AT403806B - Vorrichtung zur gasoxynitrierung von bauteilen aus eisenwerkstoffen - Google Patents

Description

AT 403 806 B

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Gasoxynitrierung von Bauteilen aus Eisenwerkstoffen, bestehend aus einem Kammer- oder Schachtofen mit Retorte, mit einer steuerbaren Heizeinrichtung, einem Einlaß für eine im wesentlichen Ammoniak und Luft enthaltende Frischgasmischung, einem Auslaß für die Reaktionsgasmischung, Temperatur- und Druckmeßeinrichtungen, einer Meßeinrichtung zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts der Reaktionsgasmischung sowie Meß- und Steuereinrichtungen zur getrennten Steuerung der pro Zeiteinheit zugeführten Ammoniak- und Luftmengen derart, daß eine bestimmte Nitrierkennzahl (NKZ) konstant bleibt.

Bei den herkömmlichen Vorrichtungen zur Gasoxynitrierung sind als Meßeinrichtungen in den Ammoniak- und Luftzufuhrleitungen Blenden und Druckmeßeinrichtungen vorgesehen, und die Volumenströme werden durch Differenzdruckmessung an den Blenden ermittelt. Da diese Messung sehr ungenau ist und nach einer durch das Meßsystem bedingten Totzeit reagiert, muß aus Sicherheitsgründen am Frischgaseinlaß auch noch ein Sauerstoffanalysator vorhanden sein, um wegen der Explosionsgefahr den Sauerstoffgehalt zu überwachen und unterhalb eines bestimmten Grenzwerts von z. B. 6 % des Frischgasvolumens zu halten.

Die mit den bekannten Vorrichtungen erzielten Arbeitsergebnisse fallen jedoch nicht nur wegen der ungenauen Messung und Regelung der Frischgaszufuhr ungleichmäßig aus. Schuld daran ist auch die bisher praktizierte Regelung. Sie beruht im Prinzip darauf, daß bestimmte, empirisch als günstig ermittelte Parameter möglichst konstant eingehalten werden. Dies gelingt jedoch allein schon wegen der oben genannten Unzulänglichkeiten bei der Regelung der Frischgaszufuhr nur mangelhaft. Außerdem muß die Regelung auf schwer vorhersehbare Einflußfaktoren reagieren, die von Zufälligkeiten der wechselnden Chargen und der menschlichen Eingriffe in den Prozeß abhängen können.

Wesentlich für das Arbeitsergebnis ist die von der Zusammensetzung und den Zustandsbedingungen der Atmosphäre im Retortenofen abhängige Nitrierkennzahl NKZ (NKZ = Partialdruckverhältnis p(NH3/p(H2)-3/2). Sie schwankt insbesondere bei Veränderungen des Wasserstoffgehalts und der Retortentemperatur sehr stark. Man ist deshalb bisher vor allem bemüht, die Temperatur konstant zu halten und Änderungen des Wasserstoffgehalts im Reaktionsgas durch angepaßte Änderungen der Menge und Zusammensetzung des Frischgases entgegenzuwirken. So sieht z. B. die übliche Regelung bei einer Erhöhung des Wasserstoffgehalts im Reaktionsgas eine Vergrößerung der Menge des zugeführten Ammoniaks vor. Damit muß jedoch wegen der Einhaltungen bestimmter Grenzen für den Sauerstoffgehalt im Frischgas auch die Luftzufuhr verändert werden, und diese Änderungen wiederum führen dann doch zu Änderungen der Nitrierkennzahl.

Eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, bei der man bestrebt ist, die Nitrierkennzahl konstant zu halten, ist aus der DD-278 365 bekannt. Sie liefert allerdings auch keine reproduzierbaren Ergebnisse, weil die Steuerung manuell erfolgt. Außerdem arbeitet sie nur mit der im Ofen stattfindenden Zersetzung von Ammoniak, die von der Temperatur und der Größe der Werkstückoberfläche abhängig ist. Wenn die Werkstückoberfläche insgesamt verhältnismäßig klein ist, dauert es sehr lange bis durch die Ammoniakzersetzung eine genügende Menge N und H2 erzeugt ist, um eine bestimmte einzustellende Nitrierkennzahl zu erreichen. Dadurch wiederum ergeben sich hohe Heizkosten. Gleiches gilt für eine aus der WO 91/04351 bekannte Vorrichtung, bei der außer Ammoniak auch Wasser zugeführt wird und die Behandlung der Werkstücke in einem fluidisierten Bett stattfindet.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die bei automatischem Betrieb reproduzierbare, optimale Nitrierergebnisse liefert und geringere Energiekosten verursacht.

Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine Zufuhrleitung für Ammoniakspaltgas an den Einlaß für die Frischgasmischung angeschlossen ist und Meß- und Steuereinrichtungen zur Steuerung der pro Zeiteinheit zugeführten Ammoniakspaltgasmenge vorhanden sind, und daß durch einen an die Meßeinrichtungen angeschlossenen Multifunktionsregler die Steuereinrichtungen für die Ammoniak-, Luft- und Ammoniakspaltgasmengen sowie die Heizeinrichtung ständig derart steuerbar sind, daß die Nitrierkennzahl konstant bleibt.

Durch die genaue Ausrichtung der Regelung auf die Nitrierkennzahl lassen sich definierte ¢- und γ’-Verbindungsschichten, «- und -/-Verbindungsschichten mit eingeschränkter Dicke, 7'-Verbindungsschichten sowie Diffusionsschichten mit eingeschränkter oder ohne Verbindungsschicht erzeugen, und diese Arbeitsergebnisse sind auch reproduzierbar.

Darüberhinaus bietet die erfindungsgemäß vorgesehene Zufuhr von Ammoniakspaltgas den Vorteil, daß nunmehr das Frischgas einen steuerbaren Anteil H2 enthält, durch den, die Nitrierkennzahl in kürzester Zeit auf den gewünschen Wert eingestellt werden kann.

In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Meß- und Steuereinrichtungen für die Ammoniak-, Ammoniakspaltgas- und Luftmengen nach dem Prinzip der Wärmezufuhr und Temperaturmes- 2 ΑΤ 403 806 Β sung des Gasstroms arbeitende MassedurchfluBregler. Diese liefern so genaue Meßergebnisse der Volumenströme des Ammoniaks, des Ammoniaksspaltgases und der Luft, daß es genügt, aufgrund dieser Daten den Sauerstoffgehalt zu berechnen, und auf einen Sauerstoffanalysator am Frischgaseinlaß verzichtet werden kann. Außerdem funktionieren die auf Temperaturmessungen basierenden Meßeinrichtungen der Regler mit so geringer Trägheit, daß die durch Regelvorgänge hervorgerufenen Schwankungen praktisch keine Auswirkungen mehr auf die Beibehaltung der als Sollwert vorgegebenen Nitrierkennzahl und den aus Sicherheitsgründen einzuhaltenden Sauerstoffgehalt haben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Retortenofens zur Gasoxynitrierung mit zugehörigen Anschlüssen sowie Meß-, Steuer- und Regeleinrichtungen und Fig. 2 ein Funktionsschaubild des Multifunktionsreglers des Retortenofens nach Fig. 1. ln Fig. 1 ist ein Retortenofen zur Gasoxynitrierung mit 10 bezeichnet. Er ist in bekannter Weise mit einer Heizeinrichtung 12 versehen sowie weiterhin mit einer nur durch Pfeile 14 angedeuteten Einrichtung zur Umwälzung des Gases im Innenraum der Retorte. Über einen Frischgaseinlaß 16 wird dem Innenraum des Retortenofens 10 eine Frischgasmischung, bestehend aus Ammoniak (NH3), Ammoniakspaltgas (N2 + 3H2) und Luft, zugeführt. Diese Gasbestandteile werden über Zufuhrleitungen 18, 19 und 20 zugeführt und durch jeweils zugeordnete Massedurchflußregler 22, 23 bzw. 24 dosiert, bevor sie vor dem Frischgaseinlaß 16 zusammengeführt und vermischt werden. An der Zufuhrleitung 20 für die Luft ist außerdem ein als Absperrventil wirkendes Magnetventil 26 angeordnet, welches bei Erreichen eines oberen Grenzwerts für den Sauerstoffgehalt des Frischgases zusätzlich zum Massedurchflußregler 24 automatisch schließt.

Das durch die Reaktion im Retortenofen gebildete Reaktionsgas verläßt die Retorte über einen Reaktionsgasauslaß 28 mit einer Wasservorlage 30, in der das Reaktionsgas in bestimmter Höhe unter dem Wasserspiegel austritt, wodurch der Druck im Innenraum der Retorte konstant gehalten wird. Außerdem ist an der mit 32 bezeichneten Abgasleitung für das Reaktionsgas ein Wasserstoffanaiysator 34 angeordnet, der den Wasserstoffgehalt des Reaktionsgases mißt. Gemessen werden außerdem die Temperatur der Heizeinrichtung 12 und die Temperatur im Innenraum des Retortenofens 10 sowie mittels eines Druckmeßinstruments 36 der dort herrschende Druck.

Wie in Fig. 1 durch Pfeile angedeutet, werden die Istwerte der Temperatur der Heizeinrichtung 12 und die Temperatur des Innenraums des Retortenofens 10, der vom Analysator 34 gemessene Wasserstoffgehalt des Reaktionsgases sowie die an den Massedurchflußreglem 22, 23 und 24 gemessenen Istmengen des Ammoniaks, Ammoniakspaltgases und der Luft einem Multifunktionsregler 38 zugeleitet. Diesem sind außerdem, wie aus Fig. 2 ersichtlich, als Sollwerte eine bestimmte Nitrierkennzahl NKZ, eine NH3-Mindestmenge, ein bestimmter Höchstwert für den O2-Gehalt des Frischgases und Grenzwerte für die Retortentemperatur eingegeben worden. Außerdem ist eingegeben, ob das Frischgas auch Ammoniakspaltgas enthält, wie dies in Abhängigkeit der Nitrierkennzahl ggf. erforderlich ist. Der mit einem Rechner verbundene Multifunktionsregler 1 berechnet anhand der ihm zugeleiteten Meßdaten und der genannten Soll- und Grenzwerte einen der Heizeinrichtung 12 zugeleiteten Momentansollwert für die Temperatur, einen dem Massedurchflußregler 22 zugeleiteten Momentansollwert für die Ammoniakmenge, einen dem Massedurchflußregler 23 zugeleiteten Momentansollwert für die Ammoniakspaltgasmenge und einen dem Massedurchflußregler 24 angeleiteten Momentansollwert für die Luftmenge.

Diese vier Momentansollwerte sind so aufeinander abgestimmt, daß die dem Multifunktionsregler 38 vorgegebene Nitrierkennzahl konstant beibehalten wird und dabei die Grenzwerte für den Sauerstoffgehalt des Frischgases und außerdem die Temperaturgrenzwerte, die z. B. im üblichen Temperaturbereich von etwa 500 - 600* Celsius einen Arbeitsbereich von etwa 10 K definieren, nicht über- bzw. unterschritten werden.

Die Funktionsweise des Multifunktionsreglers 38 ist anhand von Fig. 2 veranschaulicht. Wie gezeigt, werden die Nitrierkennzahl, die NH3-Mindestmenge und die Retortentemperatur-Grenzwerte unmittelbar eingegeben. Das Abweichungsband des O2-Gehalts des Frischgases wird im Rechner 52 des Multifunktionsreglers 38 nach der Nitrierkennzahl optimal errechnet.

Der Temperaturistwert im Innenraum des Retortenofens 10 wird zusammen mit einem vom Rechner 52 vorgegebenen Sollwert einem PID Regler 40 zugeleitet, der durch Vergleich ein Ausgangssignal liefert, welches zusammen mit dem Istwert der Temperatur der Heizeinrichtung 12 einem PID Regler 42 zugeleitet wird. Sein Ausgang steuert die Heizeinrichtung 12 in Richtung einer höheren oder niedrigeren Temperatur. Der Ausgang ist der erste in Fig. 2 unten angegebene Signalausgang des Multifunktionsreglers 38.

Wird aus dem eingestellten Sollwert der NKZ durch den Rechner 52 im Funktionsblock S1 die Notwendigkeit des Einlesens von Amoniakspaltgas erkannt, schaltet dieser die Ammoniakmengenregelung auf einen festen Sollwert und aktiviert die Ammoniakspaltgasmengenregelung durch Beaufschlagung des 3

Claims (2)

1. AT 403 806 B PID-Reglers 49 mit einem reaktionsabhängigen Sollwert für die Ammoniakspaltgasmenge. Ein PID Regler 44 vergleicht den am Analysator 34 gemessenen Istwert des Hi-Gehalts des Reaktionsgases mit einem vom Rechner 52 gelieferten, der vorgegebenen Nitrierkennzahl entsprechenden Sollwert. Das Ausgangssignal des PID Reglers 44 beeinflußt dann den Temperatursollwert der Heizeinrichtung 12 und den NH3-Mengensollwert bzw. den Ammoniakspaltgasmengensollwert Aus den an den Massedurchflußreglern 22, 23 und 24 gemessenen Istwerten der Ammoniak-, Ammoniakspaltgas- und Luftmengen wird, wie bei 46 angedeutet, zunächst ein Mengenvergleich durchgeführt, und wenn die Luftmenge einen bestimmten Verhältniswert übersteigt, wird ein Ausgangssignal an das Magnetventil 26 in der Luftzufuhrleitung 20 geleitet, so daß dieses schließt. Dies ist der in Fig. 2 rechts angegebene Ausgang des Multifunktionsreglers 38. Ein PID Regler 48 empfängt den Istwert der am Massedurchflußregler 22 gemessenen NH3-Menge und einen vom Rechner 52 aus der vorgegebenen Nitrierkennzahl, dem Wasserstoffgehait des Reaktionsgases und der Temperatur berechneten Sollwert. Das Ausgangssignal des PID Reglers 48 liegt am zweiten in Fig. 2 unten gezeigten Ausgang des Multifunktionsreglers und steuert den Massedurchflußregler 22, um je nach Bedarf mehr oder weniger Ammoniak zuzuführen. Diese Funktion ist nur aktiv, wenn ohne den Zusatz von Ammoniakspaltgas gearbeitet wird. Bei Zusatz von Ammoniakspaltgas empfängt der PID-Regler 49 den Istwert der am Massedurchflußregler 23 gemessene Ammoniakspaltgasmenge und einen vom Rechner 52 aus der Nitrierkennzahl, dem Wassestoffgehalt des Reaktionsgases und der Temperatur berechneten Sollwert. Das Ausgangssignal des PID-Reglers 49 liegt am dritten in Fig. 2 unten gezeigten Ausgang des Multifunktionsreglers und steuert den Massedurchflußregler 23, um je nach Bedarf mehr oder weniger Ammoniakspaltgas zuzuführen. Ein PID Regler 50 empfängt vom Massedurchflußregler 24 den momentanen Istwert der Luftmenge und einen vom Rechner bestimmten, aus der vorgegebenen Nitrierkennzahl und dem berechneten Sauerstoffanteil des Frischgases bestimmten Sollwert. Aus dem Vergleich dieser Daten gewinnt der PID Regler 50 das vierte in Fig. 2 unten angegebene Ausgangssignal des Multifunktionsreglers 38, welches die Öffnungsweite des Massedurchflußreglers 24 steuert. Es versteht sich, daß die vorstehend beschriebene Regelung mittels des Multifunktionsreglers 38 nicht unbedingt darauf angewiesen ist, daß an den Zufuhrleitungen 18, 19 und 20 für Ammoniak, Ammoniakspaltgas bzw. Luft Massedurchflußregler 22, 23 bzw. 24 angebracht sind. Im Prinzip läßt sich die geschilderte Regelung auch mit anderen Meßeinrichtungen und Steuerorganen an den Zufuhrleitungen 18, 19 und 20 durchführen, wobei ggf. auch ein 02-Analysator oder eine 02-Sonde am Frischgaseinlaß 16 eingesetzt werden können. Dies ist jedoch mit zusätzlichem Aufwand verbunden, zumal eine 02-Sonde normalerweise bei Temperaturen von 600* Celsius betrieben werden muß und deshalb eine besondere Muffel bedingt. Andererseits wird es bereits als ein vorteilhafter Vorschlag angesehen, die bekannten Meßeinrichtungen mit Differenzdruckmessung an einer Blende in den Gaszufuhrleitungen durch Massedurchflußregler zu ersetzen, selbst wenn nicht mit einem Multifunktionsregler 38 mit den oben beschriebenen Funktionen gearbeitet wird. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Gasoxynitrierung von Bauteilen aus Eisenwerkstoffen, bestehend aus einem Kammeroder Schachtofen mit Retorte (10), mit einer steuerbaren Heizeinrichtung (12), einem Einlaß (16) für eine im wesentlichen Ammoniak und Luft enthaltende Frischgasmischung, einem Auslaß (28) für die Reaktionsgasmischung, Temperatur- und Druckmeßeinrichtungen, einer Meßeinrichtung (34) zur Bestimmung des Wasserstoffgehalts der Reaktionsgasmischung sowie Meß- und Steuereinrichtungen (22, 24) zur getrennten Steuerung der pro Zeiteinheit zugeführten Ammoniak- und Luftmengen derart, daß eine bestimmte Nitrierkennzahl (NKZ) konstant bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß eine Zufuhrleitung für Ammoniakspaltgas an den Einlaß (16) für die Frischgasmischung angeschlossen ist und Meß-und Steuereinrichtungen (23) zur Steuerung der pro Zeiteinheit zugeführten Ammoniakspaltgasmenge vorhanden sind, und daß durch einen an die Meßeinrichtungen (an 10, 12, 22, 23, 24, 34) angeschlossenen Multifunktionsregler (38) die Steuereinrichtungen (22, 23, 24) für die Ammoniak-, Luft- und Ammoniakspaltgasmengen sowie die Heizeinrichtung (12) ständig derart steuerbar sind, daß die Nitrierkennzahl konstant bleibt.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Ammoniak-, Ammoniakspattgas- und Luftmengen sowie die Heizeinrichtung (12) innerhalb bestimmter Grenzwerte derart steuerbar sind, daß der Energieverbrauch minimiert ist. 4 AT 403 806 B Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Regelung die Betriebstemperatur des Retortenofens (10) in einem bestimmten Bereich von z. B. insgesamt 10 K und der Sauerstoffgehalt des Frischgases in einem bestimmten Bereich von z. B. 2,8 % - 6 % der Frischgasmenge veränderbar sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß- und Steuereinrichtungen (22, 24) für die Ammoniak-, Ammoniakspaltgas- und Luftmengen nach dem Prinzip der Wärmezufuhr und Temperaturmessung des Gasstroms arbeitende Massedurchflußregler sind. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein bei einem bestimmten berechneten Grenzwert des Sauerstoffgehalts betätigbares Absperrventil (26) in der Luftzufuhrleitung (20). Hiezu 2 Blatt Zeichnungen 5