DE102012008804A1

DE102012008804A1 - Durchlauf-Wärmebehandlungsofen mit gesteigerter Kühlleistung seiner Kühlzone und Verfahren hierzu

Info

Publication number: DE102012008804A1
Application number: DE201210008804
Authority: DE
Inventors: Gerd Waning
Original assignee: Linde GmbH
Current assignee: Linde GmbH
Priority date: 2012-05-07
Filing date: 2012-05-07
Publication date: 2013-11-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Durchlauf-Wärmebehandlungsofen (1) mit einer Erwärmungszone (4) zur Wärmebehandlung eines Werkstücks und einer sich anschließenden Kühlzone (5), die das Werkstück entlang einer Kühlstreckenachse zur Abkühlung durchläuft, wobei die Kühlzone (5) in ihrer oberen Hälfte entlang der Kühlstreckenachse eine Vielzahl von Düsen (10, 20, 30, 40, 50, 60) zum Einbringen eines insbesondere gasförmigen Treibmediums in die Kühlzone aufweist, wobei die Düsen derart angeordnet sind, dass sie das Treibmedium in einem Winkel von ±10° zur Horizontalen einblasen, und wobei zumindest ein Teil (50, 30, 10) der Düsen auf der rechten Seite der Kühlzone (5) und der andere Teil (40, 20, 60) auf der linken Seite der Kühlzone angeordnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchlauf-Wärmebehandlungsofen mit einer Erwärmungszone zur Wärmebehandlung eines Werkstücks und einer sich anschließenden Kühlzone, die das Werkstück entlang einer Kühlstreckenachse zur Abkühlung durchläuft, sowie eine Verfahren zur Steigerung der Kühlleistung einer Kühlzone eines solchen Durchlauf-Wärmebehandlungsofens.
Stand der Technik
Durchlauf-Wärmebehandlungsöfen, wie Rollenherd-Durchlauföfen, dienen beispielsweise zur Wärmebehandlung von geschweißten oder kaltgezogenen Stahlrohren und sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt. Verfahren zur Steigerung der Effizienz solcher Durchlauföfen konzentrierten sich bislang in erster Linie auf die Heizzone dieser Öfen.
Die Kapazität einer Durchlaufofen-Anlage wird nunmehr in der Regel durch die Kühlzone begrenzt. Um ein kaltverfestigtes Stahlrohr weich zu glühen oder zu normalisieren, muss das Werkstück beim Durchlauf durch den Ofen auf eine Temperatur von bis zu 960°C erhitzt werden. Die anschließende Abkühlung erfolgt in einer Kühlzone, die etwa doppelt so lang wie die Heizzone ist. Die Wärme wird über Strahlung und natürliche Konvektion vom Werkstück abgeführt. Kühlwasser in dem Doppelmantel der Kühlzone nimmt die Energie auf und gibt sie z. B. über einen externen Kühlturm wieder ab. In Abhängigkeit von der jeweiligen Legierung des abzukühlenden Stahlrohrs soll der Übergang auf tiefere Temperaturen mehr oder weniger allmählich erfolgen. Für das anschließende Handling der Rohre wird eine Austrittstemperatur aus der Kühlstreckenachse von etwa 60°C bis 150°C angestrebt.
Um den gewünschten Gefügezustand beizubehalten, darf die Abkühlung des Werkstücks nicht zu schnell erfolgen. Beim Austritt aus der Erwärmungszone des Ofens haben die Rohre, je nach Art der Wärmebehandlung, noch eine Temperatur zwischen 800°C und 930°C. An die Erwärmungszone schließt sich eine in der Regel mehr als doppelt so lange Kühlzone an. Bei einer Erwärmungszone von etwa 25 m mit anschließender Kühlzone von etwa 60 m dauert der komplette Durchlauf – je nach Rohrabmessung – eine bis mehrere Stunden.
Bei modernen Durchlauf-Wärmebehandlungsanlagen ist, speziell durch Einbau neuer Brennertechnologien, die Kühlzone der Engpass für die Produktionskapazität. Andererseits sind die Potentiale der Wasserkühlung im Wesentlichen ausgereizt. In vielen Fällen sind die Kühlzonen nicht mit zusätzlichen Ventilationseinrichtungen ausgerüstet oder aufgrund Explosionsgefahr nicht ausrüstbar, so dass die Gasströmungen, die zum Abkühlen des Werkstücks beitragen, im Wesentlichen nur von der Temperaturdifferenz zwischen der Innenwand der Kühlzone und der Temperatur des Werkstücks abhängen.
Eine weitere Möglichkeit der Steigerung der Kühlleistung der Kühlzone eines Durchlauf-Wärmebehandlungsofens ist in der EP 0 860 671 B1 der Anmelderin beschrieben. Hier wird vorgeschlagen, Behandlungsgas in der Nähe des Ofenaustritts, also etwa am Ende der Kühlzone des Ofens, aus dem Ofen abzusaugen und das abgesaugte Gas unter Wärmeabgabe eine Strecke entgegen der Durchlaufrichtung zu transportieren, wobei anschließend das in seiner Temperatur deutlich erniedrigte Gas in der Nähe des Anfangs der Kühlzone in den Ofen zurückgespeist wird. An der Rückführungsstelle für das abgekühlte abgesaugte Behandlungsgas kann zusätzlich ein Inertgas, wie Stickstoff, mit hohem Impuls eingedüst werden. Hierdurch lassen sich eine hohe Gasströmungsgeschwindigkeit mit extrem konvektiver Kühlwirkung sowie eine zusätzliche Abkühlung des Zirkulationsgases erzielen.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist eine weitere effiziente Steigerung der Kühlleistung der Kühlzone eines Durchlauf-Wärmebehandlungsofens.
Kurzfassung der Erfindung
Die Erfindung schlägt einen Durchlauf-Wärmebehandlungsofen mit einer Erwärmungszone, in der ein Werkstück wärmebehandelt wird, und einer sich daran anschließenden Kühlzone, die das Werkstück entlang einer Kühlstreckenachse zur Abkühlung durchläuft, vor, bei dem die Kühlzone in ihrer oberen Hälfte entlang der Kühlstreckenachse eine Vielzahl von Düsen zum Einbringen eines insbesondere gasförmigen Treibmediums in die Kühlzone aufweist, wobei die Düsen derart angeordnet sind, dass sie das Treibmedium in einem Winkel von ±10° zur Horizontalen einblasen, und wobei zumindest ein Teil der Düsen auf der rechten Seite der Kühlzone (bezogen auf die Durchlaufrichtung des Werkstücks) und der andere Teil auf der linken Seite der Kühlzone angeordnet ist. Ein entsprechendes Verfahren ist Gegenstand des weiteren, unabhängigen Patentanspruchs.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Steigerung der Kühlleistung der Kühlzone eines Wärmebehandlungsofens in erster Linie durch erhöhte Strömungsgeschwindigkeiten bei konstanter Ofenatmosphärenqualität sowie durch ein optimales Zirkulationsverhalten erzielt. Dies wird durch die erfindungsgemäße Anordnung der Düsen ermöglicht, die auf der rechten und linken Seite in der oberen Hälfte der Kühlzone angeordnet sind und das Treibmedium, wie Stickstoff, in einem Winkel von –10° bis +10° zur Horizontalen einblasen, wobei die bevorzugte Haupteinströmrichtung des Treibmediums senkrecht auf die auf die entsprechende Horizontale projizierte Durchlaufrichtung des Werkstücks steht. Die auf diese Weise erzeugten Querströmungen vermeiden einen Wärmestau an der Kühlzonendecke. Darüber hinaus entwickelt sich zwischen gegenüberliegenden Austrittskegeln des aus gegenüberliegenden Düsen austretenden Treibmediums eine zusätzliche Saugwirkung, die für eine gleichmäßige Gasbewegung im gesamten Raum der Kühlzone sorgt. Eine einseitige Abkühlung und damit ein Verzug der Werkstücke (Rohre) kann so verhindert werden. Außerdem sind Taupunktunterschreitungen, die zu Flecken auf den Werkstücken führen können, ausgeschlossen.
Gegenüber anderen bekannten Verfahren zur Steigerung der Kühlleistung einer Kühlzone bietet die Erfindung darüber hinaus den Vorteil, dass keine bewegten Teile (Ventilatoren) mehr nötig sind, wodurch möglicher Verschleiß und Wartungskosten weiter gesenkt werden. Durch insbesondere möglichst gleiche Verteilung der Düsen auf die beiden Seiten der Kühlzone können starke Unterdrücke in Bereichen der Kühlzone vermieden werden. Somit wird die Gefahr möglicher Leckagen minimiert und die Sicherheit und Qualität der Atmosphäre bleibt gewährleistet.
Die Erfindung kann ohne größeren Installationsaufwand und somit auch ohne nennenswerten Produktionsausfall in vorhandenen Durchlauf-Wärmebehandlungsöfen realisiert werden. Nach Festlegung der Düsenpositionen wird an den entsprechenden Stellen für jede einzelne Düse ein Loch in den Mantel bzw. in die Versteifungshülse des Deckels der Kühlzone gebohrt. Eine Lanze mit der Düse wird dann gasdicht eingepasst.
Die Erfindung ist prinzipiell mit jeder Schutzgasart einsetzbar. Geeignet ist sowohl der Betrieb mit einem Inertgas, wie reinem Stickstoff, als auch mit einem Endo-, Exo- oder Monogas allein oder mit einer Kombination aus Endo-, Exo-, Monogas und/oder Wasserstoff.
Besonders vorteilhaft ist eine Anordnung der Düsen, genauer gesagt der Austrittsöffnungen der Düsen, in der oberen Hälfte der Kühlzone derart, dass sich die Austrittsöffnungen maximal 200 mm unterhalb des Deckels der Kühlzone befinden. Weiter bevorzugt ist ein Abstand der Austrittsöffnungen von 50 mm bis 150 mm vom Deckel der Kühlzone. Die Düsen können dabei im Wesentlichen parallel zur Kühlstreckenachse angeordnet sein.
Besonders hohe Steigerungen der Kühlleistung werden mit mindestens vier Düsen pro Kühlzone erzielt.
Die Verteilung der Düsen erfolgt mit Vorteil wechselseitig, also abwechselnd auf der linken und rechten Seite der Kühlzone entlang der Kühlstreckenachse. Bei einer ungeraden Anzahl 2m + 1, m = natürliche Zahl, befinden sich somit m-Düsen auf der einen, m + 1-Düsen auf der anderen Seite der Kühlzone. Bei einer geradzahligen Anzahl von Düsen ist die Anzahl der Düsen auf der linken und auf der rechten Seite der Kühlzone gleich. Es werden jedoch auch ausreichend gute Ergebnisse erzielt, wenn die Düsen nicht wechselseitig auf die linke und rechte Seite verteilt sind, solange die Düsen möglichst zu gleichen Anteilen auf die beiden Seiten der Kühlzone verteilt sind. Hierbei meint ”möglichst zu gleichen Anteilen”, dass die Anzahl der Düsen auf beiden Seiten bis auf ±1 übereinstimmt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung ermöglicht die Verwendung von Düsen, genauer gesagt zumindest einer Düse, mit zwei oder mehr Austrittsöffnungen. Der Einfachheit halber sei davon ausgegangen, dass die durch die Austrittsöffnung festgelegte Austrittsrichtung des Treibmediums in der Horizontalen liegt. Bei zwei oder mehr Austrittsöffnungen kann ein bestimmter Winkel durch die Austrittsrichtungen eingeschlossen werden, der zwischen 20° und 60°, vorzugsweise 20°, 40° oder 60° beträgt. Hierbei ist es besonders günstig, eine Düse mit drei Austrittsöffnungen vorzusehen, wobei die Austrittsrichtungen zweier benachbarter Austrittsöffnungen einen Winkel von jeweils 30° einschließen. Die Austrittsrichtungen der beiden äußeren Austrittsöffnungen schließen somit einen Winkel von 60° ein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Düsen bzw. zumindest eine der Düsen höhenverstellbar angeordnet. Dies erlaubt eine weitere Optimierung des Zirkulationsverhaltens der Atmosphäre in der Kühlzone. Zusätzlich oder alternativ können die Düsen bzw. zumindest eine der Düsen drehbar angeordnet sein, so dass die Ausströmrichtung in der Horizontalen hinsichtlich optimaler Zirkulation angepasst werden kann.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Steigerung der Kühlleistung einer Kühlzone eines Durchlauf-Wärmebehandlungsofens, bei dem ein Werkstück nach Durchlaufen einer Erwärmungszone eine Kühlstrecke durch die sich anschließende Kühlzone durchläuft, wobei in der oberen Hälfte der Kühlzone ein insbesondere gasförmiges Treibmedium von beiden Seite der Kühlzone an mehreren Stellen entlang der Kühlstreckenachse in einem Winkel von ±10° zur Horizontalen in die Kühlzone eingedüst wird.
Bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens und seiner Ausgestaltungen sowie Vorteile sei ausdrücklich auf die obigen Erläuterungen bezüglich des erfindungsgemäßen Durchlauf-Wärmebehandlungsofens hingewiesen. Sämtliche Merkmale sind auch in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren gültig und seien zur Vermeidung von Wiederholungen hiermit ausdrücklich in Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren offenbart.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Figurenbeschreibung
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt:
1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Durchlauf-Wärmebehandlungsofen in einer Seitenansicht;
2 zeigt schematisch einen Ausschnitt der Kühlzone in einer Schnittansicht von oben; und
3 zeigt schematisch eine Düse mit mehreren Austrittsöffnungen.
1 zeigt sehr schematisch einen Durchlauf-Wärmebehandlungsofen 1 mit einer sogenannten Einlaufzone 3 für (nicht dargestellte) Werkstücke, wie geschweißte oder kaltgezogene Stahlrohre, die in Durchlaufrichtung 2 den Ofen 1 durchlaufen. Die Werkstücke gelangen in eine Erwärmungszone 4, in der die Wärmebehandlung stattfindet. Da Einzelheiten zur Wärmebehandlung sowie die entsprechende Ausgestaltung der Erwärmungszone 4 für vorliegende Anmeldung nicht wesentlich sind, sei auf eine detaillierte Schilderung hier verzichtet. An die Erwärmungszone 4 schließt sich die Kühlzone 5 des Wärmebehandlungsofens 1 an. Hier werden Werkstücke, die auf Temperaturen von bis zu 960°C erhitzt wurden, je nach Legierung und Gefügezustand mehr oder weniger allmählich auf tiefere Temperaturen abgekühlt. An der Austrittsstelle der Kühlzone 5 werden Temperaturen von 60°C bis 150°C angestrebt.
In der oberen Hälfte der Kühlzone 5, in diesem Ausführungsbeispiel 50 mm bis 150 mm unterhalb des Deckels der Kühlzone 5 sind wechselseitig Düsen entlang der Kühlstreckenachse und im Wesentlichen parallel zur Kühlstreckenachse angeordnet. Die Düsen sind mit 10, 20, 30, 40, 50 und 60 bezeichnet, wobei die Düsen 50, 30 und 10 bezogen auf die Durchlaufrichtung 2 auf der rechten Seite der Kühlstreckenachse liegen, während die Düsen 40, 20 und 60 auf der linken Seite der Kühlstreckenachse liegen. Die Düsen sind hier nur sehr schematisch dargestellt, als würden sie seitlich durch den Mantel der Kühlzone angebracht sein. In der Praxis werden Lanzen über die Versteifungshülsen im Deckel der Kühlzone eingeführt, wobei die Düsen jeweils am Ende der Lanzen angebracht sind.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser der Düsenbohrung 1 mm, Stickstoff kann mit 3 bar zugeführt werden, wobei in Summe beispielsweise 75 m³/h Stickstoff in das Innere der Kühlzone 5 eingebracht werden können. Es kann vorteilhaft sein, die erste Düse 50 und die letzte Düse 60 anders auszugestalten als die dazwischen liegenden Düsen 10, 20, 30 und 40. Beispielsweise können die erste und letzte Düse mit zwei Austrittsöffnungen ausgestattet werden, während die dazwischen liegenden Düsen mit drei Austrittsöffnungen ausgestattet sind. Außerdem können die erste und letzte Düse auch bezüglich ihrer Austrittsrichtung verdreht sein und/oder sich näher am Deckel der Kühlzone 5 befinden.
2 zeigt schematisch eine Draufsicht auf einen Ausschnitt der Kühlzone 5, wobei die Durchlaufrichtung wieder mit 2 bezeichnet ist. Zu sehen sind die Düsen 30, 40 und 50, die wechselsseitig auf die linke und rechte Seite der Kühlzone verteilt sind. In diesem Ausführungsbeispiel besitzen der Einfachheit halber die Düsen 30, 40 und 50 jeweils drei Austrittsöffnungen, durch die ein Treibmedium, hier Stickstoff, in jeweils einer Austrittsrichtung ausgedüst wird. Die Austrittsrichtungen 31, 32 und 33 bzw. 41, 42 und 43 bzw. 51, 52 und 53 sind pro Düse symmetrisch zueinander angeordnet, wobei benachbarte Austrittsrichtungen 31, 32 bzw. 32, 33 u. s. f. jeweils einen Winkel von 30° einschließen. Die dargestellte Anordnung führt zu den bereits erwähnten Querströmungen, die einen Wärmestau an der Kühlzonendecke vermeiden, eine zusätzliche Saugwirkung verursachen, die für eine gleichmäßige Gasbewegung im gesamten Raum der Kühlzone 5 sorgt und außerdem die Strömungsgeschwindigkeiten erhöhen.
3 zeigt eine Detailansicht einer schematisch gezeichneten Düse 30 mit drei Austrittsöffnungen 35, 36 und 37 und den hierdurch definierten Austrittsrichtungen 31, 32 und 33. Die äußeren Austrittsrichtungen 31 und 33 schließen einen Winkel von 60° ein, während benachbarte Austrittsrichtungen jeweils einen Winkel von 30° einschließen.
Die derart ausgestaltete Kühlzone 5 bewirkt einen erheblich schneller ablaufenden Kühlprozess bis zum Erreichen der gewünschten Austrittstemperatur. Bei gleichbleibender Kühlzonenlänge ist entsprechend die Austrittstemperatur der Rohre bei gleicher Durchlaufzeit niedriger. Effizienzsteigerungen von mindestens 10%, in Einzelfällen bis zu 30%, sind realisierbar.
Bezugszeichenliste

1: Wärmebehandlungsofen
2: Durchlaufrichtung
3: Einlaufzone
4: Erwärmungszone
5: Kühlzone
10, 20, 30, 40, 50, 60: Düse
31, 32, 33: Austrittsrichtung
35, 36, 37: Austrittsöffnung
41, 42, 43: Austrittsrichtung
51, 52, 53: Austrittsrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0860671 B1 [0006]

Claims

Durchlauf-Wärmebehandlungsofen (1) mit einer Erwärmungszone (4) zur Wärmebehandlung eines Werkstücks und einer sich anschließenden Kühlzone (5), die das Werkstück entlang einer Kühlstreckenachse zur Abkühlung durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlzone (5) in ihrer oberen Hälfte entlang der Kühlstreckenachse eine Vielzahl von Düsen (10, 20, 30, 40, 50, 60) zum Einbringen eines insbesondere gasförmigen Treibmediums in die Kühlzone (5) aufweist, wobei die Düsen derart angeordnet sind, dass sie das Treibmedium in einem Winkel von ±10° zur Horizontalen einblasen, und wobei zumindest ein Teil (50, 30, 10) der Düsen auf der rechten Seite der Kühlzone und der andere Teil (40, 20, 60) auf der linken Seite der Kühlzone angeordnet ist.
Durchlauf-Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (10, 20, 30, 40, 50, 60) in der oberen Hälfte der Kühlzone (5) derart angeordnet sind, dass sich die Austrittsöffnungen der Düsen maximal 200 mm, insbesondere 50 mm bis 150 mm, unterhalb des Deckels der Kühlzone befinden.
Durchlauf-Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens vier Düsen (10, 20, 30, 40, 50, 60) pro Kühlzone vorhanden sind.
Durchlauf-Wärmebehandlungsofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (10, 20, 30, 40, 50, 60) wechselseitig auf die linke und rechte Seite der Kühlzone (5) verteilt sind.
Durchlauf-Wärmebehandlungsofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen (10, 20, 30, 40, 50, 60) möglichst zu gleichen Anteilen auf der linken und der rechten Seite der Kühlzone (5) verteilt sind.
Durchlauf-Wärmebehandlungsofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Düsen (30) zwei oder mehr Austrittsöffnungen (35, 36, 37) aufweist.
Durchlauf-Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Austrittsöffnungen (35, 36, 37) der zumindest einen Düse (30) festgelegten Austrittsrichtungen (31, 32, 33) einen Winkel zwischen 20° und 60°, insbesondere von 20°, 40° oder 60°, einschließen.
Durchlauf-Wärmebehandlungsofen nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass drei Austrittsöffnungen (35, 36, 37) vorgesehen sind, wobei die zugehörigen Austrittsrichtungen (31, 32, 33) zweier benachbarter Austrittsöffnungen jeweils einen Winkel von 30° einschließen.
Durchlauf-Wärmebehandlungsofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Düsen höhenverstellbar angeordnet ist.
Durchlauf-Wärmebehandlungsofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der Düsen drehbar angeordnet ist.
Verfahren zur Steigerung der Kühlleistung einer Kühlzone (5) eines Durchlauf-Wärmebehandlungsofens (1), bei dem ein Werkstück nach Durchlaufen einer Erwärmungszone (4) des Durchlauf-Wärmebehandlungsofens (1) eine Kühlstreckenachse durch die sich anschließende Kühlzone (5) durchläuft, dadurch gekennzeichnet, dass in der oberen Hälfte der Kühlzone (5) ein insbesondere gasförmiges Treibmedium von beiden Seiten der Kühlzone (5) an mehreren Stellen entlang der Kühlstreckenachse in einem Winkel von ±10° zur Horizontalen in die Kühlzone (5) eingedüst wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibmedium ein Inertgas, wie Stickstoff, ein Endogas, ein Exogas und/oder ein Monogas oder Mischungen hiervon, auch mit Wasserstoff, verwendet wird.