Verfahren und Vorrichtung zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke

Abstract

 Es wird ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke in einem gasbeheizten Durchlaufofen unter Einwirkung einer Gasatmosphäre beschrieben, wobei die Gasatmosphäre im wesentlichen aus Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht. Um dieses Verfahren durch Einsparung von Gas wirtschaftlicher zu gestalten, wird vorgeschlagen, die Gasatmosphäre aus einem Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Behandlungsgas, das dem Durchlaufofen im Bereich seiner Heizzone zugeführt und das unmittelbar vor seinem Eintritt in den Durchlaufofen durch katalytische Umsetzung eines Kohlenwasserstoffe und Luft enthaltenden Gases erzeugt wird und Stickstoff, der dem Durchlaufofen, beidseitig der Zuführungsstelle für das Behandlungsgas, zwischen Ofeneinlauf und Heizzone sowie zwischen Heizzone und Ofensauslauf zugeführt wird, zu bilden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke in einem gasbeheizten Durchlaufofen unter Einwirkung einer Gasatmosphäre, die im wesentlichen aus Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht sowie einen Durchlaufofen zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Die Wärmebehandlung metallischer Werkstücke wird häufig in Durchlauföfen durchgeführt, denen ein in seiner Zusammensetzung auf die Art der Wärmebehandlung abgestelltes Behandlungsgas von außen zugeleitet wird. So sind z.B. Rollenherdöfen zum Glühen von Halbzeugen aus Eisen oder auch Nichteisenmetallen bekannt, die mit sogenanntem Exogas, das in Gasgeneratoren durch exotherme Verbrennung von Kohlenwasserstoffen mit Luft, oder mit sogenanntem Endogas, das in mit Katalysatoren gefüllten Reaktoren unter Wärmezufuhr ebenfalls aus Kohlenwasserstoff-Luft-Gemischen erzeugt wird, betrieben werden. Die bei beiden Verfahren entstehenden Behandlungsgase enthalten im wesentlichen Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid sowie unter Umständen noch Beimengungen von Kohlendioxid und Wasserdampf. Das genaue Mischungsverhältnis der Komponenten wird so gewählt, wie es bei der jeweils vorliegenden Art der Wärmebehandlung in der Hauptbehandlungszone, z.B. in der heißen Zone des Durchlaufofens, erforderlich ist. Zur Aufrechterhaltung des richtigen Mischungsverhältnisses oder zu einer gezielten Änderung desselben sind Steuer- und Regelverfahren bekannt, mit denen das Mischungsverhältnis in Abhängigkeit einer im Ofen gemessen Größe beeinflußt wird (VDI-Zeitung 98 (1956), Nr. 24, Seiten 1486 bis 1490).

[0003] Die bekannten Verfahren und ihre neueren Weiterentwicklungen arbeiten technisch weitgehend zufriedenstellend, jedoch ist ihre Anwendung auf große Öfen, insbesondere auf langgestreckte Durchlauföfen, nicht immer in dem Maße wirtschaftlich, wie es wünschenswert wäre. Der Gesamtgasverbrauch, d.h. der Verbrauch an Brenngas und Behandlungsgas, ist wegen der räumlichen Ausdehnung solcher Öfen größer als er zur eigentlichen Wärmebehandlung notwendig wäre. Dieser Nachteil ist, insbesondere wegen des Verbrauchs von wertvollen kohlenwasserstoffhaltigen Gasen, von nicht zu vernachlässigender Bedeutung.

[0004] Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die bekannten Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke in gasbeheizten Durchlauföfen wirtschaftlicher zu gestalten.

[0005] Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Gasatmosphäre aus einem Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Behandlungsgas, das dem Durchlaufofen im Bereich seiner Heizzone zugeführt und das unmittelbar vor seinem Eintritt in den Durchlaufofen durch katalytische Umsetzung eines Kohlenwasserstoffe und Luft enthaltenden Gases erzeugt wird, und Stickstoff, der dem Durchlaufofen, beidseitig der Zuführungsstelle für das Behandlungsgas, zwischen Ofeneinlauf und Heizzone sowie zwischen Heizzone und Ofenauslauf zugeführt wird, gebildet wird.

[0006] Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in einem Durchlaufofen in optimaler Weise ein sich in Richtung der Längsausdehnung des Durchlaufofens erstreckendes Gasatmosphärenprofil aufgebaut, das vom Ofeneinlauf her mit einer Zone geringer Reaktivität beginnt, dann im Bereich der heißen Zone die höchste Reaktivität erreicht und schließlich im Bereich des Ofenauslaufs wieder zur geringer Reaktivität absinkt. Verglichen mit einer Exogasatmosphäre führt das erfindungsgemäße Verfahren somit zu einer höheren Reaktivität in der heißen Zone des Ofens, ohne daß die Ofenatmosphäre in der Nähe von Ofenein- und auslauf giftiger oder brennbarer wird als bei Exogas. Eine unmittelbare Folge dieser Verfahrensweise ist eine erhebliche Einsparung bezüglich des Verbrauches kohlenwasserstoffhaltiger Gase, die kostenmäßig bis über 30 % betragen kann.

[0007] Überraschenderweise wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Verfahren außer dem Vorteil seiner gegenüber bekannten Verfahren erhöhten Wirtschaftlichkeit auch eine Verbesserung der Qualität, insbesondere der Gleichmäßigkeit der Qualität, der behandelten Werkstücke mit sich bringt, die darauf beruht, daß die Zusammensetzung der Gasatmosphäre an jeder Stelle des Ofens in optimaler Weise eingestellt werden kann. Eine wesentliche Voraussetzung für diesen Vorteil ist neben der getrennten Stickstoffzufuhr die Erzeugung des Behandlungsgases unmittelbar vor seinem Eintritt in den Durchlaufofen durch katalytische Umsetzung. Darüber hinaus hat die beim erfindungsgemäßen Verfahren gebildete Gasatmosphäre eine hohe Pufferwirkung gegenüber Lufteinbrüchen und Undichtigkeiten in den Strahlrohrbrennern. Außerdem werden Rußbildung und Schäden an der Ofenausmauerung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren sicher vermieden.

[0008] Bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird vorteilhaft das Mengenverhältnis zwischen Behandlungsgas und dem getrennt zugeleiteten Stickstoff so gewählt, daß die Ofenatmosphäre in den dem Ofeneinlauf und dem Ofenauslauf benachbarten Bereichen weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 10 %, Kohlenmonoxid und weniger als 30 %, vorzugsweise weniger als 10 %, Wasserstoff enthält.

[0009] Besonders vorteilhaft ist auch eine Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei der der Durchlaufofen über Strahlrohrbrenner beheizt wird und das Behandlungsgas dem Durchlaufofen über einen konzentrisch zum Brennerraum mindestens eines der im Bereich der heißen Zone angeordneten Strahlrohrbrenner angeordneten und mit Katalysator gefüllten Querschnitt zugeleitet wird.

[0010] Die Verwendung derartiger Katalysatorrohre ist zwar von anderen Wärmebehandlungsöfen her schon bekannt, doch hat es sich gezeigt, daß ihre Verwendung im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders vorteilhaft ist.

[0011] Da in jüngster Zeit Durchlauföfen zur Wärmebehandlung überwiegend mit Erdgas beheizt werden, ist die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei solchen Öfen besonders wirtschaftlich, wenn das Behandlungsgas aus einem Erdgas-Luft-Gemisch erzeugt wird, da auf diese Weise lediglich Stickstoff als zusätzliches Medium am Durchlaufofen zur Verfügung stehen muß.

[0012] Bevorzugte Anwendungsgebiete des erfindungsgemäßen Verfahrens sind das Rekristallisieren und das kohlungsneutral- oder entkohlende Glühen von Halbzeugen in Rollenherdöfen.

[0013] Ein Durchlaufofen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit über seine Längsausdehnung angeordneten Strahlrohrbrennern ist mit Vorteil so ausgebildet, daß mindestens einer der im Bereich der heißen Zone des Durchlaufofens angeordneten Strahlrohrbrenner einen konzentrisch zum Brennerraum angeordneten und mit Katalysator gefüllten Querschnitt für die Erzeugung des Behandlungsgases aufweist und in Bezug auf die Längsausdehnung des Durchlaufofens, beidseitig zu dem oder den einen mit Katalysator gefüllten Querschnitt aufweisenden Strahlrohrbrennern, im Bereich zwischen Ofeneinlauf und heißer Zone sowie im Bereich zwischen heißer Zone und Ofenauslauf Gaszuführungen für Stickstoff angeordnet sind.

[0014] Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßan Verfahrens anhand eines in der Figur schematisch dargestellten Rollenherdofens beschrieben.

[0015] Der Rollenherdofen 1 besitzt einen Ofeneinlaß 2, von dem mittels Transportrollen 4 metallische Werkstücke kontinuierlich oder diskontinuierlich durch den Ofen 1 hindurch dem Ofenauslauf 3 zugeführt werden. Der Ofen 1 wird über eine Anzahl von Strahlrohrbrennern 5 mit Erdgas als Brenngas so beheizt, daß die den Ofen 1 durchlaufenden Werkstücke, die z.B. kohlungsneutral geglüht werden sollen, zunächst langsam erhitzt werden, dann ungefähr in der Ofenmitte die höchste Temperatur erreichen und schließlich dem Ofenauslauf 3 zu wieder langsam abkühlen.

[0016] Im Bereich der heißen Zone des Ofens 1 ist einer 6 der Strahlrohrbrenner 5 dadurch als innenbeheizter katalytischer Reaktor ausgebildet, daß der Brennerraum konzentrisch von einem mit Katalysator gefüllten ringförmigen Raum zur Erzeugung des Behandlungsgases umgeben ist. Außerdem besitzt der Ofen 1 zwei Gaszuführungen 7, die in Längsrichtung des Ofens beidseitig zu dem als katalytischer Reaktor ausgebildeten Strahlrohrbrenner 6 angeordnet sind. Bei größern oder längeren Öfen können auch mehrere spezielle Strahlrohrbrenner 6 und/oder weitere Gaszuführungen 7 vorgesehen sein.

[0017] Beim Betrieb des Ofens wird den Strahlrohrbrennern 5 ein Erdgas-Luft-Gemisch zur Beheizung zugeführt. Bei dem als katalytischen Reaktor ausgebildeten Strahlrohrbrenner 6 wird das Erdgas-Luft-Gemisch zusätzlich dem zweiten, den Katalysator enthaltenden Querschnitt zugeführt, wo durch endotherme Umsetzung ein Behandlungsgas mit ungefähr 40 % Stickstoff, 38 % Wasserstoff und 18 % Kohlenmonoxid erzeugt und durch einen Gasverteiler 8 in den Innenraum des Ofens 1 eingeblasen wird. Zusätzlich wird über die Gaszuführungen 7 reiner Stickstoff in den Ofen 1 eingeleitet, der das Behandlungsgas im Bereich des Ofeneinlaufs 2 und des Ofenauslaufs 3 so verdünnt, daß dort die Gasatmosphäre nur noch etwa 8 % Wasserstoff und ebenfalls etwa 8% Kohlenmonoxid enthält. Ingesamt wird auf diese Weise in Ofen 1 über seine Längsausdehnung eine Gasatmosphärenprofil aufgebaut, das in der heißen Zone seine höchste und beim Ofeneinlauf 2 und beim Ofenauslauf 3 seine niedrigste Reaktivität aufweist. Die wechselnde Zusammensetzung der Ofenatmosphäre kann einerseits durch Änderungen des Mischungsverhältnisses des Erdgas-Luft-Gemisches, das über den als katalytischen Reaktor ausgebildeten Strahlrohrbrenner 6 dem Ofen 1 zugeführt wird, und andererseits durch Änderungen der Menge des über die Gaszuführungen 7 in den Ofen 1 eingebrachten Stickstoffs in beliebiger Weise und außerordentlich genau den jeweils vorliegenden Erfordernissen angepaßt werden.

[0018] Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann bei einem Durchlaufofen der beschriebenen Art eine erhebliche Einsparung an Behandlungsgas erzielt werden. So konnten beispielsweise in einem speziellen Fall einer Wärmebehandlung 220 m³/h Exogas durch nur 100 m³/h Stickstoff, 6 m³/h Erdgas und 15 m³/h Luft ersetzt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke in einem gasbeheizten Durchlaufofen unter Einwirkung einer Gasatmosphäre, die im wesentlichen aus Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasatmosphäre aus einem Stickstoff, Wasserstoff und Kohlenmonoxid enthaltenden Behandlungsgas, das dem Durchlaufofen im Bereich seiner Heizzone zugeführt und das unmittelbar vor seinem Eintritt in den Durchlaufofen durch katalytische Umsetzung eines Kohlenwasserstoffe und Luft enthaltenden Gases erzeugt wird, und Stickstoff, der dem Durchlaufofen, beidseitig der Zuführungsstelle für das Behandlungsgas, zwischen Ofeneinlauf und Heizzone sowie zwischen Heizzone und Ofenauslauf zugeführt wird, gebildet wird.

2 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Mengenverhältnis zwischen Behandlungsgas und dem getrennt zugeleiteten Stickstoff so gewählt wird, daß die Ofenatmosphäre in den dem Ofeneinlauf und dem Ofenauslauf benachbarten Bereichen weniger als 20 %, vorzugsweise weniger als 10 %, Kohlenmonoxid und weniger als 30 %, vorzugsweise weniger als 10 %, Wasserstoff enthält.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaufofen über Strahlrohrbrenner beheizt wird und das Behandlungsgas dem Durchlaufofen über einen konzentrisch zum Brennerraum mindestens eines der im Bereich der heißen Zone angeordneten Strahlrohrbrenner angeordneten und mit Katalysator gefüllten Querschnitt zugeleitet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchlaufofen mit Erdgas beheizt wird und das Behandlungsgas aus einem Erdgas-Luft-Gemisch erzeugt wird.

5. Durchlaufofen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit über die Längsausdehnung des Durchlaufofens in Reihe angeordneten Strahlrohrbrennern, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer (6) der im Bereich der heißen Zone des Durchlaufofens (1) angeordneten Strahlrohrbrenner (5) einen konzentrisch zum Brennerraum angeordneten und mit Katalysator gefüllten Querschnitt für die Erzeugung des Behandlungsgases aufweist und in Bezug auf die Längsausdehnung des Durchlaufofens (1), beidseitig zu dem oder den einen mit Katalysator gefüllten Querschnitt aufweisenden Strahlrohrbrennern (6), im Bereich zwischen Ofeneinlauf (2) und heißer Zone sowie im Bereich zwischen heißer Zone und Ofenauslauf (3) Gaszuführungen (5) für Stickstoff angeordnet sind.

Zeichnung