Understand Atmosphere In Carburizing Applications Using Simulation and Real-Time Carbon Diffusion Damian Bratcher

Super Systems, Inc Salvador Alvarado

Understand Atmosphere In Carburizing Applications Using Simulation and Real-Time Carbon Diffusion

• In gas carburizing the source of carbon is a carbon-rich furnace atmosphere produced either from gaseous hydrocarbons or from vaporized hydrocarbon liquids. Using theoretical steps with anticipated process variable inputs, the prediction of the carbon available to the steel surface and diffusion can be simulated. Inputs captured during a real-time run can predict the carbon build up in a part. The simulation and real-time data can be matched up to compare metallurgical results. • We will cover principles of atmosphere carburizing including sensor and control technology. Analysis of input variables associated with carburizing applications and understanding the effects the atmosphere, temperature and time has on results. We will look at information using 3-gas analysis versus oxygen probes and review what an atmosphere would look like during a carburizing run. We will review real world scenarios with actual data that compares simulation versus calculated carbon transfer and diffusion against met lab results.

Comprender Atmosferas en Aplicaciones de Carburizado usando Simulación y Tiempo-Real de Difusión de Carbono. • En un gas carburante la fuente de carbono es una atmósfera de rica de carbono se produce ya sea a partir de hidrocarburos gaseosos o de los líquidos de hidrocarburos vaporizados. Utilizando pasos teóricos con entradas de la variable de proceso previsto, la predicción del carbono disponible a la superficie de acero y de difusión puede ser simulado. Entradas capturados durante una ejecución en tiempo real puede predecir el carbono se construyen en una parte. Los datos de simulación y en tiempo real pueden ser emparejados para comparar los resultados metalúrgicos. • Vamos a cubrir principios de la atmósfera de carburizado que incluye sensores y tecnología de control. Análisis de las variables de entrada asociados con las aplicaciones de carburizado y la comprensión de los efectos de la atmósfera, la temperatura y el tiempo tiene en los resultados. Vamos a mirar la información usando el análisis de 3 gases frente a sondas de oxígeno y revisar qué ambiente se vería durante una carrera de carburizado. Vamos a revisar los escenarios del mundo real con datos reales que compara la simulación frente a la transferencia de carbono calculada y difusión contra los resultados de laboratorio conocido.

Agenda

Agenda

• The Basics

• Los básicos • Variables de Proceso en Hornos • Variables de Proceso en Generadores • Variables de Proceso con Ni – Met

• Furnace Process Variables • Generator Process Variables • Nitrogen Methanol Process Variables

• Sensor Technology • In-Situ Probes • Infrared (IR) Technology • Probe Plus IR

• Gas Composition • Generator • Furnace

• Why Precision Matters? • Scenarios • Tube leak • Bad generator gas • Temperature control

• Tecnología de Sensor • Probetas In-Situ • Tecnología Infrarrojo (IR) • Probeta Plus IR • Composición del Gas • Generador • Horno

• ¿Porqué es importante la Presición? • Escenarios • Fuga en Tubos • Mal generación de Gas • Control de Temperatura

Agenda

Agenda

•

• Estudiar el caso • Resultados deseados • Proceso Ajustado • Resultados Metalúrgicos Reales

•

Case Study – Desired results – Simulated run – Adjusted process – Actual metallurgical results Benefits of Simulation & Control

• Beneficios de la Simulación y Control

What’s Important Qué es importante

Accuracy

Process Control Process Monitoring Gas Flow

Timeline

Simulation + Process

What’s Important? • Atmosphere Content • O2 • CH4 • CO • CO2 • N2 • H2 • Dew Point • Temperature

¿Qué es importante? • Contenido de la Atmósfera • O2 • CH4 • CO • CO2 • N2 • H2 • Punto de Rocío • Temperatura

What’s Important? • Atmosphere Content • • • • • •

O2 CH4 CO CO2 N2 H2

• Dew Point • Temperature

¿Qué es importante? • Contenido de la Atmósfera • O2 • CH4 • CO • CO2 • N2 • H2 • Punto de Rocío • Temperatura

What’s Important? • Decarburization • O2 (FeO and CO)

• 2Fe + O2 = 2FeO

• CO2 (C + CO2 = 2CO) • H20 (Dissociates to H and O) • C + 4H = CH4 • C + O = CO • FeO is formed

¿Qué es importante? • Decarburización • O2 (FeO y CO)

• 2Fe + O2 = 2FeO

• CO2 (C + CO2 = 2CO) • H20 (Se disocia en H y O) • C + 4H = CH4 • C + O = CO • Se forma FeO

Process Variables in a Carburizing Application Variables de Proces en Carburizado Temperature

• Hot Zone • Quench • Vestibule

Gases

• Hydrocarbon • CO, CO2 • Ammonia • Air

Events

• Transfer Time • Probe Conditioning • End of Cycle

Other

• Soak Time • Guarantee Temperature • Safeties / Alarms

Producing The Right Atmosphere • Prepared Atmosphere For Carburizing • Endothermic Based • Generator • Air / Gas Mixture

• Nitrogen Based

Prepared Atmosphere

• Nitrogen / Methanol

Carburizing Atmosphere

Produciendo una Atmósfera adecuada

• Preparando Atmósfera para Carburizado • Endotérmico • Generador • Mezcla Air-Gas

• Nítrogeno • Nitrógeno - Metanol

Natural Gas

Producing The Right Atmosphere C o o l e d

20% CO CH4

Air

40% H2 40% N2

• •

Endo Flow in SCFH Air / Gas Ratio = 2.7 (CH4)

Endothermic Generators • Process Variables • Dew Point or CO2 • Ratio / Carburetor • Composition of gas source • Catalyst condition • Temperature

Generadores Endotérmicos • Variables de Proceso • Punto de Rocío o CO2 • Ratio / Carburador • Composión de la fuente de gas • Condición del catalizador • Temperatura

20% CO CH4

Air

40% H2 40% N2

Endothermic Generators • Trim Control • Dew Point Using Oxygen Probe

Generadores Endotermicos • Control de ajuste • Punto de rocío usando probetas de oxígeno

NITROGEN METHANOL

20% CO CH3OH

N2

40% H2 40% N2

• •

N2 (SCFH) = 66% of “feed” gas CH3OH (L/hr) = 33% of “feed” gas

Prepared Atmosphere Issues • CO level in furnace is not 20% • Generator • Air infiltration • Water leak • Endo gas variation

• Nitrogen/Methanol Systems • Sparger problems • N2 bubbles in the methanol line • Furnace temperature

Problemas preparando Atmósfera

• El nivel de CO en el horno no es 20% • Generador • Infiltración de Aire • Fuga de agua • Variación de Endo gas

• Nitrógneo / Metanol • Problemas del Rociador • Burbujas de N2 en la línea de metanol • La temperatura del horno 20% CO

20% CO CH4

Air

40% H2 40% N2

CH3OH

N2

40% H2 40% N2

Measurements in the Furnace

Carbon Potential Calculations

Temp

COF

Probe mV

Carbon Potential - %C

Accurate Carbon Readings CO Factor / Process Factor Endo Nitrogen Methanol

COF

% CO Alloy Parts Furnace Other

Carbon Potential Calculations

Temp

COF Probe mV

Carbon Potential - %C

What Happens With Bad Generator Gas 20% CO CH4

Air

40% H2

40% N2

Temp

COF Probe mV

%CH %CO4

Ability To Carburize Carbon Potential - %C

Precision Control 20% CO 40% H2 40% N2

Tem p

COF Pro be mV

Carbon Potential - %C

Other Technology Available

Otra Tecnología Disponible

• Probe Assumes from Generator / Nitrogen Methanol

• Asume la sonda del generador de metanol / Nitrógeno • La sonda requiere un nivel de CO coherente • La compensación puede ser hecho para la desviación • Para ello, utilice para laminillas, punto de rocío, barra de acciones, análisis de gases NDIR, etc. • Ajustes de COF • proceso basado • Situado en el controlador programable • La compensación en tiempo real • Análisis de gases NDIR

• Probe requires a consistent CO level

• Compensation can be done for deviation • Verify using shim stock, dew point, bar stock, NDIR gas analysis, etc.

• COF Settings • Process based • Set in programmable controller

• Real-time compensation • NDIR gas analysis

Atmosphere Gas Analysis Gas Analysis

Temp

COF Probe mV

Carbon Potential - %C

Non Dispersive Infrared Absorption Sensor

Sample Gas Light Source

Signal

Optical Path

Infrared Detector

Selective filter for gas type

Probe Plus IR

CO Compensation – % Carbon • % Carbon Tracking • Furnace 1 - Compensated • Furnace 2 - Non-compensated

Compensación de CO - %C • Siguiendo %C • Horno 1 – Compensado • Horno 2 – Sin compensar

1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0

FURNACE 1-COMPENSATED

Standard Deviation .056 .094

CO Compensation – % Carbon • % Carbon Tracking • Furnace 1 - Compensated • Furnace 2 - Non-compensated

Compensación de CO - %C • Siguiendo %C • Horno 1 – Compensado • Horno 2 – Sin compensar

1.4 1.2

Standard Deviation .037 .097

1 0.8 0.6 0.4 0.2 0

FURNACE 1-COMPENSATED

FURNACE 2-NON COMPENSATED

Computerized Prediction

Turn this / hacer esto

Predicción Computarizada

Into this / dentro de eso

Creating a Blueprint • Carbon Profile

• Customer Requirements • Material Chemistry

Creando un Proyecto • Perfil de Carbono • Requerimientos del Cliente • Composición Química

Material Chemistry • Variations in chemistry

Composición Química • Variaciones en la Química

Why does base carbon matter?

¿Porqué importa la base del Carbón?

What is important?

¿Qué es importante?

• Atmosphere Content • O2 • CH4 • CO • CO2 • N2

• Contenido de Atmósfera • O2 • CH4 • CO • CO2 • N2

• Temperature

• Temperatura

Carbon Potential Cp

Carbon Simulation

Simulación de Carbono

• Simulation software for carbon diffusion in batch carburizing furnace applications

• Software de simulación para la difusión del carbono en las aplicaciones de horno de carburizado tipo Batch. • Predicción de la transferencia de carbono entre la atmósfera y el acero • Difusión del carbono en las piezas de trabajo

• Prediction of carbon transfer between atmosphere and steel • Diffusion of carbon into the work pieces

Controlling Simulation

Controlando con Simulación

• Boost / Diffuse • High carbon and temperature during boost increases carburizing case penetration • Time savings – 25% • Case quality improved

• Empape / Difusión • Alto contenido de carbono y la temperatura durante la elevación aumenta la penetración caso de carburación • Ahorro de tiempo - 25% • Caso mejoró la calidad

Controlling With Simulation - Boost

• Measure carbon available above the desired profile • Segment ends when excess carbon equals deficient carbon • This is the control variable

Control con Simulación - Empape • Medir el carbono disponible por encima del perfil deseado • Segmento termina cuando el exceso de carbono es igual a carbono deficiente • Esta es la variable de control

Controlling With Simulation - Diffuse

• Segment ends when excess carbon depleted or deficient carbon is zero

Control con Simulación - Difusión

• Segmento termina cuando el exceso de carbono agotado o carbono deficiente es cero

Controlling With Simulation

Controlando con Simulación

• Actual values for carbon potential measured and used • Time becomes the variable • Rich atmosphere…shorter time • More precision

• Los valores reales de potencial de carbono medidos y usados • El tiempo se convierte la variable • Atmósfera rica ... tiempo más corto • Más precisión

Building Assurance • Run the simulation in advance • Verify the results

Asegurando el Proceso • Ejecutar la simulación en avanzado • Verificar los resultados

Building Assurance Asegurando el proceso • Run the results through the • Ejecutar los resultados a través mathematical process del proceso matemático

Actual Process Carbon Profile

Actual Process Carbon/Temp. Profile

Actual Process Carbon Profile

Actual Process Carbon/Temp. Profile

Building Assurance • Compare the Met Lab Results

Aseguramiento de la construcción

• Comparación de los resultados del laboratorio metalúrgico

Accuracy

Exactitud

Thank You

Gracias

Damian Bratcher [email protected]

7205 Edington Drive Cincinnati, OH 45249 513 772 0060 www.supersystems.com