Verfahren und Anlage zum Gasaufkohlen

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Ofen unter hohen Temperaturen und in einer CO und H₂ enthaltenden Atmosphäre, bei dem die Atmosphäre durch Reaktion eines sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffmediums, insbesondere eines Alkohols, mit Kohlendioxid gebildet wird. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre speziell auf der Basis von Äthanol und Kohlendioxid gebildet wird und die An- bzw. Abreichetung der Atmosphäre, also die Einstellung eines bestimmten Kohlenstoffpegels, durch entsprechende Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Kohlendioxid erzielt wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Ofen unter hohen Temperaturen und in einer CO und H₂ enthaltenden Atmosphäre, bei dem die Atmosphäre durch Umsetzung eines sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffmediums, insbesondere eines Alkohols, mit Kohlendioxid gebildet wird.

[0002] Es ist aus der DE-PS 43 40 060 ein Verfahren zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Ofen unter hohen Temperaturen und in einer CO und H₂ enthaltenden Atmosphäre bekannt, bei dem die Atmosphäre zumindest zu Beginn der Aufkohlung auf der Basis eines dem Ofen zugeführten Alkohols und Kohlendioxid gebildet wird, wobei zusätzlich auch ein Anreicherungsmittel zur Einstellung eines bestimmten Kohlenstoffpegels und teilweise auch zur Atmosphärenbildung einzubringen ist. Mit diesem Verfahren kann eine stickstofffreie Aufkohlungsatmosphäre mit einem CO-zu-H₂-Verhältnisses von etwa 1:1 und damit sehr guten Aufkohlungseigenschaften erzielt werden. Nachteilig bei diesem Verfahren sind die relativ komplizierten Regel- oder Steuerprozesse für die drei zugehörigen Medien, worin auch die Problemstellung der vorliegenden Erfindung bestand.

[0003] Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß die Atmosphäre auf der Basis speziell von Äthanol und Kohlendioxid gebildet wird und die An- oder Abreichetung der Atmosphäre, also die Einstellung eines bestimmten Kohlenstoffpegels, durch entsprechende Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Kohlendioxid erzielt wird.

[0004] Erfindungsgemäß ergibt sich somit in erster Linie eine Atmosphärenbildungsreaktion gemäß

        C₂H₅OH + CO₂ ---> 3 CO + 3 H₂.

[0005] Es wird also eine Atmosphäre mit einem CO-zu-H₂-Verhältnis von 1:1 erzielt, also dem für Aufkohlungen optimalen Verhältnis, das eine maximale Kohlenstoffübergangszahl ß zur Folge hat.

[0006] Die üblicherweise durch CH₄ oder C₃H₈ erreichte Anreicherung bzw. Abreaktion des beim Aufkohlungsprozeß entstehenden Wassers und Kohlendioxids wird erfindungsgemäß durch Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Kohlendioxid erreicht, denn bei einem Überangebot von Äthanol entsteht gemäß

        2 C₂H₅OH + 1 CO₂ ---> CH₄ + 2 CO + 2 CO + 4 H₂

auch ein Methananteil im Produktgas, der die Aufgabe des sonst eigenständig zugeführten Anreicherungsgases übernimmt. Die Bereitstellung eines Anreichetungsgases entfällt daher beim erfindungsgemäßen Verfahren. Im übrigen entsteht selbst bei unabgestimmtem stöchiometrischem Verhältnis ein Atmosphärengas mit einem CO-zu-H₂-Verhältnis von exakt 1:1, das vor allem einer beschleunigten Aufkohlung dient.

[0007] Hinzu kommt, daß das Äthanol-Kohlendioxid-System hinsichtlich seiner Reaktionseigenschaften günstige Verhältnisse bietet. Es reagiert nämlich bereits bei etwa 800°C in gewünschter Weise und Äthanol und Kohlendioxid können daher - gemäß einer bevorzugten Verfahrensvariante - zur Atmosphärenbildung ohne weitere Maßnahmen direkt in einen Aufkohlungsofen eingebracht werden. Eine Verfahrensweise mit einem eigenständigen Atmosphären-Generator kann jedoch dennoch in einigen Einsatzfällen erforderlich sein.

[0008] Mit dem System "Äthanol und Kohlendioxid" ergibt sich ferner ein Zweikomponentensystem, das vergleichsweise einfach regelbar ist. In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird derart verfahren, daß der Kohlenstoffpegel im Aufkohlungsofen fortlaufend gemessen wird und die Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Kohlendioxid entsprechend dem gewünschten Kohlenstoffpegel verändert wird. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn bei der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Atmosphärenbildung immer eine Komponente konstant in die Anlage gespeist wird, und die andere, abhängig von einer Kohlenstoffpegelmessung, geregelt zugeleitet wird.

[0009] Eine Aufkohlungsanlage gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß der zugehörige Aufkohlungsofen zum Zweck der Atmosphärenbildung sich ausschließlich einer Äthanolquelle (A) und einer Kohlendioxidquelle (C) bedient und demzufolge mit diesen verbunden ist, und daß ein Meßgerät (M) zur Messung des Kohlenstoffpegels im Ofen vorhanden ist, das seinerseits mit einer Mengensteuereinheit in der Äthanolzuleitung und/oder der Kohlendioxidzuleitung verbunden ist.

[0010] Im folgenden wird die Erfindung in Verbindung mit der anliegenden Figur anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Figur zeigt eine Anlagengestaltung gemäß der Erfindung mit geregelter CO₂-Zuführung.

[0011] Ein Aufkohlungsofen O ist zunächst mit einer Äthanolquelle A und mit einer Kohlendioxidquelle C über geeignete Leitungen und Stellglieder zu koppeln. Im gezeigten Fall besteht die Äthanolversorgung aus einer Äthanolpumpe P und einer Leitung 1, die vor Erreichen des Aufkohlungsofens in eine Verdüsungseinheit V einmündet. Ebenso in die Verdüsungseinheit mündet eine Kohlendioxidzuleitung 2d. Die Kohlendioxidzuleitung 2d teilt sich stromaufwärts der Verdüsungseinheit V in einen Parallelschaltungsabschnitt mit zwei Leitungen 2b und 2c auf, in denen jeweils ein Stellglied - S1 und S2 - zur Mengenregelung vorhanden ist. Schließlich ist die Parallelschaltung über einen Leitungsabschnitt 2a und ein Hauptventil H mit der CO₂-Quelle C verbunden. Ferner ist ein Flußmengenmesser FIC im Leitungsabschnitt 2a vorhanden. Darüber hinaus ist der Aufkohlungsofen O mit einem Meßgerät M zur Messung des Kohlenstoffpegels in seinem Innenraum ausgestattet. Das Meßgerät M wiederum ist mit einem Steuergerät S verbunden, das seinerseits auf das Stellglied S2 in der Bypassleitung 2c der Parallelschaltung einwirkt.

[0012] Eine erfindungsgemäße Verfahrensweise dieser Anlage besteht darin, daß in den auf Temperatur befindlichen Ofen O die Ausgangsmedien Äthanol und Kohlendioxid in bestimmten Basisquantitäten eingeleitet werden, die durch geeignete Einstellung der Pumpleistung der Äthanolpumpe P sowie des Stellglieds S1 festgelegt werden. Grundsätzlich sind die Zuleitungsmengen etwa so einzustellen, daß ein Mol Äthanol auf ein Mol CO₂ kommt, wobei in der gezeigten Variante grundsätzlich ein Äthanolüberschuß vorzusehen ist. Im Ofen bei über 800°C entsteht aus diesen Ausgangsmedien eine, im wesentlichen im Verhältnis 1:1 CO und H₂ enthaltende, Atmosphäre, deren Kohlenstoffpegel durch das Meßgerät M, beispielsweise eine Sauerstoffsonde oder eine C-Strom-Sonde, ermittelt wird. Da im beschriebenen Fall im Grundsatz mit einem Äthanolüberschuß gefahren wird, entsteht ein relativ hoher C-Pegel in der Grundeinstellung der Anlage. Wird daher vom Meßgerät ein den gewünschten C-Pegel übersteigender Wert ermittelt, so wird durch das entsprechend programmierte Steuergerät S das Öffnen des Stellglieds S2 ausgelöst, und damit die CO₂-Zufuhr erhöht. In der Folge sinkt der C-Pegel bis, bei Erreichen einer festzulegenden Untergrenze, das Stellglied S2 wieder geschlossen wird. Auf diese Weise wird eine relativ einfache, extrem effiziente, C-Pegel-geregelte Aufkohlungsatmosphäre erhalten.

Ansprüche

1. Verfahren zur Aufkohlung metallischer Werkstücke in einem Ofen unter hohen Temperaturen und in einer CO und H₂ enthaltenden Atmosphäre,
bei dem die Atmosphäre durch Reaktion eines sauerstoffhaltigen Kohlenwasserstoffmediums, insbesondere eines Alkohols, mit Kohlendioxid gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre speziell auf der Basis von Äthanol und Kohlendioxid gebildet wird und die An- bzw. Abreicherung der Atmosphäre, also die Einstellung eines bestimmten Kohlenstoffpegels, durch entsprechende Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Kohlendioxid erzielt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Atmosphärenbildung Äthanol und Kohlendioxid unmittelbar in einen Aufkohlungsofen auf Arbeitstemperatur eingeleitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kohlenstoffpegel im Aufkohlungsofen fortlaufend gemessen wird und die Verstellung des stöchiometrischen Verhältnisses von Äthanol und Kohlendioxid entsprechend dem gewünschten Kohlenstoffpegel verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Komponente der Atmosphärenbildung konstant zugeführt wird, und die andere, abhängig von der Kohlenstoffpegelmessung im Aufkohlungsofen, geregelt zugeleitet wird.

5. Aufkohlungsanlage, dadurch gekennzeichnet, daß der zugehörige Aufkohlungsofen zum Zweck der Atmosphärenbildung sich ausschließlich einer Äthanolquelle (A) und einer Kohlendioxidquelle (C) bedient und demzufolge mit diesen verbunden ist, und
daß ein Meßgerät (M) zur Messung des Kohlenstoffpegels im Ofen vorhanden ist, das seinerseits mit einer Mengensteuereinheit in der Äthanolzuleitung und/oder der Kohlendioxidzuleitung verbunden ist.

Zeichnung