SYSTEM FOR MONITORING THE CONSTITUTION OF THE ATMOSPHERE OF A HEAT-TREATING FURNACE

Abstract: The control of the composition of the atmosphere of an oven for the nitridation of the surface of ferrous workpieces or similar by means of a gas containing hydrogen or ammoniac, comprises an ammonia cracking plant which introduces at least one part of the gas containing ammonia in the chamber (1) of the oven. An adjusting member (13, 14) controls the flow of the cracked ammonia towards the oven as a function of measured values which are provided by a sensor (12) from the gases samples continuously from the oven and by means of an appropriate electric circuit. To comply with the different operation conditions in a simple way and to take into account automatically all the essential parameters of the process for appropriately effecting the nitridation, the adjusting member (13, 14) controlling the supply of cracked ammonia cooperates, upstream, with a programmer (16) which provides to the adjusting member (13, 14) an order value depending on the programme. Thus, the programmer (16) controls in addition the adjusting member for the supply of cracked ammonia to the oven (1) and a temperature regulator (17) of the oven (1) by means of a programme order value.

Description: Anordnung zur Steuerung der Zusammensetzung der Atmosphäre eines Wärmebehandlungsofens Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Steuerung der Zusammensetzung der Atmosphäre eines Wärmebehandlungsofens zum Nitrieren der Oberfläche von Eisenteilen oder dergleichen, unter Verwendung eines wasserstoff- und ammoniakhaltigen Gases, mit einer zumindest einen Teil des ammoniakhaltigen Gases in die Ofenkammer einspeisenden Ammoniakspalteinrichtung, der ein die Spaltgaszufuhr zu der Ofenkammer in Abhängigkeit von Messwerten für das Nitrierpotential regelnder Regler zugeordnet ist, dessen zugeführte Messwerte von einem fortlaufend mit Gas aus der Ofenatmosphäre versorgten Messwertgeber über eine Messschaltung abgegeben werden. Bei einer aus der DE-OS 2 734 219 bekannten Messund Regelanordnung für eine Nitrieratmosphäre ist es bekannt, zumindest einen Teil des ammo- niakhaltigen Gases über eine Ammoniakspalteinrichtung in die Ofenkammer einzuspeisen und dabei die Ammoniakspalteinrichtung selbst durch einen Regler so zu regeln, dass der Zersetzungsgrad des Ammoniaks in der Ofenkammer konstant gehalten wird. Zu diesem Zweck ist ein Messgeber für das durch das Verhältnis (PNH3/PH2)1'5 de finierte Nitrierpotential vorhanden, der in einem geschlossenen Nebenkreislauf mit Rückführung der Ofenatmosphäre angeordnet, d.h. dauernd von aus dem Ofen abgezogenem Gas durchströmt ist, das anschliessend wieder in die Ofenkammer zurückgeleitet wird. Der Messwertgeber besteht im wesentlichen aus einer Gasanalyseneinheit, die den NH3 - und/oder H2 -anteil im Messgas feststellt und hieraus über einen angeschlossenen Rechnerteil den Ist-Wert des Nitrierpotentials in der Ofenatmosphäre feststellt. Die Nitrierwirkung der Oberfläche der Eisenteile hängt ausser von der Zusammensetzung der Ofenatmosphäre auch von der Behandlungstemperatur und der Zeitdauer der Einwirkung der Ofenatmosphäre auf die Oberfläche ab. Diese Parameter können aber bei der bekannten Messung der Regelanordnung nicht ohne weiteres berücksichtigt werden, was bedeutet, dass abhängig von der Art der gerade zu behandelnden Werkstücke nicht nur der Regler der Ammoniakspalteinrichtung verstellt, sondern auch die anderen Verfahrensparameter eigens neu eingestellt werden müssen, um gute Nitrierergebnisse zu erzielen. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, der-es gestattet, in einfacher Weise bei der Bearbeitung unterschiedlicher Werkstücke auftretenden verschiedenen Verfahrensbedingungen Genüge zu leisten, und dabei alle für das Ergebnis des Nitrierverfahrens wesentlichen Verfahrensparameter selbsttätig zu berücksichtigen. Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Anordnung erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass der die Spaltgaszufuhr zu der Ofenkammer beeinflussende Regler einem selbsttätigen zeitabhängigen Programmregler nachgeschaltet ist, der dem Regler einen programmabhängigen Sollwert vorgibt und dass'durch den Programmgeber zusätzlich ein Regler für die Zufuhr des ammoniakhaltigen Gases zu der Ofenkammer sowie ein Temperaturregler für die Ofenkammer, jeweils durch Sòllwertvorgabe, programmgemäss geführt sind. Damit werden die für das Nitrierverfahren massgebenden Parameter, wie die Gaszusammensetzung, die Temperatur in der Ofenkammer und die Zeiten vollautomatisch programmgemäss geregelt, ohne dass es dazu eigener von Hand zu erfolgender Einstellvorgänge bedürfte. Über den Programmgeber kann, beispielsweise über eine Programmkassette, jeweils das für die gerade bearbeitete Werkstückart zweckmässige Programm eingegeben werden; durch programmgemässe Einwirkung auf die einzelnen Regler stellt er sicher, dass der Nitrierprozess exakt abläuft, so dass sich optimale Verfahrensergebnisse erzielen lassen. Der die Spaltgaszufuhr zu der Ofenkammer beeinflussende Regler und der Regler für die Zufuhr des ammoniakhaltigen Gases zu der Ofenkammer können zu einer Regeleinheit zusammengefasst sein. Besonders vorteilhaft ist es auf der anderen Seite, wenn in einer Zufuhrleitung des Spaltgases und einer Zufuhrleitung des ammoniakhaltigen Gases zu der Ofenkammer jeweils ein. Steuerventil liegt und die Steuerventile durch den jeweils zugeordneten Regler angesteuert sind. Auf diese Weise erfolgt kein unmittelbarer Steuereingriff auf die Ammoniakspalteinrichtung; es wird vielmehr unmittelbar die Gaszufuhr zu der Ofenkammer geregelt. Dies ist deshalb von Bedeutung, weil aus praktischen Gründen es zweckmässig ist, in der Ofenkammer einen etwa konstanten Gas überdruck aufrecht zu erhalten, so dass bei einer Nachregelung des Nitrierpotentials sowohl die Zufuhr des ammoniakhaltigen Gasanteils als auch des Spaltgases eine Veränderung erfährt. Um einen Überblick über den Verlauf des Nitrierverfahrens zu erhalten, ist es zweckmässig, dass den einzelnen Reglern jeweils Aufzeichnungsvorrichtungen für für das Nitrierpotential kennzeichnende Werte und die Temperatur in der Ofenkammer nachgeschaltet sind. Wenn mit der Anordnung eine sogenannte Zweistufen-Gasnitrierung vorgenommen werden soll, kann der Programmgeber ein zweistufiges Programm enthalten, wobei dann jeder der beiden Programmstufen ein eigener Regler für die Zufuhr des Spaltgases und des ammoniakhaltigen Gases zugeordnet ist. Die selbsttätige Regelung des Nitrierverfahrens über den Programmgeber gewährleistet eine immer gleichbleibende, durch das jeweilige Programm vorgegebene Nitirerschicht. Die Dicke und Ausbildung der Verbindungszone (prozentualer Porositätsanteil) sowie die Diffusionszone werden dabei durch den Ablauf der Nitrierprozesse, die auf die einzelnen Werkstoffe abgestimmt sind, bestimmt. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt. Die Figur zeigt eine Anordnung zur Steuerung der Zusammensetzung der Ofenatmosphäre gemäss der Erfindung in schematischer Darstellung. In die bei 1 angedeutete Kammer eines nicht weiter veranschaulichten, beheizten Wärmebehandlungsofens, in der die zu behandelnden Werkstücke sich befinden, mündet eine Gaszufuhrleitung 2, an die sich über ein erstes Mangentventil 3 und ein zweites Magnetventil 4 eine Zufuhrleitung 5 für Spaltgas und eine Zufuhrleitung 6 für Ammoniak anschliessen. Die Ammoniak Zufuhrleitung führt über einen Druckregler 7 zu einem Ammoniakvorratsbehälter 8, in dem Ammoniak unter Druck aufbewahrt ist. Von der Ammoniak-Zufuhrleitung 6 zweigt eine Leitung 9 ab,die eine Ammoniakspalteinrichtung 10 speist, in welcher eine Vor spaltung des Ammoniaks durch Wärmezufuhr erfolgt und aus der das Spaltgas über die Spaltgaszufuhrleitung 5 abströmt. Aus der Ofenkammer 1 wird über eine Messleitung 11 fortlaufend Gas abgesaugt, das einem Messwertgeber 12 zugeführt wird, der auf'dem Wege einer Analyse fortlaufend den NH3- und/oder H2 Anteil in dem Messgas feststellt und daraus einen für das Nitrierpotential (PNH3/PH2)1,5 kennzeichnenden Messwert bildet. Das Messgas kann nach der Analyse entweder in die Atmosphäre abgeblasen oder wieder in die Ofenkammer 1 zurückgeführt werden. Der Ausgang des Messwertgebers 12 ist mit dem Eingang zweier Regler 13, 14 verbunden, die ihrerseits ausgangsseitig die beiden Magnetventile 3 und 4 ansteuern. Ausserdem ist an die Ausgangsseite der beiden Regler 13 und 14 ein Nitrierpotential-Schreiber 15 angeschlossen, der eine dauernde Aufzeichnung über das eingestellte Nitrierpotential der Ofenatmosphäre gibt. In den beiden Reglern 13 und 14 wird der von dem Messgeber 12 gelieferte Ist-Wert des Nitrierpotentials jeweils mit einem Vollwert verglichen, der von einem Programmgeber 16 in die Regler eingegeben wird. Der Programmgeber 16 ist zeitabhängig; er ist derart ausgebildet, dass beispielsweise mittels einer Programmkassette, verschiedene Programme in ihn eingegeben werden können, die er selbsttätig in jeweils programmgemäss vorgegebener Zeitabhängigkeit durchfährt. Zusätzlich zu den beiden Reglern 13 und 14 führt der Programmgeber 16 durch entsprechende Sollwertvorgabe einen nachgeschalteten Temperaturregler 17, der über eine Leitung 18 auf die Beheizung der Ofenkammer 1 Eingriff nimmt und der mit einem Temperaturschreiber 19 verbunden ist, welcher fortlaufend den Temperaturgang in der Ofenatmosphäre aufzeichnet. In den Programmgeber 16 wird entsprechend der Art der jeweils zu behandelnden Werkstücke ein be stimmtes Programm mittels der Programmkassette eingegeben. Er gibt programmabhängig den beiden Reglern 73 und 14 sowie dem Temperaturregler 17 jeweils einen Sollwert vor, auf den der Ist Wert des Nitrierpotentials bzw. der Temperatur eingeregelt wird. Die Anordnung ist dabei derart getroffen, dass der Regler 13 bei einem Zweistufen-Nitrierverfahren lediglich während der ersten Stufe wirkt und der zweite Regler 14 während der zweiten Stufe des Programmablaufes zur Wirkung kommt. Die beiden Regler 13 und 14 regeln über die Magnetventile 3 und 4, entsprechend den von dem Programmgeber vorgegebenen zeitlichen Verlauf des Nitrierpotentials, die Anteile des Spaltgases und des Ammoniaks, die über die Gaszufuhrleitung 2 in die Ofenkammer 1 einströmen, derart, dass in dieser das jeweils notwendige Nitrierpotential aufrechterhalten bleibt, während andererseits über den Temperaturregeler 17 der Temperaturgang der Ofenatmosphäre programmgemäss geregelt wird. Falls mit dieser Anordnung lediglich ein einstufiges Nitrierverfahren durchgeführt werden soll, wird von dem Programmgeber 16 nur auf den einen Regler 13 und den Temperaturregler 17 Eingriff genommen. Sollten bei dem Nitrierverfahren noch weitere Verfahrensparameter von Bedeutung sein, wie dies beispielsweise beim Zusatz von kohlenstoffhaltigen Gasen (C02, Methan etc) der Fall ist, so können auch diese Parameter über entsprechende, dem Programmgeber 16 nachgeschaltete Regler selbsttätig programmgemäss geregelt werden.

Claims: Patentansprüche: 1. Anordnung zur Steuerung der Zusammensetzung der Atmosphäre eines Wärmebehandlungsofens zum Nitrieren der Oberfläche von Eisentei len oder dergleichen, unter Verwendung ei nes wasserstoff- und ammoniakhaltigen Ga ses, mit einer zumindest einen Teil des am moniakhaltigen Gases in die Ofenkammer ein speisenden Ammoniakspalteinrichtung, der ein die Spaltgaszufuhr zu der Ofenkammer in Ab hängigkeit von Messwerten für das Nitrierpo tential regelnder Regler zugeordnet ist, des sen zugeführte Messwerte von einem fortlaufend mit Gas aus der Ofenatmosphäre versorgten Messwertgeber über eine Messschaltung abgege ben werden, dadurch gekennzeichnet, dass der die Spaltgaszufuhr zu der Ofenkammer (1) be einflussende Regler (13, 14) einem selbst tätigen, zeitabhängigen Programmgeber (16) nachgeschaltet ist, der dem Regler (13, 14) einen programmabhängigen Sollwert vorgibt und dass durch den Programmgeber (16) zusätz lich ein Regler für die Zufuhr des ammoniak kaltigen Gases zu der Ofenkammer (1) sowie ein Temperaturregler (17) für die Ofenkam mer (1) jeweils durch Sollwertvorgabe pro grammgemäss geführt sind. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der die Spaltgaszufuhr zu der Ofenkammer (1) beeinflussende Regler und der Regler für die Zufuhr des ammoniakhaltigen Gases zu der Ofenkammer (1) zu einer Regel einheit (13) bzw. (14) zusammengefasst sind. 3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Zufuhrleitung (5) des Spaltgases und einer Zufuhrleitung (6) des ammoniakhaltigen Gases zu der Ofen kammer (1) jeweils ein Steuerventil (3, 4) liegt und die Steuerventile (3, 4) durch den jeweils zugeordneten Regler (13, 14) angesteuert sind. 4. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass den einzel nen Reglern (13, 14, 17) jeweils Aufzeich nungsvorrichtungen für für das Nitrierpo tential kennzeichnende Werte und die Tempe ratur in der Ofenkammer (1) nachgeschaltet sind. 5. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass der Programm geber (16) ein zweistufiges Programm enthält und jeder der beiden Programmstufen ein ei gener Regler (13 bzw. 14) für die Zufuhr des Spaltgases und des ammoniakhaltigen Gases zu geordnet ist. 6. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, dass die Program me des Programmgebers (16) wahlweise aus tauschbar sind.

Inventors: WEISS, HEINRICH, DR.-ING.
Applicants: AICHELIN GMBH
Application year: 1980
Main classification: C23C11
IPC codes: G05D21, C21D1, C23C8, C21D11