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Die Erfindung betrifft eine Ofenanlage zur Wärmebehandlung von Werkstücken, insbesondere zur Wärmebehandlung von Metallbolzen oder dergleichen, mit einem Ofeneinlass, einem Ofenauslass und einer wenigstens einen Hubbalken aufweisenden Fördereinrichtung zum Transportieren der Metallbolzen durch die Ofenanlage sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Ofenanlage.
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Ofenanlagen zur Wärmebehandlung von Metallen sind aus dem Stand der Technik in zahlreichen Varianten bekannt. Bei einer Wärmebehandlung werden die Werkstücke in der Ofenanlage bestimmten Temperaturen oder Temperaturverläufen ausgesetzt, um bestimmte Werkstoffeigenschaften zu ändern. Unter einer Wärmebehandlung kann beispielsweise eine Homogenisierung von Aluminium oder Al-Legierungen verstanden werden. Häufig werden zur Wärmebehandlung von Metallen Durchlauföfen eingesetzt, da diese eine kontinuierliche Wärmebehandlung mit den daraus resultierenden gleichmäßigen, reproduzierbaren Produkteigenschaften ermöglichen und sich somit besonders gut in industrielle Herstellungsabläufe integrieren lassen.
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Durchlauföfen müssen prinzipbedingt mit einer Fördereinrichtung ausgestattet sein, welche das zu behandelnde Gut vom Einlass des Ofens zum Auslass des Ofens transportiert. Herkömmliche Fördereinrichtungen wie beispielsweise elastische Förderbänder kommen dabei aufgrund der hohen in der Ofenanlage herrschenden Temperaturen regelmäßig nicht in Frage. In der Praxis hat sich bei Durchlauföfen daher der Transport mit Hubbalken bewährt, woraus die Bezeichnung Hubbalkenofen abgeleitet wurde.
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Ein Durchlaufofen mit einem Hubbalken als Transportmittel ist beispielsweise aus der
DE 35 09 483 A1 bekannt. Es wird vorgeschlagen, Aluminium-Pressbolzen mit Hubbalken durch den Ofen zu bewegen, wobei die Hubbalken mittels Tragstützen, welche durch Ausnehmungen im Ofenboden hindurchgeführt werden, bewegt werden. Neben dem Hubbalken ist ein Stützbalken vorgesehen, auf dem die Pressbolzen abgelegt werden. Der Hubbalken bewegt sich zunächst nach oben und hebt dabei die auf dem Stützbalken liegenden Pressbolzen an. Im nächsten Schritt werden die Pressbolzen durch eine horizontale Bewegung des Hubbalkens ein Stück weiter nach vorne, also in Durchlaufrichtung, getragen und durch Absenken des Hubbalkens wieder auf den Stützbalken abgelegt. Nachdem der Hubbalken unter den Stützbalken abgesenkt wurde, wird der Hubbalken entgegen der Durchlaufrichtung wieder in seine Ausgangslage zurückgeführt. Dieser Zyklus wiederholt sich fortlaufend, so dass die Pressbolzen schrittweise durch den Ofen gefördert werden. Da sich der Hubbalken von der Seite betrachtet auf einer geschlossenen Kreisbahn bewegt, wird teilweise von einer „laufenden” Bewegung des Hubbalkens gesprochen, der international daher auch als „walking beam” bekannt ist. Weitere Stand der Technik ist aus der Veröffentlichung Hubbalken-Ofen, heruntergeladen am 22.03.2012 von http://web.archive.org/web/20080918030534/http://www.iob.de/hubb.htm, veröffentlicht am 18.09.2008,
WO 03/029110 A2 ,
DE 34 40 126 A1 oder
AT 230 279 B bekannt.
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Nachteilig ist die aufwändige Erzeugung der komplexen Bewegung des Hubbalkens. Aufgrund der hohen Temperaturen werden die Antriebe des Hubbalkens regelmäßig außerhalb des Ofengehäuses angeordnet. Dies macht es erforderlich, Ausnehmungen in der Ofenwand vorzusehen, durch welche die Tragstützen, welche den Hubbalken mit seinem Antrieb verbinden, geführt werden können. Es liegt auf der Hand, dass diese Ausnehmungen bei einer komplexen, laufenden Bewegung des Hubbalkens relativ groß ausgeführt werden müssen, um die Bewegung der Tragstützen nicht einzuschränken. Je größer die Ausnehmungen ausgebildet sind, desto schwieriger sind diese jedoch abzudichten. Insbesondere können durch die Ausnehmungen große Mengen Wärmeenergie ungenutzt nach außen entweichen, wodurch sich der Wirkungsgrad der Ofenanlage verschlechtert.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene und zuvor näher beschriebene Ofenanlage so auszugestalten und weiterzubilden, dass eine höhere Flexibilität und eine verbesserte Isolation der Ofenanlage bei weiterhin zuverlässiger Transportfunktion erreicht wird, um die Ofenanlage energetisch zu verbessern.
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Gelöst wird diese Aufgabe bei einer Ofenanlage nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 dadurch, dass die Fördereinrichtung neben dem Hubbalken wenigstens einen Schubbalken aufweist, dass der Hubbalken ausschließlich in vertikaler Richtung verschiebbar ist, dass der Schubbalken ausschließlich in horizontaler Richtung verschiebbar ist und dass der Hubbalken und der Schubbalken mechanisch entkoppelt sind.
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Erfindungsgemäß führt sowohl der Hubbalken als auch der Schubbalken eine ausschließlich lineare Bewegung aus. Dies hat den Vorteil, dass die Verbindung zwischen Hub- und Schubbalken und ihren oftmals außerhalb des Ofengehäuses liegenden Antrieben besonders gut thermisch abgedichtet werden kann. Denn durch die lineare Bewegung ist es möglich, lediglich eine einfach abzudichtende Durchführung für Kolben- oder Hubstangen in dem Ofengehäuse vorsehen zu müssen. Anders als im Stand der Technik sind daher keine schwierig abzudichtenden Schlitze mit anfälligen Schiebedichtungen im Ofenboden erforderlich. Durch die mechanische Entkoppelung von Hub- und Schubbalken können beide Balken unabhängig voneinander bewegt werden.
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Beim Verfahren zur Wärmebehandlung nach Patentanspruch 17 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass Metallbolzen unterschiedlicher Durchmesser zur effektiven Erwärmung in optimalem Abstand zu dem Wärme übertragenden Düsenfeld positioniert werden können. Hierdurch wird es möglich, die vertikale Positionierung der Metallbolzen in Abhängigkeit des Durchmessers der Metallbolzen vorzunehmen, wodurch der konvektive Wärmeübergang weniger stark vom Durchmesser des Metallbolzens abhängt.
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Der Transport der Metallbolzen erfolgt durch die folgenden Schritte. Zunächst ist der Hubbalken in einer unteren Position, so dass der Metallbolzen auf dem Schubbalken liegt. Der Schubbalken wird sodann in Durchlaufrichtung linear eine Aufnahmeposition weiter nach vorne gefahren. Daraufhin fährt der Hubbalken vertikal und linear nach oben und hebt den Metallbolzen von dem Schubbalken ab. Danach wird der Schubbalken gegen die Durchlaufrichtung linear wieder nach hinten gefahren. Schließlich wird der Hubbalken vertikal und linear nach unten bewegt, so dass der Metallbolzen wieder auf dem Schubbalken abgelegt wird. Diese Abfolge wiederholt sich, wobei der Metallbolzen mit jedem Zyklus eine der Hubbewegung des Schubbalkens entsprechende Distanz zurücklegen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fördereinrichtung wenigstens zwei in Durchlaufrichtung hintereinander angeordnete Zonen aufweist, wobei die Fördereinrichtung für jede der wenigstens zwei Zonen einen separaten Hubbalken aufweist. Durch die Unterteilung der Fördereinrichtung in mehrere Zonen kann erreicht werden, dass der Transport der Metallbolzen in den einzelnen Zonen unabhängig voneinander erfolgen kann. Dies wird auch als Freifahren und Aufholen von Bolzenpositionen bezeichnet. Beispielsweise ist durch die Aufteilung der Fördereinrichtung in verschiedene Zonen ein kontinuierlicher Betrieb auch bei Formatwechsel, insbesondere bei einem Wechsel von Metallbolzen mit kleinen Durchmessern auf solche mit größerem Durchmesser, möglich. Denn durch die separaten Hubbalken ist es möglich, die dünnen Metallbolzen nach ausreichender Behandlungszeit zuerst aus dem Ofen zu fördern, während die dickeren Bolzen, denen ein anderer Hubbalken zugeordnet ist, noch im Ofen verbleiben. Dies ermöglicht gegenüber einem einzelnen, durchlaufenden Hubbalken eine verbesserte Ausnutzung der thermischen Energie und eine höhere Auslastung der Ofenkapazität.
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Eine besonders vorteilhafte Einteilung der Ofenanlage sieht vor, dass die Ofenanlage eine Aufheizzone, eine Haltezone und eine Kühlzone aufweist. Durch die räumliche und funktionale Trennung der Ofenanlage in drei Zonen können die einzelnen Behandlungsschritte Aufheizen, Temperatur halten, Kühlen besonders gut kontrolliert werden. Die Kühlzone muss nicht zwingend innerhalb desselben Gehäuses wie die Aufheizzone und die Haltezone angeordnet sein, sondern kann bevorzugt in einem separaten Gehäuse untergebracht sein. Die Kühlzone und ihr Gehäuse können in Durchlaufrichtung gesehen hinter der Haltezone oder auch neben der Haltezone angeordnet sein. Die Anordnung der Kühlzone in einem separaten Gehäuse hat aufgrund der dort geringeren Temperatur den Vorteil, dass die Kühlzone anstellte von einem System aus Hubbalken und Schubbalken mit einer einfacheren Fördereinrichtung, insbesondere mit einem herkömmlichen Kettentransportsystem mit Trägerschalen ausgerüstet werden kann.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ofenanlage in der Aufheizzone wenigstens eine Vorrichtung zum Aufheizen der Metallbolzen, insbesondere durch Jetheating, aufweist. Unter Jetheating wird eine konvektive Wärmeübertragung durch eine Luftstrahlung verstanden, welche in der Aufheizzone erfolgt.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ofenanlage in der Haltezone eine Vorrichtung zur Längsluftumwälzung aufweist. Durch die Umwälzung der Luft kann die konvektive Wärmeübertragung in der Haltezone besonders gleichmäßig erfolgen.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass die Ofenanlage in der Kühlzone eine Vorrichtung zum Kühlen der Metallbolzen, insbesondere durch Jetcooling, aufweist. Unter Jetcooling wird eine konvektive Wärmeübertragung durch eine Luftstrahlung verstanden, welche in der Kühlzone erfolgt. Die Ofenanlage kann in der Kühlzone mit Abkühlraten von bis ca. 1000 K/h betrieben werden.
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Gemäß einer weiteren Lehre der Erfindung ist vorgesehen, dass die Ofenanlage zum Aufheizen der Metallbolzen selbstrekuperierende Brenner aufweist. Durch Rekuperation kann ein Teil der thermischen Energie zurückgewonnen und wiederverwendet werden.
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Eine besonders hohe Flexibilität wird erreicht, indem die Fördereinrichtung zwei parallele Förderbahnen zum Transport von jeweils einer Reihe von parallel angeordneten Metallbolzen aufweist. Die erhöhte Flexibilität kommt dadurch zum Ausdruck, dass je nach Auslastung eine Förderbahn allein oder beide Förderbahnen gleichzeitig betrieben werden können. Es liegt auf der Hand, dass bei entsprechender Größe der Ofenanlage auch drei oder mehr parallele Förderbahnen zum Transport eingesetzt werden können.
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In weiterer Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, dass die beiden Förderbahnen jeweils separate Hub- und Schubbalken aufweisen. Durch separate, also eigene und unabhängig steuerbare Hub- und Schubbalken wird erreicht, dass etwa Metallbolzen mit unterschiedlichen Durchmessern oder aus unterschiedlichen Legierungen gleichzeitig wärmebehandelt werden können. Dabei kann die Taktrate beider Förderbahnen individuell and die zu behandelnden Metallbolzen angepasst werden.
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Besonders energiesparend kann die Ofenanlage betrieben werden, indem die Ofenanlage eine Trennwand zur thermischen Trennung der beiden parallelen Förderbahnen der Fördereinrichtung aufweist. Je nach Isolationseigenschaften der Trennwand können kleinere oder größere Temperaturdifferenzen zwischen den beiden Förderbahnen erreicht werden. Dies ermöglicht eine noch individuellere Wärmebehandlung verschiedener Metallbolzen. Zudem ist es durch die thermische Trennwand möglich, die Ofenanlage bei geringer Auslastung lediglich einseitig zu beheizen, ohne dass zu viel thermische Energie in den ungenutzten Teil der Ofenanlage entweicht.
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Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die beiden parallelen Förderbahnen der Fördereinrichtung mit unterschiedlichen Taktzeiten betreibbar sind. Unterschiedliche Taktraten können etwa erreicht werden, indem beide Förderbahnen einen eigenen, separaten Antrieb aufweisen. Als Vorteil ist wiederum zu nennen, dass eine individuelle und anforderungsgerechte Wärmebehandlung unterschiedlicher Metallbolzen möglich ist.
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Eine besonders hohe Zuverlässigkeit wird erreicht, indem der Schubbalken gleitend gelagert ist. Eine Gleitlagerung ist bei einer linearen Bewegung mittlerer und niedriger Relativgeschwindigkeiten ausreichend und zeichnet sich durch große Robustheit aus.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht vor, dass der Schubbalken schmiermittelfrei auf austauschbaren Platten gelagert ist und dass als bevorzugte Gleitwerkstoffpaarung austenitisches Gusseisen/Grauguss vorgesehen ist. Insbesondere kann als Gleitwerkstoffpaarung „Ni-Resist”/Grauguss vorgesehen sein. Diese Werkstoffpaarungen sind besonders reibungsarm und ermöglichen somit eine Festkörperreibung, auch Trockenreibung genannt. Gleitlager mit Trockenreibung haben den Vorteil, dass auf Schmiermittel verzichtet werden kann. Dies ist bei einem Einsatz bei hohen Temperaturen in einer Ofenanlage besonders vorteilhaft.
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In weiterer Ausgestaltung wird vorgeschlagen, dass die Fördereinrichtung vollständig innerhalb des Gehäuses der Ofenanlage angeordnet ist. Die vollständige Anordnung der Fördereinrichtung innerhalb des Gehäuses der Ofenanlage hat den Vorteil, dass keine Teile der Fördereinrichtung durch die Wand der Ofenanlage hindurchgeführt werden müssen.
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Eine sichere Führung der Metallbolzen wird erreicht, indem der Hubbalken und der Schubbalken voneinander in Durchlaufrichtung beabstandete Trägerschalen zur Aufnahme der Metallbolzen aufweisen. Bevorzugt weisen die Trägerschalen eine konkave Form auf, so dass Metallbolzen unterschiedlicher Durchmesser eine stabile Lage in den Trägerschalen erhalten.
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Die Betriebsweise der Förderanlage wird besonders flexibel, indem vorgeschlagen wird, dass der Vorschub des Schubbalkens in horizontaler Richtung, insbesondere in Durchlaufrichtung, wenigstens doppelt so groß ist wie der Abstand zwischen zwei benachbarten Trägerschalen. Durch einen großen Vorschub des Schubbalkens wird erreicht, dass die Metallbolzen mit jedem Transportzyklus nicht nur eine, sondern zwei oder mehr Tragschalen weitergelegt werden können. Dies ist besonders bei Metallbolzen mit großem Durchmesser vorteilhaft, da diese nur eine Belegung jeder zweiten (oder ggf. sogar jeder dritten) Tragschale erlauben.
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Eine weitere Ausbildung der Erfindung sieht schließlich vor, dass die Metallbolzen unterschiedlicher Durchmesser zur effektiven Erwärmung in optimalem Abstand zu dem Wärme übertragenden Düsenfeld positioniert werden können.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen
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1 eine erfindungsgemäße Ofenanlage im Längsschnitt,
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2 die in 1 dargestellte Ofenanlage im Querschnitt entlang der Linie II-II aus 1,
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3 eine vergrößerte Ansicht der Aufheizzone der Ofenanlage aus 1, und
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4 eine vergrößerte Ansicht der Haltezone der Ofenanlage aus 1.
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In 1 ist eine Ofenanlage in einer vertikal geschnittenen Ansicht von der Seite dargestellt. Die Ofenanlage weist ein umlaufendes und thermisch isoliertes Gehäuse 1 auf, welches von dem Ofeneinlass 2 und dem Ofenauslass 3 unterbrochen wird. Die Durchlaufrichtung der Ofenanlage erstreckt sich von dem Ofeneinlass 2 zu dem Ofenauslass 3 und somit in 1 von links nach rechts. Die Ofenanlage ist funktional und räumlich in drei Zonen unterteilt, wobei Metallbolzen B in Durchlaufrichtung zunächst eine Aufheizzone A, danach eine Haltezone H und schließlich eine in 1 nicht dargestellte und den ersten beiden Zonen nachgelagerte Kühlzone durchlaufen. Der Vortrieb der Metallbolzen B wird durch das Zusammenwirken von Hubbalken 4A, 4B, 4C und einem Schubbalken 5 erreicht. Im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel weist die Ofenanlage drei hintereinander angeordnete Hubbalken auf, wobei der Hubbalken 4A der Aufwärmzone A, der Hubbalken 4B der Haltezone H und der Hubbalken 4C ebenfalls der Haltezone H zugeordnet ist. Ebenso möglich, wenngleich weniger bevorzugt, ist eine Ofenablage mit einem einzigen Hubbalken. Der Schubbalken 5 wird durch eine Zylinder-Kolben-Einheit 6 in horizontaler Richtung bewegt. Insbesondere wird der Schubbalken 5 in Durchlaufrichtung und gegen die Durchlaufrichtung hin- und herbewegt, wie in 1 durch einen Doppelpfeil angedeutet wird. Zur sicheren Ablage der Metallbolzen B weisen die Hubbalken 4A, 4B, 4C Tragschalen 7.1 auf. In entsprechender Weise ist der Schubbalken 5 mit Tragschalen 7.2 ausgestattet. Zur Verteilung der heißen Luft sind in der Aufheizzone A zwei Lüfter 8 in das Gehäuse 1 eingelassen. In der Haltezone H wird die Luft durch einen Lüfter 8 verteilt.
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Eine geschnittene Ansicht der Ofenanlage entlang der Linie II-II aus 1 wird in 2 gezeigt. In den seitlichen Bereichen des Gehäuses 1 sind Brenner 9 eingelassen, deren Auslässe in 1 lediglich angedeutet werden. In dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist deutlich erkennbar, dass die Fördereinrichtung zwei parallele Förderbahnen zum Transport von jeweils einer Reihe von parallel angeordneten Metallbolzen B aufweist. Beide Förderbahnen sind im bevorzugten Ausführungsbeispiel durch eine Trennwand 10 voneinander getrennt, so dass die Wärmebehandlung auf den beiden Förderbahnen mit unterschiedlichen Temperaturen erfolgen kann. Dabei kann eine Temperaturdifferenz von etwa 50°C erreicht werden. Im unteren Bereich von 2 ist erkennbar, dass jede der beiden Förderbahnen einen Hubbalken 4A und zwei Schubbalken 5 aufweist. Der Hubbalken 4A ist mit Hubzylindern auf dem Fundament gelagert, so dass er vertikal und linear auf- und abbewegt werden kann. Dies wird in 2 durch Doppelpfeile dargestellt. In dem in 2 dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel weisen die beiden Hubbalken 4A jeweils drei Arme auf, an deren oberen Ende jeweils eine Tragschale 7.1 zur Aufnahme der Metallbolzen B befestigt ist. Auf den Schubbalken 5 sind zu demselben Zweck Tragschalen 7.2 fixiert.
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In 3 ist eine vergrößerte Ansicht der Aufheizzone A der Ofenanlage aus 1 dargestellt. Die vertikale Bewegung der Hubbalken 4A und 4B wird durch Doppelpfeile angezeigt. Aufgrund der Vergrößerung ist besonders klar zu erkennen, dass die in den Tragschalen 7.1 liegenden Metallbolzen B zusammen mit den Hubbalken 4A, 4b in vertikaler Richtung auf- und abbewegt werden, während die Tragschalen 7.2 zusammen mit dem Schubbalken 5 in horizontaler Richtung bewegt werden können. Die vertikale Bewegung des ersten Hubbalkens 4A kann unabhängig von der vertikalen Bewegung des zweiten Hubbalkens 4B erfolgen, wobei bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel die ersten zwölf Tragschalen 7.1 von links dem ersten Hubbalken 4A zugeordnet sind. Die weiteren Tragschalen 7.1, welche in 3 im rechten Bereich angeordnet sind, sind hingegen dem zweiten Hubbalken 4B zugeordnet. Schließlich sind in 3 Metallbolzen mit unterschiedlichen Durchmessern dargestellt. Neben den Metallbolzen B mit mittlerem Durchmesser können auch. Metallbolzen B' mit großem Durchmesser und Metallbolzen B'' mit kleinem Durchmesser durch die Ofenanlage gefördert werden, wenngleich bei den Metallbolzen B' mit großem Durchmesser nur jede zweite benachbarte Tragschale 7.1 belegt werden kann.
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4 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Haltezone H der Ofenanlage aus 1. Im Bereich des Ofenauslasses 3 ist die Zylinder-Kolben-Einheit 6 erkennbar. Durch die Zylinder-Kolben-Einheit 6 kann der Schubbalken 5 linear in Durchlaufrichtung und gegen die Durchlaufrichtung bewegt werden. Die vertikale Bewegung des zweiten Hubbalkens 4B kann unabhängig von der vertikalen Bewegung des dritten Hubbalkens 4C erfolgen, wobei bei dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel die auf der linken Seite gezeigten ersten vier Tragschalen 7.1 dem zweiten Hubbalken 4B zugeordnet sind. Die nächsten elf Tragschalen 7.1, welche in 4 im rechten Bereich angeordnet sind, sind hingegen dem dritten Hubbalken 4C zugeordnet.
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Schließlich wird beim gezeigten Ausführungsbeispiel deutlich, dass durch eine, identische Ausgestaltung aller sechs Hubbalken 4A, 4B und 4C beider Förderbahnen ein modularer Aufbau ermöglicht wird, wodurch Vorteile bei der Herstellung und Wartung erfindungsgemäßer Ofenanlagen erreicht werden.
