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Die Erfindung betrifft eine Ofenrolle für Durchlauföfen gemäß den Merkmalen im Patentanspruch 1.
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Ofenrollen müssen hitzebeständig sein und sollten eine möglichst große Lebensdauer besitzen. Es sind unterschiedliche Ausführungsformen von Ofenrollen bekannt. Aus Kostengründen sollen die Ofenrollen nicht nur einen sehr geringen Verschleiß sowie eine lange Lebensdauer besitzen, sie sollen zudem ohne Wasserkühlung, das heißt mit minimalem Energieeinsatz betrieben werden können und sollen zur Beförderung verschiedenster Werkstoffe geeignet sein. Edelstahlrollen, deren Oberflächen eine sehr geringe Oxidationsneigung haben, sind aufgrund des verwendeten Werkstoffes relativ kostenintensiv. Ofenrollen aus keramischen Werkstoffen sind bei Warmformöfen nicht dauerfest mit AlSibeschichteten Platinen verwendbar. Mechanisch fixierte Rohr-in-Rohr-Lösungen sind für Ofenanwendungen nicht brauchbar bzw. hinreichend haltbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Ofenrolle für einen Durchlaufofen aufzuzeigen, die wirtschaftlich günstiger ist als eine Ofenrolle, die aus Edelstahl gefertigt ist aber gleichzeitig eine hohe mechanische, chemische und thermische Beständigkeit besitzt und zudem geeignete, dauerfeste Oberfläche besitzt.
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Die Erfindung ist durch eine Ofenrolle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Ofenrolle besitzt ein Mittelteil und endseitige Lagerzapfen. Das Mittelteil besteht aus einem mehrlagigen Rohr, umfassend eine Basislage aus Stahl und mindestens eine stoffschlüssig mit der Basislage verbundene weitere Lage aus einem von der Basislage abweichenden Stahl. Die endseitig angeordneten Lagerzapfen bestehen ebenfalls aus Stahl, insbesondere aus einem verschleißfesten Stahl, bevorzugt aus einem nicht rostenden Stahl. Der Stahl der endseitigen Lagerzapfen soll zur äußeren Lage des Mittelteils passen.
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Ein wichtiger Aspekt der erfindungsgemäßen Ofenrolle besteht in der Auswahl einer geeigneten Materialkombination für den Mittelteil, wobei die innere Basislage vor allem tragende Funktion hat während die äußere Lage vor allem schützende Funktion hat. Die Lagerzapfen am Endbereich bestehen ausschließlich aus einer Stahlsorte, insbesondere aus nichtrostendem Stahl. Bei den Lagerzapfen muss es sich auch nicht um ein Rohrprodukt handeln, anders als bei dem Mittelteil.
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Das Mittelteil besteht nicht nur aus Edelstahl, sondern ist als Bimetallrohr ausgebildet. Die Besonderheit dieses Bimetallrohrs ist, dass es eine stoffschlüssige Verbindung zwischen der Basislage und der wenigstens einen weiteren Lage besitzt, die aus dem von der Basislage abweichenden Stahl besteht. Die für das Mittelteil verwendeten Werkstoffe können dadurch gezielt auf die Bedingungen eines Durchlaufofens und insbesondere auf Arbeitstemperaturen zwischen 900°C und 1100°C eingestellt sein.
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Erfindungsgemäß besitzt das rohrförmige Mittelteil Wanddicken von 6 mm bis 22 mm bei Außendurchmessern des Mittelteils in einem Bereich von 50 mm bis 200 mm. Die Längen der Ofenrolle beträgt je nach Anwendungsfall 1000 mm bis 3000 mm. Eine solche Ofenrolle erfordert einen wesentlich geringeren Material- bzw. Kostenaufwand als eine konventionelle Ofenrolle, die komplett aus Edelstahl besteht.
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Der radial äußere Werkstoff, der mit den Werkstücken im Ofen und der Ofenatmosphäre in Kontakt kommt, kann relativ dünnwandig sein. Die äußere Lage besitzt eine Dicke von 0,5 bis 5 mm, insbesondere 1,0 bis 3,0 mm. Es ist für viele Anwendungsfällte ausreichend, wenn die äußere Lage eine Dicke von ca. 1 mm besitzt.
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Die stoffschlüssige Verbindung zwischen der tragenden Basislage und der weiteren Lage ist nicht nur punktuell, sondern als vollflächige Verbindung zwischen den beiden Lagen ausgebildet. Dadurch unterscheidet sich die Erfindung von anderen Bimetallrohren, die lediglich durch mechanische Verbindungen oder durch Presssitz miteinander verbunden sind. Die mindestens eine weitere Lage ist vorzugsweise durch Auftragsschweißen mit der Basislage verbunden. Das Auftragsschweißen kann auch mehrlagig erfolgen, wobei die Welligkeit der Oberfläche, die durch einander benachbarte Schweißraupen entsteht, teilweise reduziert werden kann, indem die Schweißraupen um ihre halbe Breite versetzt übereinander aufgeschweißt werden.
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Die Basislage kann während des Auftragsschweißens als noch umzuformender Rohrrohling oder massiver Block vorliegen. Ein durch Auftragsschweißen vorbereiteter Bimetallrohling bzw. Bimetallblock kann zu einem nahtlosen Bimetallrohr gewalzt werden, wobei der fertig gewalzte Rohrkörper mit der auftragsgeschweißten Lage äußerlich keine auf das Auftragsschweißen zurückführende Welligkeit mehr aufweist. Die ursprüngliche Welligkeit kann allerdings im Schliffbild der Diffusionsschicht zwischen der Basislage und der weiteren Lage nachgewiesen werden.
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Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ofenrolle ist, dass die Oberflächenbeschaffenheit der Basislage, das heißt der noch unbeschichteten Fläche zweitrangig ist und für das Aufbringen der weiteren Lage keiner spanabhebenden Bearbeitung bedarf. Erfindungsgemäß ist es möglich, Auftragsschweißungen radial innen als auch radial außen auf der Basislage vorzusehen, wobei bevorzugt ein radial außenseitiges Auftragsschweißen erfolgt.
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Die Basislage besteht vorzugsweise aus einem kostengünstigen, warmfesten Stahl mit 0,05 bis 2,06 Gew.-% Kohlenstoff. Als Basislage eignen sich insbesondere unlegierte oder niedriglegierte Qualitätsstähle. Bevorzugt kann ein Stahl mit der Werkstoffnummer 1.7380 (DIN EN 10027-2: 2015-07) verwendet werden (10CrMo9-10). Die aufgrund ihres niedrigen Anteils an Legierungselementen kostengünstigen Stähle für die Basislage, insbesondere C-Stähle, können beispielsweise mit einer Lage aus Edelstahl verbunden werden. Ein bevorzugtes Beispiel hierfür ist rostfreier Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4016 (DIN EN 1002-1: 2015-07).
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Während der Anteil an rostfreiem Edelstahl im Bereich des Mittelteils sehr gering ist, sollen die Lagerzapfen bevorzugt aus rostfreiem Edelstahl bestehen, vorzugsweise mit den Werkstoffnummer 1.4301 oder 1.4571. Die Lagerzapfen besitzen einen kleineren Durchmesser als das Mittelteil. Zudem müssen die Lagerzapfen eine hinreichende Tragfähigkeit besitzen und sind daher vorzugsweise aus massiven Stäben gefertigt und nicht als Hohlkörper. Die Lagerzapfen können auch aus einem verschleißfesten Stahl bestehen, weil sie sich nicht im Heizbereich des Ofens befinden. Die Lagerzapfen können kostengünstig in das Mittelteil eingefügt und mit dem Mittelteil stoffschlüssig verbunden werden, insbesondere durch Verschweißen. Je nach Ausgestaltung der Lagerzapfen kann diese Verbindung unmittelbar mit dem Mittelteil erfolgen. Die Lagerzapfen können auch unter Eingliederung eines Zwischenstücks mit dem Mittelteil verschweißt sein. Das Zwischenstück ist in diesem Fall einerseits mit dem Lagerzapfen und andererseits mit dem Mittelteil verschweißt. Das Mittelteil ist vorzugsweise ebenfalls aus einem nicht rostendem Stahl hergestellt. Anstelle einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Mittelteil und Lagerzapfen, bzw. einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Lagerzapfen, Mittelteil und Zwischenstück, kann auch eine Pressverbindung vorgesehen sein
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Nach dem Auftragsschweißen kann eine Wärmebehandlung in einem Zeitraum von 70 bis 150 min. auf eine Zieltemperatur in einem Bereich von 800°C bis 1400°C erfolgen. Vorzugsweise liegen die Temperaturen über 1200°C und bevorzugt in einem Bereich von 1250°C bis 1400°C. Anschließend kann ein so wärmebehandelter und auftragsgeschweißter Block zum Mittelteil der Ofenrolle umgeformt werden, worauf sich eine weitere Wärmebehandlung in einem Bereich von 800°C bis 1400°C, insbesondere über 1200°C und bevorzugt in einem Bereich von 1250°C bis 1400°C durchgeführt wird. Die Temperatur soll über einen Zeitraum vom 5 bis 15 min., insbesondere 5 bis 10 min., bevorzugt 8 bis 10 min. gehalten werden. Die auftragsgeschweißte Lage wird bevorzugt mit einer Dicke von 1 bis 10 mm aufgeschweißt. Die Dicke wird bevorzugt bei einer nachfolgenden Warmumformung stark reduziert. Die Dickenreduzierung erfolgt beim Warmwalzen vorzugsweise durch Schrägwalzen, auf einer Stoßbank und durch Streckreduzierwalzen. Parallel zu der Dickenabnahme der beiden miteinander verbundenen Lagen wird auch der Außenumfang bzw. Außendurchmesser verringert. Die Außendurchmesserabnahme beträgt vorzugsweise mindestens 30%, bevorzugt mindestens 50% bezogen auf den Außendurchmesser eines Blockes als Vorprodukt zur Herstellung des Mittelteils der Ofenrolle.
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Die Haftung zwischen der Lage aus rostfreiem Stahl und der Basislage kostengünstigeren Stahl ist durch Wärmebehandlung sehr gut einstellbar. Es ergeben sich zwischen den einander zu verbindenden Lagen Diffusionsschichten mit sehr sanften Übergängen. Die Haftung ist sehr homogen. Daraus resultiert ein gleichmäßiger thermischer Übergang zwischen den beiden Lagen. Anders als beim Aufpressen einer zweiten Rohrlage auf ein erstes Rohr ist keine nachträgliche Wärmebehandlung des Übergangsbereiches am ersten Rohr notwendig. Zudem kann durch Warmwalzen ein lunkerfreier Übergangsbereich zwischen den einzelnen Lagen hergestellt werden. Die ausgesprochen wirtschaftliche Fertigungsweise für gradierte Bimetallrohre für Ofenrollen ermöglicht es, mehrlagige Mittelteile mit hervorragenden Oberflächeneigenschaften herzustellen. Insbesondere durch ein Streckreduzierverfahren kann das Rohr, aus dem das Mittelteil hergestellt ist, ohne Innenwerkzeuge kostengünstig auf den gewünschten Durchmesser reduziert werden, indem eine Vielzahl von 3-Walzen-Gerüsten durchlaufen werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind alle radial nach außen gerichteten Oberflächen derartiger Ofenrollen vorzugsweise aus nicht rostendem Stahl gefertigt. Lediglich der Mittelteil ist in seiner nach innen gerichteten Lage aus einer preisgünstigeren, warmfesten Stahllegierung gefertigt, welche die Hauptlast des Gewichtes des Fördergutes im Ofen trägt. Diese anforderungsgerechte Gestaltung der Ofenrolle führt zu erheblichen Kostenersparnissen ohne Einbußen im Hinblick auf die Funktionalität, Nutzungsdauer oder Eignung zur Verwendung mit bestimmten Produkten, die in dem Durchlaufofen erwärmt werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbespielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform einer Ofenrolle im Längsschnitt;
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2 einen vergrößerten Endbereich der Ofenrolle der 1 und
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3 einen weiteren Teilbereich einer Ofenrolle in einer zweiten Ausführungsform.
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1 zeigt eine Ofenrolle 1 mit einem Mittelteil 2 und endseitigen Lagerzapfen 3, 4.
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2 zeigt den Endbereich der Ofenrolle 1 in vergrößerter Darstellung. Das Mittelteil 2 besteht aus einem mehrlagigen Rohr und besitzt eine innere Basislage 5 sowie eine radial außen angeordnete weitere Lage 6. Die Basislage 5 ist deutlich dicker als die äußere Lage 6. Beide Lagen 5, 6 bestehen aus Stahl. Bei diesem Beispiel handelt es sich innen um den preisgünstigen Stahl 10CrMo9-10 (Werkstoffnummer 1.7380). Die äußere Lage 6 besteht aus rostfreiem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.4016. Beide Stähle des bimetallischen Rohres sind vollflächig stoffschlüssig miteinander verbunden, wodurch diese sich auch bei hoher thermischer Beanspruchung nicht voneinander ablösen können.
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Im Unterschied hierzu bestehen die Lagerzapfen 3, 4 nur aus einem rostfreien Stahl und sind aus Vollmaterial gefertigt. Hier kann als Werkstoff ein rostfreier Edelstahl, z.B. V4A mit der Werkstoffnummer 1.4571 verwendet werden. Der Lagerzapfen 3 greift bei diesem Ausführungsbeispiel in das Mittelteil 2 und ist mit diesem in nicht näher dargestellter Weise verschweißt. Da es sich hier um eine rein schematische Zeichnung handelt, wurde auf die Darstellung weiterer Details, wie Wellenabsätze, Fasen, Nuten für Passfedern und auch auf die Darstellung von Schweißnähten verzichtet. Wichtiger ist die Materialpaarung zwischen den Lagerzapfen 3, 4 und dem Mittelteil 2, bei welcher das Mittelteil 2 innen aus einem kostengünstigen Stahl besteht und außen aus einem höherwertigen Stahl.
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Das Ausführungsbeispiel der 3 unterscheidet sich von demjenigen der 2 dadurch, dass ein Lagerzapfen 7 mittels eines Zwischenstücks 8 mit dem Mittelteil 2 verbunden sind. Das Mittelteil 2 besteht wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel aus einer Basislage 5 und einer weiteren, äußeren Lage 6 aus höherwertigem Stahl. Das Zwischenstück 8 ist einerseits mit dem Mittelteil 2 verschweißt und andererseits mit dem Lagerzapfen 7. Hierzu greift der Lagerzapfen 7 in das im Durchmesser größere Zwischenstück 8. Das Zwischenstück 8 wiederum greift in das im Durchmesser größere Mittelteil 2. Das Mittelteil 2 ist überwiegend, das heißt über den größeren Teil seiner Länge als Hohlwelle konfiguriert und lediglich zum Lagerzapfen 7 hin in seinem Innendurchmesser verjüngt. Dadurch kann in das Zwischenstück 8 Isoliermaterial 9 zur thermischen Isolierung und Abdichtung eingebracht sein. Hierbei handelt es sich insbesondere um keramische Werkstoffe, insbesondere in Faserform. Im Falle einer Pressverbindung zwischen Lagerzapfen 7 und Zwischenstück 8 dient das Isoliermaterial zwingend auch der gasdichten Abdichtung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ofenrolle
- 2
- Mittelteil
- 3
- Lagerzapfen
- 4
- Lagerzapfen
- 5
- Basislage
- 6
- Lage
- 7
- Lagerzapfen
- 8
- Zwischenstück
- 9
- Isoliermaterial
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN EN 10027-2: 2015-07 [0014]
- DIN EN 1002-1: 2015-07 [0014]
