Understand Atmosphere In Carburizing Applications Using Simulation and

Real-Time Carbon Diffusion

Damian Bratcher

Super Systems, Inc

Salvador Alvarado

Understand Atmosphere In CarburizingApplications Using Simulation and Real-TimeCarbon Diffusion

• In gas carburizing the source of carbon is acarbon-rich furnace atmosphere producedeither from gaseous hydrocarbons or fromvaporized hydrocarbon liquids. Usingtheoretical steps with anticipated processvariable inputs, the prediction of the carbonavailable to the steel surface and diffusioncan be simulated. Inputs captured during areal-time run can predict the carbon buildup in a part. The simulation and real-timedata can be matched up to comparemetallurgical results.

• We will cover principles of atmospherecarburizing including sensor and controltechnology. Analysis of input variablesassociated with carburizing applications andunderstanding the effects the atmosphere,temperature and time has on results. Wewill look at information using 3-gas analysisversus oxygen probes and review what anatmosphere would look like during acarburizing run. We will review real worldscenarios with actual data that comparessimulation versus calculated carbon transferand diffusion against met lab results.

• En un gas carburante la fuente de carbono es unaatmósfera de rica de carbono se produce ya sea apartir de hidrocarburos gaseosos o de los líquidos dehidrocarburos vaporizados. Utilizando pasosteóricos con entradas de la variable de procesoprevisto, la predicción del carbono disponible a lasuperficie de acero y de difusión puede sersimulado. Entradas capturados durante unaejecución en tiempo real puede predecir el carbonose construyen en una parte. Los datos de simulacióny en tiempo real pueden ser emparejados paracomparar los resultados metalúrgicos.

• Vamos a cubrir principios de la atmósfera decarburizado que incluye sensores y tecnología decontrol. Análisis de las variables de entradaasociados con las aplicaciones de carburizado y lacomprensión de los efectos de la atmósfera, latemperatura y el tiempo tiene en los resultados.Vamos a mirar la información usando el análisis de 3gases frente a sondas de oxígeno y revisar quéambiente se vería durante una carrera decarburizado. Vamos a revisar los escenarios delmundo real con datos reales que compara lasimulación frente a la transferencia de carbonocalculada y difusión contra los resultados delaboratorio conocido.

Comprender Atmosferas en Aplicaciones deCarburizado usando Simulación y Tiempo-Realde Difusión de Carbono.

Agenda• The Basics

• 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

Agenda• Los básicos

• Variables de Proceso en Hornos

• Variables de Proceso en Generadores

• Variables de Proceso con Ni – Met

• 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• Case Study

– Desired results

– Simulated run

– Adjusted process

– Actual metallurgical results

• Benefits of Simulation & Control

Agenda• Estudiar el caso

• Resultados deseados

• Proceso Ajustado

• Resultados Metalúrgicos Reales

• Beneficios de la Simulación y Control

Acc

ura

cy

Timeline

Gas Flow

Process Monitoring

Process Control Simulation

+ Process

What’s Important

Qué es importante

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 ApplicationVariables de Proces en Carburizado

• Hot Zone

• Quench

• VestibuleTemperature

• Hydrocarbon

• CO, CO2

• Ammonia

• Air

Gases

• Transfer Time

• Probe Conditioning

• End of Cycle

Events

• Soak Time

• Guarantee Temperature

• Safeties / AlarmsOther

Producing The Right Atmosphere• Prepared Atmosphere For

Carburizing• Endothermic Based

• Generator• Air / Gas Mixture

• Nitrogen Based• Nitrogen / Methanol

Produciendo una Atmósfera adecuada

• Preparando Atmósfera paraCarburizado• Endotérmico

• Generador• Mezcla Air-Gas

• Nítrogeno• Nitrógeno - Metanol

Prepared Atmosphere

Natural Gas

Carburizing Atmosphere

Producing The Right Atmosphere

Cooled

• Endo Flow in SCFH

• Air / Gas Ratio = 2.7 (CH4)

CH4 Air

20% CO

40% H2

40% N2

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

CH4 Air

20% CO

40% H2

40% N2

Endothermic Generators

• Trim Control

• Dew Point Using Oxygen Probe

Generadores Endotermicos

• Control de ajuste

• Punto de rocío usandoprobetas de oxígeno

NITROGEN METHANOL

• N2 (SCFH) = 66% of “feed” gas

• CH3OH (L/hr) = 33% of “feed” gas

CH3OH N2

20% CO

40% H2

40% N2

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 líneade metanol

• La temperatura del horno

CH4 Air

20% CO

40% H2

40% N2

CH3OH N2

20% CO

40% H2

40% N2

Measurements in the Furnace

Carbon Potential - %C

Probe mV

TempCOF

Carbon Potential Calculations

CO Factor / Process Factor

% CO

Alloy

Parts

Furnace

Other

COF

EndoNitrogen Methanol

Accurate Carbon Readings

Carbon Potential - %C

Probe mV

TempCOF

Carbon Potential Calculations

CH4 Air

20% CO

40% H2

40% N2

Carbon Potential - %C

Probe mV

TempCOF

%CO Ability To Carburize%CH4 Ability To Carburize

What Happens With Bad Generator Gas

20% CO

40% H2

40% N2

Carbon Potential - %C

Probe mV

Temp

COF

Precision Control

Other Technology Available• Probe Assumes from Generator

/ Nitrogen Methanol• 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

Otra Tecnología Disponible• 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

Carbon Potential - %C

Probe mV

TempCOF

Gas Analysis

Atmosphere Gas Analysis

Signal

Infrared DetectorOptical Path

Sample Gas

Light Source

Selective filter for gas type

Non Dispersive Infrared Absorption Sensor

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

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

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

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

FURNACE 1-COMPENSATED FURNACE 2-NON COMPENSATED

Standard Deviation.037.097

Computerized Prediction Predicción Computarizada

Turn this / hacer estoInto 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

• Temperature

• Contenido de Atmósfera• O2

• CH4

• CO• CO2

• N2

• Temperatura

Carbon Potential

Cp

Carbon Simulation Simulación de Carbono• Simulation software for carbon

diffusion in batch carburizing furnace applications• Prediction of carbon transfer

between atmosphere and steel• Diffusion of carbon into the work

pieces

• 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

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 Control con Simulación - Empape

• Measure carbon available above the desired profile

• Segment ends when excess carbon equals deficient carbon• This is the control variable

• 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 Control con Simulación - Difusión

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

• Segmento terminacuando el exceso de carbono agotado o carbono deficientees 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 Asegurando el Proceso

• Run the simulation in advance

• Verify the results

• Ejecutar la simulación en avanzado

• Verificar los resultados

Building Assurance Asegurando el proceso

• Run the results through the mathematical process

• Ejecutar los resultados a través del proceso matemático

Actual ProcessCarbon Profile

Actual ProcessCarbon Profile

Actual ProcessCarbon/Temp. Profile

Actual ProcessCarbon/Temp. Profile

Building Assurance Aseguramiento de la construcción

• Compare the Met Lab Results

• Comparación de los resultados del laboratorio metalúrgico

Accuracy Exactitud

Thank You Gracias

Damian Bratcherdbratcher@supersystems.com

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