Verfahren zur Herstellung eines Schutzgases für die Wärmebehandlung von Eisen und Nichteisenmetallen

Abstract

 Die Erzeugung von Schutzgas zur Wärmebehandlung von Metallen erfolgt vielfach in Generatoren. Diese Er­zeugungsart ist aufwendig. Einfacher ist es, zwecks Schutzgaserzeugung ein kohlenwasserstoffhaltiges Brenn­gas wie Erdgas oder Propan in einem Mantelstrahlrohr zu verbrennen. Diese Möglichkeit entfällt aber, wenn die Verbrennung unterstöchiometrisch erfolgen soll, durch die Verrußung also ein Endogas mit äußerer Wärme­zufuhr erzeugt werden soll. Um in solchen Fällen die Schutzgaserzeugung im Mantelstrahlrohr weiterhin zu ermöglichen, führt man die Verbrennung stöchiometrisch durch und sprüht in den Verbrennungsraum (3) ein Gemisch aus Stickstoff und Methanol ein. Eine Ver­brennungstemperatur von 750°C sollte dabei nicht unter­schritten werden.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Schutzgases für die Wärmebehandlung von Eisen und Nichteisenmetallen, bei dem ein kohlenwasserstoff­haltiges Brenngas in einem Mantelstrahlrohr mit Luft verbrannt und mit verdampften Methanol ohne Katalysator zur Reaktion gebracht wird, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

[0002] Die Herstellung von Schutzgas für die Wärmebehandlung von Metallen erfolgt herkömmlich in Generatoren durch Verbrennung kohlenwasserstoffhaltiger Brenngase. Diese Herstellungsart ist sehr aufwendig. Eine kostengünstigere Alternative bietet die Reaktion in Mantelstrahlrohren, die mit Hilfe von Katalysatoren durchgeführt wird.

[0003] Diese Alternative erfordert bei unterstöchiometrischer Verbrennung zur Herstellung von Endogas die Verbrennung unter äußerer Wärmezufuhr.

[0004] Mantelstrahlrohre dienen im Industrieofenbau zur Behei­zung von Warmbehandlungsanlagen mit künstlichen Atmosphären. Sie können mit Gas oder elektrisch beheizt werden. Ein Mantelstrahlrohr besteht im wesentlichen aus drei Rohren, nämlich dem äußeren Mantelrohr zur Be­heizung des Ofenraumes, dem Innen- oder Brennrohr, in dem die Verbrennung stattfindet und dem Gaszuleitungsrohr zum Verbrennungsraum im Brennrohr. Eine unterstöchiome­trische Verbrennung im Mantelstrahlrohr ergäbe zwar reduzierende Bestandteile im Abgas (Schutzgas), würde aber zu Verrußungen und zum Durchbrennen der Rohre führen. Eine weitere Möglichkeit zur Schutzgaserzeugung ist das Einsprühen von Stickstoff-Methanolgemischen in den Glüh­ofen. Bei Temperaturen oberhalb 750°C zersetzt sich das Methanol hierbei nach der Gleichung
CH₃ OH → 2H₂ + CO.

[0005] Insbesondere zum Aufkohlen kann diesem Spaltgas noch ein Aufkohlungsmittel wie Propan oder Erdgas zugemischt wer­den. Diese Art der Schutzgaserzeugung ist zwar sehr preis­wert, setzt aber einen fremdbeheizten Glühofen mit Be­triebstemperaturen oberhalb 750°C voraus. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, welches die Schutzgasherstellung durch Verbrennung eines kohlenwasserstoffhaltigen Brenngases in einem Mantelstrahl­rohr auch in solchen Fällen ermöglicht, in denen an sich eine unterstöchiometrische Verbrennung bei Ofentemperatu­ren unterhalb 750°C erforderlich ist und keine äußere Wärmezufuhr erfolgt.

[0006] Insbesondere gilt dies für Buntmetallöfen, bei denen der Einsatz von reduzierenden Wasserstoff-Stickstoff-­Gemischen zu teuer ist.

[0007] Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 be­rücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe er­findungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

[0008] Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0009] Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es möglich ist, in den Verbrennungsraum eines mit einem stöchio­metrischen Verhältnis von χ gleich oder nahe 1 be­triebenen Mantelstrahlrohres ein Stickstoff-Methanolge­misch in genügend großer Menge einzuspeisen, um einer­seits eine gewünschte Schutzgasatmosphäre zu erhalten, ohne daß andererseits eine Ofentemperatur von 750°C erforderlich wird. Im Mantelstrahlrohr herrschen bei stöchiometrischer Verbrennung dagegen immer Temperaturen über 750°C.

[0010] Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens liegen vor allem beim Glühen von Buntmetall, weil es eine kostengünstige Alternative zu generatorerzeugtem Schutz­gas und zu Wasserstoff-Stickstoff-Gemischen bietet. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich auch zum Blankglühen von Stahl, allerdings muß hierbei eine Trocknung nachgeschaltet werden.

[0011] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der beigefügten Zeichnung erläutert werden.

[0012] In der Zeichnung ist in sehr vereinfachter Form ein Mantelstrahlrohr dargestellt, in welchem Erdgas mit Luft zur Schutzgaserzeugung verbrannt wird.

[0013] Das Erdgas wird durch ein Gaszuleitungsrohr 1 zugeführt, welches konzentrisch vom Brennrohr 2 umgeben ist. Durch das Brennrohr 2 strömt die Verbrennungsluft, welche mit dem Erdgas im Vebrennungsraum 3 die Flamme 4 bildet. Hierbei ist ein stöchiometrisches Brennstoff-Luft-­Verhältnis von χ = 1 eingestellt. Das Brennrohr 2 wird konzentrisch vom Mantelrohr 5 allseitig umgeben, läßt aber den Austritt aus dem Brennrohr 2 frei. Die Rauch­gase strömen daher außerhalb des Brennrohres 2 zurück und verlassen das Mantelstrahlrohr durch den Stutzen 6 als Schutzgas, welches direkt mit hoher Temperatur in den Ofen gelangt.

[0014] Erfindungsgemäß wird ein Stickstoff-Methanolgemisch in den Verbrennungsraum 3 eingesprüht. Hierzu dient das Sprührohr 7, welches innerhalb des Brennrohres 2 parallel zum Gaszuleitungsrohr 1 angeordnet ist und kurz vor dem Verbrennungsraum 3 mündet. Die Stickstoff-Methanolmenge wird dabei so bemessen, daß die Verbrennungstemperatur im Verbrennungsraum 3 nicht unter 750°C sinkt. Das Methanol könnte auch in reiner Form mittels einer Pumpe in das Mantelstrahlrohr gefördert und in den Verbrennungs­raum 3 gesprüht werden. Eine ausreichend feine Verteilung des Methanols läßt sich hierbei jedoch nur schwer errei­chen, weshalb die Zufuhr eines Stickstoff-Methanol-Ge­misches bei weitem vorzuziehen ist.

[0015] Nachfolgend ein Zahlenbeispiel:
4m³/h Erdgas der Zusammensetzung 81,3% CH₄, 14,4% N₂, 3,5% Cn/Hm und 0,8% CO₂ werden mit 33,52 m³/h Luft in dem in der Zeichnung dargestellten Mantelstrahlrohr ver­brannt. Hierbei entstehen 37,452 m³/h Abgas, bestehend aus 3,628 m³/h CO₂, 6,848 m³/h H₂O und 26,976 m³N₂.

[0016] Die Verbrennungstemperatur im Verbrennungsraum 3 be­trägt hierbei ca. 850°C.

[0017] Erfindungsgemäß werden durch das Sprührohr 7 4 l/h Methanol mit 4m³/h N₂ in den Verbrennungsraum 3 einge­sprüht. Hierbei zersetzt sich das Methanol zu H₂ und CO. Der Wasserstoff reagiert gleichzeitig gemäß der Wasser­gasreaktion H₂ + CO₂ ⇄ H₂O + CO mit dem Verbrennungs­produkt CO₂, so daß schließlich 37m³/h Abgas mit folgen­der Zusammensetzung in Vol.% erhalten wird:

7,2%	CO₂
9,1%	H₂
5,0%	CO
14,5%	H₂O
64,2%	N₂

[0018] Dieses Gas wird mit 100m³/h Stickstoff vermischt. Dieser Stickstoff wird flüssig in die Kühlstrecke eingesprüht, um die Temperatur zu senken. Es ergibt sich zum Glühen eine Schutzgasatmosphäre mit folgender Zusammensetzung:

1,9%	CO₂
2,5%	H₂
1,4%	CO
3,9%	H₂O
90,3%	N₂

[0019] Mit diesem Schutzgas kann beispielsweise Kupfer blankge­glüht werden.

Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Schutzgases für die Wärmebehandlung von Eisen und Nichteisenmetallen, bei dem ein kohlenwasserstoffhaltiges Brenngas in einem Mantelstrahlrohr mit Luft verbrannt, mit verdampftem Methanol ohne Katalysator zur Reaktion gebracht und das auf diese Weise gebildete Abgas für die Erzeugung des Schutzgases verwendet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Gemisch aus Stickstoff und Methanol in den Verbrennungsraum (3) des Mantelstrahlrohres einge­sprüht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Verbrennungstemperatur von 750°C im Mantel­strahlrohr nicht unterschritten wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Verbrennung des kohlenwasserstoffhaltigen Brenngases bei einem stöchiometrischen Verhältnis von χ = 1 erfolgt.

Zeichnung