Die Atmosphäre in einem Drahtgitterofen besteht nicht nur aus heißer Luft – es handelt sich um ein präzise kontrolliertes chemisches Milieu, das darüber entscheidet, ob die Teile blank und sauber oder oxidiert und entkohlt aus dem Ofen kommen. Die Kontrolle der Atmosphäre unterscheidet einen guten Wärmebehandler von einem mittelmäßigen.
Die Siebbandöfen von MONTE INTELLIGENCE arbeiten je nach Prozessanforderungen mit verschiedenen Atmosphärensystemen. Dieser Artikel beschreibt die drei gängigsten Arten von kontrollierter Atmosphäre, die zugehörigen Erzeugungsanlagen und die Kontrollparameter, die die Atmosphärenqualität bestimmen.
Endothermes Gas – in Wärmebehandlungsbetrieben auch als „ddhhhendo gas"“ bekannt – ist die Standardatmosphäre für das neutrale Härten, Aufkohlen und Carbonitrieren von Stahlteilen. Es wird durch die Reaktion von Erdgas (oder Propan) mit Luft in einem externen Generator bei etwa 1050 °C über einem Nickelkatalysator erzeugt. Die Reaktion verläuft ungefähr wie folgt: CH₄ + 2,38 (0,21 O₂ + 0,79 N₂) → CO + 2 H₂ + 1,88 N₂. Das entstehende Gas besteht aus etwa 20 Vol.-% CO, 40 Vol.-% H₂ und 40 Vol.-% N₂.
Das Kohlenstoffpotenzial von Endogas – seine Fähigkeit, Kohlenstoff an die Stahloberfläche anzulagern oder von ihr zu entfernen – hängt vom CO/CO₂-Verhältnis und der Ofentemperatur ab. Bei 850 °C weist Endogas mit einem Taupunkt von +5 °C ein Kohlenstoffpotenzial von etwa 0,35 % C auf. Durch Absenken des Taupunkts auf -5 °C erhöht sich das Kohlenstoffpotenzial auf etwa 0,60 % C. Dieser Zusammenhang wird durch die Wassergas-Shift-Reaktion bestimmt: CO + H₂O ↔ CO₂ + H₂. Das bedeutet, dass die Kontrolle des Wasserdampfgehalts (Taupunkt) das Kohlenstoffpotenzial steuert.
Der endotherme Generator selbst ist eine kritische Anlage. Er besteht aus einer beheizten Retorte, die mit Nickelkatalysator gefüllt ist und durch die das Luft-Gas-Gemisch strömt. Die Reaktion ist endotherm – sie absorbiert Wärme – daher der Name. Die Retorte arbeitet bei 1000–1100 °C und muss aus einer Hochtemperaturlegierung, typischerweise RA330 oder Incoloy 800HT, gefertigt sein. Ihre geplante Lebensdauer beträgt 3–5 Jahre im Dauerbetrieb. Ein Ausfall der Retorte ist eine häufige Ursache für ungeplante Ofenstillstände. Daher sollte jede Wärmebehandlungsanlage mit endothermer Gaserzeugung eine Ersatzretorte vorhalten.
Der Katalysator im Generator verschlechtert sich mit der Zeit durch Kohlenstoffablagerungen (Verkokung) und Schwefelvergiftung durch das Erdgas. Schwefel stellt das größere Problem dar: Nickelkatalysatoren werden bereits bei Konzentrationen von wenigen ppm dauerhaft vergiftet. Die Spezifikationen für Erdgas erlauben typischerweise bis zu 30 ppm Schwefel, was weit über der Toleranzgrenze des Katalysators liegt. Ein Entschwefelungsbett – Aktivkohle oder Zinkoxid – vor dem Generator ist daher unerlässlich und muss je nach Schwefelgehalt des Gases alle 6–12 Monate ausgetauscht werden.
Eine Stickstoff-Methanol-Atmosphäre ist die Alternative zu Endogas für Anlagen, die keinen Endogenerator betreiben möchten. Die Atmosphäre wird durch direktes Einleiten von flüssigem Methanol (CH₃OH) und Stickstoffgas in den Ofen erzeugt. Bei Ofentemperatur dissoziiert Methanol: CH₃OH → CO + 2 H₂, wodurch das gleiche CO:H₂-Verhältnis von 1:2 wie bei Endogas entsteht. Der Stickstoff verdünnt das Gemisch, um das gewünschte Kohlenstoffpotenzial zu erreichen.
Der Vorteil von Stickstoff-Methanol liegt in seiner Einfachheit – kein Generator, kein Katalysator, keine Retorte. Das System besteht aus einem Flüssigmethanol-Lagertank, einer Stickstoffversorgung (Flüssigstickstofftank oder Membran-Stickstoffgenerator), Durchflussreglern und Einspritzdüsen im Ofen. Die Inbetriebnahme dauert nur Minuten, im Gegensatz zu den Stunden, die zum Aufheizen eines Endogenerators benötigt werden.
Der Nachteil liegt in den Kosten. Flüssiges Methanol ist pro erzeugter Atmosphäreneinheit teurer als Erdgas. Bei typischen Methanolpreisen von 0,40–0,60 US-Dollar pro Liter belaufen sich die Atmosphärenkosten für einen Bandofen mit einem Verbrauch von 40 Litern Methanol pro Stunde auf 16–24 US-Dollar pro Stunde bzw. auf etwa 380–580 US-Dollar pro Tag im Dauerbetrieb. Ein mit Erdgas betriebener Endogenerator erzeugt das gleiche Atmosphärenvolumen zu etwa 30–40 % geringeren Kosten. Die Entscheidung zwischen den beiden Systemen hängt letztendlich von den Investitions- und Betriebskosten sowie der Frage ab, ob die Anlage über die notwendigen Wartungskapazitäten für den zuverlässigen Betrieb eines Endogenerators verfügt.
Dissoziiertes Ammoniak wird zum Blankglühen von Edelstahl, Kupfer und Messing verwendet – Prozesse, bei denen die Atmosphäre reduzierend, aber nicht aufkohlend sein muss. Wasserfreies Ammoniak (NH₃) wird in einer externen Anlage dissoziiert: 2 NH₃ → N₂ + 3 H₂. Dabei entsteht ein Gas, das zu 75 Vol.-% aus Wasserstoff und zu 25 Vol.-% aus Stickstoff besteht. Diese Atmosphäre ist stark reduzierend – der hohe Wasserstoffgehalt reduziert eventuell vorhandene Metalloxide auf der Werkstückoberfläche – und enthält keinen Kohlenstoff, sodass keine Gefahr der Aufkohlung oder Entkohlung besteht.
Der Dissoziator arbeitet bei etwa 950 °C mit einem Eisen-Nickel-Katalysator in einer Retorte, die einem Endogenerator ähnelt, jedoch kleiner ist, da die Ammoniakdissoziationsreaktion einfacher und schneller abläuft. Die Ammoniakversorgung erfordert besondere Sorgfalt: Wasserfreies Ammoniak ist ein Gefahrstoff, der spezielle Lagerbedingungen, Leckageerkennung und Notfallmaßnahmen erfordert. Das dissoziierte Gas ist aufgrund des hohen Wasserstoffgehalts entzündlich und muss unter Beachtung der entsprechenden Sicherheitsvorschriften gehandhabt werden.
Die Instrumentierung zur Atmosphärenregelung hat sich von der manuellen Taupunktmessung zur automatisierten Kohlenstoffpotenzialregelung weiterentwickelt. Der moderne Ansatz verwendet eine Sauerstoffsonde (Zirkonoxidsensor), die direkt in die Heizzone des Ofens eingeführt wird. Die Sonde misst den Sauerstoffpartialdruck in der Ofenatmosphäre, woraus anhand des CO-Gehalts und der Ofentemperatur das Kohlenstoffpotenzial berechnet wird. Das Sondensignal steuert die Zufuhr von Anreicherungsgas (Erdgas oder Propan), um den Sollwert des Kohlenstoffpotenzials zu halten.
Sauerstoffsonden erfordern regelmäßige Wartung. Die Sondenspitze muss von Ruß- und Kohlenstoffablagerungen gereinigt werden, üblicherweise alle 1–3 Monate, abhängig vom zu haltenden Kohlenstoffpotential. Die Sonde sollte mindestens vierteljährlich anhand einer Referenz – entweder einer Kohlenstoffanalyse von Ausgleichsmaterialien oder eines tragbaren Taupunktmessgeräts – kalibriert werden. Eine Sonde, deren Kohlenstoffpotentialmessung um 0,05 % abweicht, kann zu Bauteilen führen, deren Härte um 1–2 HRC-Punkte vom Sollwert abweicht. Dies kann den Unterschied zwischen einer bestandenen und einer nicht bestandenen Charge ausmachen.
MONTE INTELLIGENCE liefert Bandöfen mit integrierten Atmosphärensystemen, darunter Endogeneratoren, Stickstoff-Methanol-Systeme und Ammoniakdissoziatoren. Wir bieten außerdem Instrumente zur Atmosphärenregelung und Unterstützung bei der Inbetriebnahme.
Für Spezifikationen zum Atmosphärensystem für Ihren Wärmebehandlungsprozess wenden Sie sich bitte an helenxu@cnlymonte.com.
