Vorrichtung zur selbsttätigen Überwachung und zur Steuerung eines Vakuum-Wärmebehandlungsofens

Abstract

 Bei einem mit Wasserstoffgas unter Überdruck als Kühlmittel betriebenen Vakuum-Wärmebehandlungsofen, insbesondere zum Abschrecken von hocherhitzten metallischen Werkstücken (5), wird ein Verfahren zur selbsttätigen Steuerung des Prozeßablaufs und zur Überwachung der Betriebssicherheit angegeben. Das Gehäuse (4) des Wärmebehandlungsofens ist hierzu an je eine Gaseinlaßleitung (9, 10) für den Einlaß des Kühl- und des Spülgases (H₂ bzw. N₂) angeschlossen und außerdem mit einer Absaugleitung (17) und mit einer Gasauslaßleitung (11) verbunden, in die jeweils GasSensoren (24, 39, 42) eingeschaltet sind, die während des Abschreckprozesses die Gaskonzentration an eine zentrale Auswerteeinheit (41) melden, die im übrigen noch mit Druckfühlern (19, 20) und einem Gas-Sensor (21) in Verbindung steht, die weitere Signale über die in jedem Augenblick im Inneren des Gehäuses (4) oder der Gaseinlaßleitung (10) herrschenden Gasdrücke bzw. die Gaskonzentration in der Ofenumgebung an die zentrale Auswerteeinheit (41) melden, die ihrerseits dann nach vorgegebenen Programmen die Gaseinlaß- und Gasauslaßventile (25, 30 bzw. 18, 28) ansteuert und die Motor-Gebläse-Einheit (12, 13) und das Heizaggregat (15, 15a, ...) ein- oder ausschaltet.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur selbständigen Überwachung der Betriebssicherheit und zur Steuerung des Prozeßablaufs bei einem Vakuum-Wärmebehandlungsofen, insbesondere bei einem mit Wasserstoffgas als Kühlgas unter Überdruck betriebenen Ofen zum Härten metallischer Werkstücke, mit einem die Heizkammer zur Aufnahme der Werkstück-Charge umschließenden, an eine Vakuumpumpe angeschlossenen Gehäuse, mit in die Heizkammer einmündenden Gaseinlaß und Gasauslaßöffnungen, einer Motor-Gebläse-Einheit, deren Gebläserad das Kühlgas umwälzt, einem Kühlgasvorratsbehälter, einem Heizaggregat und mit einem Wärmetauscher im Kühlgaskreislauf.

[0002] Industrieöfen dieser Art sind aus der DE-PS 2844843 bekannt. Sie werden insbesondere benutzt, um Teile aus Schnellarbeitsstählen und anderen Werkzeugstählen härten zu können. Sie sind aber auch für andere Wärmebehandlungen geeignet, beispielsweise zum Blankglühen. Ein solcher Ofen besteht aus einem hohlzylindrischen Stahlgehäuse mit einer zu öffnenden Fronttür, die den Zugang zur Heizkammer ermöglicht. Die Heizkammer ist aus einem Stahlmantel gefertigt, der mit einer Wärmeisolierung ausgekleidet ist. Am Boden und an der Decke ist die Heizkammer mit einer großen Gasdurchtrittsöffnung versehen. Diese Öffnungen sind während der Heiz- und Halteperiode durch isolierte Sperrschieber verschlossen. Beim Abkühlvorgang wird die in der Heizkammer befindliche Charge von kaltem Gas umströmt, welches durch die Heizkammer hindurch umgewälzt wird. Die Umwälzgeschwindigkeit und die Stärke der Rückkühlung des Gases ist dabei allein einstellbar durch die Auslegung der zum Ofen zugehörigen Wärmeaustauscher und Gebläse.

[0003] Eine hohe Gasgeschwindigkeit ist die Voraussetzung, um eine schnelle Abkühlung der Charge zu erreichen. Nur mit einer ausreichend schnellen Wärmeabführung ist die Durchführung beispielsweise einer Härtung möglich. Es besteht daher die Forderung, zwecks Erzielung einer schnellen Kühlung der Charge, das in die Heizkammer eingeblasene Abschreckgas mit hoher Geschwindigkeit umzuwälzen.
Das Härten von Stählen erfordert eine Abkühlung der Werkstücke von der Austenitisierungstemperatur (900°C) auf Raumtemperatur mit definierten Abkühlraten. Je nach Stahlsorte ist eine Wärmeabfuhr nötig, die nur durch bestimmte Umgebungsmedien erreicht werden kann. Die höchsten Abkühlraten werden mit Flüssigkeiten erzielt. Gase haben eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit. Durch Steigerung des Gasdrucks und der Umwälzleistung ist eine Erhöhung der Wärmeabfuhr bis in den Bereich von Flüssigkeiten erreichbar. Nachteil der Flüssigkeitsabschreckung ist die ungeregelte Abschreckung, die Kontamination der Oberfläche mit Zersetzungsprodukten, die ein aufwendiges Reinigen nach sich ziehen, sowie die aufwendige Anlagentechnik, wenn die Werkstücke im Vakuum geglüht werden müssen.

[0004] Die Gasabschreckung wird üblicherweise mit N₂ durchgeführt, das außer Helium und Wasserstoff die beste Wärmeabfuhr bewirkt. Die Druckerhöhung ist bei Verwendung von Stickstoff bis 10 bar möglich. Mit Helium ist eine weitere Steigerung auf 20 bar möglich. Allerdings wird bei Verwendung dieser inerten Gase auch die Verunreinigung im Ofen auf das Vielfache des Druckes erhöht. Eine weitere Steigerung der Abkühlgeschwindigkeit im Gas ist nur durch Verwendung von H₂ als Wärmeübertragungsmedium möglich, da Wasserstoff die höchste Wärmeleitfähigkeit aller Gase aufweist und außerdem wegen seiner geringen Dichte mit geringer Leistung umgewälzt werden kann. Hiermit wären alle Werkstücke, die bisher in Flüssigkeiten abgeschreckt werden, im Gas abschreckbar. Ein weiterer gravierender Vorteil ist die Möglichkeit, diese Abschreckung geregelt durchzuführen, was in Flüssigkeiten wegen des Leidenfrost-Effekts nicht möglich ist.
Trotz dieser offensichtlichen Vorteile ist eine Wasserstoffabschreckung im Hochdruck bisher nicht realisiert worden, da die Verwendung von Wasserstoff bei hohem Druck ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellt.

[0005] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, durch eine sinnvolle Verknüpfung bekannter Anlagenelemente eine sichere Prozeßführung zu ermöglichen und einen Verfahrensablauf bzw. ein Flußdiagramm anzugeben, nach dem diese Wasserstoffabschreckung durchführbar ist. Die Abfolge der einzelnen Schritte soll so gewählt sein, daß zu keinem Zeitpunkt des Prozesses ein explosionsfähiges Gemisch in der Anlage entstehen kann, sowie daß bei Ausfall einzelner Komponenten die Entstehung eines Sicherheitsrisikos sicher vermieden werden kann.

[0006] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein den Druck im Gehäuse des Ofens messender Druckfühler und mindestens ein in der unmittelbaren Umgebung des Ofens angeordneter Gas-Sensor vorgesetzt sind, die in Verbindung mit einer Auswerteeinheit bei nicht Erreichen eines vorherbestimmten Gehäuseinnendrucks und einer gleichzeitig sich einstellenden Gaskonzentration in der Ofenumgebung ein Sicherheitsprogramm einleiten, wodurch ein sofortiges Schließen des Kühlgaseinlaßventils, ein Öffnen des Gasauslaßventils und ein Öffnen eines Spülgaseinlaßventils bewirkt, das in eine Leitung eingeschaltet ist, die einen Spülgasvorratsbehälter mit dem Innenraum des Ofengehäuses verbindet und so schließlich in Abhängigkeit der von einem in eine Zweigleitung zur Gasauslaßleitung eingeschaltetem Gas-Sensor registrierten Kühlgaskonzentration am Gasauslaßventil der Druckausgleich von Gehäuseinnenraum und Ofenumgebung herbeigeführt wird.

[0007] Vorzugsweise sind hierfür in die vom Gehäuse des Vakuum-Wärmebehandlungsofens zur Vakuumpumpe führende Saugleitung ein Evakuierventil und mindestens ein Gas-Sensor eingeschaltet, wobei ein erster Druckfühler der den Druck im Innenraum des Gehäuses und ein zweiter Druckfühler, der den Druck in der Kühlgaseinlaßleitung ermittelt, vorgesehen sind und mindestens ein in unmittelbarer Nähe des Vakuum-Wärmebehandlungsofen ein die Ofenumgebung prüfender Gas-Sensor und ein in die Kühlgasauslaßleitung eingeschalteter Gas-Sensor, wobei nach dem Schließen des Evakuierventils zu Beginn des Abschreckvorgangs eine erste Messung der beiden Druckfühler für den Druck im Innenraum des Gehäuses und für den Druck in der Kühlgaseinlaßleitung entweder den Abbruch des Abschreckvorgangs oder aber das Öffnen des Kühlgas-Einlaßventils bewirkt, bis der Druck im Gehäuse einen Sollwert (z.B. p=20 bar) erreicht hat, der vom ersten Druckfühler sensiert wird, oder aber zum Abbruch des laufenden Abschreckvorgangs führt, wenn der Gas-Sensor für die Gaskonzentration in der Umgebung einen vorgegebenen Wert (z.B. H₂ > 2%) verfehlt, und daß schließlich nach dem Schließen des Kühlgas-Einlaßventils und einer zulässigen Gaskonzentration (z.B. H₂ > 2%) in der Ofenumgebung der Abschreckvorgang beendet wird und nach Druckentlastung des Gehäuses durch Öffnen des Kühlgasauslaßventils ein Befüllen des Gehäuses mit Spülgas (z.B. N₂) durch Öffnen des Spülgaseinlaßventils erfolgt, bis die vom Gas-Sensor überwachte Kühlgaskonzentration am Gasauslaß unkritisch geworden ist (z.B. H₂ Gehalt < 1) .

[0008] Mit Vorteil wirkt ein zwischen Vakuumpumpe und Gehäuse in die Saugleitung eingeschaltetes Evakuierventil gleichzeitig mit einem in die Kühlgaseinlaßleitung eingeschalteten Kühlgasauslaßventil und einem ersten Druckfühler der den Druck im Innenraum des Gehäuses mißt zusammen und bewirkt bei geschlossenem Evakuierventil bei einem vorgegebenen Gehäusedruck und gleichzeitig geschlossenem Kühlgaseinlaßventil das Signal zur Abschaltung des Heizaggregats mit anschließendem Öffnen des Kühlgaseinlaßventils und ermöglicht in Abhängigkeit des Druckanstiegs im Gehäuse und/oder des Druckabfalls in der Zuleitung die Sicherheitsspülung des Gehäuses mit Spülgas und den anschließenden Druckausgleich des Gehäuses, wobei bei geöffnetem Kühlgaseinlaßventil über den Druckfühler nach Erreichen eines vorbestimmten Kühlgas-Anfangsdrucks die Einschaltung des Gebläses zur Kühlgas-Umwälzung erfolgt, wobei der Fühler für den Gehäuseinnendruck nur bei Erreichen eines vorbestimmten Arbeitsdrucks im Gehäuse die Kühlgas-Umwälzung bis zur gewünschten Abschrecktemperatur in Gang hält und bei einem über einen Sensor ermittelten Anstieg der Kühlgas-Konzentration in der Umgebung des Wärmebehandlungsofens auf einen vorbestimmten Wert ein Sicherheitsprogramm einschaltet, das mit dem Schließen des Kühlgaseinlaßventils und dem Öffnen des Gasauslaßventils beginnt und über ein anschließendes vollständiges Fluten des Gehäuses mit Spülgas fortläuft bis der Gehalt an Kühlgas im Bereich des Gasauslaßventils auf einen zulässigen Wert abgesunken ist, was dann zum Schließen des Spülgasventils bei anschließendem Druckausgleich mit Spülgas bis auf Atmosphärendruck führt und schließlich nach einer Überprüfung der Kühlgaskonzentration am Gasauslaß mit Hilfe des in die Zweigleitung eingeschalteten Gas-Sensors auf einen vorbestimmten Wert zum Druckausgleich zwischen dem Innenraum des Gehäuses und der Umgebungsluft führt.

[0009] Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung sind in den Patentansprüchen näher beschrieben und gekennzeichnet.

[0010] Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausführungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den anhängenden Zeichnungen näher dargestellt und zwar zeigen:

Fig.1

den Schnitt durch den Vakuum-Wärmebehandlungsofen und die mit diesem verbundenen Aggregate, stark vereinfacht und rein schematisch,

Fig.2

ein Flußdiagramm des Abschreckvorgangs und

Fig. 3

ein Flußdiagramm des Sicherheitsprogramms

[0011] Der Vakuum-Wärmebehandlungsofen besteht im wesentlichen aus einem hohlzylindrischen Gehäuse 4, dessen eine Stirnwand von einem Deckel 3 verschließbar ist, einem an der anderen Stirnwand des Gehäuses 4 angeordnetem Gebläsemotor 12 mit Gebläserad 13, einer im Gehäuseinneren angeordneten hohlzylindrischen Chargenkammer 2 mit einem in diese einsetzbaren Chargenkorb 1 in den wiederum die zu behandelnden Werkstücke 5 einlegbar sind, mehreren sich bis in die unmittelbare Nachbarschaft des Chargenkorbs 1 erstreckenden, parallel zu Gehäuselängsachse ausgerichteten Heizrohren 15, 15a,..., einem zwischen dem Gebläsemotor 12 und dem Chargenkorb 1 im Innenraum des Gehäuses 4 vorgesehenen Gebläsegehäuse 27 und einem im Ringraum zwischen der Innenwand des Gehäuses 4 und der Außenwand der Chargenkammer 2 untergebrachten, aus einer von einem Kältemittel durchströmten Rohrschlange bestehenden, Wärmetauscher 16.
Der Wärmebehandlungsofen ist über eine Saugleitung 17 an eine Vakuumpumpe 8 angeschlossen, deren Absaugstutzen 23 in den Kamin 22a einmündet, wobei die Saugleitung 17 durch ein Evakuierventil 18 absperrbar ist. Die Saugleitung 17 steht mit dem Gasauslaß 11 in Verbindung der über ein Gasauslaßventil 28 absperrbar ist und der in den Kamin 22 einmündet. In das hohlzylindrische Gehäuse 4 münden die Einlaßleitungen 9, 10 ein, die mit den Gasbehältern 14, 29 verbunden sind und in die Ventile 25, 30 eingeschaltet, über die die beiden Leitungen 9, 10 absperrbar sind. Sowohl die Saugleitung 17, als auch die Gasauslaßleitung 11 stehen über Zweigleitungen 31. 32 mit elektrischen Prüf- und Auswerteeinheiten bzw. deren Gas-Sensoren 24, 42, 45 in Verbindung über die die jeweiligen Gaskonzentrationen in den beiden Leitungen 11 und 17 ermittelt werden können und zu entsprechenden elektrischen Steuerimpulsen bzw. Steuersignalen verarbeitet werden können, die in einer zentralen Steuereinheit bzw. einem Rechner 41 mit einem vorgeprägten Programm verglichen werden können.
Es sei noch erwähnt, daß in diese beiden Zweigleitungen jeweils noch ein Durchflußwächter 33, 34, ein Prüfgashahn 35, 36 und ein Membranfilter 37, 38 eingeschaltet sind über die die Auswerteeinheiten 24, 42 bzw. weitere zu diesen Auswerteeinheiten 24, 42 in Reihe geschaltete Auswerteeinheiten 39, ... die gegenüber anderen Gasarten (wie beispielsweise Sauerstoff) sensibel sind, auf den Verfahrensablauf genau einstellbar sind.
Um den Innendruck des hohlzylindrischen Gehäuses 4 messen zu können ist das Gehäuse 4 über eine Prüfleitung 40 mit einem Druckfühler 19 verbunden. Schließlich ist ein Gassensor 21 in der unmittelbaren Nähe des Gehäuses 4 angeordnet über den die Kühlgaskonzentration in der Ofen-Umgebung geprüft werden kann, die dann über die zentrale Auswerteeinheit 41 zu entsprechenden elektrischen Signalen verarbeitbar ist.

[0012] Der vorstehend beschriebene Vakuum-Wärmebehandlungsofen eignet sich insbesondere zum Härten von Werkstücken 5 aus Stahl in einer Wasserstoffatmosphäre von beispielsweise 40 bar Druck. Um die beim Umgang mit Wasserstoff notwendige Betriebssicherheit zu gewährleisten ist der in Fig. 2 dargestellte Verfahrensablauf vorgesehen, wobei die einzelnen Verfahrensschritte jeweils automatisch erfolgen und zwar in Abhängigkeit der von den Gas-Sensoren 21, 24, 39 bzw. den Druckfühlern 19, 20 ermittelten Werten.

[0013] Wie das Flußdiagramm gemäß Fig. 2 zeigt beginnt der eigentliche Abschreck-Prozeß (Härtevorgang) mit dem Schließen des Evakuierventils 18 und nach dem Aufheizen der Charge 7 mit Hilfe der Heizaggregate 15, 15a, ..., nachdem sich im Gehäuse 4 ein vorbestimmter Unterdruck eingestellt hat. Es ist klar, daß während dieser Phase auch die Ventile 28, 25 und 30 geschlossen sein müssen. Nach dem Schließen des Evakuierventils 18 wird zunächst geprüft, ob die Kühlgasleitung 10 dicht ist, d.h. der Druck am Druckfühler 20 muß konstant bleiben; gleichzeitig darf auch der Druck im Gehäuse 4 den vorbestimmten Wert (dp < x mbar) nicht überschritten haben. Nur wenn beide Bedingungen erfüllt sind, wird über die nur schematisch dargestellte Zentral-Einheit 41 der Heiz-Strom abgeschaltet und der Abschreck-Prozeß durch Öffnen des Kühlgas-Einlaßventils 25 gestartet. Nach Erreichen des vorbestimmten Drucks p > 800 mbar wird der Gebläsemotor 12 gestartet und ein Umlauf des Kühlgases in Pfeilrichtung durch das Gehäuse 4 bzw. dem Gebläsegehäuse 27, der Charge 7, den Heizrohren 15, 15a, .... und dem Wärmetauscher 16 der von aus mit kaltem Wasser durchströmten Rohren gebildet ist, bewirkt. Gleichzeitig wird der Druck im Gehäuse 4 bis auf z.B. p = 20 bar (oder auch auf vorgegebene 40 bar) gesteigert und die Gaskonzentration in der Umgebung des Ofens mit Hilfe des Gas-Sensors 21 überwacht. Nach Erreichen des Gehäusedrucks p = 20 bar wird das Kühlgaseinlaßventil 25 geschlossen und die Charge durch Umwälzen des Kühlgases abgekühlt. Nach dem Abkühlen wird der Gebläsemotor 12 abgeschaltet und anschließend das Gasauslaßventil 28 geöffnet, um das Gas über den Gasauslaß 11 in den Kamin 22 abzuleiten, der im übrigen während des gesamten Prozeßablaufs vom Spülgas (bevorzugt von N₂) durchspült wird um sicher zu stellen, daß sich zu keinem Zeitpunkt in ihm ein kritisches Gemisch aus O₂ und H₂ bilden kann. Sobald der Druck im Innenraum des Gehäuses 4 auf p > = 2 bar abgesunken ist, wird das Spülgasventil 30 geöffnet, so daß das Spülgas (bevorzugt N₂) aus dem Vorratsbehälter 29 über den Gaseinlaß 9 in das Gehäuse 4 einströmen kann bis das Volumen N₂ > x V erreicht und die Gaskonzentration am Gasauslaß 11 < 1% ist und sich ein vollständiger Druckausgleich eingestellt hat.

[0014] Erfindungswesentlich ist nun die Zuordnung eines Sicherheitsprogramms, dessen Flußdiagramm in Fig. 3 näher dargestellt ist und durch daß in jeder Phase des Abschreckvorgangs sicher gestellt ist, daß bei Auftreten einer Leckage im Bereich des Ofens oder bei der Ansammlung eines explosionsfähigen Gasgemischs in Teilen der Anlage oder in der Umgebung des Ofens der Prozeß selbsttätig unterbrochen wird bzw. solange ausgesetzt wird, bis die Gefahrenstelle beseitigt ist bzw. sich aufgelöst hat.

[0015] Das in Fig. 3 dargestellte Sicherheitsprogramm startet automatisch wenn sich in der Umgebung des Ofens eine Kühlgaskonzentration H₂ > 2% angesammelt hat, sensiert durch den Gasfühler 21. Es beginnt mit dem sofortigen Schließen des Kühlgaseinlaßventils 25, dem Öffnen des Gasauslaßventils 28, dem Öffnen des Spülgaseinlaßventils 30. Das Spülgaseinlaßventil 30 bleibt dann solange geöffnet, bis das Gehäuse 4 des Ofens vollständig mit Spülgas N₂ gefüllt ist und die Kühlgaskonzentration am Gasauslaßventil 28 H₂ < 1% beträgt. Bei dem nun folgenden Druckausgleich mit dem Spülgas muß sich der Gehäusedruck auf p > p atm einstellen, damit das Gasauslaßventil 28 weiter geöffnet bleibt und die Kühlgaskonzentration auch am Gasauslaßventil 28 H₂-Gehalt < 1% ist.

[0016] Wie aus dem in Fig. 2 gezeigten Flußdiagramm ersichtlich ist wird nach dem Einführen der Charge bzw. des Chargenkorbs 1 in das Gehäuse 4, nach dem Schließen des Gehäuses 1, dem Abpumpen des Gehäuses 1 über die Leitung 17 und dem Aufheizen der Charge das Evakuierventil 18 automatisch auf ein Signal der Auswerteeinheit 41 hin geschlossen. Vorausgesetzt, daß der gewünschte Gehäusedruck erreicht ist und daß die H₂ Leitung 10 dicht ist wird nun das Heizaggregat 15a, 15b, ... abgeschaltet und die Motor-Gebläseeinheit 12, 13 eingeschaltet, dann das H₂-Ventil 25 geöffnet und H₂-Gas in das Gehäuse eingelassen; dabei wird der Druckanstieg im Gehäuse 4 mit Hilfe des Sensors 19 kontrolliert bis der Druck schließlich 20 bar erreicht hat. Das H₂-Ventil 25 wird nun geschlossen und der Abschreckvorgang beendet, vorausgesetzt, die H₂-Gaskonzentration in der Umgebung bleibt unter 2%; nun wird der Spülvorgang mit N₂-Gas eingeleitet und dann die Motor-Gebläseeinheit 12, 13 abgeschaltet und anschließend das Gasauslaßventil 18 geöffnet bis der Druck im Gehäuse 4 vollständig abgesunken ist, schließlich wird das N₂-Ventil 30 nochmals geöffnet bis der H₂-Gasgehalt im Kamin 22, 22a < 1% beträgt und der vollständige Druckausgleich mit der Umgebungsluft erreicht ist.

[0017] Das in Fig. 3 als Flußdiagramm dargestellte in der zentralen Auswerteeinheit gespeicherte Sicherheitsprogramm beginnt mit dem Schließen des H₂-Ventils 25, dem Öffnen des Gasauslasses 28 und dem Öffnen des N₂-Ventils 30. Das N₂-Ventil 30 bleibt dann solange geöffnet, bis der H₂-Gehalt am Gasauslaß 11 vom Sensor 42 auf < 1% gemessen wird; sobald dieser Wert erreicht ist wird das N₂-Ventil 30 geschlossen und der Druckausgleich mit N₂ herbeigeführt (p > p atm); anschließend wird das Gasauslaßventil 28 geöffnet bis der H₂-Gasgehalt am Gasauslaß völlig unkritisch geworden ist und sich ein Druckausgleich mit der Umgebungsluft eingestellt hat.

Bezugszeichenliste

[0018] 

1

Chargenkorb

2

Chargenkammer

3

Gehäusedecke

4

Gehäuse

5

Werkstück

6

Heizkammer

7

Werkstück-Charge

8

Pumpe

9

Gaseinlaß (N₂), Spülgaseinlaßleitung

10

Gaseinlaß (H₂), Kühlgaseinlaßleitung

11

Gasauslaß, Gasauslaßleitung

12

Gebläsemotor

13

Gebläserad

14

Kühlgasvorratsbehälter

15,15a

Heizaggregat, Heizrohr

16

Wärmetauscher

17

Saugleitung

18

Evakuierventil

19

erster Druckfühler

20

zweiter Druckfühler

21

Gas-Sensor

22, 22a

Kamin

23

Absaugstutzen

24

Gas-Sensor

25

Kühlgaseinlaßventil

26

27

Gebläsegehäuse

28

Gasauslaßventil

29

Spülgasvorratsbehälter

30

Spülgaseinlaßventil

31

Zweigleitung

32

Zweigleitung

33

Durchflußwächter

34

Durchflußwächter

35

Prüfgashahn

36

Prüfgashahn

37

Membranfilter

38

Membranfilter

39

Auswerteeinheit

40

Prüfleitung

41

Auswerteeinheit, zentrale Auswerteeinheit

42

Gas-Sensor

43

Durchflußwächter

44

Durchflußwächter

45

Durchflußwächter

Ansprüche

1. Verfahren und Vorrichtung zur selbständigen Überwachung der Betriebssicherheit und zur Steuerung des Prozeßablaufs bei einem Vakuum-Wärmebehandlungsofen, insbesondere bei einem mit Wasserstoffgas als Kühlgas unter Überdruck betriebenen Ofen zum Härten metallischer Werkstücke (5), mit einem die Heizkammer (6) zur Aufnahme der Werkstück-Charge (7) einschließenden, an eine Vakuumpumpe (8) angeschlossenen Gehäuse (4), mit in die Heizkammer (6) einmündenden Gaseinlaß- (9,10) und Gasauslaßöffnungen (11), einer Motor-Gebläse-Einheit (12,13) deren Gebläserad (13) das Kühlgas umwälzt, einem Kühlgasvorratsbehälter (14), einem Heizaggregat (15,15a,...) und mit einem Wärmetauscher (16) im Kühlgaskreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Druck im Gehäuse (4) des Ofens messender Druckfühler (19) und mindestens ein in der unmittelbaren Umgebung des Ofens angeordneter Gas-Sensor (21) vorgesehen sind, die jeweils in Verbindung mit einer Auswerteeinheit bei nicht Erreichen eines vorbestimmten Drucks im Innenraum des Gehäuses (4) (z.B. p=20 bar) und einer sich gleichzeitig einstellenden Gaskonzentration in der Ofen-Umgebung (von z.B. H₂ > 2%) ein Sicherheitsprogramm einleiten, das ein sofortiges Schließen des Kühlgaseinlaßventils (25), ein Öffnen des Gasauslaßventils (28) und ein Öffnen eines Spülgaseinlaßventils (30) bewirkt, das in eine Leitung (9) eingeschaltet ist, die einen Spülgasvorratsbehälter (29) mit dem Innenraum des Ofengehäuses (4) verbindet und so schließlich in Abhängigkeit der von einem in eine Zweigleitung (32) zur Gasauslaßleitung (11) eingeschalteten Gas-Sensor (42) registrierten Kühlgaskonzentration am Gasauslaßventil (28) den Druckausgleich von Gehäuseinnenraum und Ofenumgebung herbeiführt.

2. Verfahren und Vorrichtung zur selbständigen Überwachung der Betriebssicherheit und zur Steuerung des Prozeßablaufs bei einem Vakuum-Wärmebehandlungsofen, insbesondere bei einem mit Wasserstoffgas als Kühlgas unter Überdruck betriebenen Ofen zum Härten metallischer Werkstücke (5), mit einem die Heizkammer (6) zur Aufnahme der Werkstück-Charge (7) umschließenden, an eine Vakuumpumpe (8) angeschlossenen Gehäuse (4), mit in die Heizkammer (6) einmündenden Gaseinlaß- (9,10) und Gasauslaßleitungen (11), einer Motor-Gebläse-Einheit (12,13) deren Gebläserad (13) den Kühlgasstrom umwälzt, einem Kühlgasvorratsbehälter (14), einem Heizaggregat (15,15a,...) und mit einem Wärmetauscher (16) im Kühlgaskreislauf, dadurch gekennzeichnet, daß in die vom Gehäuse (4) des Vakuum-Wärmebehandlungsofens zur Vakuumpumpe (8) führende Saugleitung (17) ein Evakuierventil (18) und mindestens ein Gas-Sensor (24,39) eingeschaltet sind und das ein erster Druckfühler (19) der den Druck im Innenraum des Gehäuses (4) und ein zweiter Druckfühler (20) der den Druck in der Kühlgaseinlaßleitung (10) ermittelt vorgesehen sind und daß mindestens ein in unmittelbarer Nähe des Vakuum-Wärmebehandlungsofens ein die Ofenumgebung prüfender Gas-Sensor (21) und ein in die Kühlgasauslaßleitung (11) eingeschalteter Gas-Sensor (42) angeordnet sind, und daß nach dem Schließen des Evakuierventils (18) zu Beginn des Abschreckvorgangs eine erste Messung der beiden Druckfühler (19 bzw. 20) für den Druck im Innenraum des Gehäuses (4) und für den Druck in der Kühlgaseinlaßleitung (10) entweder den Abbruch des Abschreckvorgangs oder aber das Öffnen des Kühlgaseinlaßventils (25) bewirkt, bis der Druck im Gehäuse (4) einen Sollwert (z.B. p=20 bar) erreicht hat der vom ersten Druckfühler (19) sensiert wird, oder aber zum Abbruch des laufenden Abschreckvorgangs führt, wenn der GasSensor (21) für die Gaskonzentration in der Umgebung einen vorgegebenen Wert (z.B. H₂ > 2%) verfehlt, und daß schließlich nach dem Schließen des Kühlgaseinlaßventils (25) und einer zulässigen Gaskonzentration in der Ofenumgebung (z.B. H₂ > 2%) der Abschreckvorgang beendet wird und nach Druckentlastung des Gehäuses (4) durch Öffnen des Kühlgasauslaßventils (28) ein Befüllen des Gehäuses (4) durch Öffnen des Spülgaseinlaßventils (30) mit Spülgas (z.B. N₂) erfolgt, bis die vom Gas-Sensor (42) überwachte Kühlgaskonzentration in der Gasauslaßleitung (11) unkritisch geworden ist (z.B. H₂ Gehalt < 1%).

3. Verfahren und Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein zwischen Vakuumpumpe (8) und Gehäuse (4) in die Saugleitung (17) eingeschaltetes Evakuierventil (18) gleichzeitig mit einem in die Kühlgaseinlaßleitung (10) eingeschalteten Kühlgasauslaßventil (25) und einem ersten Druckfühler (19) der den Druck im Innenraum des Gehäuses (4) mißt zusammenwirkt und bei geschlossenem Evakuierventil (18) bei einem vorgegebenem Gehäusedruck und gleichzeitig geschlossenem Kühlgaseinlaßventil (25) das Signal zur Abschaltung des Heizaggregats (15, 15a, ...) mit anschließendem Öffnen des Kühlgaseinlaßventils (25) nur bewirkt wird und in Abhängigkeit des Druckanstiegs im Gehäuse (4) und/oder Druckabfalls in der Zuleitung (10) die Sicherheitsspülung des Gehäuses (4) mit Spülgas (N₂) und den anschließenden Druckausgleich des Gehäuses (4) ermöglicht, wobei bei geöffnetem Kühlgaseinlaßventil (25) über den Druckfühler (19) nach Erreichen eines vorbestimmten Kühlgas-Anfangsdrucks (von beispielsweise p>800 mbar) die Einschaltung der Motor-Gebläse-Einheit (12,13) zur Kühlgasumwälzung erfolgt, wobei der Fühler (19) für den Gehäuseinnendruck nur bei Erreichen eines vorbestimmten Arbeitsdrucks im Gehäuse (4) (z.B. p=20 bar) die Kühlgasumwälzung bis zur gewünschten Abschrecktemperatur in Gang hält und bei einem über einen Sensor (21) ermittelten Anstieg der Kühlgaskonzentration in der Umgebung des Wärmebehandlungsofens auf einen vorbestimmten Wert (von z.B. > 2%) ein Sicherheitsprogramm einschaltet, das mit dem Schließen des Kühlgaseinlaßventils (25) und dem Öffnen des Gasauslaßventils (28) beginnt und über ein anschließendes vollständiges Fluten des Gehäuses (4) mit Spülgas (N₂) fortläuft bis der Gehalt an Kühlgas (H₂) im Bereich des Gasauslaßventils (28) auf einen zulässigen Wert (< 1%) abgesunken ist, was dann zum Schließen des Spülgasventils (30) bei anschließendem Druckausgleich mit Spülgas bis auf Atmosphärendruck führt und schließlich nach einer Überprüfung der Kühlgaskonzentration am Gasauslaß mit Hilfe des in die Zweigleitung (32) eingeschalteten Gas-Sensors (42) auf einen vorbestimmten Wert (von < 1%) zum Druckausgleich zwischen dem Innenraum des Gehäuses (4) und der Umgebungsluft führt.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Gehäuseinnenraum verbundene Gasauslaßleitung (11) in einen nach außen führenden Kamin (22) einmündet, wobei der die Spülgaskonzentration am Gasauslaß prüfende Gas-Sensor (42) über die Zweigleitung (32) mit dem Abschnitt der Gasauslaßleitung (11) verbunden ist, der das Gasauslaßventil (28) mit dem Kamin (22) verbindet und der Gas-Sensor (42) Teil einer elektrisch arbeitenden Auswerteeinheit ist, über die eine Anzeigeeinheit und/oder die Gaseinlaßventile (25,30) und/oder das Gasauslaßventil (18) und/oder das Evakuierventil (18) unmittelbar ansteuerbar sind.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein die Gaskonzentration in der unmittelbaren Umgebung des Gehäuses (4) prüfender Gas-Sensor (21) vorgesehen ist, der mit einer Auswerteeinheit (41) zusammenwirkt, über die eine Anzeigeeinheit und/oder eine elektrisch arbeitende Zentraleinheit ansteuerbar ist, die ihrerseits zum Zwecke der Auslösung eines Sicherheitsprogramms die Kühlgas- und Spülgasventile (25, 30), und das Gasauslaßventil (28) in einer vom Sicherheitsprogramm bestimmten Reihenfolge ansteuert und im übrigen auf dieses Sicherheitsprogramm schaltet wenn der den Innendruck des Gehäuses (4) prüfende erste Druckfühler (19) dieser Auswerteeinheit (41) meldet, daß ein vorgegebener Mindestdruck (von z.B. p=20 bar) in einer vorgegebenen Zeiteinheit nicht erreichbar ist.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die von der Vakuumpumpe (8) zum Gehäuse (4) des Ofens führende Saugleitung (17) ein Evakuierventil (18) eingeschaltet ist und der Pumpenauslaß über einen Absaugstutzen (23) in einen Kamin (22a) einmündet, wobei der Absaugstutzen (23) mit der Zweigleitung (31) eines Kühlgas-Sensors (24) und/oder eines Sauerstoff-Sensors (39) verbunden ist, der seinerseits in den Schaltkreis der Auswerteeinheit (41) einbezogen ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in die vom Kühlgasvorratsbehälter (14) zum Gehäuse (4) des Ofens führende Gaseinlaßleitung (10) (z.B. für H₂) ein Kühlgaseinlaßventil (25) eingeschaltet ist, wobei an das Teilstück der Leitung zwischen Vorratsbehälter (14) und Ventil (25) ein Druckfühler (20) angeschlossen ist, der seinerseits mit der Auswerteeinheit (41) zusammenwirkt, die ihrerseits mit einem weiteren Druckfühler (19) verbunden ist, der über die Prüfleitung (40) mit dem Innenraum des Gehäuses (4) des Ofens in Verbindung steht, und die nach dem Aufheizen der Charge (7) und nach dem Evakuieren des Gehäuses (4) des Ofens den Abbruch des Wärmebehandlungsprozesses oder das Fluten des Gehäuses (4) mit Spülgas aus dem Spülgasvorratsbehälter (29) oder aber die Abschaltung des Heizaggregats (15, 15a, ...) mit einem anschließenden Öffnen des Kühlgaseinlaßventils (25) zum Zwecke des Abschreckens der Charge (7) bewirkt.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jedem der Gas-Sensoren (24,39,42) Durchflußwächter (33,34,bzw. 43, 44, 45) zugeordnet sind, die in Verbindung mit in die jeweilige Zweigleitung (31 bzw.32) eingeschalteten Prüfgashähnen (35 bzw. 36) eine genaue Abstimmung der Gas-Sensoren (24,35,42) ermöglichen.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Auswerteeinheit (41) einerseits mit den Gaseinlaßventilen (25,30), dem Gasauslaßventil (28), dem Evakuierventil (18) dem Heizstrom-Schalter (47) und dem Gebläsemotor-Schalter (46) in Wirkverbindung steht und andererseits mit den Gas-Sensoren (24,39, 42) und den Druckfühlern (19,20) derart, daß bei über die vorgegebenen Werte für die Gaskonzentration im Gehäuse (4), im Absaugstutzen (17), im Gasauslaß (11) oder der Ofenumgebung und/oder bei Druckabfall im Gehäuse (4) oder der Kühlgasleitung (10) ein Sicherheitsprogramm in Gang bringbar ist, bei dem das Kühlgaseinlaßventil (25) geschlossen, das Gasauslaßventil (28) geöffnet, das Spülgaseinlaßventil (30) geöffnet und anschließend wieder geschlossen, das Gasauslaßventil (28) wieder geöffnet und bei Erreichen der zulässigen Kühlgaskonzentration in der Gasauslaßleitung (11), der Druckausgleich erzielbar ist.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zentrale Auswerteeinheit (41) zum Zwecke der selbständigen Steuerung des Prozesses zum Abschrecken der Charge (7) einerseits sowohl mit dem Drucksensor (19) zur Überwachung des Innendrucks des Gehäuses (4) und mit dem Drucksensor (20) zur Ermittlung des Druckes in der Kühlgasleitung (10) verbunden ist, als auch andererseits mit den Gas-Sensoren (24, 39, 42) zur Ermittlung der Gaskonzentrationen am Gasauslaß (11) und am Absaugstutzen (23) und auch mit mindestens einem Gas-Sensor (21) zur Ermittlung der Gaskonzentration in der unmittelbaren Umgebung des Ofens und ebenso mit den Schaltern (46, 47) für den Gebläsemotor (12) und für das Heizaggregat (15, 15a,...) derart, daß nach dem Schließen des Evakuierventils (18) das Heizaggregat (15, 15a,...) abgeschaltet, das Kühlgaseinlaßventil (25) geöffnet und die Motor-Gebläseeinheit (12, 13) gestartet wird, wobei nach Erreichen eines bestimmten Gehäuseinnendrucks (z.B. p=20 bar) das Kühlgasventil (25) wieder geschlossen und nach abgeschlossener Abschreckung der Charge (7) das Spülgas (z.B. N₂) in das Gehäuse (4) eingeleitet, die Motorgebläseeinheit (12, 13) wieder abgeschaltet und das Gasauslaßventil (28) geöffnet wird bis ein Druckausgleich zwischen der Umgebung und dem Gehäuseinnenraum (4) erfolgt ist.

Zeichnung