DE1433735B1 - Verfahren zur Erzielung einer Ofenatmosphaere,mit der eine oxydationsfreie Waermebehandlung von Werkstuecken aus Stahl unter gleichzeitiger Beeinflussung des Kohlenstoffgehalts durchfuehrbar ist - Google Patents
Verfahren zur Erzielung einer Ofenatmosphaere,mit der eine oxydationsfreie Waermebehandlung von Werkstuecken aus Stahl unter gleichzeitiger Beeinflussung des Kohlenstoffgehalts durchfuehrbar istInfo
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Description
1 2
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzielung Technik keine Anregungen für die erfindungsgemäße
einer Ofenatmosphäre, mit der eine oxydationsfreie Lösung gewinnen konnte. Die Erfindung löst nämlich
Wärmebehandlung von Werkstücken aus Stahl unter zum ersten Mal die Aufgabe, eine Ofenatmosphäre
gleichzeitiger Beeinflussung des Kohlenstoffgehalts zu erzielen, die ohne Vorbehandlung die verschiedurchführbar
ist, durch Verbrennung eines fließ- 5 densten Arbeitsgänge, insbesondere auch ein oxyda-
fähigen Brennstoffes unter Luftmangel in einer Brenn- tionsfreies Abkühlen, ermöglicht, wobei vor allem das
kammer und unmittelbare Einführung des Verbren- letztere eine für den Fachmann unerwartete Eigen-
nungsgasgemisches, dessen Komponenten im ehe- schaft der erfindungsgemäß erzielten Ofenatmo-
mischen Gleichgewicht sind, in einen die Werkstücke Sphäre ist.
enthaltenden Ofenraum. io Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfin-
enthaltenden Ofenraum. io Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfin-
Die bekannten Verfahren dieser Gattung weisen den dungsgemäßen Verfahrens wird das Brennstoff-Luft-Nachteil
auf, daß zur Erzeugung des die Ofenatmo- Gemisch in an sich bekannter Weise über einen Vorsphäre
bildenden Verbrennungsgasgemisches, das im wärmer in die Brennkammer eingeleitet,
chemischen Gleichgewicht sein und außerdem eine Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs-Temperatur oberhalb der Werkstücktemperatur be- 15 gemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß sitzen soll, besondere Verfahrensschritte durchgeführt für die Verbrennung des Brennstoffes eine gegen werden mußten, ζ. B. eine von außen erfolgende Be- Wärmeverlust geschützte Brennkammer vorgesehen heizung der Brennkammer oder eine nachträgliche ist, die in unmittelbarer Nachbarschaft des Ofen-Erwärmung des aus dieser Kammer austretenden Gas- raumes angeordnet ist. Die Brennkammer braucht gemisches, gegebenenfalls nach Entzug bestimmter so dabei einen Rauminhalt von lediglich zwischen etwa Bestandteile des Gemisches. Infolgedessen sind die 125 und 250 cm3 je Nm3/h Verbrennungsgas zu bebekannten Verfahren verhältnismäßig umständlich, sitzen, wodurch natürlich der bauliche Aufwand für weisen einen hohen Energieverbrauch auf und erfor- eine solche Kammer vorteilhafterweise erheblich redudern zu ihrer Durchführung einen erheblichen Vor- ziert ist. Besonders günstig ist es, wenn der Vorrichtungsaufwand. Außerdem sind diese Verfahren 25 wärmer und/oder die Brennkammer innerhalb des jeweils nur auf eine spezielle Werkstücksbehandlung Ofenraumes angeordnet ist, weil dadurch in einabgestimmt, so daß verschiedene Behandlungen, wie fächer Weise ein Schutz gegen Wärmeverluste gebeispielsweise das Blankglühen und oxydationsfreie währleistet ist. Schließlich ist es auch vorteilhaft, Abkühlen, sowie vor allem das Beeinflussen des wenn die Brennkammer katalytisch wirkende Füll-Kohlenstoffgehaltes von Werkstücken aus Stahl ein 30 körper enthält.
chemischen Gleichgewicht sein und außerdem eine Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungs-Temperatur oberhalb der Werkstücktemperatur be- 15 gemäßen Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, daß sitzen soll, besondere Verfahrensschritte durchgeführt für die Verbrennung des Brennstoffes eine gegen werden mußten, ζ. B. eine von außen erfolgende Be- Wärmeverlust geschützte Brennkammer vorgesehen heizung der Brennkammer oder eine nachträgliche ist, die in unmittelbarer Nachbarschaft des Ofen-Erwärmung des aus dieser Kammer austretenden Gas- raumes angeordnet ist. Die Brennkammer braucht gemisches, gegebenenfalls nach Entzug bestimmter so dabei einen Rauminhalt von lediglich zwischen etwa Bestandteile des Gemisches. Infolgedessen sind die 125 und 250 cm3 je Nm3/h Verbrennungsgas zu bebekannten Verfahren verhältnismäßig umständlich, sitzen, wodurch natürlich der bauliche Aufwand für weisen einen hohen Energieverbrauch auf und erfor- eine solche Kammer vorteilhafterweise erheblich redudern zu ihrer Durchführung einen erheblichen Vor- ziert ist. Besonders günstig ist es, wenn der Vorrichtungsaufwand. Außerdem sind diese Verfahren 25 wärmer und/oder die Brennkammer innerhalb des jeweils nur auf eine spezielle Werkstücksbehandlung Ofenraumes angeordnet ist, weil dadurch in einabgestimmt, so daß verschiedene Behandlungen, wie fächer Weise ein Schutz gegen Wärmeverluste gebeispielsweise das Blankglühen und oxydationsfreie währleistet ist. Schließlich ist es auch vorteilhaft, Abkühlen, sowie vor allem das Beeinflussen des wenn die Brennkammer katalytisch wirkende Füll-Kohlenstoffgehaltes von Werkstücken aus Stahl ein 30 körper enthält.
in seinen Bedingungen jeweils abgewandeltes Ver- Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausfahren
mit entsprechend darauf abgestimmter Vor- führungsformen der Erfindung dient im Zusammenrichtung
erfordern. hang mit der Zeichnung der weiteren Erläuterung.
Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, zur Be- Es zeigt
hebung der geschilderten Mängel ein Verfahren zur 35 F i g. 1 eine erste Ausführungsform einer Vorrich-
Erzielung einer Ofenatmosphäre vorzuschlagen, das tung zur Durchführung des Verfahrens gemäß der
sich sowohl zum Blankglühen und Beeinflussen des Erfindung und
Kohlenstoffgehaltes wie auch zum oxydationsfreien F i g. 2 eine abgewandelte Ausführungsform einer
Abkühlen von Werkstücken aus Stahl eignet und Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
außerdem gegenüber bekannten Verfahren einfacher 40 Verfahrens.
und mit geringerem Energieverbrauch durchführ- Man kann bei der Erzielung einer Ofenatmosphäre
bar ist. die Komponenten eines Verbrennungsgasgemisches in
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, einer beheizten Brennkammer in einen vorbestimmten,
daß als Brennstoff Kohlenwasserstoffe ohne äußere über der Temperatur der zu behandelnden Werkstücke
Wärmezufuhr während der Verbrennung zu dem im 45 liegenden, chemischen Gleichgewichtszustand bringen,
chemischen Gleichgewicht befindlichen Verbrennungs- der in der Regel einer Reaktionstemperatur von 1000
gasgemisch verbrannt werden, das durch die Ver- bis 12000C entspricht. Die Beheizung der Brenn-
brennung eine Temperatur oberhalb der Werkstücks- kammer erfordert dabei jedoch eine große wärme-
temperatur annimmt. übertragende Oberfläche derselben und führt daher
Hierbei wird der Vorteil erreicht, daß weder während 5° zu großen Kammerabmessungen. Die Unterbringung
der Verbrennung der Brennstoffe in der Brennkammer dieser Kammer in baulicher Vereinigung mit dem die
eine zusätzliche Beheizung der letzteren noch eine zu behandelnden Werkstücke enthaltenden Ofenraum
Nacherhitzung des gewonnenen Gasgemisches er- ist daher schwierig. Außerdem beeinflußt die Heizforderlich
ist. Somit kann auch der für die Durch- einrichtung der Brennkammer die Temperatur des
führung des erfindungsgemäßen Verfahrens erforder- 55 Ofen- oder Behandlungsraumes in unerwünschter
liehe Vorrichtungsaufwand erheblich reduziert werden, Weise.
wobei beispielsweise die Brennkammer gegenüber be- Ausgehend von diesem Tatbestand wurde gefunden,
kannten Einrichtungen bis zu etwa 15mal kleiner aus- daß die Abmessungen der Brennkammer bedeutend
gebildet werden kann. Dazu kommt noch, daß unter geringer gehalten werden können, wenn die erforder-
der erfindungsgemäß erzeugten Ofenatmosphäre—und 60 liehe Reaktionstemperatur unmittelbar durch die frei
damit in einer einzigen Ofenanlage — die verschie- werdende Wärme des Brennstoffes erzielt wird. Zu
densten Arbeitsgänge, wie Blankglühen, Blankkühlen, diesem Zweck werden erfindungsgemäß wasserstoff-
entkohlungsfreies Glühen und Aufkohlen von Stahl, arme Brennstoffe, nämlich Kohlenwasserstoffe, deren
ausgeführt werden können. Insgesamt vermittelt also Moleküle lediglich aus Kohlenstoff und Wasserstoff
die Erfindung einen erheblichen technischen Fort- 65 zusammengesetzt sind, in einer mit dem Ofenraum
schritt. verbundenen, vorzugsweise mit ihm baulich ver-
Das erfindungsgemäße Verfahren hat auch nicht einigten, weitgehend gegen Wärmeverluste geschützten
nahegelegen, weil der Fachmann aus dem Stande der Brennkammer derart kleinen Inhalts verbrannt, daß
3 4
die Verbrennungsgase die höchstmögliche Reaktions- für die Aufkohlung von Stahl geeignetes Verbrentemperatur
annehmen. nungsgasgemisch erzeugt werden soll, empfiehlt es
Die genannten Brennstoffe bringen den Vorteil, daß sich, in weiterer Ausgestaltung des Verfahrens gemäß
bei der Reaktion, die vorzugsweise noch durch kataly- der Erfindung das Köhlenwasserstöff-Luft-Gemisch
tisch wirkende Füllkörper innerhalb der Brennkammer 5 über einen Vorwärmer in an sich bekannter Weise mit
beschleunigt werden kann, wasserdampfarme Ver- einer Strömungsgeschwindigkeit, welche die Brennbrennungsgase
entstehen. Auch wenn die Feuerung geschwindigkeit übersteigt, in die Brennkammer einim
Hinblick auf den erforderlichen Gehalt an reak- zuleiten und dabei dem Gemisch eine Wärmemenge
tionsfähigen Bestandteilen innerhalb des Verbren- zuzuführen, die zusammen mit der bei der Verbrennungsgasgemisches
mit Luftmangel betrieben wird, io nung frei werdenden Wärme die erforderliche hohe
ergeben die erfindungsgemäß verwendeten Kohlen- Reaktionstemperatur gewährleistet. Hierzu kann mit
Wasserstoffe noch eine hohe theoretische Flammen- Vorteil die Heizeinrichtung des Ofenraums benutzt
temperatur. Bei der Verbrennung des Brennstoff-Luft- werden. Dabei wird zwar in der Regel sowohl die
Gemisches in einer kleinen Verbrennungskammer, Zündtemperatur des Gemisches als auch die Verderen
Rauminhalt nicht größer bemessen ist, als er für 15 krackungstemperatur des Kohlenwasserstoffes überden
Ablauf der Verbrennungsreaktion bei der erreich- schritten, es hat sich jedoch gezeigt, daß trotzdem bei
baren Temperatur nötig ist, tritt die höchstmöglichste einem schneller als seine Brenngeschwindigkeit strö-Verbrennungstemperatur
auf. Als besonders günstig menden Kohlenwasserstoff-Luft-Gemisch innerhalb
hat sich ein Verbrennungskammerinhalt von 125 cm3 des Vorwärmers keine nennenswerte Verbrennung und
je Nm3/h Verbrennungsgas zum Blankglühen bei ao vor allem auch keine mit unerwünschter Kohlenstoff-11000C
und anschließendem Blankkühlen von Stahl abscheidung verbundene Verkrackung eintritt. Diese
erwiesen. Bei der Herstellung aufkohlender Verbren- überraschende Tatsache ist vermutlich darauf zurücknungsgase
liegt dieser Wert etwa bei 250 cm3 je Nm3/h zuführen, daß der beim Zerfall entstehende Kohlen-Verbrennungsgas,
stoff sich in statu nascendi an den im Gemisch vor-
Infolge der kleinen Oberfläche der Brennkammer 25 handenen Sauerstoff anlagert. Es entstehen also nur
und ihres Wärmeschutzes sowie auch gegebenenfalls gasförmige Spaltprodukte, die in der Brennkammer
durch die bauliche Vereinigung der Brennkammer mit die erforderliche höhere Reaktionstemperatur und
dem Ofenraum sind die Wärmeverluste so gering, daß einen entsprechenden rußfreien Gleichgewichtszustand
die Verbrennungsgase die erwähnte hohe Reaktions- des Verbrennungsgemisches ergeben,
temperatur annehmen. Das in den Behandlungsraum 30 In F i g, 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eintretende Verbrennüngsgasgemisch hat also eine die des erfindüngsgemäßen Verfahrens schematisch und Temperatur der Werkstücke übersteigende Temperatur im Schnitt dargestellt. An einen durch übliche Stfähl- und kann auch zur Beheizung des Behandlungsgutes rohre 2 beheizten Ofenraum eines Blankglüh- oder wirtschaftlich ausgenutzt werden. Das Verbrennungs- Hartlötofens 1 ist ein Kühltunnel 5 mit einem Kühlgasgemisch befindet sich dabei in einem Gleich- 35 Wassermantel 6 angeschlossen. Zur Förderung der zu gewichtszustand, in dem der Kohlenstoffgehalt der behandelnden Werkstücke durch den Ofen 1 und den Werkstückoberflächen ausschließlich durch den Zerfall Kühltunnel 5 dient ein strichliert gezeichnetes, hitzedes bei hohen Temperaturen beständigeren Kohlen- festes, metallisches Förderband 4, das über zwei Laufmonoxyds entsprechend der Boudouardschen Re- rollen 8 und 9 geführt ist.
aktion 40 Zum Erzeugen der als Ofenatmosphäre dienenden
temperatur annehmen. Das in den Behandlungsraum 30 In F i g, 1 ist eine Vorrichtung zur Durchführung eintretende Verbrennüngsgasgemisch hat also eine die des erfindüngsgemäßen Verfahrens schematisch und Temperatur der Werkstücke übersteigende Temperatur im Schnitt dargestellt. An einen durch übliche Stfähl- und kann auch zur Beheizung des Behandlungsgutes rohre 2 beheizten Ofenraum eines Blankglüh- oder wirtschaftlich ausgenutzt werden. Das Verbrennungs- Hartlötofens 1 ist ein Kühltunnel 5 mit einem Kühlgasgemisch befindet sich dabei in einem Gleich- 35 Wassermantel 6 angeschlossen. Zur Förderung der zu gewichtszustand, in dem der Kohlenstoffgehalt der behandelnden Werkstücke durch den Ofen 1 und den Werkstückoberflächen ausschließlich durch den Zerfall Kühltunnel 5 dient ein strichliert gezeichnetes, hitzedes bei hohen Temperaturen beständigeren Kohlen- festes, metallisches Förderband 4, das über zwei Laufmonoxyds entsprechend der Boudouardschen Re- rollen 8 und 9 geführt ist.
aktion 40 Zum Erzeugen der als Ofenatmosphäre dienenden
2 CO ■ CO2 + C Verbrennungsgase ist in F i g. 1 an der Unterseite
des Ofens 1 eine Brennkammer 10 mit einem relativ
beeinflußt wird. Wegen des bei höher Reaktions- zum Ofenraum kleinen Inhalt angeordnet, die feuer-
temperatur erreichten Gleichgewichtszustandes kann feste und vorzugsweise katalytisch wirkende Füll-
die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre durch 45 körper enthält und durch eine in der Sohle 11 des
Messung eines einzigen Verbrennungsgasbestandteils Ofens vorgesehene Öffnung 12 in den Ofenraum
ermittelt werden, und zwar auf besonders einfache mündet. Die Öffnung 12 kann auch durch eine nicht
Weise durch Bestimmung des Feuchtigkeitsgehaltes, dargestellte Rohrleitung mit der Brennkammer 10
also durch Taupunktmessung. Die Bestimmung der verbunden sein.
Zusammensetzung der Ofenatmosphäre erlaubt dann 50 Der Brennkammer, deren Wandungen aus einem
eindeutig Rückschlüsse auf die Kohlungswirkung. hochwertigen feuerfesten und wärmedämmenden Werk-Eine
in der beschriebenen Weise zum Blankglühen stoff bestehen, wird bei Anwendung gasförmiger Koh-
und oxydationsfreien Abkühlen hergestellte Ofen- lenwasserstöffe als Brennstoff ein Gas-Luft-Gemisch
atmosphäre enthält mehr Wasserdampf, als nach der zugeführt, das in einem nicht dargestellten Förderherrschenden
Ansicht über die Wirkung reaktions- 55 gebläse gemischt wird. Bei Anwendung flüssiger Kohfähiger
Gasgemische auf Stahl zulässig ist. Offenbar lenwasserstöffe wird der Brennstoff über eine Düse 14
wird die Oxydation aber während der Abkühlung in feinverteilter Form der in einer Leitung 15 strömendurch
den infolge der Brennstoffzusammensetzung vor- den, vorzugsweise vorerwärmten Luft zugeführt und
handenen hohen Kohlenmonoxydgehalt der Verbren- in der Mischstrecke 16 ein Brennstoffdampf-Luft-Genungsgase
vermieden, wobei wahrscheinlich Wasser- 60 misch hergestellt, bei dessen Verbrennung die Ofendampf
mit Kohlenmonoxyd örtlich unter der kataly- atmosphäre mit den beschriebenen Eigenschaften
tischen Einwirkung der Werkstückoberfläche bis zu entsteht.
einem der Temperatur entsprechenden Gleichgewichts- Bei dem in F i g. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel
zustand reagiert, bei dem die Gase dann entsprechend einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsden
bekannten Werten eine reduzierende Wirkung 65 gemäßen Verfahrens sind einander entsprechende Teile
haben. mit den gleichen Bezugszeichen wie in F i g. 1 beWenn die Wärmebehandlung der Werkstücke bei zeichnet. Abweichend von F i g. 1 ist in F i g. 2
besonders hohen Temperaturen stattfinden und ein die Brennkammer 10 und ein Vorwärmer 17 für die
Vorerwärmung des Brennstoff-Luft-Gemisches innerhalb des Ofens 1 angeordnet. Aus dem Vorwärmer 17
gelangt das Brennstoff-Luft-Gemisch in die Brennkammer 10 und von da in den die zu behandelnden
Werkstücke enthaltenden Ofenraum. Der Strömungsquerschnitt des Vorwärmers ist so bemessen, daß die
Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches größer als seine Brenngeschwindigkeit ist.
In der nachstehenden Tabelle sind mehrere Anwendungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens mit
verschiedenen Kohlenwasserstoffen als Brennstoff angegeben.
Anwendungsbeispiele
| Brennstoff | Luftmangel (Luftzugabe im Verhältnis zur Luftmenge bei voll |
Theoretische Verbrennungs temperatur |
(bei | Zusammensetzung der Verbrennungsgase HOO0C im Gleichgewicht), o/. |
H2O | H2 | N2 | Erforderliche Vorwär | Brennstoff | |
| Art der Wärme behandlung |
kommenem | 4,15 | 8,1 | 63,25 | mung um 1100° C theore tische Verbrennungs temperatur zu erreichen °C |
gemisch- vorwärmung |
||||
| Ausbrand) | 0C | CO2 | CO | Luftvor | keine | |||||
| Benzol | 0,55 | 1620 | 5,0 | 19,5 | wärmung | |||||
| dampf | 6,9 | 13,0 | 59,6 | keine | ||||||
| C6H6 | keine | |||||||||
| Blankglühen | leichtes | 0,52 | 1300 | 4,3 | 16,2 | 7,0 | 18,3 | 55,7 | ||
| und oxyda | Heizöl | keine | keine | |||||||
| tionsfreies | Propan | 0,46 | 1230 | 3,0 | 16,0 | 7,7 | 25,5 | 50,2 | ||
| Abkühlen | C3H8 | keine | 160 | |||||||
| von Stahl | Methan | 0,4 | 975 | 2,1 | 14,5 | Spuren | 14,75 | 55,75 | ||
| CH4 | 220 | keine | ||||||||
| Benzol | 0,4 | 1180 | Spuren | 29,5 | ||||||
| Aufkohlen | dampf | Spuren | 31,6 | 44,7 | keine | |||||
| oder entkoh- | C6H6 | 590 | ||||||||
| lungsfreies < | Propan | 0,3 | 600 | Spuren | 23,7 | |||||
| Glühen | C3H8 | 890 | ||||||||
| von Stahl | ||||||||||
Claims (7)
1. Verfahren zur Erzielung einer Ofenatmosphäre, mit der eine oxydationsfreie Wärmebehandlung
von Werkstücken aus Stahl unter gleichzeitiger Beeinflussung des Kohlenstoffgehalts durchführbar
ist, durch Verbrenunng eines fließfähigen Brennstoffes unter Luftmangel in einer Brennkammer
und unmittelbare Einführung des Verbrennungsgasgemisches, dessen Komponenten im chemischen
Gleichgewicht sind, in einen die Werkstoffe enthaltenden Ofenraum, dadurch gekennzeichnet,
daß als Brennstoffe Kohlenwasserstoffe ohne äußere Wärmezufuhr während der Verbrennung zu dem im chemischen Gleichgewicht
befindlichen Verbrennungsgasgemisch verbrannt werden, das durch die Verbrennung eine Temperatur
oberhalb der Werkstücktemperatur annimmt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Brennstoff-Luft-Gemisch in an
sich bekannter Weise über einen Vorwärmer in die Brennkammer eingeleitet wird.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrrens nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß für die Verbrennung des Brennstoffes eine gegen Wärmeverluste geschützte Brennkammer
(10) vorgesehen ist, die in unmittelbarer Nachbarschaft des Ofenraums (1) angeordnet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (10) innerhalb des
Ofenraumes (1) angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (10) katalytisch
wirkende Füllkörper enthält.
6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Vorwärmer (17) innerhalb des Ofenraumes (1) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer
(10) einen Rauminhalt zwischen etwa 125 und 250 cm3 je Nm3/h Verbrennungsgas
besitzt.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
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