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Verfahren und Vorrichtung zum Aufkohlen von Eisen und Eisenlegierungen
Das Verfahren der Erfindung betrifft die Einbringung von Kohlenstoff in Eisen und
Eisenlegierungen, insbesondere in kohlenstoffarme Stähle, über die Gasphase. Es
ist zwar bekannt, kohlenstoffarme Stähle dadurch aufzukohlen, daß man sie mit aufkohlenden
Gasen bei Temperaturen oberhalb 8oo° C behandelt, wobei die Gase außerhalb des Kohlungsraumes
erzeugt werden. Zu diesem Zwecke verwendet man Generatoren, in denen feste kohlenstoffhaltige
Substanzen unter beschränktem Sauerstoffzutritt vergast werden. Es ist auch üblich,
Gase, wie Stadtgas oder Naturgas, unter Luftmangel in besonderen Generatoren zu
verbrennen und das Verbrennungsprodukt nach Abtrennung von Wasser und Kohlendioxyd
in den Aufkohlungsofen einzuleiten. Dabei können diese Gase gegebenenfalls auch
durch ZusatzvonKohlen-Nvasserstoffen, wie Butan oder Propan in genau dosierten Mengen
karburiert werden.
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Man kann auch derartig verfahren, daß das aufzukohlende Gut in kohlenstoffhaltige
Pulver eingepackt oder mit einer Paste aus derartigen Stoffen bestrichen und unter
Luftabschluß auf die Aufkohlungstemperatur, die im allgemeinen zwischen 8oo und
95o` C liegt, erwärmt wird; bis die Aufkohlung die gewünschte Tiefe erreicht hat.
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Diese Verfahren erfordern entweder erhebliche Aufwendungen für Einrichtungen
zur Herstellung, Kontrolle und Dosierung der Aufkohlungsgase oder sind nicht genügend
regelbar, um einegleichmäßige Aufkohlung von beliebig großen Einsätzen zu ermöglichen.
Das Einpackverfahren schließt die Gefahr der Überhitzung und damit Überkohlung oder
gar der lokalen Aufschmelzung des nufzukohlenden
Gutes nicht mit
Sicherheit aus und arbeitet zudem wegen der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Aufkohlungsmittel
mit schlechtem Wärmewirkungsgrad.
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Nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung werden diese Nachteile
wirksam vermieden, indem das Aufkohlungsgas im Kohlungsraum, also im Ofen selbst,
jedoch, im Gegensatz zum Einpackverfahren, von dem aufzukohlenden Gut räumlich getrennt
erzeugt wird. Zu diesem Zweck werden in den Aufkohlungsräum in geeigneten Behältern
kohlenstoffhaltige Mittel eingebracht, die mit den im Ofenraum befindlichen sauerstoffhaltigen
Gasen oder Gasgemischen, insbesondere mit Luft, aufkoh-Lende Gase in geeigneter
Zusammensetzung zu liefern vermögen. Die zur Lieferung des Aufkohlungsgases befähigten
kohlenstoffhaltigen Mittel sollen dabei erfindungsgemäß weniger als 1/a, vorzugsweise
etwa lho vom Volumen des Aufkohlungsraumes einnehmen.
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Gegenüber den bisher für die Aufkohlung benutzten Verfahren wird gemäß
der Erfindung jeglicher Aufwand für die Erstellung und Beheizung besonderer Generatoren
vermieden, ohne daß wie beim Einpacken in köhlenstoffhaltige Mittel die Gefahr der
teilweisen Überkohlung und Zerstörung der Oberfläche der Werkstücke durch die unmittelbare
Berühung mit den kohlenstoffhaltigen Stoffen besteht.
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Das Arbeiten nach dem Verfahren der Erfindung gestaltet sich außerordentlich
einfach, da es lediglich erforderlich ist, das benutzte kohlenstoffhaltige Mittel
in die im Ofen befindlichen Behälter einzubringen, den Ofen auf die Aufkohlungstemperatur
zu erwärmen und auf aufzukohlendes Gut in den Aufk ohlungsraum einzufahren. Bei
der für den Aufkohlungsvorgang erforderlichen Temperatur bildet sich automatisch
mit den im Aufkohlungsraum befindlichen oder zusätzlich eingeleiteten sauerstoffhaltigen
Gasen das Aufkohlungsgas, dessen Zusammensetzung in einfacher Weise durch die Menge
der sauerstoffhaltigen Gase, die Temperatur und die Art und Verteilung des kohlenstoffhaltigen
Mittels gesteuert werden kann. Sobald die erforderliche Aufkohlungstiefe unter den
durch einfache Versuche festzulegenden Bedingungen erreicht ist, kann das aufgekohlte
Gut ausgefahren und durch frisches ersetzt werden, solange noch ausreichende Mengen
der das Aufkohlungsgas erzeugenden Bestandteile im Aufkohlungsraum vorhanden sind.
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Als Mittel zur Erzeugung des Aufkohlungsgases nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren haben sich Formkörper aus Kohle, insbesondere aus Holzkohle, bewährt.
Solche Formkörper werden vorzugsweise aus Holzkohlenstaub mit oder ohne Bindemittel,
gegebenenfalls unter Zusatz von Aktivatoren, wie Carbonaten von Alkalien oder Erdalkalien,
'hergestellt. Die erhaltenen Preßlinge «:erden dabei vor der Verwendung zweckmäßig
getrocknet oder auch geglüht und vorteilhaft als Granulat in Körnungen zwischen
3 und 6 mm für die Aufkohlung benutzt. t Als besonders wirksam haben sich für die
Durchführung des Verfahrens der Erfindung Holzköhlenformkörper erwiesen, denen feinverteilte
:Metalle entweder in Form von Metallpulver oder geeigneten organischen oder anorganischen
Verbindungen zugesetzt sind.
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Die Metallverbindungen gehen beim Glühen des Aufkohlungsmittels in
feinverteiltes Metall über. Gut geeignet sind die Metalle der Eisengruppe, insbesondere
Eisen oder Nickel. Durch Anwendung der Metallaktivatoren kann der Zusatz an Carbonaten
der Alkalien oder Erdalkalien in vorteilhafter Weise !herabgesetzt werden, so daß
die nach dem Verbrauch der das Aufkohlungsgas liefernden kohlenstoffhaltigen Substanz
gebildete Asche arm an Alkali- oder Erdalkaliverbindungen ist und dadurch weniger
schädigend auf das Ofenbaumaterial wirken kann.
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Als Behälter für die das Aufkohlungsgas erzeugenden kohlenstoffhaltigen
Mittel kommen gasdurchlässige Vorrichtungen, z. B. an den Wandungen des Aufkohlungsraumes
befestigte Taschen oder andersartige Behälter aus gelochten Blechen, Drahtgewebe
oder Streckmetall in Betracht. Mit gleichem Erfolg können die Behälter auch in Form
von gelochten Siebböden unter, zwischen oder über dem Aufkohlungsgut vorgesehen
werden. Die Behälter werden vorzugsweise derart eingerichtet, daß sie aus dem Aufkohlungsraum
zwecks Auffrischung der Füllung leicht entfernt werden können. Nach einer anderen
Ausführungsform der Erfindung werden diese Behälter an den Wänden oder den Deckeln
des Aufkohlungsraumes derart angebracht, daß sie ohne Störung des Ofenbetriebes
von außen durch Füllklappen Stutzen oder ähnliche an sich bekannte Vorrichtungen
neu beschickt werden können.
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Die Verteilung der Behälter für die das Aufkohlungsgas im Aufkohlungsraum
erzeugenden kohlenstoffhaltigen Mittel richtet sich weitgehend nach der Konstruktion
des Aufkohlungsraumes, nach der Art der Beheizung sowie nach der Menge und der Beschaffenheit
des einzusetzenden Aufkohlungsgutes.
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Als Aufkohlungsraum können Öfen beliebiger Art verwendet werden, und
zwar sowohl diskontinuierlich wie kontinuierlich arbeitende. Das Verfahren kann
demgemäß beispielsweise in normalen Kammeröfen, die seitlich oder auch von oben
geschlossen werden können, durchgeführt werden. Man kann jedoch auch kontinuierliche
Öfen verwenden, die laufend beschickt und entleert werden. Die Förderung des Aüfkdhlungsgutes
kann dabei in Kästen oder Siebböden auf beliebig gestalteten Unterlagen erfolgen,
die mittels Einstoßvorrichtungen oder durch Hubbalken oder auf ähnliche Weise durch
den Ofen bewegt werden.
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Für einen raschen und gleichmäßigen Verlauf der Aufko'hlung ist es
wesentlich, daß die im Ofen befindlichen oder in ihn eingeleiteten sauerstoffhaltigen
Gase leicht Zutritt zu dem das Aufkohlungsgas bildenden festen 'kdhlenstoff'haltigen
Mittel 'haben. Es kann daher zweckmäßig sein, die
Zuleitungen für
die sauerstoffhaltigen Gase in den Aufkohlungsraum so vorzusehen, daß die Gase die
kohlenstoffhaltigen Substanzen bei ihrem Eintritt auf einer möglichst großen Fläche
durchstreichen. Dabei ist es für eine schnelle Bildung des Aufkohlungsgases weiterhin
günstig, die sauerstoffhaltigen Gase oder Gasgemische, insbesondere Luft, vor dem
Durchtreten durch die kohlenstoffhaltigen Stoffe vorzuwärmen, was etwa durch die
Abgase des Aufkohlungsofens oder durch geeignete Führung der Zuleitungen in der
Wandung des geheizten Aufkohlungsraumes erfolgen kann.
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Um eine ständige Berührung zwischen den das Aufkdhlungsgas bildenden
Bestandteilen zu gewährleisten, werden mit Vorteil im Aufkohlungsraum Vorrichtungen
angebracht, die die Ofenatmosphäre in Bewegung halten und umwälzen. Hierdurch wird
erreicht, daß nicht nur die zur Bildung des Aufkohlungsgases führende Reaktion beschleunigt,
sondern auch dessen Auffrischung gefördert und überdies eine schnelle undgleichmäßige
Erwärmung des Aufkohlungsgutes erfolgen kann.
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Wie schon erwähnt, sind für die Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens verschiedenartige Vorrichtungen brauchbar, von denen einige Ausführungsformen
an Hand der Abbildungen i bis 3 beispielsweise erläutert sind.
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Abb. i zeigt einen Kammerofen im Längsschnitt, bei dem der besseren
Übersicht halber die außerhalb des Ofenraums liegende Heizung fortgelassen ist,
in Abb. 2 ist eine Ofenform dargestellt, bei der die Beschickung durch Abheben des
Deckels von oben erfolgt, während Abb. 3 einen kontinuierlich arbeitenden Ofen mit
Hubbalkenförderung wiedergibt.
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Auch in diesen Abbildungen sind die zweckmäßig außerhalb des Aufkohlungsraumes
liegenden Elemente nicht gezeichnet.
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In Abb. i bedeutet i den eigentlichen Aufkohlungsraum, der durch die
mit dem Deckel 2 verschlossene seitliche Öffnung beschickt wird. Das Härtegut 4
befindet sich auf einer auf dem Boden der Kammer stehenden Unterlage 3. An den Seitenwänden
der Kammer sind bei 5 und 6 Kästen aus Siebblech für die Aufnahme des das Aufkohlungsgas
erzeugenden kohlenstoffhaltigen Mittels vorgesehen, während sich an der Decke des
Aufkohlungsraumes der Ventilator? befindet. In die Decke der Kammer ist die Luftzuleitung
8 in Form einer Rohrschlange eingelassen und mündet bei 9 in den Aufkohlungsraum.
Die Abzweigleitung io ermöglicht es weiterhin, das Gas ganz oder zum Teil durch
die Beschickung der Behälter 5 und 6 in den Ofenraum einzuführen. Bei der Ausführungsform
der Abb.2 liegt die Öffnung des Aufkohlungsraumes auf der Oberseite, so daß das
Aufkohlungsgut auf Gestellen oder in Kästen i i von oben in den Ofen eingebracht
werden kann. Der Deckel 12 ist in an sich bekannter Weise mit Hilfe einer Sandtasse
oder durch einen Flüssigkeitsverschluß 13 abgedichtet. Das Aufkohlungsgut ist auf
einer gasdurchlässigen Unterlage etwa aus Lochblechen oberhalb des Behälters r4
für das das Aufkohlungsgas liefernde kohlenstoffhaltige Mittel angeordnet. Zweckmäßig
besteht dabei auch der Behälter 14 zumindest an der dem Aufkohlungsgut zugekehrten
Seite aus gasdurchlässigem Material, wie z. B. Lochblechen. Die Vorrichtung enthält
außerdem noch an den Schmalseiten des Aufkohlungsraumes Ventilatoren 15 und 16 für
die Gasumwälzung sowie eine Zuführung 17 für die sauerstoffhaltigen Gase, z. B.
Luft. Gegebenenfalls können durch diese Zuführung auch karburierende Stoffe zusätzlich
eingeführt werden.
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Bei der Vorrichtung gemäß Abb.3 wird das Einsatzgut 18 in flachen
Kästen i9 durch den Ofenraum mit Hilfe eines Hubbalkens 2o gefördert. An den Längswänden
des Ofens sind die Behälter 21 für das kohlenstoffhaltige Mittel zur Erzeugung des
Aufkohlungsgases angebracht. Der Ofenraum ist mit Hilfe der Federtüren 22 beidseitig
verschlossen. An sich ist es möglich, auch bei derartigen Öfen etwa an der Decke
des Aufkohlungsraumes einen oder mehrere Ventilatoren für die Gasumwälzung anzubringen,
jedoch ist durch das häufige Öffnen und Schließen des Ofens bei der kontinuierlichen
Art der Beschickung und Austragung eine gewisse Bewegung der Ofenatmosphäre unter
weiterem Zutritt von Luft zwangsläufig gegeben. Aus diesem Grunde ist es auch nicht
unbedingt erforderlich, zusätzliche Luftmengen einzuleiten, was jedoch im Bedarfsfalle
beispielsweise durch die Zuleitungen 23 an verschiedenen Stellen des Aufkohlungsraumes
erfolgen kann. Bei der kontinuierlichen Durchführung der Aufkohlung, wie sie etwa
in einer Vorrichtung gemäß Abbildung 3 vorgenommen werden kann, ist die Möglichkeit
einer Neubeschickung der das kohlenstoffhaltige Mittel aufnehmenden Behälter 21
von außen von besonderer Wichtigkeit. Man 'kann im übrigen auch dasko'hlenstoffhaltige
Mittel getrennt vom Aufkohlungsgut durch den Ofen befördern, indem Behälter mit
diesem Mittel abwechselnd mit den Behältern für das aufzukohlende Gut in den Ofen
eingefahren werden. Im Hinblick auf eine weitgehende Ausnutzung der kohlenstoffhaltigen
Mittel für die Erzeugung des Aufkohlungsgases und die Gleichmäßigkeit des Aufkohlungsvorganges
ist es jedoch vorteilhafter, wie ausführlich beschrieben, feste Behälter für dieses
Mittel vorzusehen, in denen es bei weitgehend konstanter Temperatur gleichmäßig
mit der sauerstoffhaltigen Ofenatmosphäre reagiert.