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Die Erfindung betrifft eine Düseneinrichtung für einen Ofen zum Wärmebehandeln eines Stahlflachprodukts. Die Düseneinrichtung ist dabei nach Art eines Düsenbalkens ausgebildet und umfasst ein zentrales Versorgungsrohr, an dem mindestens eine Düsenöffnung und ein Speiseanschluss zum Anschließen der Düseneinrichtung an eine Gasversorgung vorgesehen sind, welche ein die Düseneinrichtung durchströmendes und aus der mindestens einen Düsenöffnung austretendes Gas in die Düseneinrichtung einspeist.
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Ebenso betrifft die Erfindung einen Ofen zum Wärmebehandeln eines Stahlflachprodukts, wobei der Ofen mindestens eine Ofenzone umfasst, die das jeweils zu behandelnde Stahlflachprodukt über einen Förderweg unter einer bestimmt zusammengesetzten Zonenatmosphäre durchläuft. In der Ofenzone ist dabei eine Düseneinrichtung vorgesehen, die über mindestens einen Speiseanschluss an eine Gasversorgung angeschlossen ist, welche ein Gas, das die Zonenatmosphäre bildet, in die Düseneinrichtung einspeist.
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Im Automobilkarosseriebau werden warm- oder kaltgewalzte Stahlflachprodukte, wie Stahlband oder -blech, eingesetzt.
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Die an solche Stahlflachprodukte gestellten Anforderungen sind vielfältig. Sie sollen einerseits gut verformbar sein und andererseits eine hohe Festigkeit haben. Die hohe Festigkeit erreicht man durch Zusatz von bestimmten Legierungsbestandteilen, wie Mn, Si, Al und Cr, zum Eisen. Zum Schutz vor Korrosion werden die so legierten Stahlflachprodukte mit einem metallischen Schutzüberzug versehen. Hier hat sich als besonders kostengünstiges Verfahren für den großtechnischen Einsatz das Schmelztauchbeschichten bewährt, bei dem das jeweilige Stahlflachprodukt im Durchlauf durch ein Schmelzenbad gleitet und dabei mit einem Zn- oder Al-basierten Überzug versehen wird.
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Möglichkeiten, ein solches Schmelztauchbeschichten in der Praxis besonders effektiv durchzuführen, sind beispielsweise in der
EP 2 010 690 B1 beschrieben. Den bekannten Verfahren gemeinsam ist, dass das Stahlflachprodukt vor dem Eintauchen in das Schmelzenbad einer Wärmebehandlung unterzogen wird, bei der seine Oberfläche in einen Zustand versetzt wird, der eine optimale Haftung des beim Schmelztauchbeschichten aufgetragenen metallischen Überzugs gewährleistet.
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Eine Variante einer solchen Wärmebehandlung sieht vor, dass das zu beschichtende Band einen direkt beheizten Vorwärmer (DFF = Direct Fired Furnace) durchläuft, in dem mittels der direkt auf das Stahlflachprodukt wirkenden Gasbrenner ein Oxidationspotential in der das Band umgebenden Atmosphäre erzeugt werden kann. Das erhöhte Sauerstoffpotential führt zu einer Oxidation des Eisens an der Bandoberfläche. In einer anschließenden Ofenstrecke wird die derart gebildete Eisenoxidschicht reduziert. Da die Dicke der Eisenoxidschicht direkt abhängig ist von der Zeit, die das Stahlflachprodukt der oxidierenden Atmosphäre ausgesetzt ist, ist eine gezielte Einstellung der Oxidschichtdicke an der Bandoberfläche in der Praxis problematisch. Aus der nur schlecht exakt einzustellenden Schichtdicke folgt bei der anschließenden Reduzierung der Oxidschicht unter einer reduzierenden Atmosphäre die Schwierigkeit, eine eindeutig definierte Beschaffenheit der Bandoberfläche zu gewährleisten. Eine ungünstige Oberflächenbeschaffenheit kann jedoch wiederum zu Haftungsproblemen des Überzugs an der Bandoberfläche führen.
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In modernen Schmelztauchbeschichtungslinien mit einem RTF-Vorwärmer (RTF = Radiant Tube Furnace) werden anders als bei Öfen des DFF-Typs keine gasbeheizten offenen Brenner eingesetzt. In RTF-Anlagen erfolgt vielmehr die komplette Glühbehandlung des Bandes unter einer Schutzgasatmosphäre. Bei einer solchen Glühbehandlung eines Bandes aus Stahl mit höheren Legierungsbestandteilen können jedoch diese Legierungsbestandteile an die Bandoberfläche diffundieren und nicht reduzierbare Oxide bilden. Diese Oxide behindern eine einwandfreie Beschichtung mit Zink und/oder Aluminium im Schmelzbad.
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Aus der
DE 689 12 243 T2 ist ein Verfahren zur kontinuierlichen Heißtauchbeschichtung eines Stahlbandes mit Aluminium bekannt, bei dem das Band in einem Durchlaufofen erwärmt wird. In einer ersten Zone werden Oberflächenverunreinigungen entfernt. Dafür hat die Ofenatmosphäre eine sehr hohe Temperatur. Da das Band diese Zone aber mit hoher Geschwindigkeit durchläuft, wird es nur etwa auf die halbe Temperatur der Atmosphäre erwärmt. In der anschließenden zweiten Zone, die unter Schutzgas steht, wird das Band auf die Temperatur des Beschichtungsmaterials Aluminium erwärmt.
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Des Weiteren ist aus der
DE 695 07 977 T2 ein zweistufiges Heißtauchbeschichtungsverfahren eines Chrom enthaltenden Stahllegierungsbandes bekannt. Gemäß diesem Verfahren wird das Band in einer ersten Stufe geglüht, um an der Bandoberfläche eine Eisenanreicherung zu erhalten. Anschließend wird das Band in einer nicht oxydierenden Atmosphäre auf die Temperatur des Beschichtungsmetalls erhitzt.
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Aus der
JP 02285057 A ist es zudem bekannt, ein Stahlband in einem mehrstufigen Verfahren zu verzinken. Dafür wird das zuvor gereinigte Band in einer nicht oxydierenden Atmosphäre bei einer Temperatur von etwa 820°C behandelt. Dann wird das Band bei etwa 400°C bis 700°C in einer schwach oxydierenden Atmosphäre behandelt, bevor es an seiner Oberfläche in einer reduzierenden Atmosphäre reduziert wird. Abschließend wird das auf etwa 420°C bis 500°C abgekühlte Band in üblicher Weise verzinkt.
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Schließlich ist aus der
US 2010/0173072 A1 ein Verfahren zum Wärmebehandeln eines Stahlflachprodukts in einem Durchlaufofen bekannt, bei dem das jeweils zu behandelnde Stahlflachprodukt einer oxidierenden Gasatmosphäre ausgesetzt wird, die mittels mit Bohrungen versehenen Strahlrohren oder Dosierrohren in die jeweilige Ofenzone geblasen wird.
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Bei der in der
US 2010/0173072 A1 beschriebenen Strahlrohrvariante strömt in das Strahlrohr ein Brenngas, dem ein die Ofenatmosphäre bzw. deren Taupunkt regulierendes Gas oder Gasgemisch zugegeben wird. Durch die Bohrungen des Strahlrohrs kann neben den oxidierend wirkenden Gasen Kohlenstoffmonoxid oder Kohlenstoffdioxid in den Ofenraum eindringen, was zu einer Aufkohlung des Werkstoffs und damit zu einer Veränderung der Werkstoffeigenschaften führen kann. Auch muss bei dieser Variante die Atmosphäre in Abhängigkeit von der Ofenlast ausgelegt werden, weil über das Brenngas die Temperatur des Ofenraums und die Durchwärmung des Materials, d. h. ein dickenabhängiger Prozess, geregelt wird.
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Bei der aus der
US 2010/0173072 A1 ebenfalls bekannten Dosierrohrvariante wird dagegen eine aus einem gelochten oder geschlitzten Rohr bestehende Düseneinrichtung eingesetzt, die an eine Gasversorgung angeschlossen ist, welche ein kohlenstofffreies Gasgemisch zuführt. Diese Variante vermeidet die Nachteile der Einleitung von Brenngasen in die Ofenatmosphäre, zeigt in der Praxis jedoch den Nachteil, dass die Homogenität der Glühgas-Metall-Reaktion in der jeweiligen Ofenzone unzureichend ist. Dies gilt nicht nur in Bezug auf die Verteilung des Oxidationsmediums über die Breite des Stahlflachprodukts, sondern auch auf die Verteilung des Oxidationsmediums innerhalb der jeweiligen Ofenzonen. So kann es in direkter Umgebung der Düseneinrichtung zu einer zu starken Oxidation kommen, während an einer weiter entfernt liegenden Stelle das Oxidationspotential zu gering ist. Trotz ihrer grundsätzlichen Vorteile ergeben sich daher auch bei Verwendung einer Düseneinrichtung der aus der
US 2010/0173072 A1 bekannten Art Beschichtungsmängel.
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Vor dem Hintergrund des voranstehend erläuterten Standes der Technik bestand die Aufgabe der Erfindung darin, mit einfachen Mitteln eine Düseneinrichtung und einen mit einer solchen Düseneinrichtung versehenen Ofen zu schaffen, mit denen sich optimal gleichmäßige Ergebnisse der jeweiligen Wärmebehandlung gewährleisten lassen.
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In Bezug auf die Düseneinrichtung ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst worden, dass die Düseneinrichtung die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
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In Bezug auf den Wärmebehandlungsofen löst die Erfindung die voranstehend genannte Aufgabe dagegen dadurch, dass ein solcher Ofen die in Anspruch 12 genannten Merkmale besitzt.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden nachfolgend genauso wie der allgemeine Erfindungsgedanke erläutert.
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Eine erfindungsgemäße Düseneinrichtung für einen Ofen zum Wärmebehandeln eines Stahlflachprodukts ist mit einem zentralen Versorgungsrohr ausgestattet, an dem mindestens eine Düsenöffnung und ein Speiseanschluss zum Anschließen der Düseneinrichtung an eine Gasversorgung vorgesehen sind, welche ein die Düseneinrichtung durchströmendes und aus der mindestens einen Düsenöffnung austretendes Gas in die Düseneinrichtung einspeist.
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Eine erfindungsgemäße Düseneinrichtung weist dabei einen ersten Abschnitt auf, in dem sie einen kleineren wirksamen Düsenöffnungsquerschnitt besitzt als in einem zweiten Abschnitt, der in Strömungsrichtung des ausgehend vom jeweiligen Speiseanschluss durch die Düseneinrichtung strömenden Gases gesehen weiter entfernt vom betreffenden Speiseanschluss angeordnet ist.
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Die erfindungsgemäße Gestaltung einer Düseneinrichtung berücksichtigt den Umstand, dass der Druck des in die Düseneinrichtung eingelassenen Gases mit zunehmendem Abstand vom Speiseanschluss sinkt. Erfindungsgemäß wird dieser Druckabfall dadurch ausgeglichen, dass die Auslassquerschnittsfläche der mindestens einen Düsenöffnung der Düseneinrichtung mit zunehmendem Abstand zum zugeordneten Speiseanschluss zunimmt. Optimaler Weise erfolgt die Vergrößerung der Düsenöffnungen dabei direkt proportional zum Druckabfall im die Düsenöffnungen der Düseneinrichtung versorgenden gasführenden Rohr.
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Eine stets ausreichende Versorgung der jeweils vorhandenen Düsenöffnungen einer erfindungsgemäßen Düseneinrichtung kann bei jeweils ausreichend hohem Impuls der aus den jeweils vorhandenen Düsenöffnungen austretenden Gasstrahlen dadurch gewährleistet werden, dass die Summe der Öffnungsflächen aller Düsenöffnungen kleiner oder gleich dem halben Querschnitt des Versorgungsrohrs ist.
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Die erfindungsgemäße Auslegung der Dosierrohrgeometrie verbessert die Homogenität der Einspeisung des oxidativen Mediums erheblich durch Optimierung der Einströmung in die Ofenzone. Dies gilt sowohl in Bezug auf die Stahlbandbreite, als auch für die Verteilung des oxidativen Mediums innerhalb der jeweiligen Ofenzone. Dies reduziert abermals Beschichtungsfehler und erhöht die Prozessrobustheit.
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Wenn im vorliegenden Text von Gas die Rede ist, sind damit alle reinen Gase und alle Gasgemische gemeint, die geeignet sind, den mit der Wärmebehandlung unter der Zonenatmosphäre angestrebten Zweck zu bewirken. In der Praxis können dies Gase sein, die sich in Bezug auf das jeweils zu behandelnde Stahlflachprodukt inert verhalten, oder es können Gase sein, die bei den in der Ofenzone jeweils herrschenden Temperaturen eine bestimmte Reaktion an der Oberfläche des Stahlflachprodukts bewirken. Zu den in der Praxis typischerweise verwendeten Gasen zählen in Bezug auf bestimmte Legierungselemente des Stahlflachprodukts reduzierend wirkende Gasgemische, z. B. Stickstoff-Wasserstoff-Gemische, Gasgemische, die eine Oxidation der Oberfläche des Stahlflachprodukts bewirken sollen, wie z. B. N2-H2-O2-Gasgemische, oder Stickstoff alleine, wenn das Stahlflachprodukt bei der Erwärmung gegenüber reaktiven Gasen der Umgebung abgeschirmt werden soll.
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Eine erfindungsgemäße Düseneinrichtung weist mindestens eine Düsenöffnung auf, über die jeweils ein Gasstrahl in die der Düseneinrichtung zugeordneten Zone des Ofens geblasen wird. Im Fall, dass die Düseneinrichtung eine Düsenöffnung aufweist, die sich in Längsrichtung der Düseneinrichtung mindestens über einen überwiegenden Teil der Länge des Versorgungsrohrs erstreckt, ist diese Düsenöffnung vorteilhafterweise schlitzförmig ausgebildet und ebenfalls quer zum Förderweg ausgerichtet. Dabei weist die betreffende Düsenöffnung auch in diesem Fall mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete Abschnitte auf, von denen der in Strömungsrichtung des durch die Düseneinrichtung strömenden Gases gesehen näher zum zugeordneten Speiseanschluss angeordnete Abschnitt der Düseneinrichtung einen kleineren wirksamen Düsenöffnungsquerschnitt besitzt als der weiter vom betreffenden Speiseanschluss angeordnete Abschnitt der Düseneinrichtung.
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Selbstverständlich umfasst die voranstehend erläuterte Variante der Erfindung die Möglichkeit, dass sich der wirksame Öffnungsquerschnitt der als Schlitzdüse ausgebildeten Düsenöffnung in Strömungsrichtung des durch das Versorgungsrohr strömenden Gases gesehen kontinuierlich aufweitet. Bei einer solchen kontinuierlich zunehmenden Aufweitung weist die schlitzförmige Düsenöffnung also unbegrenzt viele benachbarte Abschnitte auf, von denen der in Strömungsrichtung des Gases jeweils weiter vom Speiseanschluss entfernte Abschnitt einen größeren Öffnungsquerschnitt besitzt als der näher zum Speiseanschluss angeordnete.
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Gemäß einer anderen Variante der Erfindung besitzt die Düseneinrichtung jeweils mehr als eine Düsenöffnung, wobei in Strömungsrichtung des durch die Düseneinrichtung strömenden Gases gesehen mindestens zwei benachbart zueinander angeordnete Abschnitte vorhanden sind, von denen bei dem jeweils näher zum zugeordneten Speiseanschluss angeordneten Abschnitt der Düseneinrichtung der wirksame Düsenöffnungsquerschnitt der dort jeweils vorhandenen mindestens einen Düsenöffnung kleiner ist als der wirksame Düsenöffnungsquerschnitt der mindestens einen Düsenöffnung, die in demjenigen Abschnitt der Düseneinrichtung vorhanden ist, der weiter entfernt vom betreffenden Speiseanschluss angeordnet ist.
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Eine optimale Gleichmäßigkeit der aus den Düsenöffnungen ausströmenden Gasstrahlen kann dabei dadurch erreicht werden, dass der Öffnungsdurchmesser in Strömungsrichtung des Gases von Düsenöffnung zu Düsenöffnung stetig zunimmt, so dass benachbart zueinander angeordnete Düsenöffnungen stets unterschiedliche Öffnungsdurchmesser aufweisen.
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In der Praxis lässt sich der mit einer solchen kontinuierlichen Zunahme der Öffnungsquerschnitte der Düsenöffnungen verbundene herstellungstechnische Aufwand dadurch vermindern, dass zwar mehrere Düsenöffnungen vorgesehen sind, dass aber jedem Abschnitt der Düseneinrichtung selbstverständlich auch zwei oder mehr zu einer Gruppe zusammengefasste Düsenöffnungen mit gleichem Öffnungsquerschnitt zugeordnet werden. In diesem Fall unterscheidet sich nicht jede Düsenöffnung hinsichtlich der Größe ihres Öffnungsquerschnitts von der jeweils nächst benachbarten Düsenöffnung. Vielmehr weist nur diejenige Düsenöffnung, die einer Grenze des jeweiligen Abschnitts zugeordnet ist, eine andere Öffnungsquerschnittsgröße auf als die derselben Grenze zugeordnete Düsenöffnung des angrenzenden anderen Abschnitts.
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Dementsprechend sieht eine weitere für die Praxis wichtige Ausgestaltung der Erfindung vor, dass im Fall, dass mehrere Düsenöffnungen vorhanden sind, die Düsenöffnungen in Längsrichtung der Düseneinrichtung verteilt nebeneinander angeordnet sind und dass die Düsenöffnung, die sich im in Strömungsrichtung des durch die Düseneinrichtung strömenden Gases gesehen näher zum zugeordneten Speiseanschluss angeordneten Abschnitt der Düseneinrichtung befindet, kleiner ist als die Düsenöffnung, die sich im weiter entfernt vom betreffenden Speiseanschluss angeordneten Abschnitt der Düseneinrichtung befindet.
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Die Gleichmäßigkeit hinsichtlich der räumlichen Aufteilung als auch hinsichtlich des pro Abschnitt der Düseneinrichtung austretenden Gasvolumenstroms kann auch dadurch unterstützt werden, dass die Düsenöffnungen in Längsrichtung der Düseneinrichtung verteilt nebeneinander angeordnet sind und in Strömungsrichtung des durch die Düseneinrichtung strömenden Gases gesehen mit zunehmender Entfernung vom zugeordneten Speiseanschluss der Abstand benachbarter Düsenöffnungen kleiner wird. In diesem Fall sind die Düsenöffnungen in den vom Speiseanschluss weiter entfernten Abschnitten der Düseneinrichtung im Mittel enger angeordnet als in den näher zum Speiseanschluss benachbarten Abschnitten.
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Gleiche oder mit zunehmender Entfernung vom zugeordneten Speiseanschluss zunehmende Öffnungsquerschnitte der Düsenöffnungen unterstellt ergibt sich so in Summe pro Abschnitt der Düseneinrichtung ein größer werdender Öffnungsquerschnitt. Werden Abschnitte angenommen, deren in Strömungsrichtung des durch die Düseneinrichtung strömenden Gases gemessene Länge der Abschnitte der Düseneinrichtung gleich ist, so sind dann, insbesondere im Fall, dass die Düsenöffnungen jeweils eine identische Öffnungsquerschnittsgröße besitzen, im in Strömungsrichtung des durch die Düseneinrichtung strömenden Gases gesehen näher zum zugeordneten Speiseanschluss angeordneten Abschnitt der Düseneinrichtung weniger Düsenöffnungen vorhanden als in dem Abschnitt der Düseneinrichtung, der weiter entfernt vom betreffenden Speiseanschluss ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, dass sich die erfindungsgemäße Düseneinrichtung besonders einfach herstellen lässt. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Düsenöffnungen durch identische, separat vorgefertigte Düseneinsätze gebildet sind.
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Sollen im Ofenraum gezielt bestimmte Gasströmungen bewirkt werden oder unter Berücksichtigung der jeweiligen baulichen Bedingungen Strömungshindernisse ausgeglichen werden, so können dazu bei mindestens zwei benachbarten Abschnitten der Düseneinrichtung die im Bereich des einen Abschnitts ausgebrachten Gasstrahlen anders ausgerichtet sein als die im benachbarten Abschnitt ausgebrachten Gasstrahlen. Mit Hilfe einer entsprechenden Ausrichtung der Düsenöffnungen lassen sich beispielsweise ein Hauptstrom und ein Nebenstrom erzeugen, von denen der Hauptstrom die Abdeckung des durch den Ofen geförderten Guts übernimmt, während der Nebenstrom dazu genutzt werden kann, die jeweilige Ofenzone im Sinne eines Sperrstroms gegen das Eindringen einer Fremdatmosphäre zu schützen.
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Eine weitere Verbesserung der Verteilung der aus der erfindungsgemäßen Düseneinrichtung austretenden Gasstrahlen innerhalb der jeweiligen Zone des Ofens kann auch dadurch bewirkt werden, dass in mindestens einem Abschnitt der Düseneinrichtung die Düsenöffnungen in zwei oder mehr Reihen angeordnet sind, die sich in Strömungsrichtung des durch die Düseneinrichtung strömenden Gases gesehen erstrecken. Dabei lassen sich unterschiedliche Gasstrahlen und eine optimale räumliche Aufteilung der Gasstrahlen dadurch erzielen, dass die aus den Düsenöffnungen der einen Reihe austretenden Gasstrahlen anders ausgerichtet sind als die Gasstrahlen, die aus den Düsenöffnungen der anderen Reihe austreten.
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Der Speiseanschluss einer erfindungsgemäßen Düseneinrichtung wird jeweils so angeordnet, dass sich das einströmende Gas möglichst gleichmäßig im Versorgungsrohr der Düseneinrichtung verteilt. Gemäß einer ersten Ausgestaltung ist zu diesem Zweck der Speiseanschluss in Bezug auf die Länge des Versorgungsrohrs mittig angeordnet. Das in das Versorgungsrohr einströmende Gas verteilt sich dann selbsttätig annähernd zu gleichen Teilen auf die beiden seitlich von der Mitte abgehenden Bereiche des Versorgungsrohrs, so dass mit geringem Aufwand eine gleichmäßige Verteilung des Gases auf die betreffenden Bereiche gewährleistet ist.
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Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, die Gaszuleitung über einen Speiseanschluss vorzunehmen, der an einem der Enden des Versorgungsrohrs angeordnet ist. Eine optimal gleichmäßige Versorgung aller Düsenöffnungen der Düseneinrichtung kann dabei dadurch erreicht werden, dass an jedem Ende des Versorgungsrohrs ein eigener Speiseanschluss vorgesehen ist. In diesem Fall strömt von jedem Ende des Versorgungsrohrs her Gas in die Düseneinrichtung, so dass innerhalb des Versorgungsrohrs gegeneinander gerichtete Gasströmungen vorhanden sind, die sich etwa in der Mitte des Rohrs treffen. Auf diese Weise werden auch die in der Mitte des Versorgungsrohrs angeordneten, bei dieser Ausgestaltung am weitesten von den Speiseanschlüssen entfernten Düsenöffnungen sicher mit einer ausreichenden Gasmenge versorgt.
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Eine hohe kinetische Energie und damit einhergehend eine besonders gute Durchmischung der über die Düseneinrichtung jeweils ausgebrachten Gasstrahlen mit der in der jeweiligen Ofenzone herrschenden Atmosphäre kann dadurch erreicht werden, dass sich die Düsenöffnungen im Querschnitt gesehen jeweils ausgehend vom Innenraum des Versorgungsrohrs in Richtung von dessen Außenfläche konisch verengen. Durch die Verengung wird der jeweils durch die Düsenöffnungen strömende Gasstrom beschleunigt und tritt als konzentrierter Gasstrahl mit hohem Impuls in die in der jeweiligen Ofenzone vorhandene Atmosphäre ein, mit der er sich auf Grund der ihm eigenen Strömungsenergie intensiv vermischt. Dabei kommt dem Impuls des Gasstrahls zu Gute, dass der Düsenkanal im Bereich seiner Eintrittsöffnung einen großen Querschnitt aufweist, der Strömungsverluste beim Einströmen des Gases in die Düse vermindert.
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Ein erfindungsgemäßer Ofen zum Wärmebehandeln eines Stahlflachprodukts umfasst mindestens eine Ofenzone, die das jeweils zu behandelnde Stahlflachprodukt in einem Förderweg unter einer bestimmt zusammengesetzten Zonenatmosphäre durchläuft, wobei in der Ofenzone eine erfindungsgemäß ausgebildete und quer zum Förderweg des Stahlflachprodukts angeordnete Düseneinrichtung vorgesehen ist, die über mindestens einen Speiseanschluss an eine Gasversorgung angeschlossen ist, welche ein Gas, das die Zonenatmosphäre bildet, in die Düseneinrichtung einspeist. Typischerweise handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Ofen um einen Ofen des RTF-Typs, der indirekt beheizt ist.
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Eine besonders exakte Einstellung der Ofenatmosphäre und ihres Taupunkts kann dadurch erreicht werden, dass die Gasversorgung des Ofens eine Mischeinrichtung zum Vormischen und optionalen Befeuchten des Gases umfasst.
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Besonders vorteilhaft lassen sich erfindungsgemäß ausgebildete Düseneinrichtungen in Öfen anwenden, die mehrere aneinander anschließende Ofenzonen umfassen, welche das jeweils zu behandelnde Stahlflachprodukt nacheinander durchläuft, wobei jeder Ofenzone jeweils mindestens eine erfindungsgemäß ausgebildete Düseneinrichtung zugeordnet ist. Die Düseneinrichtungen können dabei, wie bereits oben erläutert, derart ausgebildet sein, dass sie einen Haupt- und mindestens einen Nebenstrom erzeugen, der als Sperrstrom dazu genutzt wird, die jeweilige Ofenzone gegen das Eindringen von Fremdatmosphäre abzuschotten.
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Die erfindungsgemäße Düseneinrichtung eignet sich in besonderem Maße für den Einsatz in einem indirekt beheizten Durchlaufofen, in dem ein Stahlflachprodukt wärmebehandelt wird, das in einer kontinuierlichen Abfolge eine Aufheizzone, in der das Stahlflachprodukt unter einer Aufheizatmosphäre auf eine innerhalb eines Zieltemperaturbereichs liegende Zieltemperatur aufgeheizt wird, und eine Haltezone durchläuft, in der das Stahlflachprodukt unter einer Halteatmosphäre bei einer innerhalb des Zieltemperaturbereichs liegenden Haltetemperatur gehalten wird, wobei zur Aufrechterhaltung der Aufheizatmosphäre und der Halteatmosphäre über jeweils mindestens eine erfindungsgemäße Düseneinrichtung jeweils ein Gasgemischstrom in die Aufheizzone und die Haltezone geleitet wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch und nicht maßstäblich:
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1 eine erste Düseneinrichtung in seitlicher Ansicht;
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2 eine zweite Düseneinrichtung in seitlicher Ansicht;
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3 eine dritte Düseneinrichtung in seitlicher Ansicht;
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4 eine vierte Düseneinrichtung in seitlicher Ansicht;
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4a die Düseneinrichtung gemäß 4 in einem Schnitt entlang der in 4 eingezeichneten Schnittlinie X-X;
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4b die Düseneinrichtung gemäß 4 in einem Schnitt entlang der in 4 eingezeichneten Schnittlinie Y-Y;
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4c die Düseneinrichtung gemäß 4 in einem Schnitt entlang der in 4 eingezeichneten Schnittlinie Z-Z;
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5 eine fünfte Düseneinrichtung in seitlicher Ansicht;
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6 ein Schema eines Durchlaufofens zum Wärmbehandeln eines Stahlbands.
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Die in 1 dargestellte, nach Art eines Düsenbalkens ausgebildete Düseneinrichtung 1 umfasst ein zentrales Versorgungsrohr 2, das einen kreisrunden Querschnitt aufweist und an seiner einen Stirnseite 3 dicht verschlossen ist, während an seiner gegenüberliegenden Stirnseite 4 ein Speiseanschluss 5 angeordnet ist, über den ein Gasstrom G1 in das Versorgungsrohr 2 geleitet wird.
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In das Versorgungsrohr 2 sind in Strömungsrichtung S des im Versorgungsrohr 2 strömenden Gasstroms G1 nebeneinander angeordnete Düsenöffnungen 6a–6k eingeformt, deren Öffnungsmittelpunkte auf einer koaxial zur Längsachse XL des Versorgungsrohrs 2 ausgerichteten Linie liegen. Die Düsenöffnungen 6a–6k sind jeweils in gleichen Abständen zueinander beabstandet positioniert, weisen jedoch jeweils unterschiedliche, in Strömungsrichtung S schrittweise zunehmende Öffnungsquerschnitte Q auf. So besitzt die zum Speiseanschluss 5 nächstbenachbart positionierte Düsenöffnung 6a den kleinsten Öffnungsquerschnitt Qa, während die in Strömungsrichtung S am weitesten vom Speiseanschluss 5 entfernte Düsenöffnung 6k den größten Öffnungsquerschnitt Qk hat und jede der Düsenöffnungen 6a–6j einen kleineren Öffnungsquerschnitt hat als die in Strömungsrichtung S jeweils nächstbenachbarte Düsenöffnung 6b–6k. Im Ergebnis ist so erreicht, dass die Summe der jeweils auf gleichlange Längenabschnitte LA1–LA6 des Versorgungsrohrs entfallenden wirksamen Öffnungsquerschnitte Qa–Qk der Düsenöffnungen 6a–6k ausgehend vom dem Speiseanschluss 5 zugeordneten Längenabschnitt LA1–LA6 in Strömungsrichtung S von Längenabschnitt LA1–LA5 zu Längenabschnitt LA2–LA6 zunimmt.
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Auch die in 2 dargestellte ebenfalls nach Art eines Düsenbalkens ausgebildete Düseneinrichtung 11 umfasst ein zentrales, im Querschnitt kreisrundes Versorgungsrohr 12, das hier jedoch an seinen beiden Stirnseiten 13, 14 verschlossen ist. An dem Versorgungsrohr 12 ist ein zentraler Speiseanschluss 15 vorgesehen, der in Bezug auf die Länge L des Versorgungsrohrs 12 mittig ausgerichtet ist und über den ein Gasstrom G2 in einer senkrecht zur Längsachse XL des Versorgungsrohrs 12 ausgerichteten Strömungsrichtung S2 in das Versorgungsrohr 12 strömt. An der zum Speiseanschluss 15 gegenüberliegenden Wand des Versorgungsrohrs 12 teilt sich der Gasstrom G2 zu annähernd gleich großen Gasteilströmen G2a, G2b, von denen der eine in einer koaxial zur Längsachse XL ausgerichteten Strömungsrichtung S2a in Richtung der einen Stirnseite 13 und der in einer entgegengesetzten, ebenfalls koaxial zur Längsachse XL ausgerichteten Strömungsrichtung S2b in Richtung der anderen Stirnseite 14 des Versorgungsrohrs 12 strömt.
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In das Versorgungsrohr 12 sind nebeneinander Düsenöffnungen 16, 16a'–16d', 16a''–16d'' eingeformt, deren Öffnungsmittelpunkte ebenfalls auf einer koaxial zur Längsachse XL des Versorgungsrohrs 12 ausgerichteten Linie liegen. Auch die Düsenöffnungen 16, 16a'–16d', 16a''–16d'' sind jeweils in gleichen Abständen zueinander beabstandet positioniert, weisen jedoch jeweils unterschiedliche, ausgehend von der mittig angeordneten Düsenöffnung 16 in der jeweiligen Strömungsrichtung S2a, S2b der das Versorgungsrohr 12 durchströmenden Gasteilströme G2a, G2b schrittweise zunehmende Öffnungsquerschnitte auf. So besitzen die jeweils seitlich der zentralen Düsenöffnung 16 angeordneten Düsenöffnungen 16a', 16a'' einen größeren Öffnungsquerschnitt als die zentrale Düsenöffnung 16, während die in der jeweiligen Strömungsrichtung S2a, S2b jeweils nächstbenachbart zu den Düsenöffnungen 16a', 16a''' angeordnete Düsenöffnungen 16b', 16b'' wiederum einen größeren Düsenöffnungsquerschnitt besitzen als die Düsenöffnungen 16a', 16a'' und so fort. Die jeweils außen, direkt benachbart zu der jeweiligen Stirnseite 13, 14 und am weitesten entfernt vom Speiseanschluss 15 liegenden Düsenöffnungen 16d', 16d'' haben dementsprechend den größten Öffnungsquerschnitt.
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Die in 3 dargestellte ebenfalls nach Art eines Düsenbalkens ausgebildete Düseneinrichtung 21 umfasst ebenfalls ein zentrales, im Querschnitt kreisrundes Versorgungsrohr 22. Jedoch ist bei dieser Ausgestaltung an jeder der Stirnseiten 23, 24 ein Speiseanschluss 25', 25'' vorgesehen, über den jeweils ein Gasstrom G3a, G3b in einer koaxial zur Längsachse XL des Versorgungsrohrs 22 ausgerichteten Strömungsrichtung S3a, S3b in das Versorgungsrohr 22 strömt. Die Gasströme G3a, G3b sind dementsprechend gegeneinander gerichtet und treffen sich in der Mitte M des Versorgungsrohrs 22.
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Im Versorgungsrohr 22 sind Düsenöffnungen 26a'–26c', 26a''–26c'' vorgesehen, die durch in entsprechende Aufnahmen des Versorgungsrohrs 22 gesetzte Düseneinsätze gebildet sind. Die Düsenöffnungen 26a'–26c', 26a''–26c'' weisen dabei jeweils identische Öffnungsquerschnitte auf. Jedoch nimmt ausgehend von dem jeweils einem der Speiseanschlüsse 25', 25'' zugeordneten Längenabschnitt LAa', LAa'' in Richtung der Mitte des Versorgungsrohrs 22 die Zahl der pro Längenabschnitt LAa'–LAc'' vorgesehenen Düsenöffnungen 26a'–26c', 26a''–26c'' zu. Dementsprechend weisen die bezogen auf die Länge L in der Mitte des Versorgungsrohrs 22 aneinander grenzenden Längenabschnitte LAc', LAc'' jeweils vier Düsenöffnungen 26c', 26c'' auf, während in den in Richtung des jeweils zugeordneten Speiseanschluss 25', 25'' nächstbenachbarten Längenabschnitten LAb', LAb'' jeweils nur drei Düsenöffnungen 26c', 26c'' vorgesehen sind und so fort. Der unmittelbar an den Speiseanschluss 25', 25'' angrenzende Längenabschnitt LAa', LAa'' besitzt somit die wenigsten Düsenöffnungen 26a', 26a'' und daher auch den kleinsten wirksamen Öffnungsquerschnitt, während die in der Mitte des Versorgungsrohrs 22 angeordneten, am weitesten vom jeweiligen Speiseanschluss 25', 25'' entfernten Längenabschnitte LAc', LAc'' die meisten Düsenöffnungen 26c', 26c'' und daher auch den größten wirksamen Düsenöffnungsquerschnitt aufweisen.
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Beim in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Düseneinrichtung 31 ebenfalls ein Versorgungsrohr 32 mit kreisrundem Querschnitt und einen einzigen Speiseanschluss 35 auf, der wie bei der Düseneinrichtung 1 an der einen Stirnseite 33 des Versorgungsrohrs 32 angeordnet ist. Die andere Stirnseite 34 des Versorgungsrohrs 32 ist dagegen verschlossen.
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Das Versorgungsrohr 32 ist in diesem Fall in drei Längenabschnitte LAx, LAy, LAz gleicher Länge unterteilt, denen jeweils zwei schlitzartige Düsenöffnungen 36a', 36a'', 36b', 36b'', 36c', 36c'' zugeordnet sind. Die Öffnungsquerschnitte der Düsenöffnungen 36a', 36a'' des zum Speiseanschluss 35 nächstbenachbarten Längenabschnitts LAx sind dabei kleiner als die Öffnungsquerschnitte der Düsenöffnungen 36b', 36b'' des in Strömungsrichtung S4 des durch das Versorgungsrohr 32 strömenden Gasstroms G4 benachbarten, in der Mitte der Länge L des Versorgungsrohrs 32 vorhandenen Längenabschnitts LAy. Genauso sind die Öffnungsquerschnitte der Düsenöffnungen 36b', 36b'' des Längenabschnitts LAy kleiner als die Öffnungsquerschnitte der Düsenöffnungen 36c', 36c'' des in Strömungsrichtung S4 am weitesten vom Speiseanschluss 35 entfernten Längenabschnitts LAz.
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Im Querschnitt gesehen verengen sich die Düsenöffnungen 36a'–36c'' jeweils ausgehend vom Innenraum 37 des Versorgungsrohrs 32 in Richtung von dessen Außenfläche 38 konisch, so dass der durch die Düsenöffnungen 36a'–36c'' jeweils strömende Gasstrom beschleunigt wird und als konzentrierter Gasstrahl mit hohem Impuls in die in der jeweiligen Ofenzone vorhandene Atmosphäre tritt. Die hohe kinetische Energie, mit der die Gasstrahlen in die Umgebung treten, bewirkt eine besonders gute Durchmischung der in der jeweiligen Ofenzone herrschenden Atmosphäre.
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Die in 5 dargestellte Düseneinrichtung 41 entspricht in ihrem Grundaufbau der Düseneinrichtung 31, weist jedoch drei achsparallel zueinander angeordnete Reihen R1, R2, R3 von Düsenöffnungen 46a, 46b, 46c und an ihren Stirnseiten 43, 44 jeweils einen Speiseanschluss 45a, 45b auf, über den die Düsenöffnungen 46a, 46b, 46c mit einem Gasstrom G4a, G4b versorgt werden. Die Öffnungsquerschnitte der in das Versorgungsrohr 42 der Düseneinrichtung 41 eingeformten Düsenöffnungen 46a, 46b, 46c nehmen dabei ausgehend vom jeweiligen Speiseanschluss 45a, 45b in Richtung der Mitte des Versorgungsrohrs 42 schrittweise zu, so dass die Düsenöffnung mit dem kleinsten Öffnungsquerschnitt jeweils nächstbenachbart zum jeweils zugeordneten Speiseanschluss 45a, 45b sitzt, während die Düsenöffnung mit dem größten Öffnungsquerschnitt in jeder der Reihen R1–R3 zentral in der Mitte M der Länge L des Versorgungsrohrs 42 angeordnet ist.
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Die den einzelnen Reihen R1, R2, R3 zugeordneten Düsenöffnungen 46a, 46b, 46c können dabei jeweils in unterschiedlichen Richtungen ausgerichtet sein, so dass die aus den Düsenöffnungen 46a, 46b, 46c austretenden Gasstrahlen GS sich in unterschiedlichen Raumrichtungen verteilen.
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Ein in 6 schematisch dargestellter Durchlaufofen 100 zur Wärmebehandlung eines in Förderrichtung F durch den Durchlaufofen 100 geförderten Stahlbands B umfasst typischerweise eine Vorheizzone 101, in der das Stahlband B beispielsweise unter Normalatmosphäre auf eine Vorheiztemperatur vorgeheizt wird, eine Aufheizzone 102, in der das Stahlband B unter einer N2-H2-haltigen Atmosphäre auf eine Aufheiztemperatur aufgeheizt wird, eine Haltezone 103, in der das Stahlband B unter einer N2-H2-haltigen Atmosphäre bei der Aufheiztemperatur gehalten oder ggf. weiter erwärmt wird, eine Kühlzone 104, in der das Stahlband B auf eine Schmelzenbadeintauchtemperatur abgekühlt wird, und eine Ausgleichs- und Überalterungszone 105, in der das Stahlband B unter einer N2-H2-haltigen Atmosphäre auf der Schmelzenbadeintauchtemperatur gehalten wird.
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Von der Ausgleichs- und Überalterungszone 105 wird Stahlband B unter Abschluss gegenüber der Umgebungsatmosphäre über einen Rüssel 106 in ein Schmelzenbad 107 geleitet, in dem es mit einem metallischen, vor Korrosion schützenden Überzug versehen wird.
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Um die N2-H2-haltige Atmosphäre aufrechtzuerhalten, sind in der Aufheizzone 102, der Haltezone 103 und der Ausgleichs- und Überalterungszone 105 und dem Rüssel 106 beispielsweise jeweils Düseneinrichtungen 41 der in 5 dargestellten Art angeordnet. Die Düseneinrichtungen 41 sind dabei an eine zentrale Gasversorgung 110 angeschlossen, die trockenes N2-H2-Gas führt.
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Um den Taupunkt und das Oxidationspotenzial der in der Aufheizzone
102 und der Haltezone
103 jeweils herrschenden Atmosphäre regeln zu können, ist eine mit den diesen Zonen
102,
103 zugeordneten Düseneinrichtungen
41 verbundene Vormischeinrichtung
111 vorgesehen, über die ein mit H
2O und/oder O
2 gemischtes N
2-H
2-Gasgemisch gebildet werden kann.
| Bezugszeichen | Element |
| 1 | Düseneinrichtung |
| 2 | Versorgungsrohr |
| 3 | Stirnseite des Versorgungsrohrs 2 |
| 4 | Stirnseite des Versorgungsrohrs 2 |
| 5 | Speiseanschluss |
| 6a–6k | Düsenöffnungen |
| G1 | Gasstrom |
| LA1–LA6 | Längenabschnitte des Versorgungsrohrs 2 |
| Q | Öffnungsquerschnitte der Düsenöffnungen 6b–6j |
| Qa | Öffnungsquerschnitt der Düsenöffnung 6a |
| Qk | Öffnungsquerschnitt der Düsenöffnung 6k |
| S | Strömungsrichtung |
| | |
| 11 | Düseneinrichtung |
| 12 | Versorgungsrohr |
| 13, 14 | Stirnseiten des Versorgungsrohrs 12 |
| 15 | Speiseanschluss |
| 16–16d'' | Düsenöffnungen |
| G2 | Gasstrom |
| G2a, G2b | Gasteilströme |
| S2, S2a, S2b | Strömungsrichtungen |
| | |
| 21 | Düseneinrichtung |
| 22 | Versorgungsrohr |
| 23, 24 | Stirnseiten des Versorgungsrohrs 22 |
| 26a'–26c'' | Düsenöffnungen |
| 25', 25'' | Speiseanschlüsse |
| G3a, G3b | Gasströme |
| LAa'–LAc'' | Längenabschnitte |
| S3a, S3b | Strömungsrichtung |
| | |
| 31 | Düseneinrichtung |
| 32 | Versorgungsrohr |
| 35 | Speiseanschluss |
| 33, 34 | Stirnseite des Versorgungsrohrs 32 |
| 36a'–36c'' | Düsenöffnungen |
| G4 | Gasstrom |
| LAx–LAz | Längenabschnitte |
| S4 | Strömungsrichtung |
| 37 | Innenraum des Versorgungsrohrs 32 |
| 38 | Außenfläche des Versorgungsrohrs 32 |
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| 41 | Düseneinrichtung |
| 42 | Versorgungsrohr der Düseneirichtung 41 |
| 43, 44 | Stirnseiten des Versorgungsrohrs 42 |
| 45', 45'' | Speiseanschlüsse |
| 46a–46c | Düsenöffnungen |
| G4a, G4b | Gasströme |
| GS | Gasstrahlen |
| R1–R3 | Reihen von Düsenöffnungen |
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| 100 | Durchlaufofen |
| 101 | Vorheizzone |
| 102 | Aufheizzone |
| 103 | Haltezone |
| 104 | Kühlzone |
| 105 | Ausgleichs- und Überalterungszone |
| 106 | Rüssel |
| 107 | Schmelzenbad |
| 110 | Gasversorgung |
| 111 | Vormischeinrichtung |
| F | Förderrichtung |
| B | Stahlband |
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| L | Länge der Versorgungsrohre 2, 12, 22, 32, 42 |
| XL | Längsachse der Versorgungsrohre 2, 12, 22, 32, 42 |
| M | Mitte der Länge L der Versorgungsrohre 2, 12, 22, 32, 42 |
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2010690 B1 [0005]
- DE 68912243 T2 [0008]
- DE 69507977 T2 [0009]
- JP 02285057 A [0010]
- US 2010/0173072 A1 [0011, 0012, 0013, 0013]
