HybridCarb

Eine neuartige Methode zur Reduzierung der Verbrauchskosten bei Gasaufkohlungsprozessen

Von Dr. Bernd Edenhofer, Dr. Markus Reinhold, Matthias Rink, Dirk Joritz, Ipsen International GmbH, Kleve/Germany, Global R&D

Wärmebehandlungsöfen und speziell Öfen, die für Aufkohlungs- oder Härteprozesse verwendet werden, benötigen eine kontinuierliche Begasung des Ofenraum mittels einer Spülbegasung. Neben der Tatsache, dass die für diese Spülbegasung verwendeten Medien einen nicht unerheblichen Verbrauch darstellen und somit natürlich Kosten verursachen, werden diese Gase am Gasauslass des Wärmebehandlungsofens bisher nutzlos verbrannt. Eine neue,patentierte Technologie bereitet das schon genutzte Prozessgas katalytisch wieder auf und schickt es dann wieder zurück in den Wärmebehandlungsofen. Diese neuartige Aufbereitung reduziert den Prozessgasverbrauch von Aufkohlungs- und Härteöfen um bis zu 90 %. Das Konzept, die technische Ausführung und die Funktionsweise dieser Prozessgasaufbereitung sind zusammen mit einigen Ergebnissen der industriellen Anwendung der Inhalt dieses Artikels.

1. Einleitung

Wärmebehandlungsöfen werden bis auf wenige Ausnahmen (wie zum Beispiel ‘Nitrieren fast ohne aktive Begasung’[1] oder ‘Randaufsticken bei nichtrostenden Stählen‘[2]) immer mit einer kontinuierlichen aktiven Begasungsrate betrieben. Das bedeutet, dass das Trägergas in einem kontinuierlich fließenden Prozess in den Ofen eingeleitet und nach seinem Durchlaufen am anderen Ende des Ofens wieder ausgeführt und abgefackelt wird. Industriellen Anlagen zur Gasaufkohlung- verwenden heutzutage meist Endogas oder eine Mischung aus Stickstoff und Methanol als Trägergas. Das Endogas wird bei einem konventionellen Ofenbegasungssystem in die Heizkammer des Ofens eingeleitet, von dort in die Abschreckkammer geführt und beim Verlassen des Ofens sicher abgefackelt. Die Gründe für die Notwendigkeit einer kontinuierlichen Ofenbegasung sind bei Gasaufkohlungsanlagen zum Beispiel:

1. die sicherheitstechnisch erforderliche Aufrechterhaltung eines Überdruckes in der

Ofenanlage

2. die Bereitstellung einer ausreichend hohen Kohlenstoffverfügbarkeit über die gesamte Prozessdauer
3. die Gewährleistung einer konstanten Atmosphärenzusammensetzung über die gesamte Prozessdauer[3]

In der industriellen Praxis hat sich eine Begasungsrate von ca. 2 m3/h Trägergas pro m3 Ofenvolumen als ausreichend erwiesen, um selbst Chargen mit großer Oberfläche gleichmäßig aufkohlen zu können.

2. Reaktionsmechanismus der Gasaufkohlung

Bei der Aufkohlung in Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) basierten Atmosphären findet der Kohlenstofftransport in das Bauteil durch die Adsorption von CO-Molekülen an der Bauteiloberfläche gefolgt von einem Zerfall des CO-Moleküls in adsorbierten Kohlenstoff (C) und adsorbierten Sauerstoff (O) statt. Der atomare Kohlenstoff (C) diffundiert in den Stahl und sorgt für den aufkohlenden Effekt, während der größte Teil des adsorbierten Sauerstoffs als kompakte Schicht an der Bauteiloberfläche verbleibt. Diese Schicht adsorbierten Sauerstoffes verhindert – sofern sie nicht beseitigt wird – die Adsorption weiteren Kohlenmonoxids und führt somit unweigerlich zur Beendigung des Aufkohlungsprozesses. Aus diesem Grund wird Wasserstoff in Ofenatmosphären benötigt. Die Wasser- stoffmoleküle führen zu einer Desorption des adsorbierten Sauerstoffes an der Bautei- loberfläche und reagieren zu Wasserdampf (H2O), der in die Ofenatmosphäre übergeht. Auf diese Weise entstehen Bereiche an der metallischen Oberfläche der Bauteile, die nun wieder für die Adsorption von Kohlenmonoxid zur Verfügung stehen. Auch Kohlenmonoxid-Moleküle können zur Desorption des an der Oberfläche adsorbierten Sauerstoffes beitragen, indem sie mit diesem zu Kohlendioxid (CO2) reagieren, der ebenfalls in die Ofenatmosphäre übergeht. Oder anders ausgedrückt: In Kohlenmonoxid (CO) und Wasserstoff (H2) basierten Ofenatmosphären verursacht der Kohlenstofftransport in das Bauteil gemäß den unten ange- führten Reaktionsformeln die Entstehung der Reaktionsprodukte Kohlendioxid (CO2), Was- serdampf (H2O) und Sauerstoff (O2)

2CO <-> [C] + CO2 (1)

CO + H2 <->
[C] + H2O (2)

CO <-> [C]+1⁄2 O2 (3)

Da Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff aber oxidierend und somit abkohlend wirken, führt ein Konzentrationsanstieg dieser drei Gase zu einer Reduzierung der Aufkohlungsfähigkeit der Ofenatmosphäre. Um nun aber über die gesamte Prozessdauer einen gleichmäßigen Kohlenstofftransfer garantieren zu können, ist es zwingend erforderlich, diese Reaktionsprodukte zu reduzieren und gleichzeitig die für die Aufkohlung benötigten Gasbestandteile Kohlenmonoxid und Wasserstoff wieder auf ihren ursprünglichen Gehalt zu erhöhen. Dieses Ziel kann durch Hinzufügen eines so genannten ‚Anreicherungsgases‘ zur Ofenatmosphäre erreicht werden. Als Anreicherungsgas könnte theoretisch jeder Koh- lenwasserstoff dienen. In der industriellen Praxis wird meist Erdgas (in einigen Fällen auch Propan (C3H8)) verwendet. Erdgas besteht hauptsächlich aus Methan (CH4), das gemäß der unter angeführten Reaktionsformeln für die Reduktion von Kohlendioxid, Wasserdampf und Sauerstoff in Kohlenmonoxid und Wasserstoff sorgt:

CO2+CH4 <-> 2CO+2H2 (4)

H2O+CH4 <-> CO+3H2 (5)

1⁄2O2+CH4 <-> CO+2H2 (6)

3. Aufbereitung der Ofenatmosphäre

Es gab schon erfolgreiche Versuche, das Prozessgas nach dem Aufkohlungsprozess nicht einfach nur zu verbrennen, sondern durch Filtern von Kohlendioxid und Wasserdampf aufzubereiten und dem Prozess wieder als gereinigtes Trägergas zuzuführen.[4] Allerdings setzte sich diese Technologie industriell nicht durch, da die zum Filtern von Kohlendioxid und Wasserdampf benötigten Apparaturen viel zu kostenintensiv waren. Ferner mussten die Fil- ter häufig von Ruß und anderen Verschmutzungen befreit werden, was einen zusätzlichen, hohen Wartungsaufwand bedeutete. Eine wesentlich effektivere Methode der Aufbereitung der Ofenatmosphäre ist die Reduktion von Kohlendioxid und Wasserdampf zurück in die Gaskomponenten Kohlenmonoxid und Wasserstoff. Die Reduktion von Kohlendioxid und Wasserdampf zurück in Kohlenmonoxid und Wasserstoff benötig allerdings eine große Menge Kohlenwasserstoff. Besonders in den Phasen des Aufkohlungsprozesses, in denen eine hohe Kohlenstoffübertragungsrate erforderlich ist (wie zum Beispiel zu Beginn des Aufkoh- lungsprozesses), ist die Reduktion von Kohlendioxid und Wasserdampf meist unvollständig und führt so zwangsläufig zu einem häufigen Austausch der Ofenatmosphäre mittels großer Spülmengen. Genau hier setzt nun die neuartige Aufbereitungsmethode an. Sie verwendet zwar auch den oben beschriebenen Reduktionsmechanismus, verlagert diesen aber weg aus der Heizkammer des Aufkohlungsofens in eine separate Aufbereitungskammer. Die Tempe- ratur der Aufbereitungskammer ist somit unabhängig von der Ofentemperatur und kann so hoch gewählt werden, dass die unter (4) bis (6) genannten Reaktionen in Verbindung mit einem geeigneten Katalysator optimal ablaufen können. Während des Atmosphären-Aufbereitungsprozesses wird das Prozessgas nun nicht mehr verbrannt. Der normale Gasablass wird mittels eines Magnetventils in dieser Phase des Prozesses verschlossen und die Ofenatmosphäre mittels eines gasdichten Heißgasgebläses aus der Heizkammer des Ofens in die separate Aufbereitungskammer gefördert. Dort wird der Ofenatmosphäre nun eine kleine Menge Erdgas (oder eines anderen Kohlenwasserstoffes) hinzugefügt und diese Gasmischung in der Reaktionskammer aufbereitet, indem Kohlendioxid und Wasserdampf wieder in Kohlenmonoxid und Wasserstoff reduziert werden. Das aufbereitete Gasgemisch wird anschließend wieder in die Heizkammer des Ofens gefördert und steht dem Aufkohlungsprozess wieder zur Verfügung. Das Aufbereitungsmodul kann in zwei unterschiedlichen Funktionsweisen betrieben werden. Zum einen kann das Aufbereitungsmodul, wie oben beschrieben, eine vorhandene Aufkohlungsatmosphäre aufbereiten. Zum anderen ist es aber auch möglich, die Aufbereitungskammer als Trägergaserzeuger (vergleichbar einem kleine Endogasgenerator) zu verwenden. Genau diese duale Verwendungsmöglichkeit ist sicherlich ein wesentlicher Bestandteil der erfolgreichen Funktionsweise des gesamten Systems und führte zu dem Namen HybridCarb®. Eine ausschließliche Fahrweise im Aufbereitungsmodus über den gesamten Aufkohlungs-, Carbonitrier- oder Härtezyklus sowie während der Abschreckung würde sicherlich nicht funktionieren. Besonders während der Aufheizphase nach dem Beladen des Ofens sowie während des Abschreckens ist die Ofenatmosphäre stark durch Waschmittel, Schneidöle bzw. Kühlschmierstoffe oder Öldämpfe des Abschrecköls verunreinigt. Sollten diese Verunreinigungen in die Aufbereitungskammer gelangen, wäre diese nach kurzer Zeit so stark kontaminiert, dass ihre Funktionsweise dramatisch eingeschränkt wäre. Aus diesem Grund wird während dieser beiden Phasen der Wärmebehandlung die Ofenatmosphäre nicht aufbereitet. Stattdessen wird der HybridCarb® in dieser Zeit als Trägergaserzeuger genutzt und der Ofen im herkömmlichen ‚Spülmodus‘ mit geöffnetem Gasauslass betrieben, so dass allen Verunreinigungen aus dem Ofen gespült und am Abbrand sicher verbrannt werden.

Die Regelung des C-Pegels der Ofenatmosphäre bleibt durch die Rezirkulation des Gases durch die Aufbereitungskammer unverändert. Wie bisher wird die Ofenatmosphäre entweder mittels einer Sauerstoffsonde (die am häufigsten verwendete Methode), eines CO2-Gasana- lysators oder eines Taupunkt Messgerätes bestimmt, der aktuelle C-Pegel berechnet und je nach Abweichung vom Sollwert entweder Anreicherungsgas oder Luft in die Heizkammer geleitet. Ausschlaggebend für die Effektivität der Aufbereitung ist die Frequenz mit der die Ofenat- mosphäre in die Aufbereitungskammer und aus dieser zurück in den Ofenraum gefördert wird.

4. Industrielle Anwendung

Anders als bei vielen anderen patentierten prozesstechnischen Ideen, die es nie zu einer industriellen Anwendung gebracht haben, hat die industrielle Nutzung des HybridCarb®- System bereits erfolgreich begonnen. Europaweit arbeiten mittlerweile zahlreiche große und kleine Mehrzweck Kammeröfen mit dieser innovativen Technologie, die dort die herkömmliche Endogas oder Stickstoff/Methanol Begasung ergänzt oder vollständig ersetzt haben. Natürlich erzielt die HybridCarb® Begasung größere finanzielle Einsparungen je länger die Prozesszeiten sind bzw. je größer das Ofenvolumen ist. Der Einsatz des HybridCarb®-Systems ist aber selbstverständlich nicht nur bei langen Aufkohlungszyklen sinnvoll. Auch bei kleineren Aufkohlungstiefen oder sogar reinen Härteprozessen ist der Einsatz finanziell attraktiv. Aus dem Prozessverlauf eines Aufkohlungsprozesses mit einer CHD von 0,7 mm (Gesamt- zykluszeit von 9,0 h bei 910 °C und 840 °C) in einem TQ-17 Ofen und einem Chargengewicht von 1850 kg lässt sich nicht erkennen, dass dieser Prozess mit Aufbereitung des Prozessgases gefahren wurde. Die Verläufe für den C-Pegel sowie den CO-Gehalt sind völlig normal und absolut vergleichbar mit denen einer herkömmlichen Trägergas – Begasung nach dem Spülprinzip. Auch die Laborergebnisse bezüglich des Randkohlenstoffgehalltes, des Kohlenstoff- und Härteprofils sowie der gemessenen Einsatzhärtungstiefe entsprachen genauso den Erwartungen wie die vorgefundenen Gefüge. Die folgende Tabelle zeigt die Erdgasverbräuche des oben dargestellten Prozesses:

Prozessdauer: 9,0 Stunden
Aufbereitungskammer: 5,97 m3 Erdgas
Ofen: 2,30 m3 Erdgas
Gesamtverbrauch: 8,27 m3 Erdgas

Ein vergleichbarer Prozess würde in einem Ofen mit Spülbegasung einen Endogasverbrauch von 172 m3 bedeuten. Zusammen mit dem benötigten Anreicherungsgas hätte der Prozess also einen Erdgasverbrauch von 43,9 m3. Bei diesem relativ kurzen Prozess führt die Nutzung des HybridCarb®-System zu einer Prozessgaseinsparung von 81 Prozent! Selbst bei noch kürzeren Härteprozessen mit einer Prozessdauer von nur 2 bis 3 Stunden können immer noch Prozessgaseinsparungen im Bereich von 75 Prozent zum herkömmlichen Prozess realisiert werden. Sollte als Vergleichspartner ein Ofen mit herkömmlicher Stickstoff / Methanol Begasung herangezogen werden, so fällt dieser momentan finanziell ungleich positiver aus, da der Preis für Methanol aktuell sehr hoch ist. Ferner würde auch ein kostenintensiver Methanoltank nicht mehr benötigt werden. Die Aufbereitung der Ofenatmosphäre war bis vor kurzem nur durch die Installation einer separaten HybridCarb® Box mit den Abmessungen von 1.400 x 1.300 x 900 mm und einem Gewicht von ca. 350 kg möglich, die dann mit dem bestehenden Ofen verbunden wird. Für jeden Mehrzweck-Kammerofen ist eine eigene HybridCarb®-Box erforderlich. Bei mehre- ren Ofenanlagen, die mit dem HybridCarb®- System ausgerüstet sind, kann zusätzlich noch eine Box als Backup vorgehalten werden, um bei eventuell auftretenden Betriebsunter- brechungen (wie zum Beispiel bei einer rou- tinemäßigen Wartung) die betreffende Box schnell zu ersetzen und so den Produktions- betrieb fortsetzen zu können. Bei der Verwendung des Atmosphärenaufbereitungssystems für neu zu fertigende Ofenanlagen besteht nun auch optional die Möglichkeit (neben der oben beschriebenen separaten HybridCarb®-Box), die Aufbereitungskammer direkt am Ofen zu platzieren (zum Beispiel unter der Heizkammer). In diesem Fall würden die Komponenten der Schaltanlage direkt in die Schaltanlage des Ofens integriert und die Ofenmischbatterie einfach um die HybridCarb®-Komponenten erweitert. Zusätzlich zu dem bereits sehr positiven finanziellen Effekt der Prozessgaseinsparung kommt dieses Begasungssystem auch der Umwelt zugute. Durch die Nutzung der Atmosphärenaufbereitungstechnologie wird auch der Ausstoß des klimaschädlichen Kohlendioxides dramatisch um 80 bis 90 Prozent reduziert, da das Prozessgas nun nicht mehr komplett abgefackelt werden muss. Bisher ist die Prozessgasaufbereitung mittels eines HybridCarb®-Systems nur an Mehrzweck-Kammeröfen installiert worden. Aber natürlich ist auch ein Einsatz an anderen geschlossenen Ofenanlagen wie zum Beispiel Schachtöfen oder selbst an kontinuierlichen Öfen wie zum Beispiel Durchstoßöfen möglich. Einzige Bedingung ist hier, dass die Öfen gasdicht verschlossen werden können, da nur so eine Rezirkulation des Prozessgases möglich ist. Aus diesem Grund ist das HybridCarb®- System für offene Ofenanlagen, wie zum Beispiel Bandöfen ohne Ein- und Ausgasschleuse nicht einsetzbar.

5. Zusammenfassung

Mit dem neuen Aufbereitungssystem ist es möglich, dass das Prozessgas von Wärmebehandlungsöfen nicht mehr sinnlos verbrannt wird. Das HybridCarb®-System erlaubt die Regeneration des Prozessgases von Aufkohlungs- oder Härteprozessen in einer separaten Reaktionskammer und leitet das so aufbereitete Gasgemisch direkt wieder zurück in den Wärmebehandlungsprozess. Somit sind zusätzliche kostenintensive Aggregate wie Endogasgeneratoren oder Methanoltanks nicht mehr erforderlich.

Mittels der Prozessgasaufbereitung können je nach ProzessdauerProzessgaseinsparungen von 75 bis 90 Prozent erzielt werden, wobei die eigentliche Wärmebehandlungszeit sowie die erreichten Wärmebehandlungsergebnisse sich in keiner Weise von herkömmlichen Prozessen nach dem Spülprinzip unterscheiden. Gleichzeitig wird auch der Ausstoß an klimaschädlichem Kohlendioxid um 75 bis 90 Prozent reduziert.

6. Literatur

[1] Maldzinski, L.: Controlled nitriding using a zeroflow process Heat Treating Progress (08.2007), Seite 53 – 55

[2] Berns, H.; Siebert, S.: Randaufsticken nicht-rostender Stähle. HTM Härterei-Techn. Mitt. 49 (1994) 2, Seite 123-129

[3] Wyss, U.: Verbrauch an Trägergas bei der Gasaufkohlung. HTM Härterei-Techn. Mitt. 38 (1983), 1, Seite 4-9

[4] Strigl, R.: Verfahren zur Gasaufkohlung von Eisenwerkstücken undAnlagen zur Durch- führung. Deutsche Patent DE 4110361 C2, 28.03.1991

Unternehmensportrait:

Ipsen International GmbH steht für Innovationen und hervorragende Leistungen. Mit mehr als 65 Jahren Erfahrung auf dem Gebiet der Wärmebehandlung entscheiden Sie sich mit Ipsen für einen Partner der Erfolg verspricht. Unsere Produkte kommen in den Bereichen der Atmosphären-, Vakuum-, Löt- und Sinter-Technik zum Einsatz. Und: Ipsen entwickelt sich durch fortwährende Forschungs- und Entwicklungsarbeit täglich weiter. Das ist Wissensvorsprung – vor allem aber Qualität. Mit Produktionsstandorten in Europa, Amerika und Asien und Vertretungen in 34 Ländern ist Ipsen ein Partner, der Erfolg verspricht.

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