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Die Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungseinrichtung zum Durchführen von Nitrierprozessen mit einem Wärmebehandlungsofen.
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Stand der Technik
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Im Zuge von Nitrierprozessen bzw. im Zuge des sog. Nitrierens werden metallische Werkstoffe aufgestickt. An der Werkstückoberfläche bildet sich dabei eine verschleiß- und korrosionsbeständige Oberflächenschicht. Derartige Nitrierprozesse können in einem sog. Wärmebehandlungsofen durchgeführt werden, in welchem das zu nitrierende metallische Werkstück auf Temperaturen zwischen 450°C und 650°C in einer Ammoniakatmosphäre erhitzt wird. In einem Temperaturbereich ungefähr zwischen 520°C und 590°C spaltet sich das Ammoniak in atomaren Stickstoff und Wasserstoff auf. Der atomare Stickstoff kann dann in die Werkstückoberfläche eindiffundieren. Ammoniak hat sich für das Nitrieren als besonders geeignet erwiesen, da es sich im Gegensatz beispielsweise zu reinem Stickstoffgas unter den Parametern einer Nitrierwärmebehandlung günstig zersetzt und den zur Nitrierung notwendigen elementaren Stickstoff liefert.
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Das Ammoniak wird in entsprechenden Wärmebehandlungseinrichtungen zumeist in flüssiger Form in geeigneten Behältern gelagert. Diese Behälter werden zumeist aus Sicherheitsgründen in einem explosionsgeschütztem Sicherheitslager verwahrt. Das Ammoniak kann direkt aus der Gasphase der Behälter entnommen oder flüssig über einen externen Verdampfer zu dem entsprechenden Wärmebehandlungsofen geleitet werden.
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Verunreinigungen der Ammoniakbehälter mit flüssigen Medien wie Öl oder Wasser erweisen sich dabei als äußerst problematisch. Wenn beispielsweise Ölrückstände in die Zuleitung der Wärmebehandlungseinrichtungen gelangen, können diese Zuleitungen kontaminiert werden und es kann gar zu einem Ausfall von Regelkomponenten wie beispielsweise Massendurchflussreglern kommen. Eine Reinigung der Zuleitungen sowie ausgefallener Regelkomponenten verbunden mit mehrtägigen Anlagenstillstandzeiten können die Folge sein.
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Ein weiteres Problem ergibt sich, wenn die Entfernung des Ammoniaklagers und der Wärmebehandlungseinrichtung vergleichsweise sehr lang ist und wenn das Ammoniak über Außenleitungen zur Wärmebehandlungseinrichtung geführt wird. Insbesondere bei geringen Außentemperaturen, etwa in kalten Gegenden oder in Wintermonaten, kann es dann zu einer Rückkondensation des gasförmigen Ammoniaks kommen, was ebenfalls zu einem Ausfall von Regelkomponenten führen kann.
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Es ist daher wünschenswert, eine Wärmebehandlungseinrichtung zum Durchführen von Nitrierprozessen auf einfachere, unproblematischere Weise mit Ammoniak versorgen zu können.
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Offenbarung der Erfindung
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Erfindungsgemäß werden eine Wärmebehandlungseinrichtung zum Durchführen von Nitrierprozessen sowie eine Verwendung eines Ammoniakgenerators zur Herstellung von Ammoniak für wenigstens eine Wärmebehandlungseinrichtung zum Durchführen von Nitrierprozessen mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungen und Vorteile der erfindungsgemäßen Wärmebehandlungseinrichtung sowie der erfindungsgemäßen Verwendung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in analoger Art und Weise.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, Ammoniak für die Durchführung von Nitrierprozessen direkt in der Wärmebehandlungseinrichtung selbst herzustellen. Erfindungsgemäß wird daher ein Ammoniakgenerator für wenigstens eine Wärmebehandlungseinrichtung verwendet.
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Die Wärmebehandlungseinrichtung zum Durchführen von Nitrierprozessen umfasst einen Wärmebehandlungsofen sowie einen Ammoniakgenerator zur Herstellung von Ammoniak. Über eine Ammoniakzufuhr ist der Ammoniakgenerator mit dem Wärmebehandlungsofen verbunden. Die Ammoniakzufuhr ist dazu eingerichtet, von dem Ammoniakgenerator hergestelltes Ammoniak dem Wärmebehandlungsofen zuzuführen. Es versteht sich, dass die Wärmebehandlungseinrichtung noch weitere zweckmäßige Elemente aufweisen kann.
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Der Wärmebehandlungsofen dient zur Durchführung des eigentlichen Nitrierprozesses. Im Zuge eines derartigen Nitrierprozessen bzw. im Zuge des sog. Nitrierens wird, wie eingangs erläutert, insbesondere ein metallisches Werkstück in einer Ammoniakatmosphäre erhitzt, insbesondere auf Temperaturen zwischen 450°C und 650°C, zweckmäßigerweise zwischen 520°C und 590°C. Ammoniak der Ammoniakatmosphäre spaltet sich durch die Temperatur in dem Wärmebehandlungsofen in atomaren Stickstoff und Wasserstoff auf, insbesondere in einem Temperaturbereich zwischen 520°C und 590°C. Der atomare Stickstoff diffundiert in die Werkstückoberfläche ein, wodurch sich an der Werkstückoberfläche eine verschleiß- und korrosionsbeständige Oberflächenschicht bildet.
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Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck in dem Ammoniakgenerator Ammoniak hergestellt und über die Ammoniakzufuhr dem Wärmebehandlungsofen zugeführt. Aus diesem zugeführten Ammoniak wird in dem Wärmebehandlungsofen bevorzugt die entsprechende Ammoniakatmosphäre erzeugt. In dieser erzeugten Ammoniakatmosphäre wird in dem Wärmebehandlungsofen vorteilhafterweise der Nitrierprozess durchgeführt.
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Durch die Erfindung ist es nicht mehr notwendig, Ammoniak in einer Wärmebehandlungseinrichtung zu lagern. Ammoniak wird stattdessen in der Wärmebehandlungseinrichtung onsite je nach Bedarf hergestellt. Die Lagerung von Ammoniak ist zumeist mit sehr hohen, aufwendigen und kostenintensiven Sicherheitsvorkehrungen sowie hohen Gefahren und Sicherheitsrisiken verbunden. Durch die Erfindung können diese aufwendigen Vorkehrungen eingespart werden, wodurch Kosten und Arbeitsaufwand verringert werden und die Sicherheit für Arbeiter in der Wärmebehandlungseinrichtung erhöht werden kann.
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Durch die Herstellung von Ammoniak direkt in der Wärmebehandlungseinrichtung muss gasförmiges Ammoniak nicht über vergleichsweise weite Strecken dem Wärmebehandlungsofen zugeführt werden. Somit kann das Problem vermieden werden, dass es zu einer Rückkondensation von gasförmigem Ammoniak kommt, beispielsweise wenn Ammoniak über vergleichsweise große Längen bei geringen Temperaturen transportiert wird.
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Weiterhin kann es durch die Erfindung nicht zu Verunreinigungen mit flüssigen Medien wie Öl oder Wasser von Behältern oder deren Anschlüssen kommen, in welchen Ammoniak flüssig gelagert wird. Somit wird das Problem behoben, dass es durch derartige Verunreinigungen zu Kontaminationen von Zuleitungen oder zu einem Ausfall von Regelkomponenten wie beispielsweise Massendurchflussreglern kommen kann. Potentielle Anlagenstillstandzeiten der Wärmebehandlungseinrichtung sowie aufwendige und kostenintensive Reinigungen kontaminierter oder ausgefallener Komponenten können vermieden werden.
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Es versteht sich, dass die Wärmebehandlungseinrichtung vorzugsweise auch mehrere Wärmebehandlungsöfen aufweisen kann. In diesem Fall ist bevorzugt für jeden der Wärmebehandlungsöfen eine Ammoniakzufuhr zu dem Ammoniakgenerator vorgesehen. Der Ammoniakgenerator kann auch für mehrere Wärmebehandlungseinrichtungen mit jeweils wenigstens einem Wärmebehandlungsofen verwendet werden. Dabei ist insbesondere jeweils eine Ammoniakzufuhr von dem Ammoniakgenerator zu einem jeweiligen Wärmebehandlungsofen vorgesehen. Wenn in einem oder mehreren dieser Wärmebehandlungsöfen ein Nitrierprozess durchgeführt werden soll, wird in dem Ammoniakgenerator vorteilhafterweise Ammoniak hergestellt und vorzugsweise über die jeweilige Ammoniakzufuhr den entsprechenden Wärmebehandlungsöfen zugeführt.
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Vorteilhafterweise ist der Ammoniakgenerator in unmittelbarer Nähe zu dem Wärmebehandlungsofen angeordnet. Unter unmittelbarer Nähe sei in diesem Zusammenhang zu verstehen, dass der Ammoniakgenerator in einer Distanz von vorzugsweise maximal 10 m, weiter bevorzugt von maximal 5 m, besonders bevorzugt von maximal 2 m zu dem Wärmebehandlungsofen angeordnet ist. Entsprechend weist die Ammoniak-Zufuhr dabei eine maximale Länge von 10 m, weiter insbesondere von maximal 5 m, besonders bevorzugt von maximal 2 m auf. Durch diese unmittelbare Nähe zu dem Wärmebehandlungsofen kann die Gefahr verhindert werden, dass Ammoniak während des Transports von dem Ammoniakgenerator zu dem Wärmebehandlungsofen kondensiert.
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Der Ammoniakgenerator ist vorzugsweise dazu eingerichtet, mit einer Stickstoff- und/oder Wasserstoffzufuhr verbunden zu werden. Vorzugsweise ist der Ammoniakgenerator dazu eingerichtet, in an sich bekannter Weise Ammoniak aus Stickstoff und Wasserstoff herzustellen. Im Zuge dieser Ammoniaksynthese wird insbesondere ein Gasgemisch aus Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis von 3:1 an einem zweckmäßigen Katalysator zur Reaktion gebracht. Beispielsweise kann zu diesem Zweck ein Eisenoxid-Mischkatalysator aus Eisen(II/III)-Oxid (Fe3O4), K2O, CaO, Al2O3 und SiO2 verwendet werden. Die Ammoniaksynthese wird zweckmäßigerweise bei einer Temperatur von ca. 450°C und einem Druck zwischen 300 bar und 350 bar durchgeführt.
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Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.
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Figurenbeschreibung
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1 zeigt schematisch eine bevorzugte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlungseinrichtung.
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2 zeigt schematisch Wärmebehandlungseinrichtungen, welche gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung mit einem Ammoniakgenerator verbunden sind.
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In 1 ist eine bevorzuge Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlungseinrichtung schematisch dargestellt und mit 100 bezeichnet.
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Die Wärmebehandlungseinrichtung 100 weist einen Wärmebehandlungsofen 101 und einen Ammoniakgenerator 102 auf, welche über eine Ammoniakzufuhr 103 miteinander verbunden sind. Der Ammoniakgenerator 102 ist dabei in unmittelbarer Nähe des Wärmebehandlungsofens 101 angeordnet, beispielsweise in einer Distanz von 2 m.
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Der Ammoniakgenerator 102 weist weiterhin eine Stickstoffzufuhr 104 und eine Wasserstoffzufuhr 105 auf und ist dazu eingerichtet, in an sich bekannter Weise aus zugeführtem Stickstoff und zugeführtem Wasserstoff Ammoniak zu erzeugen. In dem Ammoniakgenerator 102 können zu diesem Zweck Wasserstoff und Stickstoff im Verhältnis 3:1 an einem zweckmäßigen Katalysator, beispielsweise an einem Eisenoxid-Mischkatalysator aus Eisen(II/III)-Oxid (Fe3O4), K2O, CaO, Al2O3 und SiO2, zur Reaktion gebracht werden, beispielsweise unter einem Druck von 300 bar und einer Temperatur von ca. 450°C.
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Metallische Werkstücke können in den Wärmebehandlungsofen 101 zur Durchführung eines Nitrierungsprozesses eingebracht werden. Erzeugtes Ammoniak kann von dem Ammoniakgenerator 102 über die Ammoniakzufuhr 103 dem Wärmebehandlungsofen 101 zugeführt werden, so dass in dem Wärmebehandlungsofen 101 eine Ammoniakatmosphäre erzeugt wird. In dieser Ammoniakatmosphäre wird in dem Wärmebehandlungsofen 101 der Nitrierungsprozess der metallischen Werkstücke durchgeführt.
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Die metallischen Werkstücke werden dabei in der Ammoniakatmosphäre auf Temperaturen zweckmäßigerweise zwischen 520°C und 590°C erwärmt. Das Ammoniak spaltet sich dabei in atomaren Stickstoff und Wasserstoff auf. Der atomare Stickstoff diffundiert in die Werkstückoberfläche ein wodurch sich an der Werkstückoberfläche eine verschleiß- und korrosionsbeständige Oberflächenschicht bildet.
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In 2 ist schematisch dargestellt, wie gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ein Ammoniakgenerator 202 auch für eine Vielzahl von Wärmebehandlungseinrichtungen 200', 200'', 200''' analog zu der Wärmebehandlungseinrichtung 100 aus 1 verwendet wird.
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Eine erste Wärmebehandlungseinrichtung 200' umfasst einen Wärmebehandlungsofen 201', eine zweite Wärmebehandlungseinrichtung 200'' umfasst einen zweiten Wärmebehandlungsofen 201'' und eine dritte Wärmebehandlungseinrichtung 200''' umfasst einen dritten Wärmebehandlungsofen 201'''. Es versteht sich, dass eine Wärmebehandlungseinrichtung auch mehr als einen Ofen aufweisen kann. Die Wärmebehandlungsöfen 201', 201'' und 201''' können dabei analog zu dem Wärmebehandlungsofen 101 aus 1 ausgestaltet sein.
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Der Ammoniakgenerator 202 weist eine Stickstoffzufuhr 204 und eine Wasserstoffzufuhr 205 auf und ist analog zu dem Ammoniakgenerator 102 aus 1 zur Herstellung von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff ausgebildet.
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Über eine erste Ammoniakzufuhr 203' ist der Ammoniakgenerator 202 mit dem ersten Wärmebehandlungsofen 201' verbunden. Analog ist der Ammoniakgenerator 202 mit einer zweiten Ammoniakzufuhr 203'' bzw. einer dritten Ammoniakzufuhr 203'' mit dem zweiten Wärmebehandlungsofen 201'' bzw. dem dritten Wärmebehandlungsofen 201''' verbunden.
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Wenn in einem der Wärmebehandlungsöfen 201', 201'' und 201''' ein Nitrierungsprozess durchgeführt werden soll, wird Ammoniak von dem Ammoniakgenerator 202 hergestellt und über die jeweilige Ammoniakzufuhr 203', 203'' bzw. 203''' dem jeweiligen Wärmebehandlungsofen 201', 201'' bzw. 201''' zugeführt.
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Beispielsweise kann der Ammoniakgenerator 202 in unmittelbarer Nähe zu den Wärmebehandlungsöfen 201', 201'' und 201''' angeordnet sein, beispielsweise in einer Distanz von 5 m bis 10 m.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Wärmebehandlungseinrichtung
- 101
- Wärmebehandlungsofen
- 102
- Ammoniakgenerator
- 103
- Ammoniakzufuhr
- 104
- Stickstoffzufuhr
- 105
- Wasserstoffzufuhr
- 200'
- erste Wärmebehandlungseinrichtung
- 200''
- zweite Wärmebehandlungseinrichtung
- 200'''
- dritte Wärmebehandlungseinrichtung
- 201'
- erster Wärmebehandlungsofen
- 201''
- zweiter Wärmebehandlungsofen
- 201'''
- dritter Wärmebehandlungsofen
- 202
- Ammoniakgenerator
- 203'
- erste Ammoniakzufuhr
- 203''
- zweite Ammoniakzufuhr
- 203'''
- dritte Ammoniakzufuhr
- 204
- Stickstoffzufuhr
- 205
- Wasserstoffzufuhr
