Die Erfindung bezieht sich auf eine Niederdruck-Aufkohlungsanlage mit mehreren hintereinander angeordneten Kammern, durch die die Chargen mittels Transportorganen bewegt werden.
Es sind schon eine Vielzahl von Anlagen zum Wärmebehandeln von aus Stahl bestehenden Teilen bekannt geworden. So ist ein Rollenherd-Vakuumofen bekannt, in dem Glühbehandlungen durchgeführt werden können, wobei ein Hubsystem vorgesehen ist, um die Rollen bei der Glühbehandlung zu entlasten (DE 36 16 871).
Auch Rollenherd-Durchlauföfen sind schon bekannt, bei denen eine Gasabkühlstrecke zwischen einer Glüh- und einer Härtezone vorgesehen ist (DE 42 28 006). Ebenso sind Aufkohlungsanlagen, bei denen die Aufkohlung im Bereich von 0.1-60 kPa abs. (1 - 600 mbar abs.) vorgenommen wird, schon bekannt geworden.
Diese Anlagen waren jedoch vorwiegend als Einkammeranlagen für chargenweisen Betrieb ausgeführt. Für größere Durchsatzmengen, die von einigen Industriebereichen, wie z. B. der KFZ-Industrie, benötigt werden, wäre eine Vielzahl solcher Einzelanlagen erforderlich, die neben sehr großem Platzbedarf auch'hohe Behandlungskosten verursachen, da sie mit geringer Durchsatzleistung und somit wenig wirtschaftlich arbeiten.
Die Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, eine Niederdruck-Aufkohlungsanlage der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die für wirtschaftlichen Betrieb bei großer Durchsatzleistung konzipiert ist und nach dem Durchlaufprinzip arbeitet. Erreicht wird dies durch die Kombination folgender, an sich bekannter Merkmale:
Durch die erfindungsgemäße Kombination wird gegenüber konventionellen Gasaufkohlungsanlagen eine randoxidationsfreie Aufkohlung erreicht, wodurch Nachbearbeitungskosten verringert werden bzw. sogar wegfallen können. Überdies ergibt sich eine verkürzte Aufkohlungsdauer durch einen erheblich höheren C-Massenstrom zu Prozeßbeginn, was eine Zeitund Kosteneinsparung zur Folge hat. Gegenüber einer Ölabschreckung ergibt sich der Vorteil, daß ein verminderter Verzug auftritt und daß sowohl der Waschprozeß nach der Ölabschreckung als auch die Ölentsorgung entfällt.
Die Ausbildung der Transportorgane als Rollenbahn bringt gegenüber anderen Transportsystemen einen geringeren mechanischen Aufwand und damit eine geringere Reparaturanfälligkeit und auch geringere mechanische Erschütterungen beim Transport der heißen Charge mit sich.
Eine Reversierung der Charge durch Rollenbewegung im Bereich der Abschreckkammer ist bei Abkühlung mit flüssigen Medien und 2-Phasenströmungen (DE 44 01 228) bereits bekannt und kann auch für Gase angewendet werden, um die Gleichmäßigkeit der Abschreckung zu verbessern. Nachteilig erweist sich jedoch, daß die Querschnittsfläche, die von dem Kühlgas bestrichen wird, durch das Reversieren der Charge vergrößert werden muß, was auf Kosten der Gasgeschwindigkeit bzw. der Abkühlrate bei vorgegebener, maximaler Motorleistung geht. Dieser Nachteil wird erfindungsgemäß dadurch vermieden, daß ein bewegliches Gasleitsystem in der Abschreckkammer installiert und gemeinsam mit der Charge bewegt wird, wodurch der von dem Gasstrom beströmte Querschnitt stets der Chargengrundfläche entspricht. Der Antrieb des Gasleitsystems erfolgt dabei bevorzugt über einen elektromotorischen Rollenantrieb mit Hilfe einer Übersetzung.
Ein weiterer Nachteil des Rollengangs kann sich aus der Tatsache ergeben, daß die Rollen gemäß dem Stand der Technik durch die Isolation durchgeführt, außerhalb der Isolation gelagert und außerhalb des Kessels angetrieben werden, was zu einer nicht vernachlässigbaren Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung über die Transportrollen führt. Dies bewirkt einerseits einen höheren Energiebedarf der Anlage und verschlechtert andererseits die Temperaturgleichmäßigkeit in den Behandlungskammern.
Um diesen Nachteil zu vermeiden, werden die Transportrollen erfindungsgemäß durch Keramik- oder Grafitlager gehalten, die sich innerhalb der heißen Aufheiz-, Aufkohlungs- und Diffusionskammer befinden und die auf der darunterliegenden Isolation aufliegen. Die Durchführung zum Transportmotor erfolgt nur noch mit einer dünnen Antriebswelle, die kein Biegemoment übertragen muß. Durch diese Maßnahmen werden die Energieverluste minimiert.
In einer anderen Ausführungsvariante können die Transportrollen in der Aufheiz-, Aufkohlungs- und Diffusionszone als hohle Zylinder ausgeführt sein, in die ein Elektrostrahlelement oder ein Gasbrenner eingebracht und mittels Drehdurchführung angeflanscht wird, wodurch die gesamte Anzahl an Durchführungen in die Aufheiz-, Aufkohlungs- und Diffusionskammern verringert wird.
Bei einer erfindungsgemäßen Anlage ist zweckmäßig der Abschreckkammer ein Röllchenherd-Anlaßofen nachgeschaltet.
Vorteilhaft sind zwei getrennte Aufkohlungskammern hintereinander angeordnet. Diese Trennung ermöglicht unterschiedliche Parameter für den Anfang und das Ende der Aufkohlung, sowie eine Erhöhung der Durchsatzleistung.
Die Beheizung von Niederdruck-Aufkohlungsanlagen erfolgt in der Regel mit innenliegenden Grafit-Widerstandsheizelementen, wobei die Isolation der Stromdurchführung durch Abscheidungen des Kohlungsgases (Grafit) fallweise leitend wird und getauscht werden muß, bevor Überschläge der Heizung auftreten. Diese Nachteile werden erfindungsgemäß dadurch beseitigt, daß die Beheizung mittels Mantel-Strahlrohren, bevorzugt mittels Elektro- oder Gasstrahlrohren erfolgt, wobei die Heizelemente bzw. Brenner bei laufendem Betrieb gewechselt werden können.
Nachstehend ist die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben, ohne jedoch auf dieses Beispiel beschränkt zu sein. Dabei zeigen: Fig. 1 im Aufriß eine erfindungsgemäße Niederdruck-Aufkohlungsanlage; Fig. 2 die Draufsicht auf die Niederdruck-Aufkohlungsanlage nach Fig. 1 und die Fig. 3 und 4 Querschnitte einer im Rahmen der Erfindung einsetzbaren Abschreckkammer. Die Fig. 5,6 und 7 geben Ausführungsvarianten der Transportrollen wieder.
Gemäß den Fig. 1 und 2 ist vor der Anlage ein Beladerollgang 1 angeordnet. Von diesem Beladerollgang 1 gelangen die Chargen 4 in eine Einfahrschleuse 6, die vakuumdicht ausgebildet und evakuierbar ist. An die Schleuse 6 schließt eine ebenfalls evakuierbare Aufheizkammer 7 an. In dieser Aufheizkammer 7 werden die Chargen unter Stickstoff bei einem Druck von 1 bis 2 bar aufgeheizt. Die Aufheizkammer 7 ist mit vakuumdichten Ein- und Auslauftüren versehen, die Aufheizung der Chargen 4 erfolgt mit Umwälzern 8 und einer elektrischen Wendelbeheizung 9.
Anschließend an die Aufheizkammer 7 sind zwei voneinander getrennte Aufkohlungskammern 10 und 11 angeordnet. In diesen Aufkohlungskammern 10 und 11 wird bei einem Druck von 0.1 bis 60kPa abs. (1 bis 600 mbar abs.), vorzugsweise im Bereich von 1 bis 3 kPa abs. (10 bis 30 mbar abs.) mit Kohlungsgas aufgekohlt. Die Anordnung von zwei getrennten Aufkohlungskammern ermöglicht unterschiedliche Parameter für den Anfang und das Ende der Aufkohlung sowie eine Erhöhung der Durchsatzleistung. Im Rahmen der Erfindung ist jedoch auch die Anordnung von nur einer Aufkohlungskammer möglich. In beiden Aufkohlungskammern 10 und 11 erfolgt die Beheizung mit Mantelstrahlrohren 12.
Auch in den anschließenden Diffusionskammern 13 und 14 erfolgt die Beheizung mittels Strahlrohren 16.
Schließlich gelangen die Chargen 4 in eine Abschreckkammer 17 für eine Hochdruck-Gasabschrekkung. Der Aufbau der Abschreckkammer 17 wird anhand der Fig. 3. noch erläutert.
Nach dem Verlassen der Abschreckkammer 17 gelangen die Chargen 4 über eine Querfahreinrichtung 18 zu einem Röllchenherd-Anlaßofen 19 und verlassen nach Durchlaufen einer Kühlstrecke 20 und eines Auslaufrollganges 21 die Anlage.
Der Transport der Chargen 4 durch die erfindungsgemäße Anlage wird, wie insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich ist, durch eine Rollenbahn 22 durchgeführt, die eine langsame, horizontale Pendelbewegung der Charge während Aufheizung, Aufkohlung und Abschreckung zur Vergleichmäßigung des Behandlungsergebnisses ermöglicht.
Eine bevorzugte Ausbildung der Abschreckkammer 17 ist im Schnitt in Fig. 3 dargestellt. Gemäß dieser Figur ist auf ein Gehäuse 31 ein Motor 32 aufgesetzt, der ein Ventilatorrad 33 antreibt. Innerhalb des unteren Teiles 34 eines im Gehäuse 31 verlaufenden rund oder eckig ausgeführten Mantels liegt die Charge 4 auf den Transportrollen 22. Der Mantel erweitert sich nach oben hin und innerhalb des erweiterten Teiles 37 ist ein Wärmetauscher 38 angeordnet. Dieser Wärmetauscher 38 nimmt jedoch nicht den gesamten Raum innerhalb des Teiles 37 des Mantels ein, sodaß ein freier Querschnitt 39 gebildet ist.
Das Ventilatorrad 33 fördert Stickstoffgas im Sinne der eingetragenen Pfeile außerhalb des Mantels 34, 37 nach unten, wo es um 90° umgelenkt wird und nach oben unter Kühlung der Charge 4 an dieser vorbei streicht. Anschließend durchströmt das Kühlgas zum Teil den Wärmetauscher 38, zum Teil den freien Querschnitt 39, wobei sich die beiden Ströme vor dem Eintritt in das Ventilatorrad 33 wieder vereinigen.
Die Transportrollen 22 der Abschreckkammer 17 ermöglichen ein Reversieren der Charge durch horizontale Pendelbewegung, wodurch die Gleichmäßigkeit der Abschreckung verbessert werden kann. Die im Chargenraum befindliche, bewegliche Gasleiteinrichtung 35 begrenzt die vom Kühlgas bestrichene Fläche weitgehend auf die Chargengrundfläche und führt den freien Querschnitt mit der Charge mit. Dadurch wird verhindert, daß das Kühlgas abwechselnd vor und hinter der Charge vorbeiströmt, wenn diese während der Abkühlung pendelnd reversiert wird. Die Bewegung der Gasleiteinrichtung kann vorzugsweise über den Rollenantrieb erfolgen. Andere Lösungen, wie z.B. die Verschiebung mittels Pneumatikzylindern sind ebenfalls möglich.
Nach Aufbringen eines Systemdrucks von max. 4 MPa wird Stickstoff innerhalb der Vorrichtung durch das Ventilatorrad 33 umgewälzt, wobei sich ein auf die Ebenen E1 und E3 bezogener Leitwert von 20 - 500 [m3/kPas] einstellt und die Druckdifferenz in der Ebene E2 zwischen dem Bypass und knapp hinter dem Wärmetauscher möglichst gering gehalten wird.
Um die beiden Teilströme an unterschiedliche Chargengrößen und Gasdrücke anzupassen, kann im Bypass-System bzw. freien Querschnitt 39 zusätzlich eine Regelklappe 41 installiert werden, die über die Druckdifferenz zwischen Bypass und unmittelbar hinter dem Wärmetauscher in der Ebene 2 solcher Art angesteuert wird, daß die Abkühlzeit der Charge minimiert wird. Zur Bestimmung der optimalen Klappenposition kann der Meßwert mit einer Auswerteeinheit (Rechner) verbunden werden.
Eine bevorzugte Ausführung der Transportrollen ist in Fig. 5 dargestellt. Die Transportrollen 22 werden hier erfindungsgemäß durch Keramik- oder Grafitlager 42 gehalten, die sich innerhalb der heißen Aufheiz-, Aufkohlungs- und Diffusionskammer 43 befinden und die auf der darunterliegenden Isolation 44 aufliegen. Mehrere Transportrollen werden dabei mittels Kettenantrieb außerhalb der Heizkammer verbunden.
Wie in Fig. 6 dargestellt, erfolgt der Antrieb der solcherart verbundenen Transportrollen durch eine dünne Antriebswelle 45 und 46, die kein Biegemoment übertragen muß. Durch diese Maßnahmen werden die Energieverluste minimiert.
Eine andere Ausführungsvariante ist in Fig. 7 dargestellt. Danach können die Transportrollen in der Aufheiz-, Aufkohlungs- und Diffusionszone als hohle Zylinder 47 ausgeführt sein, in die ein Elektroheizelement oder Gasbrenner eingebracht wird und die mittels einer Drehdurchführung 48 angeflanscht werden. Dadurch wird die gesamte Anzahl an Durchführungen in die Aufheiz-, Aufkohlungs- und Diffusionskammern verringert.
Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Abänderungen möglich. So könnte z.B. die Abschreckkammer 17 mit absenkbaren Transportrollen ausgeführt sein, die die Charge auf einem feststehenden Chargenträger absetzen, die Zahl der Aufkohlungskammern könnte von zwei und die Zahl der Diffusionskammern von drei abweichen.