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Die Erfindung betrifft einen Durchlaufofen für eine Hochtemperaturerwärmung vereinzelter metallischer Elemente oder eines metallischen Strangs mit einer Brennkammer und einem Kamin zur Abführung heißer Abgase. Der erfindungsgemäße Durchlaufofen kann dabei bevorzugt für die Herstellung von Werkstücken durch eine Umformung, wie das Schmieden, eingesetzt werden.
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Üblicherweise werden die zu erwärmenden Halbzeuge in Durchlauföfen soweit erwärmt, dass sie einer Umformung unterzogen werden können. Dabei werden überwiegend Brenner eingesetzt, die ein Brenngas nutzen. Die Flamme oder mehrere Flammen von Brennern werden dann innerhalb des Ofens auf die zu erwärmenden Halbzeuge gerichtet. Diese werden in horizontaler Richtung durch den Durchlaufofen bewegt. Ein solcher Ofen ist in
DE 32 06 238 A1 beschrieben. Das heiße Abgas wird dabei gezwungen aus einer Heizzone, in der die Brenner angeordnet sind, über Öffnungen oder Kanäle in den Boden unterhalb der Aufheizzone einzutreten und dann in eine Vorheizzone einzutreten, aus der sie dann aus dem Ofen abgeführt werden können.
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In
DE 20 19 490 A ist ein Durchlaufofen zum Erhitzen von Metallteilen nach dem Gegenstromprinzip beschrieben, dessen Durchlauftunnel gegen die Horizontale geneigt ist und der einen Kamin mit einstellbarem Durchsatz und einstellbar antreibbare Schubstangen umfasst.
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DE 24 06 029 C3 beschreibt ein Verfahren zur Verhinderung der Oxydation und/oder Überhitzung eines Metallbandes bei der Wärmebehandlung in einem Durchlaufofen, durch den das zu bearbeitende Metallband kontinuierlich und über Umlenkrollen zunächst durch eine Brennkammer und anschließend durch eine Behandlungskammer geführt wird.
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Mit einer solchen mehrfachen Nutzung der erzeugten Wärme kann der Wirkungsgrad etwas gesteigert werden. Die Wärme wird aber nicht in ausreichendem Maß genutzt. Dabei spielt auch der Wärmeübergang in die mit dem Ofen zu erwärmenden Barren eine Rolle. Bei dieser Lösung kann dies jeweils von einer Seite erfolgen und die Barren erwärmen sich im Wesentlichen auch durch Wärmeleitung.
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Bei den bekannten Durchlauföfen ist es auch problematisch, dass die zu erwärmenden Halbzeuge in horizontaler Richtung durch den Ofen transportiert werden müssen. Dafür sind mechanische Elemente, wie sie in
DE 10 2004 020 206 A1 offenbart sind, erforderlich. Sie sind dabei ebenfalls den hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass sie aus geeigneten kostenintensiven Werkstoffen hergestellt sein müssen. Da auch Lagerungen erforderlich sind, werden auch an diese hohe Ansprüche gestellt. Teilweise sind die Lager dabei außerhalb des Ofens angeordnet, um sie vor den besonders hohen Temperaturen zu schützen. Dies führt aber zu Wärmeverlusten. Verluste treten auch dadurch auf, dass ja auch die mechanischen Elemente für den Transport zwangsläufig mit erwärmt werden.
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Die mechanischen und beweglichen Teile an solchen Öfen unterliegen auch einem erhöhten Verschleiß, was zu erheblichen Wartungsaufwand führt.
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Der mit bekannten Öfen erreichbare Wirkungsgrad liegt deutlich unterhalb von 50%, so dass die Erwärmung der Halbzeuge einen Kostenfaktor darstellt.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben, den Wirkungsgrad eines Durchlaufofens zu erhöhen und den Aufbau zu vereinfachen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Durchlaufofen, der die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen erreicht werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Durchlaufofen für eine Hochtemperaturerwärmung vereinzelter metallischer Elemente oder eines metallischen Strangs, als Halbzeuge sind eine Brennkammer und ein Kamin zur Abführung heißer Abgase vorhanden und miteinander verbunden. Innerhalb de Kamins und der Brennkammer ist eine Längsführung für die Hindurchführung der metallischen Elemente oder eines metallischen Strangs vorhanden. Die Längsführung und auch der Kamin sind in einem Winkel im Bereich 30° bis 90° in Bezug zur Horizontalen ausgerichtet. Dadurch können die zu erwärmenden metallischen Elemente oder ein metallischer Strang von oben, also vertikal oberhalb der Brennkammer durch den Kamin in den Durchlaufofen eingeführt werden. Die Bewegung erfolgt dann so, dass das heiße Abgas im Gegenstrom an den zu erwärmenden metallischen Elementen oder dem Strang durch den Kamin ausgehend von der Brennkammer entlang strömen, dabei die Restwärme an diese abgeben und mit deutlich reduzierter Temperatur aus dem Kamin an die Umgebung abgegeben werden kann.
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Außerdem kann durch die Neigung in Bezug zur Horizontalen erreicht werden, dass die metallischen Elemente oder ein metallischer Strang zumindest überwiegend, bevorzugt ausschließlich durch Gravitationskraftwirkung durch den Durchlaufofen bewegt werden können/kann, so dass auf bewegte zusätzliche mechanische Elemente für den Transport verzichtet werden kann.
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Bei der Erfindung ist im Bereich der Brennkammer mindesten eine temporäre Fixierung für ein dort angeordnetes metallisches Element oder einen metallischen Strang vorhanden. Dadurch können mit dem so fixierten metallischen Element vertikal oberhalb dazu angeordnete metallische Elemente in der Längsführung gehalten werden. So kann auch ein metallischer Strang in der Längsführung fixiert werden. Die Fixierung kann gelöst werden, wenn das jeweilige in der Brennkammer angeordnete metallische Element oder ein entsprechender Bereich eines Stranges auf die gewünschte Temperatur gebracht worden ist und dann aus dem Durchlaufofen entnommen bzw. daraus entfernt werden kann.
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Im Falle eines metallischen Stranges kann der ausreichend erwärmte Bereich vom Strang abgetrennt werden.
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Vertikal unterhalb der Brennkammer nach dem Austritt für metallische Elemente oder einen abgetrennten Bereich eines metallischen Strangs kann eine Entnahmeeinrichtung vorhanden sein. An der Entnahmeeinrichtung kann ein parallel zur Längsachse der Längsführung translatorisch bewegbares Stößelelement vorhanden sein, auf dem sich eine Stirnseite des jeweiligen metallischen Elements oder eines abgetrennten Strangbereichs abstützen kann. Der mit dem Stößel zwischen zwei Umkehrpunkten zurücklegbare Weg sollte dabei die jeweilige Länge eines metallischen Elements oder Strangbereichs berücksichtigen. Ist ein metallisches Element oder ein Strangbereich für eine Entnahme ausreichend lang aus dem Durchlaufofen bewegt worden, wird die Fixierung aktiviert und das nächstfolgende metallische Element oder der Strang in diesem Bereich wieder fixiert. Dies kann so lange erfolgen, bis dort wieder eine ausreichend hohe Temperatur erreicht worden ist und der Vorgang für eine weitere Entnahme mit Nachführung wiederholt werden kann.
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Die Fixierung kann mit zwei Klemmelementen gebildet sein. Dabei kann mindestens ein Klemmelement von einer Seite pneumatisch oder hydraulisch betätigt gegen ein zu fixierendes metallisches Element oder den Strang bewegt werden, um eine Fixierung zu erreichen. Zum Lösen wird eine entgegengesetzt gerichtete Bewegung durchgeführt.
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Für eine Erwärmung eines metallischen Strangs kann die Fixierung auch als Trennvorrichtung ausgebildet sein, mit der die Abtrennung eines ausreichend erwärmten Bereichs eines Strangs möglich ist. Hierfür können an Klemmelementen Schneidflächen vorhanden sein und diese Schneidelemente bilden.
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Eine Längsführung kann vorteilhaft bei der Erfindung mit in Abständen zueinander und radial außen um metallische Elemente oder einen metallischen Strang angeordneten Führungselementen gebildet sein. Dabei können bei der Anordnung der Führungselemente die jeweilige Querschnittsgeometrie und die Abmessungen des Querschnitts, beispielsweise der Außendurchmesser, der zu erwärmenden metallischen Elemente oder des jeweiligen Strangs berücksichtigt sein. Sie können in Form eines Käfigs mit einem Kanal, durch den die metallischen Elemente oder ein Strang in geführter Form bewegt werden können, ausgebildet sein. Als Führungselemente können beispielsweise Stäbe, Rohre oder Platten eingesetzt werden. Durch die in Abständen zueinander angeordneten Führungselemente kann ein direkter Kontakt des abströmenden heißen Abgases innerhalb des Kamins an die metallischen Elemente oder einen Strang zur Vorwärmung eingehalten werden.
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Bei der Anordnung der Führungselemente bzw. der Ausbildung einer Längsführung sollte lediglich darauf geachtet werden, dass die jeweiligen metallischen Elemente oder der Strang ein ausreichendes Spiel für die Bewegung haben.
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Für die Hochtemperaturerwärmung unterschiedlich dimensionierter metallischer Elemente oder Stränge können dem angepasste Längsführungen im Durchlaufofen ausgetauscht werden. Es ist aber auch möglich, die Abstände der Führungselemente zueinander zu verändern.
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In den meissten Fällen kann es ausreichend sein eine Längsführung mit drei solchen Führungselementen einzusetzen. Dies ist insbesondere bei metallischen Elementen oder Strängen mit kreisförmigem Querschnitt der Fall.
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Besonders bevorzugt ist innerhalb des Kamins radial um die Längsführung eine Leitblechanordnung für abzuführendes heißes Abgas angeordnet. Dadurch wird der vom heißen Abgas innerhalb des Kamins zurück gelegte Weg verlängert und auch die Strömungsgeschwindigkeit kann dadurch reduziert werden. Es ist so ein größerer Anteil an Restwärme des heißen Abgases für die Vorwärmung an metallische Elemente oder den metallischen Strang übertragbar. Dadurch kann der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Durchlaufofens erheblich und dabei über 50% erhöht werden.
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Eine Leitblechanordnung kann dabei innerhalb des Kamins um die Längsführung angeordnet sein. Neben einer Leitblechanordnung, mit der eine mäanderförmige Strömung, ausgehend von der Brennkammer bis zur Austrittsöffnung des Kamins möglich ist, kann auch eine spiralförmig ausgebildete Leitblechanordnung eingesetzt werden.
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Ähnlich wie die Längsführung kann auch eine Leitblechanordnung ausgetauscht werden, um die Abmaße zu erwärmender metallischer Elemente oder eines metallischen Strangs und/oder die zu erreichende maximale Erwärmungstemperatur berücksichtigen zu können. Dabei kann die Dimensionierung der Leitblechanordnung und/oder der Neigungswinkel einer spiralförmig ausgebildeten Leitblechanordnung berücksichtigt werden. Dadurch kann der Abstand und die nutzbare Fläche einzelner Leitbleche oder von Windungen einer spiralförmigen Leitblechanordnung in geeigneter Form an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
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Für eine ausreichende Vorwärmung und Ausnutzung der Restwärme des heißen Abgases sollte der Kamin eine Länge aufweisen, die mindestens dem Fünffachen der Länge der Brennkammer entspricht. Dadurch kann die Temperatur des aus dem Kamin an die Umgebung abgegebenen heißen Abgas, das in der Brennkammer beispielsweise eine Temperatur von 1200°C hat, bis auf ca. 150°c abgesenkt und so ein sehr hoher Anteil an Restwärme auf innerhalb des Kamins gehaltene metallische Elemente oder den entsprechenden Strang übertragen werden, ohne dass die Taupunkttemperatur innerhalb des Durchlaufofens unterschritten wird. Deren Temperatur kann so vom Eintritt in den Kamin bis in die Brennkammer sukzessive erhöht werden, so dass in der Brennkammer dann nur noch eine Erhöhung der Temperatur erreicht werden muss, die deutlich kleiner als bei herkömmlichen Durchlauföfen ist. Die für die Erwärmung erforderliche Zeit kann auch verkürzt werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchlaufofens;
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2 eine Schnittdarstellung durch einen Bereich eines Kamins mit darin angeordneter Längsführung und spiralförmiger Leitblechanordnung und
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3 einen Querschnitt durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchlaufofens im Bereich der Brennkammer.
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Bei dem Beispiel nach 1 ist eine 90° Ausrichtung in Bezug zur Horizontalen gewählt. Ganz unten, also unterhalb der Brennkammer 3 ist eine Entnahmeeinrichtung 5, mit einem in vertikale Richtung zwischen zwei Umkehrpunkten bewegbaren Stößelelement 5.1, angeordnet. Vertikal oben auf der Brennkammer 3 ist der Kamin 2 angeflanscht. Der Kamin 2 hat hier eine Länge von 5000 mm.
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In der Brennkammer 3 sind drei metallische Elemente 1, 1' dargestellt, oberhalb derer weitere hier nicht dargestellte metallische Elemente 1 innerhalb der Längsführung 4 im Kamin 2 in gestapelter Form vorhanden sind. Das hier vertikal unterste metallische Element 1' wird mit der Fixierung 7 klemmend gehalten und kann so die darüber angeordneten metallischen Elemente 1 halten.
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Ist eine ausreichend hohe Temperatur des metallischen Elements 1' erreicht, kann das Stößelelement 5.1 nach oben bewegt werden. Erreicht seine vorderste Stirnfläche die untere Stirnfläche des metallischen Elements 1' kann die Fixierung 7 gelöst und das Stößelelement 5.1 vertikal nach unten bewegt werden, bis das metallische Element 1' für eine weitere Entnahme aus dem Durchlaufofen, die manuell oder mit hier nicht gezeigten technischen Mitteln erfolgen kann, ausreichend freigegeben ist.
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Die übereinander gestapelten weiteren metallischen Elemente 1 rutschen dann allein durch die Gravitationskraftwirkung nach unten und das dann unterste metallische Element 1' kann durch Aktivierung der Fixierung 7 wieder klemmend gehalten werden, wodurch auch eine weitere Bewegung der darüber angeordneten metallischen Elemente 1 verhindert werden kann. Dieser Vorgang kann sich entsprechend oft wiederholen. Neue bei diesem Beispiel stabförmige auf eine gewünschte Länge geschnittene metallische Elemente 1 können durch die obere Öffnung des Kamins 2 eingeführt werden.
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Im Bereich der Brennkammer 3 können Temperaturen bis ca. 1200°C erreicht werden. Das austretende heiße Abgas hat am Austritt der Brennkammer 3 in den Kamin 2 noch eine Temperatur von ca. 1000°C, auf halber Höhe des Kamins 2 hat es noch eine Temperatur von 400°C. Es tritt mit einer Temperatur von etwa 150°C in die Umgebung aus dem Kamin 2 aus.
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Außen können Brennkammer 3 und Kamin 2 mit einer nicht dargestellten thermischen Isolation umschlossen sein.
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Mit der in 2 gezeigten Teilschnittdarstellung durch einen Kamin 2 sollen mögliche Ausbildungen einer Längsführung 4 und einer spiralförmig ausgebildeten Leitblechanordnung 6 verdeutlicht werden.
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Parallel zur Längsachse des Kamins 2 sind durch diesen vier äquidistant zueinander angeordnete stabförmige Führungselemente 4.1 von der Oberkante des Kamins 2 durch diesen hindurch bis in die hier nicht dargestellte Brennkammer 3 geführt. Durch den inneren Zwischenraum können die darin gestapelten metallischen Elemente 1 von oben nach unten allein durch die wirkende Gravitationskraft nachrutschen, wenn ein ausreichend erwärmtes metallisches Element 1' aus der Brennkammer 3 entnommen worden ist, wie dies vorab bereits beschrieben worden ist.
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Im Zwischenraum zwischen der Längsführung 4 und der Außenwand des Kamins 1 ist eine über die gesamte Lange des Kamins 2 reichende spiralförmige Leitblechanordnung 6 vorhanden. Das aus der Brennkammer 3 austretende heiße Abgas strömt dabei außenseitig um die Längsführung 4 und die darin aufgenommenen metallischen Elemente 1 zwischen den nebeneinander angeordneten Windungen der Leitblechanordnung 6 herum und kann dabei seine Restwärme an die Führungselemente 4.1 und über die Zwischenräume der Führungselemente 4.1 direkt an die metallischen Elemente 1 übertragen. Eine Wärmeübertragung ist auch durch Wärmeleitung von den Führungselementen 4.1 auf die metallischen Elemente 1 möglich.
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Die 3 zeigt einen Querschnitt durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Durchlaufofens im Bereich der Brennkammer 3. Für die Beheizung ist ein herkömmlicher Gasbrenner 8 angeschlossen. In der Brennkammer 3 sind wieder vier Führungselemente 4.1 vorhanden. Diese sind hier als plattenförmige Elemente ausgebildet und ihre nach innen weisenden Stirnflächen bilden die Längsführung für metallische Elemente 1. Bei metallischen Elementen 1 mit unterschiedlichen Querschnittsgeometrien oder Abmessungen können diese Führungselemente 4.1 in jeweils radialer Richtung in die Brennkammer 3 hinein oder heraus bewegt werden, so dass eine Anpassung an die jeweiligen zu erwärmenden metallischen Elemente 1 erreicht werden kann. Bei metallischen Elementen 1 mit einem rechteckigen Querschnitt können jeweils zwei gegenüberliegend angeordnete Führungselemente 4.1 weiter in das Innere der Brennkammer 3 eingeführt sein, als die beiden anderen Führungselemente 4.1.
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In 3 ist außerdem die Fixierung 7 dargestellt, mit der das am weitesten unten angeordnete metallische Element 1' gehalten werden kann. Hier sind es zwei sich gegenüberliegend und zwischen Führungselementen 4.1 angeordnete pneumatisch bewegbare Klemmelemente 7.1 und 7.2.
