ITMI942516A1 - Procedimento per il trattamento a caldo di pezzi con gas di trattamento - Google Patents

Abstract

L'invenzione concerne un procedimento per il trattamento a caldo, in particolare per la carbocementazione, di pezzi metallici in un forno a elevate temperature e in un'atmosfera di gas, nel quale procedimento la relativa atmosfera di gas viene prodotta mediante trasformazione di un gas idrocarburico, in particolare di gas naturale o propano, con un ulteriore mezzo contenente ossigeno elementare, in particolare aria (procedimento ad endogas), laddove questa trasformazione viene effettuata eventualmente favorita da un dispositivo di generatore o catalizzatore presso il forno oppure nel forno, e laddove eventualmente all'atmosfera viene aggiunto un mezzo di arricchimento per l'adatta impostazione del livello di carbonio.Per l'esecuzione di un trattamento termico più efficiente e

Description

più flessibile sulla base appena illustrata, si propone che perlomeno durante una parte del procedimento di trattamento per la formazione dell'atmosfera viene utilizzato, al posto del mezzo (che è in generale aria) contenente l'ossigeno elementare (non legato), perlomeno parzialmente, biossido di carbonio (C02), laddove il biossido di carbonio viene addotto direttamente al rispettivo gruppo di trasformazione oppure al forno, al posto del mezzo contenente ossigeno, addotto in modo corrispondentemente ridotto, in una quantità adatta alla trasformazione a formare l'atmosfera di trattamento.

Descrizione del trovato

L'invenzione concerne un procedimento per il trattamento a caldo, in particolare per la carbocementazione, di pezzi metallici in un forno a elevate temperature e in un'atmosfera di gas, nel quale procedimento la relativa atmosfera di gas viene prodotta (procedimento a endogas) mediante trasformazione di un gas idrocarburico, in particolare di gas naturale o propano, con un ulteriore mezzo, in particolare aria, contenente ossigeno elementare, laddove questa trasformazione viene effettuata eventualmente in modo favorito da un dispositivo di generatore oppure di catalizzatore presso il forno oppure nel forno, e laddove eventualmente all'atmosfera viene addotto addizionalmente un mezzo di arricchimento per l'adatta impostazione del livello di carbonio.

Dal classico procedimento a endogas da generatore, presentante la caratterizzazione della parte introduttiva, per la carbocementazione, e per il trattamento a caldo di carburante e neutro relativamente alla carbocementazione, di materiali è noto il fatto che un gas di trattamento adatto ai trattamenti menzionati può essere prodotto mediante combustione sottostechiometrica, di, per esempio, gas naturale oppure propano, con aria, con adduzione di quantità piuttosto grandi di energia ausiliaria. In altri procedimenti correnti sulla base degli stessi materiali di partenza il gas di trattamento viene prodotto mediante una o più storte di catalizzatore, disposte nel forno di trattamento a caldo, e trasformazione locale dei menzionati materiali di partenza (vedere a questo scopo, per esempio, l'articolo tecnico "Grundsàtzliche Voraussetzungen fiir die Verringerung des Gasverbrauchs bei der geregelten Gasaufkohlung" da HTM 35/1980 Nr. 5, pagine da 230 fino a 237, in particolare Cap. 1.1, come pure, per esempio, il DE-OS 2363 700 (BBC) oppure EP-B 0261 461) . Parimenti in tempi più recenti sono divenuti noti procedimenti, i quali conseguono un'adatta atmosfera del forno mediante alimentazione diretta di una miscela di metano-aria in un forno, i quali lavorano quindi senza generatore o catalizzatore (vedere HTM 46/1991 Nr. 4, pagine da 248 fino a 253).

Se si considerano più dettagliatamente i procedimenti descritti più sopra in base alle reazioni di trasformazione fornenti l'atmosfera, quindi per esempio in base a

allora si può rilevare che le atmosfere formate presentano un rapporto di CO-a-H2 di 1, rispettivamente 1,5 a 2, e una percentuale di azoto del 40, rispettivamente circa il 46%. In relazione a ciò va notato che per esempio per processi di carbocementazione sono particolarmente vantaggiose in particolare atmosfere nelle quali il prodotto pCO x pH2 assume un massimo, quindi il rapporto C0-a-H2 è di 1 a 1, e nelle quali la percentuale di azoto è bassa (vedere l'articolo tecnico menzionato più sopra "Grundsätzliche Voraussetzungen... ", pag. 231). Realizzare atmosfere povere in azoto con l'ottimale rapporto di co-a-H2 di l a 1 in modo semplice e sulla base di procedimenti noti e basantisi in particolare su una trasformazione di aria e di un gas idrocarburico (gas KW), costituisce tuttavia un compito non risolto in modo soddisfacente (vedere per esempio il DE 41 10 361 Al - modalità di procedimento dispendiosa).

Questo compito viene ora risolto, secondo l'invenzione, per Il fatto che perlomeno durante una parte di un procedimento termico almeno parzialmente al posto del mezzo contenente l'ossigeno elementare (non legato) (il quale mezzo in generale è aria), per la formazione dell'atmosfera viene impiegato biossido di carbonio (C02), laddove il biossido di carbonio viene addotto al rispettivo gruppo di trasformazione — oppure direttamente al forno — , in una quantità adatta alla trasformazione della quantità data di gas idrocarburico, al posto del mezzo contenente ossigeno, addotto in modo corrispondentemente diminuito.

Per ragioni economiche l'aggiunta di C02 non viene eseguita vantaggiosamente per un intero svolgimento del trattamento termico, bensì questa viene stesa, conformemente ad un bilanciamento costi-utilità, favorevolmente al massimo sino all'80% della durata di un'operazione di trattamento, mentre per il resto viene formata un'atmosfera solamente di gas idrocarburico e di aria. In quasi tutti i trattamenti termici si possono ottenere già in questo modo tutti i vantaggi conseguibili.

L'effetto dell'aggiunta di C02 risulta visibile in base al caso esemplificativo del gas idrocarburico metano (il gas naturale consiste prevalentemente di metano) sulla base delle seguenti equazioni:

È rilevabile che aumentando l'impiego di biossido di carbonio al posto di aria (= 02 4 N2) si viene ad originare un gas di trattamento più povero in azoto e il quale inoltre presenta un rapporto di CO a H2 andante sempre più verso 1 a 1. Queste tendenze possiedono vantaggi, come gli stessi sono rilevabili dall'articolo tecnico già citato più sopra (per esempio un elevato numero di transizione di carbonio β) . A ciò si contrappone tuttavia la svantaggiosa circostanza secondo la quale il modo di procedere secondo l'invenzione condiziona la messa a disposizione di un addizionale materiale di partenza causante costi, più precisamente il biossido di carbonio. Si è tuttavia mostrato che la proposta secondo l'invenzione rappresenta ciò nonostante in pratica una vantaggiosa opzione, poiché da un lato l'aumento dei costi da parte del C02 nel caso di un impiego mirato e limitato può essere tenuto entro limiti, mentre dall'altro lato si possono conseguire vantaggi nelle carbocementazioni — elevata velocità di carbocementazione — parimenti come nel caso di altri trattamenti di ricottura. Del resto in unione con l'invenzione — oltre all'adatto collegamento di una sorgente di C02 all'adduzione di aria e ad un semplice comando addizionale — non vanno effettuate ampie modifiche a impianti di trattamento esistenti, cosicché il dispendio necessario secondo l'invenzione resta mantenuto entro limiti sopportabili.

Secondo l'invenzione vantaggiosamente contemporaneamente all'inserimento dell'aggiunta di C02 e alla diminuzione dell'adduzione di aria viene avviata un'adduzione elevata di gas idrocarburico (gas KW), laddove le quantità complessive dell'aggiunta di C02 e di gas KW sono in tal caso, come prima, accordate tra loro stechiometricamente. In tal modo, per esempio nel caso del metano, con un aumento del 25% dell'adduzione di gas idrocarburico si ottiene un'atmosfera secondo

Si ottiene in tal modo quindi una quantità chiaramente aumentata di gas di prodotto rispetto al caso di adduzione costante di gas KW (si confronti l'equazione di reazione centrale più sopra), per cui può essere prodotta per esempio senza problemi una quantità di gas corrispondente all'incirca alla quantità di gas di atmosfera prodotta originariamente con aria. In questo modo è pertanto possibile realizzare, sulla base di C02, un'alimentazione, quantitativamente sufficiente oppure addirittura aumentata, per trattamenti termici con gas di trattamento.

L'aria disponibile fondamentalmente può, secondo la presente invenzione, essere disinserita o parzialmente oppure anche completamente durante l'adduzione in corso di C02. Frequentemente, come venne rilevato, è vantaggiosa in particolare addirittura l'intera interruzione dell'adduzione di aria nella fase di aggiunta di C02, per esempio nel caso della ricottura, neutra relativamente alla cementazione, di pezzi ad alto tenore di carbonio (per esempio un materiale 100Cr6), poiché allora può venire ampiamente a mancare l'aggiunta di gas ingrassante, laddove in tal caso ha luogo vantaggiosamente un impiego relativamente lungo di C02, vantaggiosamente in particolare nella parte centrale del trattamento di bonifica.

Vantaggi particolari vengono ottenuti con l'invenzione in modo speciale nel caso di un trattamento termico carbocementante e in relazione a ciò in particolare se in esso nella fase di alta-carbocementazione di questo trattamento, iniziante e comprendente, in certe circostanze, solamente circa il 5 oppure anche sino al 70% della durata complessiva del trattamento, per la formazione di atmosfera viene impiegato C02 , mentre nella parte restante la formazione di atmosfera ha luogo senza adduzione di C02.

In relazione a ciò vanno ricordate ancora le equazioni di reazione già mostrate, dalle quali è rilevabile che con l'invenzione viene ottenuto un rapporti di CO-a-H2 nel gas di trattamento risultante migliore di 1 a 2, con la qual cosa ci si avvicina al rapporto di 1:1 teoricamente ottimale per una carbocementazione . A ciò si accompagna il fatto che è presente un favorevole numero di transizione di carbonio B.

Questo numero di transizione di carbonio fi di un'atmosfera è di grande importanza per una carbocementazione e, soprattutto, per la sua fase di inizializzazione, poiché in questa fase iniziale i singoli pezzi presentano ancora negli strati superficiali le percentuali di C relativamente massimalmente più basse e pertanto l'assorbimento di C di questi pezzi in questa fase dipende in modo molto sostanziale dalla fornitura di C, per la quale a sua volta il menzionato numero di transizione di C rappresenta una misura. In fasi, susseguenti temporalmente più tardi, di una carbocementazione l'importanza di questa fornitura di C si sposta invero in modo crescente in secondo piano, poiché gli strati marginali dei pezzi da carbocementare hanno raggiunto un tenore di carbonio saturato e la velocità di carbocementazione viene dominata allora dalla diffusione del carbonio dalla superficie verso l'interno del pezzo. Pertanto nelle fasi più tardive della carbocementazione il numero di transizione di C β per la velocità di carbocementazione non è più di importanza così rilevante e, come è anche previsto secondo l'invenzione, si può commutare su un'atmosfera con un numero fi più basso. Ciò ha luogo, per esempio, mediante la cessazione, disposta temporalmente in modo corrispondente, dell'aggiunta di C02 secondo l'invenzione, con contemporaneo nuovo inserimento o aumento dell'abituale adduzione di aria. Per la capacità di trasferimento di carbonio di un'atmosfera di gas, oltre al rapporto di dosaggio del monossido di carbonio rispetto all'idrogeno è sostanziale anche il contenuto di azoto dell'atmosfera. I vantaggi più grandi relativamente a un rapido processo di carbocementazione vengono conseguiti con un'atmosfera, la guale non contiene affatto azoto. Pertanto, secondo l'invenzione, nella fase importante di inizializzazione di una carbocementazione si mira preferibilmente a un'atmosfera completamente esente da azoto, la guale viene ottenuta mediante una formazione di atmosfera senza adduzione di aria secondo

In questo modo risulta quindi un'atmosfera di carbocementazione completamente esente da azoto, la quale inoltre presenta il rapporto ottimale di CO-a-H2 di 1 a 1. L'invenzione viene spiegata più dettagliatamente nel seguito in base ad un esempio di esecuzione:

pezzi di acciaio, per esempio ruote dentate, devono essere munite in un forno a camera, con un trattamento di carbocementazione di circa due ore e mezzo, di uno strato esterno duro, il quale possiede una penetrazione di tempra di circa 0,6 mm. Ciò può avere luogo fondamentalmente con un'atmosfera di trattamento, la quale è producibile in modo già noto sulla base di gas naturale e aria oppure per mezzo di un generatore di gas esterno oppure per mezzo di un impiego di catalizzatore disposto nella camera del forno. In relazione a ciò il gas naturale e l'aria vengono trasformati, secondo

in un'atmosfera di gas portante contenente N2 come pure CO e H2, laddove questa atmosfera presenta un rapporto di CO-a-H2 di 1 a 2. Relativamente a questa atmosfera si tratta dell'atmosfera generalmente molto abituale e cosiddetta atmosfera di endogas con il 20% di CO, il 40% di H2 e il 40% di N2- Nel caso di grandezze medie dei forni, per uno svolgimento di carbocementazione efficiente con questa atmosfera vanno addotti per esempio circa 10 metri cubi (me) di quantità complessiva di gas di trattamento all'ora, laddove come quantità di partenza sono necessari a tale scopo 2 me di gas naturale e 5 me di aria.

Oltre a questa preparazione fondamentale dell'atmosfera è necessaria del tutto in generale l'impostazione di questa atmosfera relativamente al livello di C. A tale scopo è necessaria l'aggiunta di un ulteriore mezzo, vale a dire di un gas di arricchimento, per esempio di un gas naturale, la quale aggiunta, nel caso della descritta atmosfera di endogas di 10 mc, va calcolata con all'incirca 0,25 me all'ora. L'aggiunta del mezzo di arricchimento ha luogo separatamente dall'adduzione del gas di trattamento ed essa viene espletata abitualmente in modo regolato mediante misurazione di una grandezza significativa dell'atmosfera di trattamento. Nel complessivo processo di carbocementazione vanno inoltre impostate, nel modo più favorevole, temperature del forno nell'intervallo da 800 fino a 1050 °C, preferibilmente temperature di 850 fino a 950 °C. Una carbocementazione effettuata nel modo precedentemente descritto venne quindi eseguita per esempio in modo tale per cui la descritta atmosfera di endogas, con un'adatta impostazione del livello di C, venne mantenuta uniformemente per un intero processo di carbocementazione. Secondo l'invenzione però un processo di carbocementazione viene effettuato come segue:

dopo il termine di una precedente carbocementazione, e nell'adduzione di una nuova carica di pezzi da carbocementare, in un forno viene preimpostata per esempio un'atmosfera di endogas standard. Breve tempo dopo l'alimentazione, e già prima del completo avvicinamento dei pezzi da trattare alla temperatura di trattamento definitiva, si effettua ora la commutazione, secondo l'invenzione, della produzione di atmosfera in modo tale che viene completamente interrotta l'adduzione di aria al generatore di gas, o alla storta del catalizzatore, mentre nello stesso tempo si inizia con l'adduzione di circa 2,5 me di C02 e con un'adduzione aumentata, in ragione di circa il 25%, di gas KW, qui metano. Nel seguito viene quindi prodotto un gas di trattamento secondo

(composizione: 50% di CO, 50% di H2), laddove la quantità di gas di prodotto corrisponde alla quantità di endogas prodotta precedentemente. In linea di principio la quantità di gas di prodotto può anche essere un po' aumentata o un po' diminuita in confronto alla quantità precedente di endogas, laddove ciò si orienta a seconda delle rispettive condizioni e desideri. Un aumento della quantità del flusso di gas fornisce in tal caso fondamentalmente relativamente agli svolgimenti previsti un effetto addizionalmente accelerante ed è vantaggioso soprattutto anche nel caso di grandi superfici delle cariche. Generalmente tuttavia anche nell'atmosfera commutata l'arricchimento va mantenuto adatto, laddove ciò può avere luogo — come abituale — attraverso la misurazione del potenziale di ossigeno, del tenore di C02 oppure del punto di rugiada della rispettiva atmosfera, e la corrispondente adduzione di gas naturale (vedere, per esempio, l'articolo tecnico citato più volte, a pag. 236).

Nel modo illustrato quindi da circa 2,5 me di CH4 e circa 2,5 mc di C02 all'ora, vengono formati all'ora 10 me di atmosfera complessiva di carbocementazione esente da azoto, laddove questa atmosfera presenta, in seguito al suo rapporto di C0-a-H2 ammontante a 1 a 1, un numero di transizione di carbonio β estremamente elevato

(βteor = 3,1 * 10<-5 >m/s).

Con questa atmosfera di base quindi secondo l'invenzione viene avviata la carbocementazione dei detti pezzi e questa viene proseguita sino ad un istante, nel quale, mediante l'elevata immissione di carbonio di questa atmosfera, non è più possibile raggiungere alcuna ulteriore accelerazione della velocità di carbocementazione. Ciò si verifica, notoriamente, allorquando gli strati marginali dei pezzi da carbocementare hanno assunto un tenore saturo di carbonio (poco prima della formazione di carburo - Fe3C) e l'ulteriore carbocementazione viene determinata poi solamente dalla diffusione del carbonio dalla superficie verso l'interno del pezzo. In particolare nel caso di grandi penetrazioni di tempra questa diffusione diviene alla fine determinante per l'intera durata di carbocementazione, mentre in penetrazioni di tempra più piccole il ruolo complessivamente dominante viene giocato dalla rapida carbocementazione marginale, quindi dall'efficiente trasferimento di carbonio.

In una versione modificata la carbocementazione descritta può essere cominciata, secondo l'invenzione, anche con un'atmosfera iniziale di carbocementazione, la quale non viene formata sulla base di un'adduzione dell'aria impostata in modo completo, bensì la quale viene ottenuta tramite una diminuita adduzione di aria accoppiata con una aggiunta più contenuta di C02. Per esempio una siffatta atmosfera si ottiene con

In questo modo viene quindi ottenuta un'atmosfera di gas di trattamento con circa il 37% di CO, il 47% di H2 e il 16% di N2, la quale rappresenta parimenti ancora un'atmosfera iniziale molto efficiente per carbocementazioni, la quale richiede tuttavia una più piccola adduzione di C02.

In ogni caso però dopo il raggiungimento di un tenore saturato di carbonio marginale, l'ulteriore carbocementazione del prodotto da carbocementare viene determinata dalla diffusione di carbonio in stati più profondi dei pezzi, laddove l'inizio della fase di diffusione dipende, nel caso singolo, sostanzialmente dal rispettivo rapporto del livello di C nella fase di alta cementazione CPH e nella fase di diffusione cPD, come pure dal tenore di carbonio marginale effettivamente desiderato al termine di un trattamento. Questa fase di diffusione può pertanto essere raggiunta già dopo il trascorrimento del 5%, oppure solamente anche dopo il trascorrimento del 70%, della durata complessiva di carbocementazione, laddove ciò è dipendente sostanzialmente dalla grandezza dei pezzi, dalla misura della carbocementazione e dalla desiderata penetrazione della carbocementazione. Secondo l'invenzione pertanto la commutazione di ritorno alle atmosfere menzionate più sopra ha luogo per esempio all'atmosfera di endogas standard dopo il 5 sino il 70%, preferibilmente dopo il 10 fino al 50%, della durata complessiva di carbocementazione. Nel caso esemplificativo illustrato più sopra di una carbocementazione da effettuare all'incirca in due ore e mezzo, con una penetrazione di tempra di 0,6 mm, quindi dopo il trascorrimento di circa 15 fino a 70 minuti. A tale scopo nell'istante, fissato in modo corrispondente, viene interrotta l'aggiunta di CO2 al rispettivo gruppo di trasformazione, e nello stesso tempo viene iniziata nuovamente una corrispondente adduzione di gas naturale e di aria, laddove del resto, come prima, deve avere luogo un'adatta adduzione di gas naturale di arricchimento. Questa adduzione di gas naturale deve essere impostata alla fine, nella fase restante della diffusione della carbocementazione, in modo tale per cui nei pezzi il desiderato contenuto di carbonio marginale possa essere mantenuto dall'atmosfera allora formata. Per il conseguimento della desiderata durezza martensitica massimale di uno strato marginale vanno impostati, nel caso generale — in funzione del materiale trattato — tenori tra lo 0,7 e lo 0,9% di C nello strato marginale. Una siffatta impostazione dell'atmosfera è possibile in principio senza problemi nuovamente con le regolazioni del livello di C, già menzionate e di per sé note, di questa atmosfera ora nuovamente contenente azoto.

Con il procedimento descritto più sopra viene conseguito un accorciamento di processi di carbocementazione soprattutto mediante l'atmosfera impiegata inizialmente e favorente il modo estremo il trasferimento di carbonio — . Questo accorciamento può raggiungere, a seconda delle condizioni di partenza, sino al 30% dell'abituale durata di carbocementazione a endogas, laddove i vantaggi temporali più rilevanti sono conseguibili in particolare nel caso di penetrazioni di tempra più piccole, poiché con queste risultano di importanza preponderante il trasferimento di carbonio e l'elevata carbocementazione all'inizio del trattamento .

Oltre alle rapide carbocementazioni la proposta di procedimento secondo l'invenzione può essere impiegata del tutto in generale in trattamenti termici. Atmosfere formate da C02 e da gas naturale presentano, rispetto alle atmosfere tradizionali a endogas, un'elevata capacità di carbocementazione secondaria, in seguito all'elevato tenore di CO. Ciò gioca un'importanza sostanziale in particolare nel caso di trattamenti a caldo neutri relativamente alla carbocementazione, poiché con un'elevata capacità secondaria di carbocementazione è vantaggiosamente possibile trattare a caldo materiali con tenori più elevati di carbonio di matrice (non è necessario alcun arricchimento). In relazione a ciò queste atmosfere vengono previste preferibilmente nell'intera parte centrale delle rispettive ricotture, mentre la parte iniziante e la parte di conclusione vengono condotte nuovamente favorevolmente con endogas. Inoltre secondo l'invenzione possono essere effettuate in modo particolarmente vantaggioso in particolare anche carbocementazioni di pezzi a parete sottile, i quali devono ricevere solamente una profondità di carbocementazione molto piccola. L'invenzione offre quindi i vantaggi nell'ambito di una pluralità di trattamenti termici standard, i quali vantaggi giustificano senz'altro il necessario dispendio.

Claims (3)

1. a 2, caratterizzato dal fatto che contemporaneamente all'inserimento dell'aggiunta di C02 viene avviata un'aumentata adduzione di gas idrocarburico, laddove le aggiunte hanno luogo in quantità accordate tra loro stechiometricamente. 4. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino a 3, caratterizzato dal fatto che, nel caso di una carbocementazione, nella parte iniziante di questo trattamento, la quale ammonta dal 5 fino al 70% della durata complessiva del trattamento, per la formazione dell'atmosfera viene impiegato C02 (parte di alta carbocementazione), mentre nella parte restante la formazione dell'atmosfera ha luogo senza aggiunta di C02 (fase di diffusione). Rivendicazioni 1. Procedimento per il trattamento a caldo, in particolare per la carbocementazione, di pezzi metallici in un forno ad elevate temperature e in un'atmosfera di gas, nel quale la relativa atmosfera complessiva viene prodotta mediante trasformazione di un gas idrocarburico, in particolare di gas naturale oppure di propano, con un ulteriore mezzo contenente ossigeno elementare, in particolare aria, laddove questa trasformazione viene effettuata eventualmente in modo favorito da un dispositivo di generatore oppure di catalizzatore presso il forno oppure nel forno, e laddove, in funzione delle necessità, addizionalmente all'atmosfera viene aggiunto un mezzo di arricchimento per l'adatta impostazione del livello di carbonio, caratterizzato dal fatto che, perlomeno durante una parte del trattamento termico, per la formazione dell'atmosfera al posto del mezzo contenente ossigeno elementare (non-legato) viene impiegato, perlomeno parzialmente, biossido di carbonio (C02), laddove il biossido di carbonio viene addotto, in una quantità adatta alla trasformazione a formare l'atmosfera di trattamento, direttamente al rispettivo gruppo di trasformazione oppure al forno, al posto del mezzo contenente ossigeno, addotto in modo corrispondente diminuito.
2. 2. Procedimento secondo la rivendicazione l, caratterizzato dal fatto che durante un intervallo di tempo, ammontante al massimo sino all'80% della durata complessiva di trattamento, nell'ambito del trattamento termico viene impiegato C02 per la formazione dell'atmosfera.
3. 3. Procedimento secondo una delle rivendicazioni da 1 fino