver gepresste Formteile,
bei dem eine Schutzgasführung im Ofen vorgesehen ist. Der Betrieb dieses bekannten
Sinterofens kann jedoch nicht auf das Erwärmen und Presshärten von verzinkten Stahlblechen
übertragen werden.
[0014] Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren bereitzustellen, mit dessen Hilfe
verzinkte Werkstücke insbesondere aus härtbarem Stahlblech erwärmt werden können,
um sie anschließend presszuhärten, ohne dass die gute Kaltverformbarkeit und die hohe
Korrosionsbeständigkeit eingebüßt werden müssen.
[0015] Das Verfahren sollte dabei sowohl die bereits auf dem Metall vorhandenen Oxide reduzieren,
als auch eine neue Oxidbildung vermeiden und ferner den Verbrauch von Schutzgas reduzieren.
[0016] Aufgabe der Erfindung ist es ferner, einen Ofen zur Durchführung des Verfahrens bereitzustellen.
[0017] Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen
Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens ergeben sich aus
den Unteransprüchen 2-6 und der Gegenstand des Anspruchs 7 ergänzt die Erfindung um
ein Verfahren zum Presshärten von Werkstücken, die zuvor mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren erwärmt wurden. Die Aufgabe wird ferner durch einen Durchlaufofen nach Anspruch
8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen dieses Ofens ergeben sich aus den Unteransprüchen
9-12.
[0018] Die Erfindung umfasst ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, bei dem
Führungssysteme zwischen den Kammerbereichen einen Gesamtstrom des Schutzgasgemischs
entgegen der Durchlaufrichtung des Werkstücks durch den Durchlaufofen bewirken, wobei
der gewünschte Gasstrom durch eine leichte Schräglage des gesamten Durchlaufofens
unterstützt wird, bei der ein vorderes Ende des Durchlaufofens höher steht als ein
hinteres Ende und dass das Fördermittel das Werkstück durch die Führungssysteme führt,
wobei die Führungssysteme Trennwände mit jeweils einer Öffnung sind, und wobei eine
Konvektionswalze von Schutzgas durch den gesamten Durchlaufofen verhindert wird.
[0019] In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Schutzgasgemisch
durch Teilverbrennung eines Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisches in einem Edelmetallkatalysator
erzeugt. Die für die Teilverbrennung erforderliche Wärme wird durch den Spaltungsprozess
im Katalysator erzeugt. Die Teilverbrennung im Edelmetallkatalysator erfolgt dabei
beispielsweise ab etwa 700°C.
[0020] Vorzugsweise wird die Zusammensetzung eines in einen Kammerbereich des Durchlaufofens
eingespeisten Schutzgasgemisches in Abhängigkeit von der Temperatur des Werkstücks
in dem jeweiligen Kammerbereich so gewählt, dass eine Verzinkung des Werkstücks nicht
oxidiert. Die Flussgeschwindigkeit des Schutzgasgemisches durch den ofen ist dabei
vorzugsweise höher als die Rückdiffusionsgeschwindigkeit.
[0021] Von der Erfindung umfasst ist ferner ein Verfahren zum Presshärten eines Werkstücks
in einer Presse, bei dem das Werkstück vor der Einbringung in die Presse mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren erwärmt wurde.
[0022] Ferner umfasst die Erfindung einen Durchlaufofen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
8, bei dem zwischen den Kammerbereichen Führungssysteme angeordnet sind zur Bewirkung
eines Schutzgasflusses entgegen einer Bewegung des Werkstückes und zum Verhindern
einer Konvektionswalze aus Schutzgas durch den gesamten Ofen, wobei die Führungssysteme
Trennwände mit jeweils einer Öffnung sind, durch welche das Fördermittel verläuft
und wobei der Durchlaufofen eine leichte Schräglage aufweist, bei der ein vorderes
Ende des Durchlaufofens höher steht als ein hinteres Ende.
[0023] Zwischen den Kammerbereichen sind ferner Schutzgasführungssysteme angeordnet, welche
die Bildung einer großen Konvektionswalze von Schutzgasgemisch durch die gesamte Ofenanlage
verhindern. In einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung handelt
es sich bei den Führungssystemen um Trennwände mit jeweils einer Öffnung, durch welche
das Fördermittel des Ofens verläuft. Im Durchlaufofen wird ferner ein Schutzgasstrom
entgegen der Durchlaufrichtung des Werkstücks erzeugt.
[0024] Die Geschwindigkeit des Schutzgasstromes durch den Durchlaufofen wird vorzugsweise
so eingestellt, dass sie höher ist als die Rückdiffusionsgeschwindigkeit. Außerdem
ist der Ofen zweckmäßigerweise thermostatisch auf einer Temperatur haltbar, die oberhalb
der vorgegebenen Erwärmungstemperatur des Werkstücks liegt.
[0025] Das erfindungsgemäße Verfahren und der zugehörige Durchlaufofen haben den Vorteil,
dass ein Schutzgas derart durch den Ofen geführt wird, dass in jeder Sektion des Ofens
das richtige Schutzgasgemisch angeboten wird, das zur Guttemperatur passt. Dazu wird
das im Katalysatorbett in der Ofenwand bei niedriger Temperatur erzeugte Endogas im
Inneren des Durchlaufofens gezielt durch Einbauten geführt, welche eine große Konvektionswalze
durch die gesamte Ofenanlage verhindern. Das Schutzgas wird vielmehr so geführt, dass
das Verhältnis der reagierenden Bestandteile stets temperaturbezogen im reduzierenden
Bereich gehalten wird. Die Verwendung eines Edelmetallkatalysators ermöglicht dabei
die Erzeugung von Endogas schon ab Temperaturen von 700°C, wobei ein Edelmetallkatalysator
gegenüber beispielsweise einem Nickelkatalysator gesundheitlich unbedenklich ist.
[0026] Die Erfindung wendet sich somit ab von Durchlauföfen, in denen das Schutzgas außerhalb
des Ofens erzeugt und in den Ofenraum eingespeist wird. Sie wendet sich ferner ab
von beheizten Nickelretorten im Ofen selbst und von den verschiedenen Methoden zur
Beschichtung von verzinkten Metallbauteilen, um ein Schutzgas überflüssig zu machen.
[0027] Ein Vorteil der Erfindung gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Vermeidung einer
Verzunderung von verzinkten Stahlbauteilen liegt in der stets auf die Temperatur des
Werkstücks abgestimmten Schutzgasatmosphäre. Das alleinige Einspeisen von Schutzgas
an mehreren Stellen in den Ofenraum würde zwar an genau dieser Einspeisestelle ebenfalls
die gewünschte Atmosphäre schaffen, aber aufgrund einer während der Produktion entstehenden
Konvektion im Ofeninneren würde die Atmosphäre ständig durch mit dem Gut eingeschleppten
Sauerstoff und eingeschleppter Feuchtigkeit der Gutoberfläche verunreinigt.
[0028] Der Grund hierfür ist das im Ofeneinlaufbereich noch kalte Werkstück. Das Werkstück
kühlt in diesem Bereich auch die Schutzgasatmosphäre ab, wodurch diese spezifisch
schwerer wird als die Atmosphäre im weiteren Ofenverlauf. Dadurch fällt das Gas mit
seinem größeren spezifischen Gewicht nach unten und verdrängt die wärmere und besser
qualifizierte Atmosphäre im weiteren Verlauf des Ofens. Diese steigt im Auslaufbereich
nach oben und so entsteht im Ofen eine durch Thermik angetriebene Schutzgaswalze,
die eine unerwünschte Vermischung der einlaufseitig eingeschleppten oxidierenden Gase
im kritischeren heißen, letzten Teil des Ofens bewirkt.
[0029] Diese Verschlechterung der Qualität der Schutzgasatmosphäre im relevanten hinteren
Bereich des Ofens wäre durch eine wirtschaftlich nachteilige Vergrößerung der Schutzgasmenge
einigermaßen kompensierbar, die Erfindung löst dieses Problem jedoch vorteilhaft durch
Führungssysteme innerhalb des Ofens, welche eine Schutzgaswalze durch den gesamten
Ofen verhindern. Durch die als Führungssysteme verwendeten Trennwände zwischen den
einzelnen Kammerbereichen des Ofens wird die Bildung einer großen Schutzgaswalze durch
die gesamte Ofenanlage verhindert. Es treten gegebenenfalls lediglich kleinere Gaswalzen
innerhalb der Kammerbereiche auf. Der verbleibende Schutzgasstrom durch die Öffnungen
in den Trennwänden kann jedoch keine Gaswalze erzeugen, mit der Schutzgas mit geringer
Qualität in den hinteren Bereich des Ofens gelangen kann.
[0030] Die Verwendung eines Edelmetallkatalysators, der ab einer Verbrennungstemperatur
von etwa 700°C Schutzgas erzeugen kann, hat ferner den Vorteil, dass er gegenüber
üblichen Katalysatorbetten weniger aufwändig und aufgrund des geringeren Energieverbrauches
wirtschaftlicher ist. Die für die Verbrennung von Gasen im Edelmetallkatalysator erforderliche
Temperatur kann durch den Spaltungsprozess im Katalysator erreicht werden, während
herkömmliche Nickelkatalysatoren beispielsweise eine Temperatur von mindestens 1000°C
erfordern, die nur durch eine zusätzliche Energiezufuhr zu erreichen ist. Ferner hat
sich in der Praxis herausgestellt, dass im Bereich eines ca. 1000°C heißen Katalysators
die Temperaturregelung eines Ofens bei beispielsweise 930°C schwierig oder sogar nicht
durchführbar ist.
[0031] Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
anhand der Abbildungen.
[0032] Von den Abbildungen zeigt:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Durchlaufofens; und
- Fig. 2
- eine Querschnittsansicht des Durchlaufofens gemäß Fig.1;
- Fig. 3
- einen Ausschnitt aus der Ofenwand eines Durchlaufofens mit einem internen Schutzgaserzeuger;
- Fig. 4
- ein Diagramm mit Reduktionskurven verschiedener Metalle in Gasgemischen; und
- Fig. 5
- ein Diagramm für das Mischungsverhältnis von Luft zu Methan zur Erzeugung verschiedener
Schutzgasgemische.
[0033] In Fig. 1 ist schematisch ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen
Durchlaufofens dargestellt. Der Durchlaufofen 10 umfasst typischerweise ein lang gestrecktes
Gehäuse mit einer Eingangs- und einer Ausgangsöffnung, durch welche zu erwärmende
Werkstücke den Ofen durchlaufen können. Der Ofen umfasst zudem wenigstens zwei voneinander
getrennte Bereiche, in denen jeweils Schutzgas eingespeist wird. Diese Bereiche sind
in Form von Kammern ausgebildet. In dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
umfasst der Ofen vier Kammerbereiche 11, 12, 13 und 14.
Die Kammern sind durch Führungssysteme 71, 72 und 73 voneinander getrennt, wobei die
Führungssysteme zum gezielten Führen des Schutzgases durch den Ofen dienen. Bei den
Führungssystemen handelt es sich vorzugsweise um Trennwände mit einer Öffnung, durch
die ein Werkstück geführt werden kann. Zur Verhinderung einer Schutzgaswalze durch
den gesamten Ofeninnenraum ist die Öffnung in der Trennwand möglichst klein, sie muss
jedoch ausreichend dimensioniert sein, um in dem Ofen zu erwärmende Werkstücke mit
möglicherweise verschiedenen Größen und Formen auf dem Fördermittel durch den Ofen
transportieren zu können.
[0034] Der Durchlaufofen weist ferner ein Fördermittel 50 auf, mit dem ein Werkstück 20
durch den Ofen transportiert wird. Bei diesem Transportmittel handelt es sich beispielsweise
um einen Rollenherd. Ein Werkstück 20 ist dazu in Fig. 1 beispielhaft als gewölbtes
Bauteil dargestellt, das auf den Rollenherd 50 gelegt wird, um im Ofen auf eine vorgegebene
Temperatur erwärmt zu werden. Das Fördermittel 50 durchläuft den Ofen mit dem Werkstück,
wobei es durch die Eingangsöffnung, die Öffnungen in den Trennwänden und die Ausgangsöffnung
verläuft. Das Werkstück kann dabei direkt auf der Fördervorrichtung oder indirekt
mit Hilfe von Werkstückträgern transportiert werden.
[0035] Die Bewegungsrichtung des Transportmittels mit dem Werkstück ist in Fig. 1 mit einem
großen Pfeil gekennzeichnet. Der Schutzgasfluss ist dagegen in Fig. 1 mit kleinen
Pfeilen gekennzeichnet und verläuft erfindungsgemäß entgegen der Bewegung der Werkstücke.
Dieser Schutzgasfluss wird durch die Führungssysteme im Inneren des Ofens bewirkt.
Der gewünschte Gasstrom kann ferner durch eine leichte Schräglage der gesamten Ofenanlage
unterstützt werden, bei der das vordere Ende des Ofens höher steht als das hintere
Ende. So strömt das wärmere Schutzgasgemisch vom Ende des Ofens nach oben und damit
zum vorderen Ende des Ofens. Bei einer Ofenlänge von 20m hat sich beispielsweise eine
Erhöhung des vorderen Ofenabschnitts um etwa 5cm als vorteilhaft erwiesen. Der Schutzgasfluss
entgegen der Werkstückbewegung kann ferner durch eine Ausrichtung der Einspeisepunkte
für das Schutzgas unterstützt werden. Dabei werden die jeweiligen Gasaustritte so
justiert, dass es zu einer gerichteten Strömung des austretenden Schutzgases kommt.
[0036] Die Geschwindigkeit des Schutzgasflusses ist vorzugsweise höher als die Geschwindigkeit,
mit der die Rückdiffusion stattfindet. So ist die Qualität des Schutzgases am Anfang
des Ofens zwar am geringsten, dies ist jedoch unschädlich, da sie dort auf Werkstücke
mit niedriger Temperatur trifft, die gerade erst in den Ofen eingebracht wurden. Diese
Werkstücke stellen einen geringeren Anspruch an die Schutzgasqualität, wohingegen
die vollständig erwärmten Werkstücke am Ende des Durchlaufofens eine höhere Schutzgasqualität
erfordern und diese insbesondere durch die Führungssysteme innerhalb des Ofens sichergestellt
werden kann.
[0037] Bei einem zu erwärmenden Werkstück 20 handelt es sich oftmals um ein Blechformteil
aus verzinktem Stahlblech. Es können jedoch auch anders geformte Werkstücke aus anderen
Metallen erwärmt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zur
Erwärmung von Werkstücken aus Stahlblech für pressgehärtete Karosserieteile im Automobilbau.
[0038] Zur Erwärmung des Werkstücks umfasst der Ofen 10 eine Beheizungseinrichtung 60. Die
dazu verwendeten Heizelemente befinden sich in dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel
im oberen Bereich der Ofenkammern, so dass das Werkstück von oben erwärmt wird. Die
Heizelemente können jedoch auch unterhalb oder auf beiden Seiten der Werkstücke angeordnet
sein. Die Beheizung kann beispielsweise elektrisch über Widerstände oder durch mit
Brennstoff betriebene Brenner erfolgen. Nach einer vorgegebenen Verweilzeit in dem
Wärmbereich des Ofens ist jedes dort eingebrachte Werkstück auf die vorgegebene Temperatur
gebracht, die beispielsweise für einige Stähle 930-980°C beträgt.
[0039] Nach einem vorgegebenen Zeitablauf wird jedes Werkstück aus dem Wärmbereich entnommen
und kann anschließend in einer Presse sowohl umgeformt als auch gehärtet werden. Das
Pressverfahren kann mit dem Fachmann allgemein bekannten Verfahren und Pressen durchgeführt
werden. Dabei ist es vorteilhaft, dass die Übergabe von dem Ofen an die Presse schnell
erfolgt, damit eine unzulässige Oxidation des Zinks in der Umgebungsluft unterbleibt.
[0040] Der Ofen umfasst vorzugsweise in jedem Kammerbereich 11, 12, 13 und 14 jeweils einen
Einspeisepunkt 31, 32, 33 und 34, um ein Schutzgasgemisch einzuspeisen. Ein Einspeisepunkt
umfasst einen Metallkatalysator, der vorzugsweise am tiefsten Punkt des Ofens eingebaut
ist. Der Fig. 2 ist dazu schematisch ein Querschnitt durch den Durchlaufofen gemäß
Fig. 1 zu entnehmen. Ein Werkstück 20 wird auf einem Fördermittel 50 durch den Ofen
10 transportiert und wird dabei durch oberhalb des Transportmittels angeordnete Beheizungsmittel
60 erwärmt. Der Katalysator 40 eines Einspeisepunktes ist in die Ofenwand 15 eingebaut.
[0041] Ein Ausführungsbeispiel für den Einbau eines Katalysators in die Ofenwand zur Erzeugung
einer Schutzgasmischung ist in Fig. 3 dargestellt. Es handelt sich vorzugsweise um
einen Edelmetallkatalysator, der so in die Ofenwand eingebaut ist, dass er von außen
mit Gas gespeist werden kann. Typischerweise ist ein Rohrsystem beispielsweise für
Erdgas und Luft angeschlossen, mit dem ein bestimmtes Mischungsverhältnis eingestellt
werden kann.
[0042] Das Schutzgas wird beispielsweise durch Teilverbrennung von kohlenwasserstoffreichen
Brenngasen wie Erdgas oder Propan erzeugt. Die Wärme für diese Verbrennung erzeugt
der Spaltungsprozess des Katalysators, wobei der Prozess auf dem vergleichsweise niedrigen
Temperaturniveau von etwa 800°C stabil ist. Der Edelmetallkatalysator kann vorzugsweise
schon bei Temperaturen ab 700°C Kohlenwasserstoff-Luftgemische in stark reduzierendes
Endogas umwandeln und ist gegenüber einem herkömmlichen Nickelkatalysator gesundheitlich
unbedenklich. Ferner ist die Lebenserwartung eines Edelmetallkatalysators höher als
beispielsweise die eines Nickelkatalysators.
[0043] Das entstehende Schutzgas besteht im Wesentlichen aus Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenmonoxid
und anderen Gasen. Um eine reduzierende Atmosphäre sicherzustellen, muss das Verhältnis
der Einzelgase unterhalb der Reduktionskurve für Zn/ZnO liegen, welche in Fig. 4 in
einem Diagramm gekennzeichnet ist. In dem Diagramm sind die Reduktionskurven für verschiedene
Metalle in Abhängigkeit von den Verhältnissen der Partialdrücke der Einzelgase in
der Atmosphäre über die Temperatur aufgetragen. Die Lage der Reduktionskurve für Zink
ist somit abhängig von der Temperatur des Werkstücks innerhalb des Durchlaufofens.
Da die Guttemperatur beim Durchlaufen des Ofens stetig ansteigt, ist auch die optimale
Schutzgasmischung über den Ofen veränderlich. Vorzugsweise wird daher in jedem Kammerbereich
über einen Einspeisepunkt ein anderes Schutzgasgemisch eingespeist.
[0044] Wird ein Werkstück durch einen Durchlaufofen 10 transportiert, nimmt er im Laufe
der Erwärmung in den einzelnen Kammerbereichen 11, 12, 13 und 14 beispielsweise die
in Fig. 1 gekennzeichneten Temperaturen von 500, 700, 800 und 980°C an. Im letzten
Kammerbereich ist das Werkstück daher am wärmsten und hat eine Guttemperatur von etwa
980°C. Bei dieser Glühtemperatur ist aus dem Diagramm in Fig. 4 abzulesen, dass zum
oxidfreien Glühen von Zink ein Verhältnis der Partialdrücke H
2/H
2O von über 80 und CO/CO
2 von über 90 erforderlich ist. Soll diese Atmosphäre beispielsweise durch eine partielle
Verbrennung von Erdgas mit 90% Methan (CH
4) oder Propan (C
3H
8) mit Luft erfolgen, muss bestimmt werden, bei welchem Luft/Methanverhältnis diese
Partialdruckverhältnisse in dem entstehenden Schutzgas eingehalten werden. Diese Bestimmung
wird durch das Diagramm in Fig. 5 ermöglicht, in dem Kurven für die Anteile in der
Verbrennungsluft von H
2, H
2O, CO und CO
2 in Vol.-% über das Verhältnis von Luft zu Methan im Brennstoffgemisch aufgetragen
sind.
[0045] Wie in dem Diagramm in Fig. 5 gekennzeichnet, wird ein Partialdruckverhältnis H
2/H
2O von etwa 80 und ein Partialdruckverhältnis CO/CO
2 von etwa 90 in dem erzeugten Gasgemisch beispielsweise bei einem Verhältnis von Luft
zu Methan im Brennstoffgemisch von etwa 2,4 erreicht. Dabei werden jeweils die Kurven
für feuchte Gase (f) und dampfförmiges H
2O (D) verwendet. In diesem Fall liegen in der Schutzgasatmosphäre etwa 39 Vol.-% H
2 und 0,45 Vol.-% H
2O vor, während etwa 21 Vol.-% CO und 25 Vol.-% Co
2 vorliegen.
[0046] Bei einer Guttemperatur von etwa 980°C werden im letzten Bereich 14 des Durchlaufofens
somit Erdgas und Luft im Verhältnis von etwa 2,4 in den Edelmetallkatalysator 40 eingeführt
und teilweise verbrannt. Da das Werkstück in diesem Bereich die höchste Temperatur
einnimmt und hier somit die höchste Gefahr einer unerwünschten Reduktion besteht,
wird das optimale Schutzgasgemisch über den Einspeisepunkt 34 in den Bereich eingeleitet,
um eine Verzunderung der Zinkschicht zu verhindern. In den vorherigen Kammerbereichen
wird für die darin vorliegenden Guttemperaturen ebenfalls die optimale Schutzgasatmosphäre
für die Vermeidung einer Reduktion des Zinks auf dem Werkstück bestimmt und das erforderliche
Mischungsverhältnis von Luft zu Methan analog bestimmt.
[0047] Dabei hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das Verhältnis von Luft zu Methan in den
Einspeisepunkten 31, 32, 33 und 34 beim Durchlaufen des Werkstücks durch den Ofen
zu verringern, um jeweils eine Schutzgasatmosphäre bereitzustellen, die eine Reduktion
des Zinks auf dem Werkstück verhindert. Im Bereich von etwa 980°C am Ende des Ofens
wird daher das geringste Verhältnis von Luft zu Methan eingestellt. Für die vorderen
Bereiche werden an die Schutzgasatmosphäre geringere Ansprüche gestellt, da die Guttemperatur
dort tiefer ist. Daher kann dort Schutzgas mit einem höheren Luftanteil eingespeist
werden, was zu einer Reduzierung der Brennstoffkosten führt. Es ist jedoch auch möglich,
in allen Kammerbereichen des Ofens ein Schutzgasgemisch mit einem Sauerstoffanteil
einzuspeisen, wie er eigentlich nur für den letzten Bereich 14 erforderlich ist. Dies
erhöht zwar den Kostenaufwand für das Schutzgas, das Risiko einer Verzunderung kann
dadurch jedoch noch weiter reduziert werden.
[0048] So wird das Schutzgas bedarfsgerecht in den abgetrennten Sektionen 11, 12, 13 und
14 des Durchlaufofens erzeugt und eingespeist. Dabei werden die unterschiedlichen
Anforderungen des Metalls und dessen Temperatur berücksichtigt. Ferner wird durch
die Einbauten innerhalb des Ofens die Bildung einer Schutzgaswalze verhindert, welche
Schutzgas mit zu hohem Sauerstoffanteil in den kritischen hinteren Ofenbereich führen
könnte.
Bezugszeichenliste:
[0049]
- 10
- Durchlaufofen
- 11,12,13,14
- Teilbereich des Durchlaufofens, Kammer, Kammerbereich
- 15
- Ofenwand
- 20
- Werkstück
- 31,32,33,34
- Einspeisepunkt für Schutzgasgemisch
- 40
- Katalysator
- 50
- Fördermittel, Transportmittel, Rollenherd
- 60
- Heizmittel, Beheizungseinrichtung
- 71,72,73
- Führungssystem
1. Verfahren zum Erwärmen eines verzinkten Werkstücks (20), bei dem das Werkstück (20)
mittels eines Fördermittels (50) durch mehrere aufeinander folgende Kammerbereiche
(11;12;13;14) eines Durchlaufofens (10) geführt und in diesem durch ein Heizmittel
(60) erwärmt wird, wobei in die Kammerbereiche (11;12;13;14) des Durchlaufofens (10)
über jeweilige Einspeisepunkte (31;32;33;34) ein Schutzgasgemisch eingespeist wird,
dadurch gekennzeichnet,
dass Führungssysteme (71;72;73) zwischen den Kammerbereichen (11;12;13;14) einen Gesamtstrom
des Schutzgasgemischs entgegen der Durchlaufrichtung des werkstücks (20) durch den
Durchlaufofen (10) bewirken, wobei der gewünschte Gasstrom durch eine leichte Schräglage
des gesamten Durchlaufofens (10) unterstützt wird, bei der ein vorderes Ende des Durchlaufofens
(10) höher steht als ein hinteres Ende und dass das Fördermittel (50) das Werkstück
(20) durch die Führungssysteme (71;72;73) führt, wobei die Führungssysteme (71;72;73)
Trennwände mit jeweils einer Öffnung sind und wobei eine Konvektionswalze von Schutzgas
durch den gesamten Durchlaufofen verhindert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Zusammensetzungen der über die jeweiligen Einspeisepunkte (31;32;33;34)
eingeführten Schutzgasgemische in den Kammerbereichen (11;12;13;14) unterscheiden,
wobei das im letzten Kammerbereich (14) eingespeiste Schutzgasgemisch den geringsten
Sauerstoffanteil aufweist.
3. Verfahren nach einem oder beiden der Ansprüche 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Schutzgasgemisch durch Teilverbrennung eines Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisches
in einem Edelmetallkatalysator (40) in der Ofenwand (15) des Durchlaufofens (10) erzeugt
wird, wobei die für die Teilverbrennung erforderliche Wärme durch den Spaltungsprozess
im Katalysator (40) erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Teilverbrennung im Edelmetallkatalysator (40) bei Temperaturen ab etwa 700°C
erfolgt.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Zusammensetzung eines in einem Bereich (11;12;13;14) des Durchlaufofens (10)
eingespeisten Schutzgasgemisches in Abhängigkeit von der Temperatur des werkstücks
(20) in dem jeweiligen Bereich (11;12;13;14) so gewählt wird, dass eine Verzinkung
des Werkstücks (20) nicht oxidiert.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Flussgeschwindigkeit des Schutzgasgemisches durch den Ofen (10) höher ist als
die Rückdiffusionsgeschwindigkeit.
7. Verfahren zum Presshärten eines Werkstücks in einer Presse,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Werkstück vor der Einbringung in die Presse mit einem Verfahren gemäß einem oder
mehreren der Ansprüche 1 bis 6 erwärmt wurde.
8. Durchlaufofen zum Erwärmen eines verzinkten Werkstücks (20), umfassend ein Fördermittel
(50) zum Führen des Werkstücks (20) durch mehrere Kammerbereiche (11;12;13;14) des
Durchlaufofens (10) und ein Heizmittel (60) zum Erwärmen des Werkstücks beim Durchlaufen
des Ofens (10), wobei in jedem der Kammerbereiche (11;12;13;14) wenigstens ein Einspeisepunkt
(31;32;33;34) zur Einspeisung eines Schutzgasgemisches vorgesehen ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwischen den Kammerbereichen (11;12;13;14) Führungssysteme (71;72;73) angeordnet
sind zur Bewirkung eines Schutzgasflusses entgegen einer Bewegung des Werkstückes
und zum Verhindern einer Konvektionswalze aus Schutzgas durch den gesamten Ofen (10),
wobei die Führungssysteme (71;72;73) Trennwände mit jeweils einer Öffnung sind, durch
welche das Fördermittel (50) verläuft und wobei der Durchlaufofen (10) eine leichte
Schräglage aufweist, bei der ein vorderes Ende des Durchlaufofens (10) höher steht
als ein hinteres Ende.
9. Durchlaufofen nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich die Zusammensetzungen der über die jeweiligen Einspeisepunkte (31;32;33;34)
eingeführten Schutzgasgemische in den Kammerbereichen (11;12;13;14) unterscheiden,
wobei das im letzten Kammerbereich (14) eingespeiste Schutzgasgemisch den geringsten
Sauerstoffanteil aufweist.
10. Durchlaufofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 und 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Ofenwand (15) des Durchlaufofens (10) wenigstens ein Edelmetallkatalysator
(40) angeordnet ist, der durch Teilverbrennung eines Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisches
ein Schutzgas erzeugt, wobei die für die Teilverbrennung erforderliche Wärme durch
den Spaltungsprozess im Katalysator (40) erzeugt wird.
11. Durchlaufofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Geschwindigkeit des Schutzgasstromes durch den Durchlaufofen (10) höher ist als
die Rückdiffusionsgeschwindigkeit.
12. Durchlaufofen nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ofen thermostatisch auf einer Temperatur haltbar ist, die oberhalb der vorgegebenen
Erwärmungstemperatur des Werkstücks (20) liegt.
1. A method for heating up a zinc-plated workpiece (20), in which the workpiece (20)
is guided by a conveying means (50) through several consecutive chamber zones (11;
12; 13; 14) of a conveyor furnace (10) and is heated up therein by a heating means
(60), whereby an inert gas mixture is fed into the chamber zones (11; 12; 13; 14)
of the conveyor furnace (10) via individual feed points (31; 32; 33; 34),
characterized in that
guide systems (71; 72; 73) between the chamber zones (11; 12; 13; 14) bring about
a total flow of the inert gas mixture opposite to the advancing direction of the workpiece
(20) through the conveyor furnace (10), whereby the desired gas flow is assisted by
the slightly slanted position of the entire conveyor furnace (10), in which a front
end of the conveyor furnace (10) is higher than a back end, and in that the conveying means (50) guides the workpiece (20) through the guide systems (71;
72; 73), whereby the guide systems (71; 72; 73) are partition walls that each have
an opening, and whereby a convection circulation of inert gas through the entire conveyor
furnace is prevented.
2. The method according to claim 1,
characterized in that,
in the chamber zones (11; 12; 13; 14), the compositions of the inert gas mixtures
that are introduced via the individual feed points (31; 32; 33; 34) differ, whereby
the inert gas mixture fed into the last chamber zone (14) has the lowest oxygen fraction.
3. The method according to one or both of claims 1 and 2,
characterized in that
an inert gas mixture is generated by partial combustion of a hydrocarbon-air mixture
in a noble metal catalyst (40) in the furnace wall (15) of the conveyor furnace (10),
whereby the heat needed for the partial combustion is generated by the cleavage process
in the catalyst (40).
4. The method according to claim 3,
characterized in that
the partial combustion in the noble metal catalyst (40) takes place at temperatures
above about 700°C [1292°F].
5. The method according to one or more of claims 1 to 4,
characterized in that
the composition of an inert gas mixture fed into a zone (11; 12; 13; 14) of the conveyor
furnace (10) is selected as a function of the temperature of the workpiece (20) in
the appertaining zone (11; 12; 13; 14) in such a way that the zinc plating of the
workpiece (20) does not oxidize.
6. The method according to one or more of claims 1 to 5,
characterized in that
the flow rate of the inert gas mixture through the furnace (10) is higher than the
back-diffusion rate.
7. A method for press hardening a workpiece in a press,
characterized in that
before the workpiece is placed into the press, it is heated up by means of a method
according to one or more of claims 1 to 6.
8. A conveyor furnace for heating up a zinc-plated workpiece (20), comprising a conveying
means (50) for guiding the workpiece (20) through several chamber zones (11; 12; 13;
14) of the conveyor furnace (10), and comprising a heating means (60) for heating
up the workpiece as it passes through the conveyor furnace (10), whereby in each of
the chamber zones (11; 12; 13; 14), at least one feed point (31; 32; 33; 34) is provided
for feeding in an inert gas mixture,
characterized in that
guide systems (71; 72; 73) are arranged between the chamber zones (11; 12; 13; 14)
in order to create an inert gas flow opposite to the movement of the workpiece and
in order to prevent a convection circulation of inert gas through the entire furnace
(10), whereby the guide systems (71; 72; 73) are partition walls, each having an opening,
through which the conveying means (50) runs, and whereby the conveyor furnace (10)
has a slightly slanted position in which a front end of the conveyor furnace (10)
is higher than a back end.
9. The conveyor furnace according claim 8,
characterized in that
the compositions of the inert gas mixtures that are introduced into the chamber zones
(11; 12; 13; 14) via the individual feed points (31; 32; 33; 34) differ, whereby the
inert gas mixture fed into the last chamber zone (14) has the lowest oxygen fraction.
10. The conveyor furnace according to one or more of claims 8 and 9,
characterized in that
at least one noble metal catalyst (40) is arranged in the furnace wall (15) of the
conveyor furnace (10), and this noble metal catalyst (40) generates an inert gas by
the partial combustion of a hydrocarbon-air mixture, whereby the heat needed for the
partial combustion is generated by the cleavage process in the catalyst (40).
11. The conveyor furnace according to one or more of claims 8 to 10,
characterized in that
the flow rate of the inert gas through the furnace (10) is higher than the back-diffusion
rate.
12. The conveyor furnace according to one or more of claims 8 to 11,
characterized in that
the furnace can be thermostatically held at a temperature that is above the prescribed
heating temperature of the workpiece (20).
1. Procédé pour chauffer une pièce galvanisée (20), dans lequel un moyen de transport
(50) fait passer la pièce (20) par plusieurs zones de chambres successives (11 ; 12
; 13 ; 14) d'un four à passage continu (10) et ladite pièce est chauffée par un moyen
de chauffage (60) dans ledit four à passage continu, un mélange de gaz de protection
étant injecté dans les zones de chambres (11 ; 12 ; 13 ; 14) du four à passage continu
(10) par l'intermédiaire de points d'injection respectifs (31 ; 32 ; 33 ; 34), caractérisé en ce que des systèmes de guidage (71 ; 72 ; 73) entre les zones de chambres (11 ; 12 ; 13
; 14) provoquent un écoulement global du mélange de gaz de protection à l'encontre
du sens du passage de la pièce (20) par le four à passage continu (10), l'écoulement
de gaz souhaité étant assisté par une position légèrement inclinée de l'ensemble du
four à passage continu (10) dans laquelle une extrémité avant du four à passage continu
(10) est surélevée par rapport à une extrémité arrière, et en ce que le moyen de transport (50) fait passer la pièce (20) par les systèmes de guidage
(71 ; 72 ; 73), les systèmes de guidage (71 ; 72 ; 73) étant des cloisons avec respectivement
une ouverture et empêchant un rouleau de convection de gaz de protection à travers
la totalité du four à passage continu.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les compositions des mélanges de gaz de protection introduits par l'intermédiaire
des points d'injection respectifs (31 ; 32 ; 33 ; 34) sont différentes dans les zones
de chambres (11 ; 12 ; 13 ; 14), le mélange de gaz de protection injecté dans la dernière
zone de chambre (14) présentant le plus faible taux d'oxygène.
3. Procédé selon l'une ou les deux revendications 1 et 2, caractérisé en ce qu'un mélange de gaz de protection est généré par la combustion partielle d'un mélange
d'air et d'hydrocarbures dans un catalyseur à métal noble (40) dans la paroi (15)
du four à passage continu (10), la chaleur requise pour la combustion partielle étant
générée par le processus de craquage dans le catalyseur (40).
4. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que la combustion partielle dans le catalyseur à métal noble (40) se produit à des températures
à partir d'environ 700 °C.
5. Procédé selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que la composition d'un mélange de gaz de protection injecté dans une zone (11 ; 12 ;
13 ; 14) du four à passage continu (10) est choisie en fonction de la température
de la pièce (20) dans la zone respective (11 ; 12 ; 13 ; 14) de manière telle qu'une
galvanisation de la pièce (20) ne s'oxyde pas.
6. Procédé selon l'une ou plusieurs des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la vitesse d'écoulement du mélange de gaz de protection dans le four (10) est supérieure
à la vitesse de rétrodiffusion.
7. Procédé de trempe à la presse d'une pièce dans une presse, caractérisé en ce que la pièce, avant d'être introduite dans la presse, a été chauffée par un procédé selon
l'une ou plusieurs des revendications 1 à 6.
8. Four à passage continu pour chauffer une pièce galvanisée (20), comprenant un moyen
de transport (50) pour faire passer la pièce (20) par plusieurs zones de chambres
successives (11 ; 12 ; 13 ; 14) du four à passage continu (10) et un moyen de chauffage
(60) pour chauffer la pièce lors de son passage par le four à passage continu (10),
au moins un point d'injection (31 ; 32 ; 33 ; 34) étant prévu dans chacune des zones
de chambres (11 ; 12 ; 13 ; 14) pour l'injection d'un mélange de gaz de protection,
caractérisé en ce que sont disposés, entre les zones de chambres (11 ; 12 ; 13 ; 14), des systèmes de guidage
(71 ; 72 ; 73) pour provoquer un écoulement de gaz de protection à l'encontre d'un
mouvement de la pièce et pour empêcher un rouleau de convection de gaz de protection
à travers la totalité du four (10), les systèmes de guidage (71 ; 72 ; 73) étant des
cloisons avec respectivement une ouverture par laquelle passe le moyen de transport
(50), et le four à passage continu (10) présentant une position légèrement inclinée
dans laquelle une extrémité avant du four à passage continu (10) est surélevée par
rapport à une extrémité arrière.
9. Four à passage continu selon la revendication 8, caractérisé en ce que les compositions des mélanges de gaz de protection introduits par l'intermédiaire
des points d'injection respectifs (31 ; 32 ; 33 ; 34) sont différentes dans les zones
de chambres (11 ; 12 ; 13 ; 14), le mélange de gaz de protection injecté dans la dernière
zone de chambre (14) présentant le plus faible taux d'oxygène.
10. Four à passage continu selon l'une ou plusieurs des revendications 8 et 9, caractérisé en ce qu'est situé dans la paroi (15) du four à passage continu (10) au moins un catalyseur
à métal noble (40) qui génère un gaz de protection par la combustion partielle d'un
mélange d'air et d'hydrocarbures, la chaleur requise pour la combustion partielle
étant générée par le processus de craquage dans le catalyseur (40).
11. Four à passage continu selon l'une ou plusieurs des revendications 8 à 10, caractérisé en ce que la vitesse de l'écoulement de gaz de protection dans le four (10) est supérieure
à la vitesse de rétrodiffusion.
12. Four à passage continu selon l'une ou plusieurs des revendications 8 à 11, caractérisé en ce que le four peut être maintenu thermostatiquement à une température qui est supérieure
à la température prédéterminée de chauffage de la pièce (20).