Begasungssysteme bei der Gasaufkohlung

August 27, 2020

Begasungssysteme bei der Gasaufkohlung

Aufkohlungsprozesse können auf vielfältige Weise durchgeführt werden. Während die Prozesse der Pulver-, Salzbad- oder Plasmaaufkohlung heute kaum noch Verwendung finden, stellen aktuell die klassische Gasaufkohlung sowie die Niederdruckaufkohlung (LPC) fast die komplette Bandbreite aller industriel genutzten Anwendungen dar.

Bei der Gasaufkohlung findet die Übertragung des Kohlenstoffes (C) durch die Adsorption (Anlagerung und Zerfall) von Kohlenstoffmonoxid (CO) an der Bauteiloberfläche statt. 

 

Der zusätzlich zum adsorbierten Kohlenstoff frei werdende atomare Sauerstoff (O) reagiert hauptsächlich mit dem Kohlenstoffmonoxid (CO) aus der Ofenatmosphäre gemäß der Boudouard-Reaktion zu Kohlenstoffdioxid (CO2) oder gemäß dem heterogenen Wassergasgleichgewichtes mit dem Wasserstoff (H2) aus der Ofenatmosphäre zu Wasserdampf (H2O). Ein geringer Anteil des Sauerstoffes (O) diffundiert ebenso wie der Kohlenstoff (C) in das Bauteil hinein und führt dort besonders an den Korngrenzen zur Randoxidation (Inter Granular Oxidation).

Um eine über alle Bauteile einer Charge gleichmäßige Aufkohlung garantieren zu können, ist es wichtig, dass der Kohlenstoffmonoxid-Anteil der Ofenatmosphäre während des Prozesses über den gesamten Querschnitt des Ofenraumes hin unverändert bleibt. Aus diesem Grunde muss diesem entweder ständig Kohlenstoffmonoxid hinzugefügt werden oder aber der Kohlenstoffmonoxid - Gehalt der Ofenatmosphäre durch Aufbereitung annährend konstanten gehalten werden: Die permanente Zugabe des Kohlenstoffmonoxids zur Erzeugung einer optimalen Ofenatmosphäre (hier geht man normaler Weise von 20 Vol% Kohlenstoffmonoxid (CO), 40 Vol% Wasserstoff (H2) und 40 Vol% Stickstoff (N2) aus) kann durch drei industriell genutzte Verfahren realisiert werden. Zum einen kann die Ofenbegasung durch Endogas erfolgen. Dabei handelt es sich um eine in einem externen Generator durch unterstöchiometrischen Verbrennung von einem Kohlenwasserstoff (meist Erdgas bzw. Methan (CH4) oder Propan (C3H8)) und Luft bei ca. 1000°C erzeugte Gasmischung, die sich durch einen konstanten Kohlenstoffmonoxid-Gehalt auszeichnet und über ein breites Temperaturspektrum verwendbar ist. Zum zweiten kann die Ofenbegasung durch Stickstoff (N2) und Methanol (CH3OH), die direkt in den Ofenraum gegeben werden, erfolgen. Dabei wird das Methanol meist flüssig in den Ofenraum gegeben und zerfällt dort ab einer Temperatur von ca. 750°C rein thermisch in seine Bestandteile Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff. Durch die Zugabe von (bzw. Verdünnung durch) Stickstoff kann nun der gewünschte Kohlenstoffmonoxid-Gehalt der Ofenatmosphäre variabel eingestellt werden. Als dritte und letzte Möglichkeit kann die Ofenbegasung durch eine direkte Begasung der Heizkammer von einem Kohlenwasserstoff (meist Erdgas bzw. Methan oder Propan) und Luft erfolgen. Diese Reaktion erfolgt analog der im Endogasgenerator und benötigt deshalb hohe Prozesstemperaturen, um einen guten Aufbau der Ofenatmosphäre gewährleisten zu können. Im Vergleich zu den beiden zuvor genannten Begasungssystemen ist dies Verfahren zwar am sparsamsten im Gasverbrauch, im Temperaturbereich (die Behandlungstemperatur sollte größer als 900°C sein) aber stark eingeschränkt.  

 

Alle bereits genannten Begasungssysteme haben gemein, dass die Ofenatmosphäre durch einen Spülprozess erzeugt wird. Hierbei wird dem Ofenraum permanent eine definierte Menge Prozessgas hinzugefügt, wieder abgeführt und sicher verbrannt. Dies hat neben einem großen thermischen Verlust des Abgases auch einen hohen Prozessgasverbrauch zur Folge. Um diesen Verbrauch zu senken und auch die Kohlenstoffdioxid Emissionen zu minimieren, kann die ‚verbrauchte' Ofenatmosphäre auch in einem Rezirkulationsprozess wieder Aufbereitet und dem Ofenraum erneut zugeführt werden. Hierbei wir durch den Aufkohlungsprozess entstandenes Kohlenstoffdioxid und Wasserdampf durch Zugabe eines Kohlenwasserstoffes wieder in für den Aufkohlungsprozess benötigtes Kohlenstoffmonoxid und Wasserstoff umgewandelt.

Um mehr über die speziellen Eigenschaften der einzelnen Begasungssysteme wie zum Beispiel Erzeugung, Systemeigenheiten und -grenzen sowie Vor- und Nachteile zu erfahren, verweisen wir auf unser Ipsen HEAT TEC Webinar ‚Atmosphärentechnik Teil II - Begasungssysteme bei Aufkohlungsprozessen'. Informationen zu den Ipsen HEAT TEC Webinaren finden Sie hier....