DE3827267A1 - Begasungseinrichtung fuer waermebehandlungsanlagen mit schutz- oder reaktionsgasbetrieb - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Begasung von Wärmebehandlungsanlagen mit Schutz- oder Reaktionsgasbetrieb, insbesondere bei der thermischen und thermochemischen Bearbeitung von metallischen Werkstücken unter Zufuhr von Schutz- oder Reaktionsgas.

Für das Glühen, Anlassen, Aufkohlen, Nitrieren, Carbonitrieren und andere Wärmebehandlungsmethoden für Werkstücke aus Eisen- und Nichteisenmetallen ist neben der Temperaturführung die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre von entscheidender Bedeutung.

Heute werden für derartige Gasbehandlungsverfahren Chargenöfen und kontinuierliche Anlagen verwendet, die in der Regel als Muffelöfen ausgeführt sind. Häufig kommen dabei Muffelöfen mit offener Beschickung zum Einsatz. Sie können zum Beispiel als Schüttelherdöfen, Banddurchlauföfen oder Rollenherdöfen ausgeführt sein.

Kritisch ist bei diesen Wärmebehandlungsanlagen die Erzeugung und Aufrechterhaltung der erforderlichen Arbeitsatmosphäre im Ofeninnenraum.

Konventionell werden bei Durchlaufanlagen Schutzgase, Trägergase oder Reaktionsgase an der der Beschickung entgegengesetzten Seite der Muffel, durch ein oder mehrere in die Muffelwand eingelassene Zuleitungsrohre oder -düsen in den Ofenraum geblasen.

Bei herkömmlicher Ofenbegasung müssen verschiedene technische und wirtschaftliche Nachteile in Kauf genommen werden:

• a) Die Strömungsverhältnisse sind bei dieser Art der Begasung ungünstig.
• Fremdatmosphäre (Raumluft) kann bei offener Beschickung nur dann zuverlässig ausgeschlossen werden, wenn im Warmbereich des Muffelofens hoher Gasdurchsatz aufrechterhalten wird. Hoher Gasverbrauch und damit Kostennachteile sind die Folge.
• b) Beim Eindüsen der erforderlichen großen Durchsatzmengen von kalten Gasen oder Gasgemischen kühlt das Behandlungsgut im Muffelofen erheblich ab.
• Dadurch werden die Energiekosten erhöht.
• c) Beim konventionellen Gastransport, auch bei geregelt gemischten Gasen, kommt es in den Zuleitungen zu Entmischungsvorgängen, die sich negativ auf die Werkstück­ qualität auswirken kann.
• d) Wenn mit Endogas/CO/H² gearbeitet wird, muß zunächst mittels eines Generators in einem katalytischen Hochtemperatur­ prozeß das Gas aufbereitet werden. Das Endogas wird dann zur Vermeidung von Rückreaktionen in besonderen Kühl­ einrichtungen abgeschreckt, gegebenenfalls getrocknet und kann erst dann allein oder gemischt mit weiteren Gasen in den Ofen eingeleitet werden. Dabei sind neben dem apparativen Aufwand auch die Energiekosten zu berücksichtigen.
• e) konventionelle Gaszuleitungen durch die Muffelwand sind wenig wartungsfreundlich und machen die Anlage unflexibel. Im Betriebszustand des Ofens ist ein Austausch der fest installierten Gaszuführrohre oder -düsen kaum möglich. Dies erschwert unter anderem die Umstellung des Ofens auf neue Gaszusammensetzungen, die bei kleinen Losgrößen häufig erforderlich sind.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Begasungseinrichtung zur Verfügung zu stellen, die auf einfache Weise bei Kälteeinleitung ohne unerwünschte Abkühleffekte bei geringem Gasverbrauch die gewünschte synthetische Ofenatmosphäre sicherstellt,
Gasgemische mit optimaler Durchmischung in den Ofenraum bringt,
die Gasaufbereitung vereinfacht oder unnötig macht, leicht zu installieren und zu warten ist und problemlos auf verschiedene Schutz- oder Reaktions­ arten, Drücke und Durchsatzmengen eingestellt werden kann.

Überraschenderweise wurde gefunden, daß mit Hilfe der Begasungseinrichtung nach Ansprüchen 1-11 und dem Verfahren nach Anspruch 12 dieses Gesamtziel erreicht werden kann.

Die erfindungsgemäße Begasungseinrichtung zeichnet sich vor allem dadurch aus, daß sie mit einer oder mehreren teilweise als Doppelrohrsystem ausgebildeten Gaseinleitungslanze(n) ausgerüstet ist, die mit über ihre Gesamtlänge verteilten Gasdurchtrittsbohrungen versehen ist (sind).

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die erfindungsgemäße Begasungsvorrichtung an einer Schüttelherdanlage in schematischer Aufsicht, wobei zwei Begasungslanzen (1) parallel zur Schüttel­ herdplatte (16) für das Behandlungsgut in der Nähe der Muffelwand (4) angebracht sind und über die ganze Länge des Muffelinnenraumes (3) reichen.

Fig. 2 zeigt den schematischen Längsschnitt einer Begasungslanze (1) in koaxialer Doppelrohrausführung mit integrierter Verwirbelzone (9) im Bereich des Innenrohres (10) und getrennten Zuleitungen (8) für verschiedene Gase.

Fig. 1 ist die schematische Darstellung einer erfindungs­ gemäßen Begasungseinrichtung mit in Reihe angeordneten Gasaustrittsbohrungen (2) der Begasungslanze (1) Fig. 1, Zuleitung (11) Mischstation (5) und konventioneller Begasungsstation (15) mit an sich bekannten Meß- und Regel­ geräten für das jeweilige Gas oder Gasgemisch.

Fig. 1 zeigt eine Mischstation (5) zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Begasungseinrichtung in schematischer Längsschnitt-Darstellung mit rohrförmigen Gehäuse (6) und Lamellen (7).

Die in Fig. 1 gezeigte Begasungseinrichtung ermöglicht beim Betrieb mit beliebigen Gasen (Endogas, Stickstoff/ Methanol, Erdgas/Luft usw.) die direkte Kaltgas-Einleitung ohne daß ein Kaltblasen des Behandlungsguts erfolgt. Durch die besondere Anordnung und Ausführung der erfindungsgemäßen Begasungslanze (1) Fig. 1 wird eine sehr gleichmäßige Temperatur- und Gasverteilung im Wärmebehandlungsbereich erzielt.

Lokale Abkühlungen treten nicht auf.

Ebenso wie für Durchlaufanlagen läßt sich die erfindungs­ gemäße Begasunseinrichtung (1) Fig. 2 auch für geschlossene Wärmebehandlungsanlagen mit Gasumwälzung einsetzen.

Beim Betrieb der erfindungsgemäßen Begasungseinrichtung (1) Fig. 1 mit oxidierbaren Gasen in Kombination mit einem Sauerstoff­ träger wird ein zusätzlicher Heizeffekt beobachtet.

Er mag auf einen Zündvorgang des Gasgemischs am Rand der Gasaustrittsbohrungen (2) zurückgehen. Daß bei üblichen Ofentemperaturen 750°C bis 900° im Bereich der Gasdurch­ trittsbohrungen (2) bei geeigneter Gasmischung in der Tat chemische Umsetzungen wahrscheinlich sind, zeigt folgende überraschende Beobachtung:

Mit der erfindungsgemäßen Begasungsanlage ist es möglich, ohne vorgeschaltete katalytische Erzeugung von Endogas bereits bei direkter Einleitung von Erdgas/Luft-Gemischen z. B. beim Schutzgashärten Ergebnisse zu erhalten, wie sie sonst nur mit Endogas erzielt werden.

Der Erfolg ist abhängig von:
Druck und Strömungsgeschwindigkeit der einzelnen Gase Durchmesser und Abstand der Gasdurchtrittsbohrungen (2) Fig. 1 Zündtemperatur an den Gasdurchtrittsbohrungen (gemessen bei einer Ofentemperatur von 880°C weit über 1200°C.) Als Spaltkatalysator wirkt das Begasungsrohr aus hitzebeständigem Stahl bis 1200°C. mit mindestens 20% Nickelgehalt, bevorzugt 1.4841.
Gaszusammensetzung Ergas-Luft.

Optimale Bedingungen für die jeweilige thermochemische Behandlung können leicht durch Wahl einer Begasungslanze (1) mit Gasdurchtrittsbohrungen (2) geeigneter Größe und Anordnung und deren einfache Montage und Demontage erreicht werden. Die Begasungslanzen (1) können in einfacher Weise an die jeweiligen Gasleitungen (11) über Flanschverbindungen (14) angeschlossen werden.

Bei Durchlauföfen wird durch die gleichmäßige Verteilung des einströmenden Gases bevorzugt über die Gesamtlänge des Muffelinnenraumes (3) wie in Fig. 1 gezeigt, die eingesetzte Gasmenge gegenüber der konventionellen Einleitung auf ca. ein Drittel gesenkt werden.

Die erfindungsgemäße Begasungseinrichtung kann bei einem Minimaldruck von ungefähr 0,2 bar betrieben werden, wenn Endogas oder Erdgas verwendet wird. Die übrigen Gase werden zweckmäßig mit etwas höherem Druck über eine Mischstation (5) eingeleitet.

Gegenüber den Drücken die bei konventioneller Gaszuführung erforderlich sind und die zwischen 0,5 bar und 10 bar liegen, erlaubt die Erfindung einen erheblich geringeren Aufwand hinsichtlich der Drucksicherheit der Zuleitung und der Druckerzeugung.

Eine erfindungsgemäße Begasungslanze (1) in Doppelrohr­ ausführung, die insbesondere für die Direkteinleitung von kaltem Propan, Erdgas, Methanol o. ä. als Co-Träger (Innenrohr 10) in Kombination mit Luft, Stickstoff oder anderen Gasen (Außenrohr 8) geeignet ist, wird in Fig. 2 dargestellt.

Das Innenrohr (10) derartiger erfindungsgemäßer Begasungs­ lanzen (1) wird zweckmäßig aus hitzebeständigem Stahl, mit mind. 20% Nickelgehalt, gefertigt.

Das Innenrohr (10) kann entweder fest oder austauschbar montiert werden und weist in einer bevorzugten Ausführungsform eine gelochte Verwirbelzone (9) auf.

Zweckmäßig reicht das Innenrohr (10) über ¹/₃ bis ⁹/₁₀ der Länge des Außenrohres. Sein Außendurchmesser beträgt üblicher­ weise ¹/₃ bis ³/₄ des Innendurchmessers des Außenrohres (8). Die Wandstärke des Innenrohres (10) kann wesentlich geringer sein als die des Außenrohres (8).

Die Verwirbelzone (9) wird zweckmäßig so angeordnet, daß sie im Betriebszustand der Begasungslanze (1) Fig. 2 zumindest im Warmbereich liegt. Die Durchmischung wird durch eng aneinander liegende Lochungen im Innenrohrmantel bewirkt, deren Durch­ messer entsprechend den Strömungsverhältnissen gewählt wird.

Die in Fig. 2 gezeigte Begasungslanze (1) ist eine Ausführungs­ form für eine geschlossene Wärmebehandlungsanlage mit Gas­ umwälzung. Die Gaszuleitung ins Außenrohr (8) der Begasungslanze (1) erfolgt über eine Flanschverbindung (14).

Zusätzlich zur Verwirbelzone (9) im Innenrohr (10) einer erfindungsgemäßen Begasungslanze (1) oder anstelle dieser integrierten Verwirbelzone (9) etwa bei Begasungslanzen (1) ohne Innenrohr (10) kann in der erfindungsgemäßen Begasungs­ anlage eine Mischstation (5) vorgesehen sein, die zwischen Begasungsstation (15) und Begasungslanze (1) angeordnet ist. Diese, in Fig. 1 beispielhaft gezeigte Mischstation (5) ist für die erfindungsgemäße Begasungsanlage zweckmäßig so ausgestaltet, daß in einem rohr- oder quaderförmigen Gehäuse (6) Lamellen (7) angebracht sind, die zweckmäßig in Strömungsrichtung des Gases oder Gasgemischs geneigt sind und bei rohrförmigen Gehäusen jeweils die Form eines Kegelstumpfmantels haben.

Vorteilhaft ist eine schneckenförmige Anordnung der Lamellen (7).

Gehäuse (6) und Lamellen bestehen vorzugsweise aus ein und demselben Material, nämlich St. 37/2. Der Neigungswinkel der Lamellen zur Strömungsrichtung liegt zwischen 60° und 65°, bevorzugt 63°. Diese Mischstation (5) ist hocheffizient und läßt sich leicht herstellen und montieren.

Neben der erheblichen Gas- und Energieeinsparung und der Möglichkeit, Erdgas/Luft-Gemische ohne katalytische Aufbereitung einzusetzen, liegt der Vorteil der erfindungsgemäßen Begasungs­ anlage in der Ausführung mit Mischstation (5) und Begasungslanze (1) wiederum in der Möglichkeit, die gesamte Begasungs­ einrichtung sehr einfach für sich ändernde Produktionsaufträge umzurüsten. Ebenso wie die Begasungslanze (1) läßt sich die Mischstation (5) bezüglich Abmessungen, Material usw. an die verschiedenen chemischen und mengenmäßigen Änderungen beim Schutz- oder Reaktionsgas anpassen.

Claims (11)

1. Begasungseinrichtung für Wärmebehandlungsanlagen, insbesondere für die thermische und thermochemische Behandlung metallischer Werkstücke, enthaltend zwei in die Ofenmuffel hineinreichende Gaseinleitungsrohre, die gegebenenfalls über eine Mischstation mit einer Begasungsstation in Verbindung stehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaseinleitungsrohre als Begasungslanzen (1) Fig. 1 mit über die Lanzenlänge verteilten Gasdurchtrittsbohrungen (2) ausgebildet sind.

2. Begasungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Begasungslanze (1) Fig. 2 als koaxiales Doppelrohrsystem aus Außenrohr (8) und Innenrohr (10) ausgebildet ist.

3. Begasungseinrichtung nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasdurchtrittsbohrungen (2) einen Durchmesser von 4 mm bis 6 mm, bevorzugt 5 mm haben.

4. Begasungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsbohrungen (2) gleichmäßige Abstände voneinander haben.

5. Begasungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß 20 bis 25 Gasdurchtrittsbohrungen (2), vorzugsweise 24 bis 25 pro m Länge der Begasungslanze (1) vorhanden sind.

6. Begasungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsbohrungen (2) in einer Reihe angeordnet sind.

7. Begasungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasaustrittsbohrungen (4) im Innenrohr (10) der Begasungslanze (1) Fig. 2 gegeneinander versetzt angeordnet sind.

8. Begasungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gasführungslanzen (1) Fig. 1, Fig. 2 aus einem bis wenigstens 1200°C. hitzebeständigem Material, bevorzugt hitzebeständiger Stahl mit mindestens 20% Nickel, besonders bevorzugt 1.4841 besteht.

9. Begasungseinrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführungslanzen (1) Fig. 1 mit einer Mischstation (5) verbunden ist, die aus einem, vorzugsweise rohrförmigen, Gehäuse (6) besteht, in dessen Innenraum, zweckmäßig in Strömungsrichtung des Gases geneigte Lamellen (7) ragen.

10. Begasungseinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lamellen (7) ein Schneckensystem bilden.

11. Begasungseinrichtung nach Ansprüchen 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischstation (5) eine Wandstärke von 2 mm bis 4 mm, bevorzugt 3 mm hat und aus St/Stahl, bevorzugt St 37/2 besteht, wobei die Lamellen (7) eine Dicke von 8 mm bis 10 mm, bevorzugt 8 mm und eine Länge von mindestens 200 mm, bevorzugt 250 mm aufweisen und in Strömungsrichtung um 60° bis 65°, bevorzugt 63° geneigt sind.