EP2218803A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Aufkohlung von Stahl - Google Patents

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EP2218803A1
EP2218803A1 EP09003980A EP09003980A EP2218803A1 EP 2218803 A1 EP2218803 A1 EP 2218803A1 EP 09003980 A EP09003980 A EP 09003980A EP 09003980 A EP09003980 A EP 09003980A EP 2218803 A1 EP2218803 A1 EP 2218803A1
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EP
European Patent Office
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solvent
gas
carburizing
reservoir
chamber
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09003980A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Christoph Laumen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Linde GmbH
Original Assignee
Linde GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by Linde GmbH filed Critical Linde GmbH
Publication of EP2218803A1 publication Critical patent/EP2218803A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08—Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/20—Carburising
    • C23C8/22—Carburising of ferrous surfaces

Definitions

  • the present invention relates to a device for carburizing steel with a carburization chamber, which is connected via a feed line to a reservoir for dissolved in a solvent carbon dioxide gas and for operation with a pressure inside the carburization chamber, which is less than the atmospheric pressure, in particular a pressure in the range of 1 to 100 mbar.
  • the invention further relates to a method for carburizing steel in which the steel to be carburized, in particular steel workpieces or semi-finished steel products, are introduced into a carburizing chamber and charged with a carbonizing gas which is removed from a reservoir for liquefied gas dissolved in a solvent and fed to the carburizing chamber, wherein for the interior of the carburizing chamber, a pressure which is less than the atmospheric pressure, in particular in the range of 1 to 100 mbar is adjusted.
  • the short-chain hydrocarbons conventionally used for this purpose as coal gas include, in particular, acetylene (ethyne, empirical formula C 2 H 2 ), ethene (C 2 H 4 ), propane (C 3 H 8 ) and vinyl acetylene (C 4 H 4 ).
  • the acetylene has proven to be particularly advantageous for the heat treatment and hardening of steel by carburization described herein. For example, it has the highest carbon availability and shows almost no soot formation.
  • acetylene For safety reasons and to make better use of the volume of a reservoir for coal gas, for example for acetylene, this is present dissolved in a solvent in the reservoir.
  • the solvent used is usually acetone, more recently also dimethylformamide (C 3 H 6 O) or C 3 H 7 NO.
  • This solvent is discharged in the removal of the acetylene from the reservoir, usually from a bottle or from a bundle of cylinders, according to its temperature-dependent vapor pressure, whereby the carbon dioxide gas is present in the conduit leaving the reservoir.
  • the vapor pressure of the pure acetone is 86.1 mbar for a temperature of 0 ° C. and 291.4 mbar for a temperature of 25 ° C. (cf. FIG. 1 ).
  • the volume fraction of the enlisted in the carburizing acetone assuming it would be an ideal gas, at 0.5 to 1.8 vol .-%.
  • the acetylene dissolved in the acetone does not appear to have a significant influence on the vapor pressure of the acetone, so that the vapor pressure of the pure acetone can be used for this consideration.
  • the values are analogous to the vapor pressure curve for dimethylformamide, which at 4.9 mbar at 25 ° C is well below the vapor pressure of acetone, which also significantly lower solvent content in Percent by volume in the acetylene removed from the reservoir.
  • dimethylformamide as a solvent.
  • the introduced solvent for example, has a decisive influence on the pyrolysis behavior of acetylene in the carburization chamber.
  • One of the reasons for this influence may be found in the oxygen contained in the solvent.
  • the oxygen causes the formation of oxygen-containing radicals, which can lead to an acceleration of pyrolysis by additionally possible reaction paths and also promote the formation of undesirable by-products, which may prove to be detrimental to the intended carburization.
  • the object of the present invention is to provide a device which is improved in terms of quality, efficiency and / or cost-effectiveness and a correspondingly improved method for carburizing steel.
  • a device of the type mentioned above wherein means for separating the solvent from the carbonizing gas is interposed in the feed line between the carburizing chamber and the reservoir. It can be provided as a reservoir, a bottle or a bottle bundle or in rare cases, a tank.
  • the carbon gas used is preferably the short-chain hydrocarbons mentioned above, of which the acetylene (ethyne, C 2 H 2 ) has proven to be particularly advantageous.
  • the carburizing device is connected to a vacuum pump, which lowers the pressure to the desired value.
  • the pressure may also be e.g. be achieved by integration of the carburizing chamber in a treatment area in which there is already a sufficiently low pressure.
  • a temperature in the range of 900 to 1050 ° C is set.
  • the temperature may, for example, be brought to the desired value by a heater operatively connected to the carburizing chamber, or the carburizing device is in an already hot region and / or the steel to be treated is still hot introduced into the carburizing chamber, the temperature level e.g. only has to be held, for which under certain circumstances, a thermal insulation of the carburizing chamber may be sufficient and can be dispensed with a heater in such a case.
  • the aim of the present invention is to reduce the solvent content in the carbon gas by the means for separation, preferably to provide an approximately pure carbon gas for entry into the carburization chamber.
  • it is not possible or economical and in view of the demand amount of coal gas for the operation of a typical device for carburization, which is, for example, between 100 and 3000 liters of carbon gas per hour of operation, it makes no sense to use pure carbon gas in the reservoir .
  • acetylene as a carbonizing gas
  • the problem can be clarified: a 40-liter bottle can hold only 1.2 kg of pure acetylene.
  • 8 kg of acetylene dissolved in acetone are at the same capacity of the bottle.
  • the provision of the o.g. Required quantity would thus be enormously difficult due to the use of pure acetylene and is not practicable from an economic point of view.
  • the device for separating has a collecting container and / or a discharge and / or an evaporator for separated solvent or is at least connected to it.
  • a cryogenic condensation device is provided.
  • This preferably has a heat exchanger whose cold side is connected to a reservoir for a cryogenic refrigerant, e.g. with a storage tank for liquid nitrogen, is connected.
  • the cryogenic refrigerant extracts heat via the heat exchanger, which can be operated in cocurrent or countercurrent, to the carbon gas withdrawn from the reservoir, whereby the solvent fraction condenses and thereby separates.
  • a device is also referred to as a condensation trap.
  • the cryogenic refrigerant and the carbonizing gas from the reservoir preferably undergo indirect heat exchange so that the cryogenic refrigerant can not be contaminated and therefore without further limitations, e.g. as purge gas for the carburizing, is available.
  • a mechanical condensation device is provided as a means for separating solvent and coal gas.
  • a suitable mechanical condensing device usually comprises a refrigerating machine with compressor and corresponds in the operation of a conventional refrigeration unit as it is e.g. found in refrigerators.
  • a filter in particular an adsorption filter, is provided as a device for separating solvent and carbon gas.
  • a filter which ideally adsorbs the solvent and allows the carbonization gas to pass may be provided instead of a condensing means or may be used to particular advantage in addition to such.
  • the method the object is achieved by a method of the type mentioned above, wherein the coal gas supplied after removal from the reservoir via a line of a device for separating the solvent from the coal gas and there the solvent is separated from the coal gas and the purified carbon gas of the Carburizing chamber is supplied via a line.
  • the separated by the means for separating solvent from the carbon gas solvent is fed to a collecting container and / or a discharge and / or an evaporator.
  • the solvent is separated in the device for the separation of solvent and carbon gas by condensation.
  • a mechanical condensation device or with particular advantage in terms of their deposition rate, a cryogenic condensation device can be used.
  • the mixture of solvent and carbon dioxide is filtered in the device for the separation of solvent and coal gas. This can be done instead of or in addition to a condensation.
  • solvents or solvent residues are retained by a filter which is passed by purified carbon dioxide.
  • an adsorption filter is preferably used.
  • the carburizing is carried out at carburizing intervals which are interrupted by diffusion intervals in which no carbonizing gas is supplied to the carburizing chamber but time is given for the diffusion of the atomic carbon. This procedure is used u.a. the avoidance of excessive carbon margin. Coal gas is supplied during the carburizing intervals.
  • carburizing intervals of short duration are preferably used.
  • An essential advantage of the present invention is the fact that the purified according to the invention carbonizing gas over a conventional Coal gas has increased carburizing action and reduced soot formation during carburization. For example, a 3 to 10% increase in the carburizing effect and a 24 to 44% reduction in soot formation could be determined in tests.
  • the invention offers a whole series of further advantages, of which only a few are mentioned below: There are possibilities for considerable cost savings due to less soot formation and consequent reduction of the cleaning effort and by an increase in productivity by reducing production losses. Moreover, the invention virtually eliminates the influence of ambient temperature, which affects the vapor pressure of the solvent upon removal from the reservoir, on the quality of the carburizing process. The contamination of the carbon gas introduced into the carburization chamber with solvent can be minimized or at best completely avoided by the invention. It is thus achieved a consistently good heat treatment result, whose implementation is traceable and adjustable.
  • the FIG. 1 is intended as an explanation of the underlying and already described in detail laws.
  • the temperature T in ° C is plotted on the x-axis and the vapor pressure p D of pure acetone in mbar is plotted on the y-axis.
  • the FIG. 2 shows in detail a reservoir 1, which is connected via a line 2 with a condensation device 3.
  • the condensation device 3 has a collecting container 4 for the condensed solvent.
  • About the line 5 is the cleaned carbon gas supplied to a carburizing 6, which receives the carburizing steel.
  • FIG. 3 also shows the already in the description of the FIG. 2 mentioned elements with the exception of a differently designed condensation device 3, which is designed here as a cryogenic condensation device 3 and therefore connected to a storage tank 7 for a cryogenic refrigerant, such as liquid nitrogen, via a line 8.
  • the cryogenic refrigerant extracts heat in the condenser 3 via a heat exchanger (not shown) from the mixture of carbon dioxide gas and solvent introduced from the line 2 into the condenser 3, so that at least a part, but preferably (approximately) the total content of solvent condenses and condenses a collecting container 4 is collected.
  • the collecting container 4 is connected in this example with a discharge line 9, can be withdrawn via the condensed solvent from the collecting container 4.
  • the purified, preferably solvent-free (almost) completely freed, coal gas is fed via a line 5 to a carburizing chamber 6.
  • the carburizing chamber 6 receives the steel to be carburized and has a heating device or is in operative connection with a heating device (not shown), so that, for example, a temperature of 950 ° C. is achieved in the interior of the carburizing chamber 6.
  • cryogenic refrigerant is withdrawn via line 10 from the condensing device 3 and a further use, for example as Intertubensgas supplied.
  • Carburization is one of the heat treatment processes, with the right temperature range having a major impact on the ongoing reactions, with pyrolytic reactions having a key role in carburization.
  • the success of hardening of the steel by a carburizing process depends largely on the prevailing temperature, the carbonizing gas used and its purity, e.g. Solvent-free, from.
  • the carburizing process is usually operated in a batch process. Often the already described alternation comes from a carburization followed by a diffusion phase, again followed by a carburization phase and so on Commitment. Once a steel has been placed in the carburizing chamber, it undergoes a so-called multi-stage carburizing process before it is completely hardened and removed again from the carburizing chamber.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufkohlung von Stahl mit einer Aufkohlungskammer, die über eine Zuleitung mit einem Reservoir für in einem Lösungsmittel gelöstes Kohlungsgas verbunden ist und für einen Betrieb mit einem Druck im Inneren der Aufkohlungskammer, der kleiner ist als der Atmosphärendruck, insbesondere mit einem Druck aus dem Bereich von 1 bis 100 mbar ausgelegt ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Separation des Lösungsmittels von dem Kohlungsgas in der Zuleitung zwischen Aufkohlungskammer und Reservoir zwischengeschaltet ist. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Aufkohlung von Stahl.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Aufkohlung von Stahl mit einer Aufkohlungskammer, die über eine Zuleitung mit einem Reservoir für in einem Lösungsmittel gelöstes Kohlungsgas verbunden ist und für einen Betrieb mit einem Druck im Inneren der Aufkohlungskammer, der kleiner ist als der Atmosphärendruck, insbesondere mit einem Druck aus dem Bereich von 1 bis 100 mbar. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Aufkohlung von Stahl bei dem der aufzukohlende Stahl, insbesondere Stahlwerkstücke oder Stahlhalbzeuge, in eine Aufkohlungskammer eingebracht und mit einem Kohlungsgas beaufschlagt werden, das aus einem Reservoir für in einem Lösungsmittel gelöstes Kohlungsgas entnommen und der Aufkohlungskammer zugeführt wird, wobei für das Innere der Aufkohlungskammer ein Druck, der kleiner ist als der Atmosphärendruck, insbesondere der im Bereich von 1 bis 100 mbar liegt, eingestellt wird.
  • Bei der Stahlaufkohlung im sog. Niederdruckbereich, also wie eingangs beschrieben mit einem Druck im Inneren der Aufkohlungskammer, der kleiner ist als der Atmosphärendruck, insbesondere mit einem Druck aus dem Bereich von 1 bis 100 mbar, besonders bevorzugt von 1 bis 20 mbar, wird der härtende Einfluss kurzkettiger Kohlenwasserstoffe als Kohlungsgas während einer Wärmebehandlung mit Temperaturen im Bereich von 900 bis 1050 °C auf den Stahl benutzt. Zu den herkömmlich dazu als Kohlungsgas verwendeten kurzkettigen Kohlenwasserstoffen zählen vor allem Acetylen (Ethin, Summenformel C2H2), Ethen (C2H4), Propan (C3H8) und Vinylacetylen (C4H4). Das Acetylen hat sich für die hier beschriebene Wärmebehandlung und Härtung von Stahl durch Aufkohlen als besonders vorteilhaft erwiesen. Es weist z.B. die höchste Kohlenstoffverfügbarkeit auf und zeigt nahezu keine Russbildung.
  • Die bei einer Aufkohlung von Stahl unter Niederdruck-Bedingungen mit kurzkettigen Kohlenwasserstoffen ablaufenden Reaktionen in der Gasphase in der Aufkohlungskammer und auf der Oberfläche des Stahls sind nur zum Teil bekannt und wissenschaftlich noch nicht hinreichend beschrieben. In der Gasphase finden, soweit bekannt, homogen ablaufende Reaktionen der Einsatzgase und der Pyrolysegase statt. An dem aufzukohlenden Stahl sind dagegen heterogen katalysierte Reaktionen beschrieben worden, die mit der eigentlichen Aufkohlung in Zusammenhang gebracht werden. Diese Reaktionen nehmen nach bestehender Lehrmeinung wiederum Einfluss auf die Pyrolysevorgänge in der Gasphase in der Aufkohlungskammer und damit auf die bei der Aufkohlung erzielbare Qualität, da sie z.B. die Entstehung von hochmolekularen Aufbauprodukten durch die aufkohlungsbedingte Freisetzung von Wasserstoff hemmen.
  • Am Beispiel des Acetylens soll nun eine gängige Schwierigkeit erläutert werden: Die Bevorratung des Kohlungsgases in einem Lösungsmittel.
  • Aus Sicherheitsgründen und zur besseren Ausnutzung des Volumens eines Reservoirs für Kohlungsgas, z.B. für Acetylen, liegt dieses in einem Lösungsmittel gelöst im Reservoir vor. Als Lösungsmittel kommt dazu üblicherweise Aceton zum Einsatz, in jüngster Zeit auch vermehrt Dimethylformamid (C3H6O) oder auch C3H7NO. Dieses Lösungsmittel wird bei der Entnahme des Acetylens aus dem Reservoir, in der Regel aus einer Flasche oder aus einem Flaschenbündel, entsprechend seinem temperaturabhängigen Dampfdruck mit ausgetragen, wodurch das Kohlungsgas verunreinigt in der das Reservoir verlassenden Leitung vorliegt.
  • Am Beispiel von in Aceton gelöstem Acetylen im Reservoir lassen sich folgende Betrachtungen anstellen: Der Dampfdruck des reinen Acetons liegt für eine Temperatur von 0°C bei 86,1 mbar und für eine Temperatur von 25 °C bei 291,4 mbar (vgl. Figur 1). Bezogen auf einen üblichen Druck in einer als Reservoir dienenden Flasche von 18,1 bar liegt für dieses Beispiel der Volumenanteil des in die Aufkohlungskammer eingetragenen Acetons, unter der Annahme es würde sich um ein ideales Gas handeln, bei 0,5 bis 1,8 Vol.-%. Das in dem Aceton gelöste Acetylen scheint dabei keinen signifikanten Einfluss auf den Dampfdruck des Acetons zu haben, so dass der Dampfdruck des reinen Acetons für diese Betrachtung herangezogen werden kann.
    Die genannten, auf der Basis der Dampfdruckkurve des reinen Acetons und des idealen Gasgesetzes abgeschätzten Werte für die Acetonvolumenanteile konnten durch Messungen bestätigt werden. Darüber hinaus ist zu beachten, dass bei großen Entnahmeströmen aus dem Reservoir zusätzlich Acetontröpfchen mitgerissen werden können, die den Acetongehalt im entnommenen Acetylen weiter erhöhen.
  • Für ein anderes Beispiel, in dem das Acetylen in Dimethylformamid gelöst vorliegt, ergeben sich die Werte analog aus der Dampfdruckkurve für Dimethylformamid, der mit 4,9 mbar bei 25 °C deutlich unter dem Dampfdruck von Aceton liegt, wodurch sich auch deutlich geringere Lösungsmittelanteile in Volumenprozent im aus dem Reservoir entnommenen Acetylen ergeben. Das grundsätzliche Problem bleibt jedoch auch bei der Verwendung von Dimethylformamid als Lösungsmittel bestehen.
  • Die Reinheit des Kohlungsgases bzw. die Verunreinigung durch mit dem Kohlungsgas eingetragenes Lösungsmittel beeinflusst das Aufkohlungsergebnis. Untersuchungen dazu sind in F. Graf, S. Bajohr, D. Buchholz, R. Reimert, Thermogravimetrische Untersuchungen zur Aufkohlungswirkung verschiedener Kohlenwasserstoffe, Z. Werkst. Wärmebeh. Fertigung 61 (2002), Carl Hanser Verlag, München, veröffentlicht.
  • Das eingetragene Lösungsmittel hat beispielsweise einen entscheidenden Einfluss auf das Pyrolyseverhalten von Acetylen in der Aufkohlungskammer. Einer der Gründe für diesen Einfluss dürfte bei dem in dem Lösungsmittel enthaltenen Sauerstoff zu finden sein. Der Sauerstoff bedingt die Entstehung von sauerstoffhaltigen Radikalen, die zu einer Beschleunigung der Pyrolyse durch zusätzlich mögliche Reaktionspfade führen und auch die Entstehung unerwünschter Nebenprodukte fördern können, die sich unter Umständen als der beabsichtigten Aufkohlung abträglich erweisen.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine hinsichtlich der Qualität, der Effizienz und/oder der Wirtschaftlichkeit verbesserte Vorrichtung sowie ein entsprechend verbessertes Verfahren zur Aufkohlung von Stahl zur Verfügung zu stellen.
  • Die gestellte Aufgabe wird vorrichtungsseitig durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art gelöst, wobei eine Einrichtung zur Separation des Lösungsmittels von dem Kohlungsgas in der Zuleitung zwischen Aufkohlungskammer und Reservoir zwischengeschaltet ist. Dabei kann als Reservoir eine Flasche oder ein Flaschenbündel oder in seltenen Fällen auch ein Tank vorgesehen sein. Als Kohlungsgas kommen bevorzugt die eingangs genannten kurzkettigen Kohlenwasserstoffe zum Einsatz, wobei unter diesen das Acetylen (Ethin, C2H2) sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
  • Die genannten Druckwerte können auf verschiedene Art und Weise erzielt werden. Beispielsweise ist die Vorrichtung zur Aufkohlung mit einer Vakuumpumpe verbunden, die den Druck auf den gewünschten Wert absenkt. Der Druck kann aber auch z.B. durch Integration der Aufkohlungskammer in einen Behandlungsbereich erreicht werden, in dem bereits ein hinreichend niedriger Druck herrscht.
  • Vorzugsweise wird eine Temperatur aus dem Bereich von 900 bis 1050 °C eingestellt. Die Temperatur kann beispielsweise durch eine mit der Aufkohlungskammer in Wirkverbindung stehende Heizeinrichtung auf den gewünschten Wert gebracht werden oder die Vorrichtung zur Aufkohlung befindet sich in einem bereits heißen Bereich und/oder der zu behandelnde Stahl wird noch heiß in die Aufkohlungskammer eingebracht, wobei das Temperaturniveau z.B. lediglich gehalten werden muss, wofür unter Umständen eine Wärmeisolation der Aufkohlungskammer ausreichend sein kann und auf eine Heizeinrichtung in einem solchen Fall verzichtet werden kann.
  • Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, durch die Einrichtung zur Separation den Lösungsmittelanteil im Kohlungsgas zu verringern, bevorzugt ein annähernd reines Kohlungsgas für den Eintrag in die Aufkohlungskammer zur Verfügung zu stellen. Dabei soll angemerkt werden, dass es nicht möglich bzw. wirtschaftlich und im Hinblick auf die Bedarfsmenge an Kohlungsgas für den Betrieb einer typischen Vorrichtung zur Aufkohlung, die beispielsweise zwischen 100 und 3000 Liter Kohlungsgas pro Betriebsstunde liegt, nicht sinnvoll ist reines Kohlungsgas im Reservoir zu verwenden. Am Beispiel Acetylen als Kohlungsgas lässt sich die Problematik verdeutlichen: Eine 40 Liter fassende Flasche kann lediglich 1,2 kg reines Acetylen aufnehmen. Demgegenüber stehen 8 kg in Aceton gelöstem Acetylen bei gleichem Fassungsvermögen der Flasche. Die Bereitstellung der o.g. Bedarfsmenge würde sich somit durch die Verwendung von reinem Acetylen enorm erschweren und ist unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten nicht praktizierbar.
  • Es sei hier nochmal darauf hingewiesen, dass, wie bereits eingangs erwähnt, bei der Entnahme des Kohlungsgases aus dem Reservoir in Abhängigkeit vom seinem Dampfdruck Lösungsmittel verdampft und mit dem Kohlungsgas in die Entnahmeleitung gerät und somit in der Entnahmeleitung ein Gemisch aus Kohlungsgas und Lösungsmittel vorliegt. Ein typischer Lösungsmittelanteil liegt dabei für das Beispiel, bei dem im Reservoir Acetylen in Aceton gelöst vorliegt, bei 0,5 bis 1,8 Vol.-%.
  • Zweckmäßigerweise weist die Einrichtung zur Separation einen Auffangbehälter und/oder eine Ableitung und/oder einen Verdampfer für separiertes Lösungsmittel auf oder ist zumindest damit verbunden. Somit kann ein Sammeln und Abtransportieren des abgetrennten Lösungsmittels ermöglicht werden.
  • Besonders bevorzugt ist als Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas eine kryogene Kondensationseinrichtung vorgesehen. Diese weist bevorzugt einen Wärmetauscher auf, dessen kalte Seite mit einem Vorratsbehälter für ein kryogenes Kältemittel, z.B. mit einem Vorratstank für flüssigen Stickstoff, verbunden ist. Das kryogene Kältemittel entzieht über den Wärmetauscher, der dazu im Gleich- oder im Gegenstrom betrieben werden kann, dem aus dem Reservoir entnommenen Kohlungsgas Wärme, wodurch der Lösungsmittelanteil kondensiert und sich dadurch abscheidet. Eine derartige Einrichtung wird auch als Kondensationsfalle bezeichnet. Das kryogene Kältemittel und das Kohlungsgas aus dem Reservoir treten bevorzugt in indirekten Wärmetausch, so dass das kryogene Kältemittel nicht verunreinigt werden kann und daher ohne Einschränkungen weiteren Verwendungen, z.B. als Spülgas für die Aufkohlungskammer, zur Verfügung steht.
  • Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist als Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas eine mechanische Kondensationseinrichtung vorgesehen. Eine geeignete mechanische Kondensationseinrichtung weist in der Regel eine Kältemaschine mit Kompressor auf und entspricht in der Funktionsweise der eines herkömmlichen Kälteaggregates wie man es z.B. bei Kühlschränken vorfindet.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist als Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas ein Filter, insbesondere ein Adsorptionsfilter, vorgesehen. Ein Filter, der idealerweise das Lösungsmittel adsorbiert und das Kohlungsgas passieren lässt kann anstatt einer Kondensationseinrichtung vorgesehen sein oder auch mit besonderem Vorteil zusätzlich zu einer solchen zum Einsatz kommen.
  • Verfahrensseitig wird die gestellte Aufgabe durch ein Verfahren der eingangs genannten Art gelöst, wobei das Kohlungsgas nach der Entnahme aus dem Reservoir über eine Leitung einer Einrichtung zur Separation des Lösungsmittels von dem Kohlungsgas zugeführt und dort das Lösungsmittel von dem Kohlungsgas separiert wird und das gereinigte Kohlungsgas der Aufkohlungskammer über eine Leitung zugeführt wird.
  • Zweckmäßigerweise wird das durch die Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel vom Kohlungsgas separierte Lösungsmittel einem Auffangbehälter und/oder einer Ableitung und/oder einem Verdampfer zugeführt.
  • Besonders bevorzugt wird das Lösungsmittel in der Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas durch Kondensation separiert. Dabei kann vorteilhaft eine mechanische Kondensationseinrichtung oder mit besonderem Vorteil hinsichtlich ihrer Abscheidungsrate eine kryogene Kondensationseinrichtung eingesetzt werden.
  • Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Gemisch aus Lösungsmittel und Kohlungsgas in der Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas gefiltert. Dabei kann dies anstelle von oder zusätzlich zu einer Kondensation durchgeführt werden. Mit besonderem Vorteil werden also Lösungsmittel bzw. Lösungsmittelreste von einem Filter zurückgehalten, der von gereinigtem Kohlungsgas passiert wird. Bevorzugt wird hierzu ein Adsorptionsfilter eingesetzt.
  • Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Aufkohlung in Aufkohlungsintervallen durchgeführt, die von Diffusionsintervallen unterbrochen werden, in denen kein Kohlungsgas der Aufkohlungskammer zugeführt wird, sondern Zeit für das Eindiffundieren des atomaren Kohlenstoffs gegeben wird. Diese Vorgehensweise dient u.a. der Vermeidung von zu hohen Kohlenstoffrandgehalten. Während der Aufkohlungsintervalle wird Kohlungsgas zugeführt. Durch die dem beschriebenen Aufkohlungsprozess eigenen hohen Kohlenstoffübergänge kommen bevorzugt Aufkohlungsintervalle von kurzer Dauer zum Einsatz.
  • Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist darin zu sehen, dass das erfindungsgemäß gereinigte Kohlungsgas eine gegenüber einem herkömmlichen Kohlungsgas gesteigerte Aufkohlungswirkung und eine verminderte Russbildung während der Aufkohlung aufweist. Beispielsweise konnte eine um 3 bis 10 % gesteigerte Aufkohlungswirkung und eine um 24 bis 44 % reduzierte Russbildung in Versuchen ermittelt werden.
  • Die Erfindung bietet eine ganze Reihe weiterer Vorteile, von denen im Folgenden nur einige wenige genannt sind: Es ergeben sich Möglichkeiten zu erheblichen Kosteneinsparungen durch eine geringere Russbildung und einer dadurch bedingten Verminderung des Reinigungsaufwandes und durch eine Erhöhung der Produktivität durch Verminderung von Produktionsausfällen. Darüber hinaus ist durch die Erfindung der Einfluss der Umgebungstemperatur, die den Dampfdruck des Lösungsmittels bei der Entnahme aus dem Reservoir beeinflusst, auf die Qualität des Aufkohlungsprozesses nahezu eliminiert. Die Verunreinigung des in die Aufkohlungskammer eingebrachten Kohlungsgases mit Lösungsmittel kann durch die Erfindung auf ein Minimum reduziert oder im besten Fall völlig vermieden werden. Es wird damit ein gleich bleibend gutes Wärmebehandlungsergebnis erzielt, dessen Durchführung nachvollziehbar und einstellbar ist.
  • Die Erfindung sowie weitere Ausgestaltungen der Erfindung werden im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1
    eine Dampfdruckkurve von reinem Aceton,
    Figur 2
    eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
    Figur 3
    eine schematische Darstellung einer anderen erfindungsgemäßen Vorrichtung mit kryogener Kondensationseinrichtung.
  • Die Figur 1 ist als Erläuterung der zugrunde liegenden und bereits ausführlich beschriebenen Gesetzmäßigkeiten gedacht. An der x-Achse ist die Temperatur T in °C und an der y-Achse der Dampfdruck pD von reinem Aceton in mbar angetragen.
  • Die Figur 2 zeigt im Einzelnen ein Reservoir 1, das über eine Leitung 2 mit einer Kondensationseinrichtung 3 verbunden ist. Die Kondensationseinrichtung 3 weist einen Auffangbehälter 4 für das kondensierte Lösungsmittel auf. Über die Leitung 5 wird das gereinigte Kohlungsgas einer Aufkohlungskammer 6 zugeführt, die den aufzukohlenden Stahl aufnimmt.
  • Die Figur 3 zeigt ebenso die bereits bei der Beschreibung der Figur 2 genannten Elemente mit Ausnahme einer anders gestalteten Kondensationseinrichtung 3, die hier als kryogene Kondensationseinrichtung 3 ausgeführt ist und daher mit einem Vorratstank 7 für ein kryogenes Kältemittel, wie z.B. flüssigen Stickstoff, über eine Leitung 8 verbunden ist. Das kryogene Kältemittel entzieht in der Kondensationseinrichtung 3 über einen Wärmetauscher (nicht dargestellt) dem aus der Leitung 2 in die Kondensationseinrichtung 3 eingebrachten Gemisch aus Kohlungsgas und Lösungsmittel Wärme, so dass zumindest ein Teil, bevorzugt jedoch (annähernd) der Gesamtgehalt an Lösungsmittel kondensiert und in einem Auffangbehälter 4 aufgefangen wird. Der Auffangbehälter 4 ist in diesem Beispiel mit einer Ableitung 9 verbunden, über die kondensiertes Lösungsmittel aus dem Auffangbehälter 4 abgezogen werden kann. Das gereinigte, von Lösungsmittel bevorzugt (nahezu) vollständig befreite, Kohlungsgas wird über eine Leitung 5 einer Aufkohlungskammer 6 zugeführt. Die Aufkohlungskammer 6 nimmt den aufzukohlenden Stahl auf und weist eine Heizeinrichtung auf oder steht mit einer Heizeinrichtung (nicht dargestellt) in Wirkverbindung, so dass z.B. eine Temperatur von 950 °C im Inneren der Aufkohlungskammer 6 erreicht wird.
  • Das in der Regel in der Kondensationseinrichtung 3 verdampfte kryogene Kältemittel wird über Leitung 10 aus der Kondensationseinrichtung 3 abgezogen und einer weiteren Verwendung, beispielsweise als Intertisierungsgas, zugeführt.
  • Die Aufkohlung zählt zu den Wärmebehandlungsverfahren, wobei der richtige Temperaturbereich großen Einfluss auf die ablaufenden Reaktionen ausübt, wobei pyrolytischen Reaktionen eine Schlüsselfunktion bei der Aufkohlung zukommt. Der Erfolg einer Härtung des Stahls durch ein Verfahren zur Aufkohlung hängt maßgeblich von der herrschenden Temperatur, dem eingesetzten Kohlungsgas und dessen Reinheit, also z.B. Lösungsmittelfreiheit, ab.
  • Der Aufkohlungsprozess wird in der Regel im Batch-Verfahren betrieben. Häufig kommt auch die bereits beschriebene Abwechslung von einer Aufkohlungs- gefolgt von einer Diffusionsphase, wieder gefolgt von einer Aufkohlungsphase und so weiter zum Einsatz. Ein einmal in die Aufkohlungskammer eingelegter Stahl durchläuft in diesem Fall ein sog. mehrstufiges Aufkohlungsverfahren bevor er fertig gehärtet ist und wieder aus der Aufkohlungskammer entnommen wird.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zur Aufkohlung von Stahl mit einer Aufkohlungskammer, die über eine Zuleitung mit einem Reservoir für in einem Lösungsmittel gelöstes Kohlungsgas verbunden ist und für einen Betrieb mit einem Druck im Inneren der Aufkohlungskammer, der kleiner ist als der Atmosphärendruck, insbesondere mit einem Druck aus dem Bereich von 1 bis 100 mbar, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einrichtung zur Separation des Lösungsmittels von dem Kohlungsgas in der Zuleitung zwischen Aufkohlungskammer und Reservoir zwischengeschaltet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung für eine Temperatur aus dem Bereich von 900 bis 1050 °C ausgelegt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Separation einen Auffangbehälter und/oder eine Ableitung und/oder einen Verdampfer für separiertes Lösungsmittel aufweist oder zumindest damit verbunden ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas eine kryogene Kondensationseinrichtung vorgesehen ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas eine mechanische Kondensationseinrichtung vorgesehen ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas ein Filter, insbesondere ein Adsorptionsfilter, vorgesehen ist.
  7. Verfahren zur Aufkohlung von Stahl bei dem der aufzukohlende Stahl, insbesondere Stahlwerkstücke oder Stahlhalbzeuge, in eine Aufkohlungskammer eingebracht und mit einem Kohlungsgas beaufschlagt werden, das aus einem Reservoir für in einem Lösungsmittel gelöstes Kohlungsgas entnommen und der Aufkohlungskammer zugeführt wird, wobei für das Innere der Aufkohlungskammer ein Druck, der kleiner ist als der Atmosphärendruck, insbesondere der im Bereich von 1 bis 100 mbar liegt, eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kohlungsgas nach der Entnahme aus dem Reservoir über eine Leitung einer Einrichtung zur Separation des Lösungsmittels von dem Kohlungsgas zugeführt und dort das Lösungsmittel von dem Kohlungsgas separiert wird und das gereinigte Kohlungsgas der Aufkohlungskammer über eine Leitung zugeführt wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatur aus dem Bereich von 900 bis 1050 °C eingestellt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das durch die Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel vom Kohlungsgas separierte Lösungsmittel einem Auffangbehälter und/oder einer Ableitung und/oder einem Verdampfer zugeführt wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Lösungsmittel in der Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas durch Kondensation separiert wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch aus Lösungsmittel und Kohlungsgas in der Einrichtung zur Separation von Lösungsmittel und Kohlungsgas gefiltert wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufkohlung in Aufkohlungsintervallen durchgeführt wird, die von Diffusionsintervallen unterbrochen werden, in denen kein Kohlungsgas der Aufkohlungskammer zugeführt wird, sondern Zeit für das Eindiffundieren des atomaren Kohlenstoffs gegeben wird.
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