Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung einer Ofenatmosphäre in einem direkt beheizten Wärmebehandlungsofen.

Wärmebehandlungsöfen, wie zum Beispiel direkt beheizte Öfen (direct fired furnace, auch DFF genannt), sind in der Praxis etablierte Öfen, die zur Wärmebehandlung von Metallen verwendet werden. Diese werden standardmäßig mit fossilen Brennstoffen, wie zum Beispiel Erdgas, gespeist. Da die Verbrennung im Ofen stattfindet, kann mit Hilfe der direkten Beheizung, je nach eingestellter Luftzahl (Lambda-Wert des Brenngases), eine reduzierende oder oxidierende Ofenatmosphäre eingestellt werden. Im Ofen befindet sich somit das Verbrennungsgas der Brenner, welches einen hohen Anteil Wasser und, je nach Luftzahl, Sauerstoff (0 ₂ ) und Kohlenstoffdioxid (C0 ₂ ) oder Wasserstoff (H ₂ ) und Kohlenstoffmonoxid/ Kohlenstoffdioxid (CO/CO ₂ ) enthält.

Im Rahmen der weltweit geforderten Dekarbonisierung sollen mit fossilen Brennstoffen betriebene Anlagen in Zukunft auf umweltfreundlichere Brennstoffe bzw. Energieträger, wie zum Beispiel Wasserstoff, umgerüstet bzw. umgestellt werden, um somit den Einsatz von fossiler Energie zu reduzieren oder letztendlich zu vermeiden.

Die Dekarbonisierung fordert eine Reduzierung des Einsatzes fossiler Einsatzstoffe bzw. Energieträger und damit wiederrum verbunden eine Reduzierung des CO ₂ -Ausstoßes.

Eine Umstellung insbesondere bei einer Wärmebehandlung von Metallen im direkt beheizten Ofen würde sich eine neue Ofenatmosphäre mit sehr einflussreichen Parameter bezüglich der später zu erzielenden Stoffeigenschaften am Endprodukt oder Zwischenprodukt des wärmebehandelten Metalls ergeben. Sollte somit ein Wärmebehandlungsofen hinsichtlich seines fossilen Brennstoffs (Erdgas) auf einen alternativen, wasserstoffhaltigen Brennstoff umgestellt werden, so hat dies massive Auswirkungen auf die Atmosphäre beim Verbrennen dieser Brennstoffe und damit auch auf die wärmezubehandelnden Metalle respektive ihre Ober- fläche(n). Beim Verbrennen der wasserstoffhaltigen Brennstoffe wird eine im Vergleich zum Erdgas größere Menge an Wasserdampf erzeugt, was dafür sorgt, dass ein höherer Wasserdampfpartialdruck in der Ofenatmosphäre vorliegen würde. Dies hat zur Folge, dass eine höhere Tendenz zur Oxidation (Zunderbildung) während der Wärmebehandlung durch sauerstoffaffine Elemente im Metall gegeben ist, welche insbesondere an der Oberfläche des Metalls entsteht. Durch das Vorhandensein eines höheren Wasserdampfpartialdrucks wird die Verbindung zwischen Zunder und Metalloberfläche, vereinfacht gesagt die Haftung an der Metalloberfläche, beeinflusst.

Insbesondere reagiert Stahl (als Metall) sehr empfindlich auf eine Erhöhung des Wasserdampfpartialdrucks in Ofenatmosphären bei Wärmebehandlungen. Dies kann auch einen unerwünschten Wasserstoffeintrag in den Stahl begünstigen, u. a. bei hochfesten Stählen zu Problemen führen, was unter „delayed fracture“ bekannt ist.

So kann beispielsweise durch eine Wärmebehandlung eines Stahls in einer 100 %igen Wasserdampfatmosphäre Zunder auf der Oberfläche des Stahls wie FeO bei einer Ofenraumtemperatur von 1369 °C und Fe ₃ O ₄ bzw. Fe ₂ O ₃ bei einer Ofenraumtemperatur von 1539 °C reduziert werden. Durch das Reduzieren im Wasserdampf kann die Haftung des Zunders aufgrund der Verschiebung der Phasenanteile zunehmen und „klebriger“ werden. Darüber hinaus kann die Verzunderung durch den heißen Wasserdampf verstärkt und beschleunigt ablaufen. Teile des Zunders sind hierbei nur schwer zu entfernen (ca. 20 - 60 % [u.a. auch legierungsabhängig]), insbesondere der substratnahe Zunder. Die Zunderschicht hingegen, die auf dem substratnahen Zunder liegt, ist sehr spröde und kann schon durch geringe mechanische Einwirkung entfernt werden. Es kann vermutet werden, dass durch den erhöhten Wasserdampfpartialdruck ein erhöhter Materialverlust aufgrund der beschleunigten Zunderbildung gegeben ist.

Durch eine Wärmebehandlung des Stahls in einer Wasserdampfatmosphäre können die Kornlagen im Gefüge verändert werden, was zu einer unerwünschten, vorauseilenden Korngrenzenoxidation führen kann, welche wiederrum Beschichtungs- und/oder Oberflächenfehler hervorrufen kann. Aufgrund der verstärkt ablaufenden Zunderbildung kann sich die Bildung der Korngrenzenoxidation ebenfalls schneller vollziehen und darüber hinaus auch tiefer in das Substrat eindringen.

Eine Wärmebehandlung eines Stahls in einer Wasserdampfatmosphäre kann auch zu einer höheren Entkohlungstiefe führen, was bedeutet, dass die Eigenschaften des Zwischen- oder Endprodukts ebenfalls, insbesondere nachteilig, beeinflusst werden bzw. sind. Dies kann sich beispielsweise dadurch äußern, dass die mechanischen Kennwerte außerhalb des Anforderungsbereichs liegen und darüber hinaus zu schlechteren Oberflächeneigenschaften oder Magnetik führen können. Eine Dekarbonisierung im Anwendungsfall der Wärmebehandlung von Metallen in direkt beheizten Öfen, insbesondere von Stählen, wäre somit nicht nur ein einfacher Wechsel von fossilen zu nicht-fossilen Brennstoffen, sondern würde auch eine komplexe Beeinflussung der Produktparameter beinhalten.

Aus der EP 2 762 599 Al und der EP 3 109 338 Al ist beispielsweise bekannt, DFF-Öfen in Schmelztauchbeschichtungslinien für Stahl-Kaltbänder zu verwenden. Des Weiteren ist aus der DE 10 2011 053 698 B3 beispielsweise bekannt, DFF-Öfen zur Austenitisierung in Warmumformungslinien für presszuhärtende Stähle zu verwenden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, dieses Verfahren derart weiterzuentwickeln, welches den Einsatz fossiler Brennstoffe reduziert und die vorgenannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weiterführende Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen beschrieben.

Die Lehre betrifft somit ein Verfahren zur Einstellung einer Ofenatmosphäre in einem direkt beheizten Wärmebehandlungsofen, wobei der Wärmebehandlungsofen über wenigstens einen Brenner verfügt, welcher mit einem Brenngas und einem sauerstoffhaltigen Gas betrieben wird, welche zu einem Verbrennungsgas verbrannt werden, wobei in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Brenngases und der Zusammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases und deren Mischung das Verbrennungsgas eine definierte Zusammensetzung mit einem definierten Wasserdampfpartialdruck aufweist. Wesentlich für die Erfindung ist, dass Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 10 Vol.-% verwendet wird, und der Wärmebehandlungsofen zusätzlich mit einem wasserdampffreien und/oder wasserstofffreien Gas geflutet wird, wobei sich dadurch das wasserdampffreie und/oder wasserstofffreie Gas mit dem Verbrennungsgas mischt, derart, dass ein Wasserdampfpartialdruck der Mischung in der Ofenatmosphäre des Wärmebehandlungsofens kleiner als der definierte Wasserdampfpartialdruck des Verbrennungsgases bewirkt wird.

Eine Erhöhung des Wasserstoffs im Brenngas und somit respektive einer Erhöhung des Wasserdampfpartialdrucks im daraus resultierenden Verbrennungsgas muss dahingehend gegensteuert werden, dass das Verbrennungsgas durch gezielte Mischung mit einem wasserdampffreien und/oder wasserstofffreien Gas „verdünnt“ wird, um eine Ofenatmosphäre im Wärmebehandlungsofen einzustellen, welche einen geringeren Wasserdampfpartialdruck im Vergleich zum (reinen) Verbrennungsgas aufweist.

Insbesondere ist die Bestimmung respektive Erfassung des Wasserdampfpartialdrucks dem Fachmann geläufig.

Durch diese Maßnahme ist eine Ofenatmosphäre einstellbar, welche dem derzeit bekannten Niveau, mit Erdgas befeuerte Brenner, entsprechen kann. Der im Brenngas zum Einsatz kommende Wasserstoff kann beispielsweise in einer Wasserelektrolyse unter Verwendung regenerativer Energien, wie Wind, Wasser und Sonne, erzeugt und bereitgestellt werden. Auch der eventuell benötigte Sauerstoff kann ebenfalls mittels Elektrolyse durch erneuerbare Energien (Sonne, Wind, Wasser etc.) erzeugt und genutzt werden. Das wasserdampffreie und/oder wasserstofffreie Gas zur Mischung kann enthalten oder bestehen aus trockene Luft, Stickstoff (N ₂ ), Argon (Ar), Kohlenstoffdioxid (C0 ₂ ) oder eine Mischung daraus. Auch weitere Gase oder Mischungen aus Gasen, welche keinen Wasserstoff oder keine Wasserstoffverbindungen enthalten und für die Wärmebehandlung von Metallen geeignet sind, können entsprechend verwendet werden.

Das sauerstoffhaltige Gas für den Betrieb des Brenners kann Luft, beispielsweise Umgebungsluft, Sauerstoff oder eine Kombination aus Luft und Sauerstoff sein.

Insbesondere kann Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 20 Vol.-% enthalten sein.

Vorzugsweise kann Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 40 Vol.-% enthalten sein.

Bevorzugt kann Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 60 Vol.-% enthalten sein.

Besonders bevorzugt kann Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 80 Vol.- % enthalten sein.

Weiter bevorzugt kann Wasserstoff im Brenngas mit einem Anteil von mindestens 98 Vol.-% enthalten sein. Diese Ausgestaltung umfasst beispielsweise einen 100%-igen Einsatz von Wasserstoff, mit anderen Worten, das Brenngas besteht aus Wasserstoff, wobei Verunreinigungen im Brenngas bis zu 0,5 Vol.-%, insbesondere bis zu 0,2 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 0,1 Vol.-% zugelassen werden, wobei Verunreinigungen technisch nicht oder nur mit hohem apparativem Aufwand vermieden werden können.

Wenn das Brenngas nicht vollständig aus Wasserstoff besteht, sind neben Wasserstoff weitere Anteile an Methan (CH ₄ ) und/oder Kohlenmonoxid (CO) enthalten, um 100 Vol.-% nebst Verunreinigungen, welche bis zu 0,5 Vol.-%, insbesondere bis zu 0,2 Vol.-%, vorzugsweise weniger als 0,1 Vol.-% zugelassen werden, zu ergeben. Insbesondere bei der Verwendung von Erdgas, können die Anteile an Methan variieren und damit auch weitere Bestandteile, wie zum Beispiel Ethan, Propan, Ethen und Butan einzeln oder kombiniert umfassen.

Um die Energie des Verbrennungsgases nicht negativ zu beeinflussen und/oder sogar zu erhöhen, kann es von Vorteil sein, wenn gemäß einer Ausgestaltung das wasserdampffreie und/oder wasserstofffreie Gas vor dem Fluten des Wärmebehandlungsofens und/oder des Brenners erwärmt wird. Um das Energieniveau des Verbrennungsgases im Wesentlichen beizubehalten, erfolgt die Erwärmung auf eine Temperatur, welche vorzugsweise der Temperatur des Verbrennungsgases +/- 300 °C entspricht. Die Temperatur kann somit einem Temperaturfenster zwischen minus und plus 300 °C bezogen auf die Temperatur des Verbrennungsgases entsprechen. Die Temperatur des Verbrennungsgases kann dabei über dem Fachmann bekannte Mittel erfasst werden. Das Vorwärmen des Brenngases und/oder des Oxidationsmittels kann zu einer Erhöhung der adiabaten Flammentemperatur führen.

Um das aus dem Wärmebehandlungsofen abgeführte Abgas wirtschaftlich nutzen zu können, kann es von Vorteil sein, einen Teil des Abgases oder vollständig zur Erwärmung des wasserstofffreien und/oder wasserdampffreien Gases zu verwenden. Auch in diesem Fall sind die Mittel zur Abgasnutzung respektive Wärmeübertragung dem Fachmann bekannt.

Alternativ oder zusätzlich zur Abgasnutzung kann die (zusätzliche) Erwärmung auch mit anderen Mitteln, beispielsweise elektrisch, durchgeführt werden, wenn insbesondere ein im Vergleich zur Abgastemperatur höheres Temperaturniveau benötigt wird.

Besonders bevorzugt wird der hier in Rede stehende Wärmebehandlungsofen für Stähle respektive Stahllegierungen in jeglicher Form, ob als Bramme, Platte, Blech, Band oder (vor-)geformtes Blechbauteil, verwendet. Die Temperatur für die Wärmebehandlung liegen im Wesentlichen zwischen 200 °C und 1350 °C, insbesondere zwischen 400 °C und 1260 °C, wobei sich diese Temperatur auf die Temperatur des Metalls, auf die es erwärmt werden soll, bezieht. Die Ofenatmosphärentemperatur bzw. Ofenraumtemperatur kann durchaus höher liegen.

Des Weiteren hat auch die Temperatur der Flamme des Brenners Einfluss auf die Temperatur der Ofenatmosphäre bzw. die Temperatur des Ofenraums. Die Verbrennungstemperatur mit Umgebungsluft und Erdgas liegt bei ca. 1970 °C und mit Umgebungsluft und Wasserstoff bei ca. 2130 °C und bei Verbrennung mit Sauerstoff und Erdgas bei ca. 2860 °C und mit Sauerstoff und Wasserstoff bei ca. 3080 °C liegt.

Des Weiteren spielt der Wassergehalt (Wasserdampf und somit Wasserdampfpartialdruck) in Ofenatmosphären zur Wärmebehandlung von Metallen eine entscheidende Rolle. Dadurch wird u. a. gesteuert, ob die Ofenatmosphäre reduzierend oder oxidierend auf Metalle wirkt. Eine gängige und dem Fachmann bekannte Methode zur Erfassung des Wassergehalts, ist die sogenannte Taupunktbestimmung. Der Taupunkt einer Ofenatmosphäre kann je nach Anwendung, speziell für Stähle, zwischen -70°C und +35°C liegen. Negative Taupunkte weisen in der Regel auf eine reduzierende Ofenatmosphäre hin.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung.

In Figur 1 wird die Erfindung am Beispiel einer schematisch dargestellten Illustration gezeigt. Ein direkt beheizter Wärmebehandlungsofen (1) verfügt über mindestens einen Brenner (2), welcher mit einem Brenngas (3) und einem sauerstoffhaltigen Gas (4) betrieben wird, welche zu einem Verbrennungsgas (10) im Wärmebehandlungsofen (1) verbrannt werden, wobei in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Brenngases (3) und der Zusammensetzung des sauerstoffhaltigen Gases (4) und deren Mischung das Verbrennungsgas (10) eine definierte Zusammensetzung mit einem definierten Wasserdampfpartialdruck aufweist. Da im Brenngas (3) Wasserstoff mit einem Anteil von mindestens 10 Vol.-% verwendet wird, wird der Wärmebehandlungsofen (1) zusätzlich mit einem wasserdampffreien und/oder wasserstofffreien Gas (5) geflutet, wobei sich dadurch das wasserdampffreie und/oder wasserstofffreie Gas (5) mit dem Verbrennungsgas (10) mischt, derart, dass ein Wasserdampfpartialdruck der Mischung in der Ofenatmosphäre (9) des Wärmebehandlungsofens (10) kleiner ist als der definierte Wasserdampfpartialdruck des Verbrennungsgases (10). Vor dem Fluten des Wärmebehandlungsofens (1) kann das wasserdampffreie und/oder wasserstofffreie Gas (5) erwärmt werden. Dabei kann ein Abgas (7) aus dem Wärmebehandlungsofen (1) abgeführt werden, welches zum Teil oder vollständig zur Erwärmung des wasserstofffreien Gases (5) mittels einem geeigneten Wärmeübertrager (6) genutzt werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann das wasserdampffreie und/oder wasserstofffreie Gas (5), insbesondere zusätzlich, erwärmt werden, beispielsweise durch ein elektrische Heizeinrichtung (11), strichliniert dargestellt, mit welcher auch eine Temperaturerhöhung des wasserdampffreien und/oder wasserstofffreien Gases (5) oberhalb der Temperatur des Verbrennungsgases (10) möglich wäre. Mit der erfindungsgemäß eingestellten Ofenatmosphäre (9) ist eine Wärmebehandlung eines Metalls (8), beispielweise eines Stahls, vorzugsweise einer Stahllegierung, ohne Nachteile einer veränderten respektive andersartigen Zunderbildung auf der Oberfläche des Metalls/Stahls (8) trotz des Einsatzes nicht-fossiler Brennstoffe, wenn Wasserstoff mit Anteilen zwischen 10 und 100 Vol.-% im Brenngas (3) eingesetzt wird, möglich.

Figur 2 und 3 zeigen jeweils ein Diagramm, wenn als Brennstoff Erdgas, wobei von ca. 99 Vol.- % Methan ausgegangen wird, mit einem Anteil zwischen 0 und 100 Vol.-% Wasserstoff eingesetzt wird (Abszisse). Links bedeutet, kein Wasserstoff und 100 Vol.-% Erdgas, rechts hingegen, kein Erdgas und 100 Vol.-% Wasserstoff im Brenngas. Als sauerstoffhaltiges Gas für den Brenner wurde zum einen Umgebungsluft (Figur 2) und zum anderen Sauerstoff (Figur 3) vorgesehen, bei der Berechnung mit einer Luftzahl von 1,1 berücksichtigt.

In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Brenngases sind auch die Bestandteile des Verbrennungsgases (linke Ordinate) im Diagramm dargestellt. Auf der rechten Ordinate kann in Abhängigkeit von der Zusammensetzung des Brenngases das erzeugte Verbrennungsgasvolumen in m ³ pro m ³ eingesetztem Brenngas bestimmt werden.

Die in Figur 2 und 3 gezeigten Ergebnisse sind numerisch ermittelt worden und zeigen die Einflussnahme von nicht-fossilen Brennstoffen, wie Wasserstoff im Brenngas, auf die Zusammensetzung des Verbrennungsgases.

Überraschend ist, bei einer Verwendung von Umgebungsluft als sauerstoffhaltigem Gas für die Verbrennung, dass erst mit einem Wasserstoffanteil von mindestens 35 Vol.% im Brenngas eine Absenkung des CO ₂ -Gehalts im Verbrennungsgas möglich ist, s. Figur 2. Des Weiteren zeigt Figur 2 deutlich, dass ein Brenngas bestehend aus 100 Vol.-% Wasserstoff ein Verbrennungsgasvolumen von 2,5 m ³ pro eingesetztem m ³ Brenngas(=Wasserstoff) nicht unterschreiten kann. Hingegen zeigt Figur 3, bei einer Verwendung von Sauerstoff als sauerstoffhaltiges Gas für die Verbrennung bei 100 % Wasserstoff als Brenngas, dass das Volumen des Verbrennungsgases dem eingesetzten Volumen des Brenngases im Wesentlichen 1 zu 1 entspricht. Auch ist eine Reduktion des CO ₂ -Gehalts im Verbrennungsgas bereits bei geringeren Wasserstoffanteilen (kleiner 35 Vol.-%) im Brenngas zu erkennen.

Ab einem Wasserstoffanteil von 60 % beginnt der Wasserdampfpartialdruck (Fig. 1) signifikant zu steigen. In Figur 2 ist bei einer Verbrennung von Wasserstoff mit Sauerstoff das Verhältnis extremer. Mit zunehmendem Volumenanteil von Wasserstoff im Brenngas nimmt der Wasserdampfpartialdruck in letzter Konseguenz bei einer Verwendung von 100 Vol.-% Wasserstoff im Brenngas maximal zu. Wenn ohne „Verdünnung“ der Ofenatmosphäre 100 Vol. -% Wasserstoff verbrannt wird, so wirkt sich das negativ auf die Produkteigenschaften des Metalls aus, sodass der Wasserdampfanteil der Ofenatmosphäre durch Hinzugabe von beispielsweise Luft entsprechend abgesenkt werden kann, beispielsweise 20 Vol.-%. Dies würde zu einer Verbesserung der Weiterverarbeitungseigenschaften führen. Ein „Verdünnen“ beispielsweise mit nicht vorgewärmter Luft hätte einen Temperaturfall zur Folge, womit dem Metall womöglich notwendige Erwärmungsenergie entzogen werden würde.