DE102008020449A1

DE102008020449A1 - Industrieofen sowie Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens

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Publication number: DE102008020449A1
Application number: DE102008020449A
Authority: DE
Inventors: Manfred Husslein
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-04-01
Filing date: 2008-04-23
Publication date: 2009-10-15
Also published as: WO2009121326A2; WO2009121326A3; EP2257752A2

Abstract

Ein Industrieofen mit einem beheizbaren Innenraum (1), einem den Innenraum (1) umgebenden Gehäuse (2), mit einer die Innenseite des Gehäuses (2) zumindest teilweise auskleidenden Isolierschicht (3), und mit Wärmeeintragmitteln (4) zum Einbringen von Wärmeenergie in den Innenraum (1), ist im Hinblick auf die Realisierung einer energieeffizienten Betriebsweise gekennzeichnet durch eine das Gehäuse (2) zumindest teilweise umgebende und von der Gehäusewand beabstandete Isolierhülle (7), wobei zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle (2) ein Konvektionsraum (8) gebildet ist; und/oder ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) vorgesehen ist, in dem die Abwärme des Innenraums (1) nutzbar ist. Des Weiteren ist ein Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Industrieofen mit einem beheizbaren Innenraum, einem den Innenraum umgebenden Gehäuse, mit einer die Innenseite des Gehäuses zumindest teilweise auskleidenden Isolierschicht, und mit Wärmeeintragmitteln zum Einbringen von Wärmeenergie in den Innenraum. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens, insbesondere zur Überbrückung von Stillstandszeiten.
Vorrichtungen der genannten Art sind in vielfältigen Ausführungsformen aus dem industriellen Einsatz bekannt. So werden Industrieöfen bspw. zum Brennen von Ziegeln und Porzellan verwendet. Des Weiteren dienen solche Industrieöfen verbreitet zur Behandlung von metallischen Werkstücken, bspw. um diese in den schmiedfähigen Zustand zu überführen, zum Erhitzen vor dem Abschrecken in einem kalten Fluid (Härten) oder zum sog. Anlassen zur gezielten Veränderung der Gefügestruktur des Metalls.
Heute bekannte Industrieöfen weisen ein breites Temperaturspektrum auf, so werden je nach Einsatzzweck und abhängig von der zu behandelnden Charge Temperaturen von wenigen hundert bis über 1000°C gefahren. Zur Beheizung solcher Öfen werden bevorzugt Gasbrenner verwendet, die einen Wirkungsgrad von ca. 60% bis über 80% aufweisen können.
Obwohl moderne Industrieöfen im Allgemeinen eine hochwirksame Isolierschicht auf der Innenseite des Gehäuses aufweisen, lässt sich nicht verhindern, dass sich die Außenseite des Gehäuses während des Betriebs stark erhitzt. Im Allgemeinen ist es jedoch während des Betriebs im Hinblick auf die Arbeitsbedingungen und die Arbeitssicherheit für das Bedienpersonal notwendig, die Außentemperatur des Ofens auf höchstens ca. 60°C zu begrenzen. Deswegen ist die Isolierschicht bei Anlagen gemäß Stand der Technik so dimensioniert, dass während des Betriebs die Außentemperatur höchstens ca. 45°C bis ca. 60°C erreicht. Der durch die Gehäusewand austretende Wärmestrom wird dabei von der Umgebungsluft aufgenommen. Diese Kühlung durch die Umgebungsluft bewirkt jedoch bereits ungefähr 2/3 des gesamten Wärmeverlusts der Anlage. Des Weiteren wird bei Anlagen gemäß Stand der Technik das Abgas der Wärmeeintragmittel (Gasbrenner) rasch mit großen Mengen Frischluft vermischt, um die Temperatur des Abgasstroms herabzusetzen. Dadurch kann eine günstigere Verrohrung eingesetzt werden, und der Wärmeeintrag in das Gebäude wird ebenfalls vermindert. Andererseits werden die Wärmeverluste der Gesamtanlage erneut in nachteiliger Weise vergrößert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Industrieofen so auszugestalten und weiterzubilden, dass eine energieeffiziente Betriebsweise realisiert ist.
Diese Aufgabe ist zunächst mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Danach ist ein eingangs genannter Industrieofen so ausgestaltet und weitergebildet, dass eine das Gehäuse zumindest teilweise umgebende und von der Gehäusewand beanstandete Isolierhülle vorgesehen ist, wobei zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle ein Konvektionsraum gebildet ist.
In erfindungsgemäßer Weise wird durch die zusätzliche Isolierhülle eine stark verbesserte Isolierung des Ofens erreicht. Der zwischen der ursprünglichen Gehäusewand und der Isolierhülle gebildete Konvektionsraum kann dabei mit Luft gefüllt sein. Der Konvektionsraum wirkt als zusätzliche Isolierschicht und verringert den aus der Gehäusewand austretenden Wärmestrom deutlich.
In erfindungsgemäßer Weise kann die ursprüngliche Gehäusewand eine deutlich höhere Außentemperatur aufweisen, als wenn keine Isolierhülle vorhanden wäre. So kann die Gehäusewand nun bspw. eine Temperatur von maximal 160°C (entsprechend der ersten Anlassstufe bei Stählen, so dass bei Stählen mit niedrigem Kohlenstoffgehalt keine Veränderung der kristallinen Struktur auftritt) oder auch darüber aufweisen, ohne dass die Außenfläche der erfindungsgemäßen Isolierhülle eine Temperatur oberhalb der anvisierten 60°C annimmt.
Darüber hinaus ist erfindungsgemäß erkannt worden, dass durch den Konvektionsraum ein Wärmereservoir geschaffen ist, das einer weiteren energetischen Verwendung zuführbar ist. Die Luft des Konvektionsraums kann in vielfältiger Weise zur Rückgewinnung von Energie und damit zu einer deutlichen Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades dienen.
Der erfindungsgemäße Ofen kann als Drehherd-, Ringherd- oder Durchstoßofen ausgestaltet sein. Die bevorzugte Formgebung und damit auch die Ausgestaltung der erfindungsgemäß vorgesehenen Isolierhülle richtet sich dabei nach dem Einsatzzweck, der Chargengröße, dem Chargenmaterial sowie der Temperatur und der Verweildauer der Charge im Ofen.
Im Rahmen der Erfindung ist es möglich, bereits aufgebaute, ältere Industrieöfen umzurüsten und mit einer Isolierhülle zu versehen. So können bereits bestehende Anlagen in energetischer Hinsicht optimiert werden.
Die Isolierschicht des Industrieofens kann aus einer feuerfesten Ausmauerung und/oder aus Mineralwolle bestehen. Auch hier richtet sich die Wahl des Materials der Isolierschicht nach den Betriebsbedingungen des Ofens.
In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Wärmeeintragmittel zumindest einen Gasbrenner, ggf. mit einem Strahlrohr auf. Mit mehreren, über den Innenraum verteilten Gasbrennern kann ein hoher Wärmeeintrag mit kompakten Wärmeeintragmitteln realisiert werden.
Im Hinblick auf eine weiter verbesserte Nutzbarkeit von Abwärme aus dem Innenraum ist eine Weiterbildung bevorzugt, bei der das Abgassystem, insbesondere die Abgasleitungen für die Wärmeeintragmittel und/oder Abgassammelleitungen, im Wesentlichen durch den Konvektionsraum geführt ist. Somit können die heißen Abgase genutzt werden, um den erfindungsgemäß geschaffenen Konvektionsraum zu beheizen. Als Nebeneffekt kann eine Isolierung der abgasführenden Rohre unterbleiben, da diese nicht auf der Außenseite des Ofens verlegt sind. Darüber hinaus kann auf eine Vermischung des Abgasstroms mit Frischluft mit dem Ziel der Abkühlung des Gasstroms verzichtet werden. So wird die Wärmeenergie des Abgasstroms im erfindungsgemäßen Konvektionsraum „eingefangen” und kann auf vielfältige Weise energetisch zurückgewonnen werden.
Hierzu ist eine Ausführungsform besonders bevorzugt, bei der die Konvektionsluft einer Vorrichtung zuführbar ist, in welcher die Wärmeenergie nutzbar ist, und insbesondere in elektrische Energie umwandelbar ist. Dies kann bspw. dadurch bewerkstelligt werden, dass zumindest ein Luftkanal vorgesehen ist, der aus dem Konvektionsraum führt und mittels dessen die erhitzte Konvektionsluft einer energiegewinnenden Weiterbehandlung zuführbar ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Kreislauf für die Konvektionsluft vorgesehen sein. Die Konvektionsluft kann bspw. direkt oder indirekt als Heizmedium verwendet werden, bspw. zur Raumbeheizung oder als Energielieferant für einen Heizmittelkreislauf. In besonders bevorzugter Weise kann aus der Konvektionsluft auch elektrische Energie gewonnen werden. Da sich die Konvektionsluft auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau befindet, ist dabei die Durchführung eines ORC(Organic Rankine Cycle)-Prozesses besonders bevorzugt. Geeignete ORC-Anlagen sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt.
Eine bevorzugte Weiterbildung des Industrieofens weist zusätzlich eine Anlage zur Durchführung eines ORC-Kreisprozesses auf, in welcher die Wärmeenergie der Konvektionsluft und/oder der erhitzten Charge nutzbar ist. Demnach lässt sich neben der bereits erwähnten Konvektionsluft auch in ganz allgemeiner Hinsicht die Abwärme im Ofen erhitzter Werkstücke bzw. Chargen nutzen. Bspw. werden metallische Werkstücke in Industrieöfen erhitzt, um danach die Wärmeenergie in vorgesehener Weise wieder abzugeben. Dies geschieht in Härtereien durch eine schnelle Abkühlung im Ölbad, in Gesenkschmieden bspw. jedoch durch langsames Abkühlen (über Strahlung und Konvektion) in einem sog. Kühlförderer. Die dabei abgegebene Wärme könnte nun dem Härterbad bzw. dem Kühlförderer oder jeder sonstigen zur Aufnahme von Wärmeenergie aus Werkstücken vorgesehenen Einrichtung entnommen und der ORC-Anlage zugeführt werden. Besonders interessant ist die Nutzung von Abwärme, falls sie auf einem hohen Temperaturniveau zur Verfügung steht. So sind Verfahren bekannt, bei denen Werkstücke im Härterbad lediglich auf 160°C abgeschreckt werden. Die Abwärme des hierfür benutzten Ölbades kann direkt einer ORC-Anlage zugeführt werden.
Ein weiterer Industrieofen im Rahmen der Erfindung ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9 angegeben. Danach ist ein gattungsgemäßer Industrieofen so ausgestaltet und weitergebildet, dass ein Vorwärm- und/oder Anlassofen vorgesehen ist, in dem die Abwärme des Innenraums nutzbar ist.
In erfindungsgemäßer Weise ist mittelbar oder unmittelbar am eigentlichen Hauptofen ein Vorwärm- und/oder Anlassofen positioniert, wobei die Abwärme des Innenraums des Industrieofens in geeigneter Weise in den Vorwärm- und/oder Anlassofen übertragbar ist. Dabei kann eine Wärmeübertragung auf vielfältige Art und Weise erfolgen. Bspw. können Brennerabgase und/oder Gas aus dem Innenraum direkt in den erfindungsgemäßen Vorwärm- und/oder Anlassofen geleitet werden. Des Weiteren lassen sich die vorgenannten Gasströme auch zu einer indirekten Beheizung des zusätzlichen Ofens verwenden. Besonders vorteilhaft ist eine Kombination eines Vorwärm- und/oder Anlassofens und einem in erfindungsgemäßer Weise hergestellten Konvektionsraum um den Haupt- bzw. Hochtemperaturofen.
In dem vorgeschlagenen Vorwärm- und/oder Anlassofen lassen sich beliebige Werkstücke vorheizen, bevor sie in den Hauptofen gegeben werden. Wird im zusätzlichen Ofen eine höhere Temperatur erreicht, kann dieser sogar zum Anlassen metallischer Werkstücke dienen. Bei beiden Möglichkeiten ist eine optimale Nutzung der Abwärme des Industrieofens realisiert, ohne dass diese nutzlos in die Umgebung abgegeben wird.
Im Hinblick auf vorteilhafte Ausführungsformen des letztgenannten erfindungsgemäßen Industrieofens wird zunächst ausdrücklich Bezug genommen auf die bereits eingangs genannten Weiterbildungen. Dementsprechend erweisen sich auch im Hinblick auf einen erfindungsgemäßen Vorwärm- und/oder Anlassofen Weiterbildungen als besonders vorteilhaft, bei denen der Haupt- oder Hochtemperaturofen als Drehherd-, Ringherd- oder Durchstoßofen ausgestaltet ist und/oder eine Isolierschicht aus einer feuerfesten Ausmauerung und/oder aus Mineralwolle und/oder ein Wärmeeintragmittel aus zumindest einem Gasbrenner, ggf. mit einem Strahlrohr, aufweist.
Auch der erfindungsgemäße Vorwärm- und/oder Anlassofen kann als Ringherd- oder Durchstoßofen ausgestaltet sein. Ist der Hauptofen als Drehherdofen oder Ringherdofen ausgeformt, erweist sich ein als Ringherd ausgestalteter Zusatz- oder Niedertemperaturofen als besonders vorteilhaft. Ist der Hauptofen jedoch ein Durchstoßofen, ist es besonders vorteilhaft, den Vorwärm- und/oder Anlassofen ebenfalls als Durchstoßofen zu gestalten, wobei dieser in energetisch besonders optimaler Weise im Gegenstrom betreibbar sein kann.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist der Vorwärm- und/oder Anlassofen oberhalb des Innenraums des Hauptofens – ggf. schräg versetzt – angeordnet. Bei dieser Ausführungsform wird die natürliche Kon vektion bei Luft- bzw. Gasströmen ausgenutzt. So steigt ein aus dem Innenraum des Hauptofens austretender bzw. ein vom Hauptofen erhitzter Gasstrom unweigerlich nach oben, wo er – wie hier vorgeschlagen – automatisch in den Vorwärm- und/oder Anlassofen eintreten oder diesen mittelbar erhitzen kann. Ist der Vorwärm- und/oder Anlassofen darüber hinaus gegenüber dem Hauptofen schräg versetzt angeordnet, kann der Übergangsbereich zwischen Haupt- und Zusatzofen als Spalt ausgebildet sein, wodurch zusätzlich ein Kamineffekt eintritt, der die natürliche Konvektion unterstützt. Sind beide Öfen als Ring- oder Drehherdofen ausgestaltet, kann jeder Ofen einen unterschiedlichen Radius aufweisen, so dass sich ein kreisringförmiger, spaltartiger Verbindungsbereich zwischen den beiden Öfen ergibt.
Wie bereits angedeutet, ist im Hinblick auf eine effektive Nutzung der Abwärme des Hauptofens eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der die Abwärme des Innenraums durch wärmeübertragenen Kontakt zwischen dem Innenraum und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen und/oder durch den unmittelbaren oder wärmeübertragenden Austausch von Luft und/oder Gasen zwischen dem Innenraum und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen übertragbar ist.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist der einen Vorwärm- und/oder Anlassofen aufweisende Industrieofen des Weiteren gekennzeichnet durch eine das Gehäuse zumindest teilweise umgebende und von der Gehäusewand beabstandete Isolierhülle, wobei zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle ein Konvektionsraum gebildet ist. Mit anderen Worten ist ein besonders vorteilhafter erfindungsgemäßer Industrieofen dadurch bildbar, dass einerseits ein zusätzlicher Vorwärm- und/oder Anlassofen vorgesehen ist, in dem die Abwärme des Innenraums genutzt wird, und andererseits eine das Gehäuse des Ofens zumindest teilweise umgebende Isolierhülle vorgesehen ist, wodurch um den Innenraum des Hauptofens ein Konvektionsraum gebildet ist. Obwohl eine Kombination dieser beiden erfindungsgemäßen Aspekte besonders bevorzugt ist, ist die Erfindung jedoch nicht auf diese Kombination beschränkt, vielmehr liegt jede der genannten Merkmalsgruppen für sich gesehen im Rahmen der Erfindung und kann auch alleine realisiert werden. In Bezug auf die erfindungsgemäße Isolierhülle ist zur Vermeidung von Wiederholungen auf die bereits genannten erfindungsgemäßen Vorteile und Ausgestaltungen zu verweisen, auf die hinsichtlich dieser Ausführungsform uneingeschränkt Bezug genommen wird.
So ist insbesondere bevorzugt, dass das Abgassystem, insbesondere die Abgasleitungen und/oder Abgassammelleitungen, im Wesentlichen auch durch den Konvektionsraum geführt werden.
Als besonders effektiv erweist sich dabei eine Ausführungsform, bei der der Vorwärm- und/oder Anlassofen mit Konvektionsluft aus dem Konvektionsraum speisbar ist. Damit sind sowohl eine optimale Isolierung des Industrieofens als auch eine effektive Nutzung der Abwärme des Innenraums miteinander kombiniert.
Alternativ oder zusätzlich kann der Vorwärm- und/oder Anlassofen mit Abgas der Wärmeeintragmittel und/oder mit aus dem Innenraum abgezweigtem Gas, insbesondere Endogas, und/oder mit aus der Abfackelung von Endogas erzeugtem Abgas speisbar sein. Die Ofenatmosphäre besteht in der Regel aus einem Schutz- und Trägergas, das als Endogas bezeichnet wird. Damit ist ein mit Erdgas und/oder Propan angereichertes Gasgemisch gemeint, das fortlaufend in den Innenraum eingespeist wird. Um die Zirkulation der Ofenatmosphäre zu gewährleisten und/oder verbrauchtes Endogas zu entfernen, muss dieses wieder aus dem Innenraum abgezweigt werden. Das abgezweigte, heiße Gas kann direkt und/oder nach einer thermischen Verwertung genutzt werden, um den erfindungsgemäßen Vorwärm- und/oder Anlassofen zu betreiben. Dementsprechend ist auch das Abgas der Wärmeeintragmittel direkt (Rauchgasstrom wird durch den Zusatzofen geführt) oder indirekt (Wärmeübertragung) im Vorwärm- und/oder Anlassofen nutzbar.
Im Hinblick auf eine besonders effektive Nutzung der vorgenannten Gasströme wird eine Ausführungsform vorgeschlagen, bei der zwischen dem Innenraum und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen und/oder zwischen dem Konvektionsraum und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen und/oder zwischen dem Abgassystem und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen ein oder mehrere Luft- bzw. Gaskanäle vorgesehen sind, welche ggf. ein Fördermittel für die Konvektionsluft, insbesondere einen Ventilator, aufweisen. Durch den Einsatz eines Ventilators bzw. eines Gebläses kann der entsprechende Gasstrom dabei weiter verstärkt bzw. genau geregelt werden.
Im Hinblick auf einen besonders gleichmäßigen Betrieb und eine exakte und unempfindliche Temperaturregelung wird eine Weiterbildung bevorzugt, bei der Luft- bzw. Gasströme aus dem Innenraum und/oder dem Konvektionsraum und/oder dem Abgassystem vor der Zuführung in den Vorwärm- und/oder Anlassofen mischbar sind und/oder Wärme zwischen den Luft- bzw. Gasströmen übertragbar ist.
Sowohl die Konvektionsluft aus dem Konvektionsraum als auch aus dem Vorwärm- und/oder Anlassofen austretendes Gas und/oder ein oder mehrere der oben genannten Gasströme können einer Vorrichtung zugeführt werden, in welcher die Wärmeenergie nutzbar, und insbesondere in elektrische Energie umwandelbar ist. Solch eine Vorrichtung besteht in bevorzugter Weise aus einer bereits genannten ORC-Anlage. Damit ist die Abwärme des Innenraums nicht nur in einem Zusatzofen, sondern darüber hinaus auch noch zur Gewinnung elektrischer Energie verwendbar.
Im Hinblick auf einen besonders energieeffizienten Betrieb kann auch in Verbindung mit einem Vorwärm- und/oder Anlassofen zusätzlich eine Anlage zur Durchführung eines ORC-Kreisprozesses vorgesehen sein. In dieser Anlage könnte die Wärmeenergie von Luft- bzw. Gasströmen aus dem Innenraum und/oder dem Konvektionsraum und/oder dem Abgassystem und/oder der erhitzten Charge nutzbar sein. Dazu kann auf die vorstehenden Ausführungen bezüglich einer optionalen ORC-Anlage verwiesen werden.
Im Hinblick auf eine besonders variable Betriebsweise kann zwischen dem Innenraum und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen eine Schleuse zum Austausch von Chargen vorgesehen sein. Damit lassen sich vorgewärmte Werkstücke besonders einfach, schnell und ohne übermäßigen Verlust von Wärmeenergie vom Vorwärmofen in den Innenraum des Hauptofens einbringen. Des Weiteren wird vermieden, dass Werkstücke während des Übertritts dem Luftsauerstoff ausgesetzt sind. Optional kann die Schleuse so ausgestaltet werden, dass sie mit einer bestimmten Gasatmosphäre beaufschlagbar ist, bspw. einer Stickstoffatmosphäre.
Im Hinblick auf ein Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens ist die oben aufgezeigte Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 20 gelöst. Danach wird ein insbesondere zur Überbrückung von Stillstandszeiten geeignetes Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens vorgeschlagen, wobei Chargen aus dem Innenraum in den Vorwärm- und/oder Anlassofen umgeladen werden.
Wird ein Industrieofen nicht im 24-Stunden- und Wochenendbetrieb genutzt, kann es je nach Chargenart und Betriebszweck trotzdem notwendig sein, den Ofen rund um die Uhr auf oder nahe bei der Betriebstemperatur zu halten. Dadurch tritt jedoch ein hoher Energiebedarf und hohe Wärmeverluste ein. Das erfindungsgemäße Verfahren schlägt vor, Chargen aus dem Innenraum des Hauptofens in einen Vorwärm- und/oder Anlassofen umzuladen. Danach kann die Temperatur des Hauptofens heruntergefahren werden, der Hauptofen kann ggf. sogar ganz abgeschaltet werden. Diese Betriebsweise bietet sich insbesondere an, falls der Ofen am Wochenende nicht genutzt wird. Ggf. bis zum Schichtende noch nicht bearbeitete Werkstücke können so in erfindungsgemäßer Weise in den Vorwärmofen gegeben und in energiesparender Weise dort auf einer gewünschten Temperatur gehalten werden. Dazu ist insbesondere bevorzugt, dass zwischen dem Innenraum des Hauptofens und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen eine Schleuse zum Austausch von Chargen vorgesehen ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich als besonders vorteilhaft in Verbindung mit der Verwendung eines Industrieofens als Aufkohlungsofen. Beim Aufkohlen oder Einsetzen werden Stahlsorten, die wegen eines zu geringen Kohlenstoffgehalts nicht härtbar sind, soweit mit Kohlenstoff angereichert, dass ein Harten ermöglicht ist. Dazu wird der aufzukohlende Stahl im Industrieofen mit einer kohlenwasserstoffhaltigen Atmosphäre in Berührung gebracht. Eine bevorzugte Betriebstemperatur für den Aufkohlungsprozess beträgt ca. 920°C.
In Härtereien betriebene Aufkohlungsöfen werden typischerweise zum Wochenende leer gefahren und mit einer Stickstoffatmosphäre beaufschlagt. Dabei geht eine erhebliche Produktionszeit verloren. Sind im Aufkohlungsofen während der Absenkung der Ofentemperatur noch Werkstücke enthalten, kann der im Werkstück vorhandene Kohlenstoff weiter in das Werkstück hineindiffundieren, wobei in unerwünschter Weise an der Oberfläche des Werkstücks eine kohlenstoffarme Schicht entsteht. Eine schlagartige Temperaturabsenkung im Aufkohlungsofen zur Unterbrechung des Diffusionsvorgangs wäre zwar wünschenswert, scheitert jedoch an der großen Wärmekapazität des Ofens.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist diese Problematik jedoch überwunden. Soll der Aufkohlungsofen (Hauptofen) in den Stillstandbetrieb übergehen, werden die Roste mit den Werkstücken aus dem Hauptofen in den Zusatzofen umgeladen. Die Temperatur des Zusatzofens kann dabei ca. 400°C betragen, während – wie bereits erwähnt – die Temperatur des Aufkohlungsofens ca. 920°C betragen kann. So wird erreicht, dass die Randschicht der Werkstücke innerhalb ca. einer Minute schlagartig abgekühlt wird, wodurch der Diffusionsprozess eingefroren wird. Optional kann der Zusatzofen währenddessen mit einer Stickstoffatmosphäre beaufschlagt werden. Des Weiteren ist im Hinblick auf eine effiziente Betriebsweise möglich, die Werkstücke aus dem Hauptofen gezielt lediglich in die heiße Zone des Zusatzofens einzubringen.
In bevorzugter Weise ist zwischen dem Haupt- und dem Zusatzofen eine Schleuse vorgesehen, die ggf. mit einer Stickstoffatmosphäre beauschlagbar ist.
Sobald der Hauptofen entladen ist, kann er – wie üblich – während des Stillstandbetriebs mit einer Stickstoffatmosphäre beaufschlagt werden. Die Temperatur kann nun aus Energiespargründen heruntergefahren werden. Sofern der Hauptofen über kältere und wärmere Zonen verfügt, können Roste in der kälteren Zone verbleiben, während die Roste aus der heißen Zone in die heiße Zone des Zusatzofens umgeladen worden sind.
Soll die Produktion wieder aufgenommen werden, wird die heiße Zone des Zusatzofens bis an die Grenze der Diffusionstemperatur, bspw. bis 860°C, hochgefahren. Dazu können im Zusatzofen Gasbrenner vorgesehen sein. Parallel kann der Hauptofen bereits auf die Betriebstemperatur, bspw. ca. 920°C, gebracht werden.
Sobald sich der Hauptofen auf der gewünschten Betriebstemperatur befindet und der Zusatzofen eine Temperatur von über ca. 800°C aufweist, kann der Hauptofen wieder mit der für die Aufkohlung üblichen kohlenwasserstoffreichen Atmosphäre beaufschlagt werden. Danach können die im Zusatzofen zwischengelagerten Werkstücke aus dem unterbrochenen Aufkohlungsprozess wieder in den Hauptofen umgeladen werden. Dabei wird die Randschicht der Werkstücke innerhalb kürzester Zeit wieder auf die optimale Diffusionstemperatur erhitzt.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren werden unerwünschte und nicht steuerbare Diffusionsvorgänge in den Werkstücken, insbesondere während einer Betriebsun terbrechung des Hauptofens, wirksam unterbunden. Durch die Zwischenlagerung im Zusatzofen wird eine große Mengen an Primärenergie eingespart. Die Werkstücke werden innerhalb kürzester Zeit ausgehend von der Diffusionstemperatur abgekühlt und umgekehrt wieder auf Diffusionstemperatur erhitzt. Dadurch kann eine Betriebsunterbrechung ohne einhergehende Verschlechterung der Produktqualität überbrückt werden.
Das vorgenannte Verfahren erweist sich nicht nur im planmäßigen Nacht- und/oder Wochenendbetrieb als vorteilhaft, sondern auch bei sonstigen vorgesehenen oder unvorhergesehenen Produktionsunterbrechungen, bspw. bei Defekten oder bei Wartungsarbeiten am Industrieofen.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Patentansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeichnung zeigt
1 in einer seitlichen Schnittansicht einen als Ringherdofen ausgestalteten erfindungsgemäßen Industrieofen mit einem Konvektionsraum und einem am oberen Außenrand angeordneten Vorwärm- und/oder Anlassofen, und
2 eine von oben gesehene Schnittdarstellung des Industrieofens gemäß Schnitt A-A aus 1.
1 zeigt eine seitliche Schnittdarstellung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Industrieofens. Der Industrieofen ist dabei als Ringherdofen ausgestaltet. Demnach weist der Ofen einen Innenraum 1 auf, der eine kreisringförmige Grundfläche besitzt. Der Innenraum 1 ist umgeben von der Wand eines Gehäuses 2. Dabei ist das Gehäuse 2 auf der Innenseite mit einer Iso lierschicht 3 ausgekleidet. Diese besteht aus einer feuerfesten Ausmauerung und/oder Mineralwolle. Zur Dissipation von Wärmeenergie in den Innenraum 1 verfügt der Ofen über eine Mehrzahl von Wärmeeintragmitteln 4, die in Form von Gasbrennern 5 ausgestaltet sind, welche jeweils ein Strahlrohr 6 aufweisen.
In erfindungsgemäßer Weise verfügt der Industrieofen über eine von der Wand des Gehäuses 2 beabstandete Isolierhülle 7, welche aus Stahlblech hergestellt sein kann. Dadurch bildet sich zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle 7 ein Konvektionsraum 8, der – insbesondere in aufsteigender Richtung – von Luft oder anderen Gasen durchströmbar ist. Die durch den Konvektionsraum 8 strömende Luft nimmt die Abwärme des Innenraums 1 auf, welche daraufhin in energetisch sinnvoller Weise weiter genutzt werden kann. Des Weiteren wird durch die Ausbildung des Konvektionsraums 8 die Isolation des Industrieofens erheblich verbessert, so dass die Wand des Gehäuses 2 im Vergleich zu einer Ausgestaltung ohne Isolierhülle 7 eine deutlich höhere Temperatur aufweisen kann.
Ebenfalls im Konvektionsraum 8 befinden sich die Abgasleitungen 9, die das Rauchgas der Gasbrenner 5 sammeln und abführen. Dadurch wird auch die Wärmeenergie des Abgases der Gasbrenner 5 nutzbar, da diese Energie zunächst im Konvektionsraum 8 gehalten werden kann.
In weiter erfindungsgemäßer Weise ist auf dem eigentlichen Industrieofen (Haupt- oder Hochtemperaturofen) ein weiterer Ringherdofen aufgebaut, nämlich ein Vorwärm- und/oder Anlassofen 10 (Zusatz- oder Niedertemperaturofen). Der Vorwärmofen 10 weist dabei eine Grundfläche auf, die im Vergleich zum Hauptofen konzentrisch, jedoch mit größerem Radius ausgelegt ist. Darüber hinaus ist der Nutzraum des Vorwärmofens 10 von Innenraum 1 sowohl nach oben als auch nach außen beabstandet. Durch den Versatz des Vorwärmofens 10 in vertikaler Richtung wird besonders effektiv dem Phänomen der natürlichen Konvektion Rechnung getragen. Dabei kann sich in den Konvektionsraum 8 des Hauptofens eintretende Luft erhitzen und durch den spaltartigen Durchlass zwischen Konvektionsraum 8 und dem Nutzraum des Vorwärmofens 10 durch die Ausbildung eines Kamineffekts in den Vorwärmofen 10 übertreten. Die Öffnung zwischen Konvektionsraum 8 und dem Nutzraum des Vorwärmofens 10 kann als umlaufender Spalt ausgebildet sein. Es kön nen jedoch auch über den Umfang verteilt mehrere Luft- bzw. Gaskanäle vorgesehen werden.
Mit dem erfindungsgemäßen Vorwärm- und/oder Anlassofen 10 sind die durch den Konvektionsraum 8 erhaltenen Vorteile in besonders effektiver Weise optimierbar. Die Erfindung ist jedoch nicht auf eine Kombination dieser beiden Maßnahmen beschränkt, denn die alleinige Anwendung einer der Maßnahmen liefert bereits erfindungsgemäße Vorteile.
Es ist des Weiteren möglich, neben der Konvektionsluft aus dem Konvektionsraum 8, welche neben der Abwärme des Innenraums 1 auch die Energie aus den Abgasleitungen 9 aufnimmt, auch die Brennerabgase und/oder Endogas aus dem Innenraum 1 direkt oder indirekt (in wärmeübertragendem Kontakt) dem Vorwärmofen 10 zuzuführen, und so den Wärmeeintrag in den Vorwärmofen 10 erheblich zu steigern.
Verbrauchtes Gas aus dem Nutzraum des Vorwärmofens 10 kann danach noch einer ORC-Anlage zur Stromgewinnung zugeführt werden. Dies ist selbstverständlich auch mit Endogas aus dem Innenraum 1 und/oder mit Abgasen der Gasbrenner 5 möglich und sinnvoll.
Sowohl im Hauptofen als auch im Vorwärmofen 10 ist jeweils ein Drehring 11 angeordnet, auf dem mehrere übereinander angeordnete Roste 12 platziert sind. Auf den Rosten 12 ist die jeweils zu erhitzende Charge 13 angeordnet.
2 zeigt eine von oben gesehene Schnittdarstellung des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Industrieofens gemäß dem dortigen Schnitt A-A. Demnach ist in dieser Darstellung lediglich der Haupt- oder Hochtemperaturofen dargestellt, nicht jedoch der erfindungsgemäße Vorwärmofen. Diese Figur verdeutlicht zunächst den Aufbau des Industrieofens als Ringherd. Demgemäß umschreibt der Innenraum 1 eine kreisringförmige Grundfläche. An dem äußeren sowie dem inneren Rand des Innenraums 1 sind eine Vielzahl von Gasbrennern 5 jeweils paarweise angeordnet. Nach innen und außen wird der Innenraum 1 jeweils durch eine Isolierschicht 3 begrenzt, die die Innenseite des Gehäuses 2 auskleidet.
In erfindungsgemäßer Weise ist nun sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite eine weitere Isolierhülle 7 vorgesehen, wodurch jeweils ein Konvektionsraum 8 in Form eines Zylindermantels gebildet wird.
Die Einbauten des Industrieofens (nicht dargestellt), welche die zu erhitzenden Chargen (nicht dargestellt) aufnehmen, drehen sich während des Betriebs. Des Weiteren sind die Gasbrenner 5 über den gesamten Innenraum 1 gesehen ungleichmäßig verteilt, so dass sich – je nach Beladung – im Innenraum ebenfalls eine ungleichmäßige Temperaturverteilung ergibt. Daher ist vorgesehen, die Luft aus dem Konvektionsraum 8 des Hauptofens aus heißen Zonen in ansonsten kältere Zonen des Vorwärmofens zu leiten, so dass eine Art Gegenstromeffekt mit jeweils maximalem Temperaturunterschied bei der Wärmeübertragung einstellbar ist.
Der dargestellte Ringherdofen wird bei 6 Uhr be- und entladen. Bei rechtsdrehendem Ring ergibt sich daher zwischen 6 und 12 Uhr eine kältere Zone, während zwischen 12 und 6 Uhr die Hitze im Innenraum 1 stärker ist. Dementsprechend wird die Konvektionsluft aus der heißen Zone bei 3 Uhr gesammelt und mittels einer gezielten Gasstromführung 14 zwischen 6 und 12 Uhr in den darüberliegenden Vorwärmofen geleitet, was hier schematisch dargestellt ist. Die Sammelleitungen für die Gasstromführung 14 verlaufen dabei im Konvektionsraum 8, so dass kein Wärmeverlust eintritt.
Als Ausgleich für die abgezogene Konvektionsluft ist es möglich, den zwischen 12 und 6 Uhr gelegenen Zonen des Vorwärmofens die Abgase der Gasbrenner 5 aus der Zone zwischen 6 und 12 Uhr zuzuführen, so dass eine gleichmäßige Beheizung des Vorwärmofens erreicht werden kann.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Industrieofens wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei angemerkt, dass das voranstehend erörterte Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Industrieofens lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf das Ausführungsbeispiel einschränkt.

1: Innenraum
2: Gehäuse
3: Isolierschicht
4: Wärmeeintragmittel
5: Gasbrenner
6: Strahlrohr
7: Isolierhülle
8: Konvektionsraum
9: Abgasleitung
10: Vorwärm- und/oder Anlassofen
11: Drehring
12: Rost
13: Charge
14: Gasstromführung

Claims

Industrieofen mit einem beheizbaren Innenraum (1), einem den Innenraum (1) umgebenden Gehäuse (2), mit einer die Innenseite des Gehäuses (2) zumindest teilweise auskleidenden Isolierschicht (3), und mit Wärmeeintragmitteln (4) zum Einbringen von Wärmeenergie in den Innenraum (1), gekennzeichnet durch eine das Gehäuse (2) zumindest teilweise umgebende und von der Gehäusewand beabstandete Isolierhülle (7), wobei zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle (7) ein Konvektionsraum (8) gebildet ist.
Industrieofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen als Drehherd-, Ringherd- oder Durchstoßofen ausgestaltet ist.
Industrieofen nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Isolierschicht (3) aus einer feuerfesten Ausmauerung und/oder aus Mineralwolle.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeeintragmittel (4) zumindest einen Gasbrenner (5), ggf. mit einem Strahlrohr (6), aufweisen.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgassystem, insbesondere die Abgasleitungen (9) für die Wärmeeintragmittel (4) und/oder Abgassammelleitungen, im Wesentlichen durch den Konvektionsraum (8) geführt ist.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Konvektionsraum (8) zumindest eine Ableitung für die Konvektionsluft aufweist, und insbesondere einen oder mehrere Luftkanäle aufweist, welche ggf. ein Fördermittel für die Konvektionsluft, insbesondere einen Ventilator, aufweisen.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konvektionsluft einer Vorrichtung zuführbar ist, in welcher die Wärmeenergie nutzbar ist, und insbesondere in elektrische Energie umwandelbar ist.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage zur Durchführung eines ORC-Kreisprozesses vorgesehen ist, in welcher die Wärmeenergie der Konvektionsluft und/oder der erhitzten Charge (13) nutzbar ist.
Industrieofen mit einem beheizbaren Innenraum (1), einem den Innenraum (1) umgebenden Gehäuse (2), mit einer die Innenseite des Gehäuses (2) zumindest teilweise auskleidenden Isolierschicht (3), und mit Wärmeeintragmitteln (4) zum Einbringen von Wärmeenergie in den Innenraum (1), dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) vorgesehen ist, in dem die Abwärme des Innenraums (1) nutzbar ist.
Industrieofen nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) als Ringherd- oder Durchstoßofen ausgestaltet ist.
Industrieofen nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) oberhalb des Innenraums (1) – ggf. schräg versetzt – angeordnet ist.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Abwärme des Innenraums (1) durch Wärme übertragenden Kontakt zwischen dem Innenraum (1) und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) und/oder durch den unmittelbaren oder Wärme übertragenden Austausch von Luft und/oder Gasen zwischen dem Innenraum (1) und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) übertragbar ist.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine das Gehäuse (2) zumindest teilweise umgebende und von der Gehäusewand beabstandete Isolierhülle (7), wobei zwischen der Gehäusewand und der Isolierhülle (7) ein Konvektionsraum (8) gebildet ist.
Industrieofen nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) mit Konvektionsluft aus dem Konvektionsraum (8) speisbar ist.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorwärm- und/oder Anlassofen (1) mit Abgas der Wärmeeintragmittel (4) und/oder mit aus dem Innenraum (1) abgezweigtem Gas, insb. Endogas, und/oder mit aus der Abfackelung von Endogas erzeugtem Abgas speisbar ist.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenraum (1) und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) und/oder zwischen dem Konvektionsraum (8) und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) und/oder zwischen dem Abgassystem und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) ein oder mehrere Luft- bzw. Gaskanäle vorgesehen sind, welche ggf. ein Fördermittel für die Konvektionsluft, insbesondere einen Ventilator, aufweisen.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass Luft- bzw. Gasströme aus dem Innenraum (1) und/oder dem Konvektionsraum (8) und/oder dem Abgassystem vor der Zuführung in den Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) mischbar sind und/oder Wärme zwischen den Luft- bzw. Gasströmen übertragbar ist.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anlage zur Durchführung eines ORC-Kreisprozesses vorgesehen ist, in welcher die Wärmeenergie von Luft- bzw. Gasströmen aus dem Innenraum (1) und/oder dem Konvektionsraum (8) und/oder dem Abgassystem und/oder der erhitzten Charge (13) nutzbar ist.
Industrieofen nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innenraum (1) und dem Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) eine Schleuse zum Austausch von Chargen (13) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betrieb eines Industrieofens, insbesondere eines Industrieofens nach einem der Ansprüche 9 bis 19, und insbesondere zur Überbrückung von Stillstandszeiten, dadurch gekennzeichnet, dass Chargen (13) aus dem Innenraum (1) in den Vorwärm- und/oder Anlassofen (10) umgeladen werden.