DE102017010974A1

DE102017010974A1 - Durchlaufofen für das Glühen von Metallband bei hohen Temperaturen

Info

Publication number: DE102017010974A1
Application number: DE102017010974.5A
Authority: DE
Inventors: Carl Kramer; Ralf Peiffer
Original assignee: WSP GmbH
Current assignee: WSP GmbH
Priority date: 2017-11-28
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2019-05-29

Abstract

Ein elektrisch widerstandsbeheizter Durchlaufofen, in dem unter Schutzgas Metallbänder, insbesondere Stahlbänder, bei hohen Temperaturen geglüht werden, weist im Innenraum keinerlei metallische Bauelemente auf. Auch die Heizelemente sind nicht metallisch und für Temperaturen um 2000°C und mehr geeignet. Im Ofen wird das Band im Durchhang geführt, wobei die Durchhanghöhe auch bei Ofenlängen von 10 m und mehr entsprechend der sehr niedrigen, bei hohen Temperaturen für die Metallbänder zulässigen Spannungen entspricht.

Description

Stand der Technik
Die Glühung von Metallband, z.B. Stahlband, bei hohen Temperaturen, wie zum Austenitisieren oder Rekristallisieren erforderlich, muss zur Vermeidung von Oxidation der Bandoberfläche unter Schutzgas erfolgen. Eine reduzierende Schutzgasatmosphäre wird durch Mischung eines Inertgases, z.B. Stickstoff, mit einem gewissen Wasserstoffanteil erreicht. Für einige Legierungen darf bei hohen Temperaturen kein Stickstoff verwendet werden. Dann wird als Schutzgas reiner Wasserstoff benutzt.
Die Beheizung muss bei Gasfeuerung indirekt erfolgen, da auch der Restsauerstoff im Verbrennungsabgas zur Oberflächenoxidation des Bandes führen würde.
Daher wird in Anlagen nach dem Stand der Technik das zu glühende Band durch eine gasdichte Muffel geführt, die üblicherweise als Schweißkonstruktion aus hochwarmfesten Blechen hergestellt wird. In Vertikalöfen, in denen das Band hängt, ist die Muffel ein Kreisrohr entsprechenden Durchmessers. In Horizontalöfen werden ebenso aus Blech gefertigte Muffeln mit tunnelartigem Querschnitt verwendet. Die Muffeln befinden sich in einer vertikalen bzw. horizontalen Heizkammer, die mit Gasbrennern beheizt wird. Durch Wärmestrahlung der Muffelinnenwand auf das Band wird dieses erwärmt.
Besonders bei Anlagen höherer Leistung sind große Muffellängen erforderlich. Bei Horizontalöfen ist wegen der im Hinblick auf Investitions- und Betriebskosten möglichst klein gewählten Muffelquerschnitte eine berührungsfreie Bandführung nicht möglich, da der begrenzte Muffelquerschnitt für den bei den nur niedrigen, zulässigen Bandspannungen erforderlichen Banddurchhang nicht ausreicht.
Daher wird in horizontalen Muffeln eine Konstruktion ähnlich einer Leiter eingeschoben, bei der auf der Bandseite der Sprossen frei drehende Rollen angeordnet sind.
In Anlagen für Stahlband bestehen diese Rollen aus Graphit, um die Bandoberfläche so wenig wie möglich zu beschädigen.
Die Rollenleitern unterliegen einem hohen Verschleiß und müssen häufig, in der Regel mehrmals im Jahr, ausgetauscht werden. Auch die Muffel hat eine begrenzte Lebensdauer von höchstens einigen wenigen Jahren. Daher ist die Wartung solcher Anlagen aufwendig und kostspielig.
Die Muffel ist von einer Heizkammer umgeben, in der die Temperaturen höher sein müssen als in der Muffel. Diese Heizkammer hat auch eine wesentlich größere Fläche der Außenwand. Dadurch ergeben sich, relativ zur kleinen Muffel, hohe Wandverluste. Diese verringern den Wirkungsgrad, der das Verhältnis der dem Band zugeführten Wärmeenergie zur mit dem Brennstoff zugeführten Wärme ist. Daher beträgt die in derartigen Öfen installierte Leistung in der Regel ein höheres Vielfaches der Bandwärme.
Aufgabe der Erfindung
Wegen all dieser vorbeschriebenen Nachteile besteht die Aufgabe, einen Durchlauferwärmungsofen für Metallbänder, insbesondere für Stahlbänder, zu schaffen, der einen auch unter Wasserstoffatmosphäre berührungsfreien Bandlauf ermöglicht, ein besseres Verhältnis von Nutzwärme zur aufgewandten Wärme hat und kostengünstiger ist, was Wartung, Verschleiß und Installationsaufwand angeht. Diese Aufgabe wird mit der Erfindung gelöst.
Ausführungsbeispiele
Die Erfindung wird im Folgenden anhand exemplarischer Ausführungsbeispiele beschrieben. Die 1 bis 5 dienen der Erläuterung eines besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels.
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt und 2 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Ofens, bei dem ein Teil der vorderen Seitenwand weggeschnitten ist.
In 3 ist die Anordnung der Beheizungseinrichtung im Ofen und deren Lage zum Band dargestellt. 4 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausführung der Beheizungseinrichtung.
Das Band (5) wird im freien Durchhang zwischen den außerhalb des Ofens befindlichen Rollen (1, 2) durch den Ofen geführt. Die Durchhanghöhe (7) ist der sehr niedrigen zulässigen Spannung des Bandes (5). Die erforderliche Kühleinrichtung (nicht gezeichnet) ist vorteilhaft ebenfalls im Durchhangbereich angeordnet, so dass das Band die den Durchhang begrenzenden Rollen (1, 2) bei niedriger Temperatur berührt. Die Rolle (2) am Durchhangende kann mit einer Einrichtung zur Steuerung der mittigen Lage des Bandes (5) verbunden sein.
Die Ofenkammer (3) hat eine innere Höhe, die einen relativ großen, freien Banddurchhang (7) gestattet, der sich bei Durchhanglängen von 10 m und mehr bei Bandspannungen von nur wenigen N/mm² Bandquerschnittfläche ergibt.
Zur einfachen Zugänglichkeit des Ofeninnenraumes besitzt der Ofen einen vorteilhaft nur aufgelegten Deckel (8), der zweckmäßig an seinen äußeren Umfang zum Gehäuseunterteil mit einer Flüssigkeitstasse (10) mit z.B. Öl als Abdichtfluid ausgestattet ist.
Zweckmäßig wird das aus Stahlblech gefertigte gasdichte Unterteil (3) mit einer hinreichend wärmedämmenden Ausmauerung (4) versehen. Für den Deckel wird aus Gewichtsgründen eine möglichst leichte Wärmedämmung (9) verwendet.
Die elektrische Beheizungseinrichtung ist beispielhaft eine möglichst dünnwandige CFC-Flächenheizung; CFC steht für karbonfaserverstärkten Kohlenstoff. Solche elektrische CFC-Widerstandsbeheizungseinrichtungen können dauerhaft und problemlos bei Temperaturen von mehr als 2000°C elektrisch betrieben werden, was mit metallischen Heizeinrichtungen bei weitem nicht möglich ist. Außerdem haben CFC-Elemente im Vergleich zu metallischen Bauteilen eine wesentlich geringere Wärmeträgheit, was für problemlosen Bandstillstand eine wesentlich geringere Gefahr einer Bandüberhitzung bedeutet.
Bei metallischen Heizelementen ist zudem nachteilig, dass die das Heizleitermaterial schützende Oxidschicht in Schutzgasatmosphären mit Wasserstoffanteil reduziert wird, wodurch sich dessen Lebensdauer verringert.
Wie die 2 und 3 zeigen, ist das Flächenheizelement (6) vorteilhaft als Halbschale eines Kreiszylinders ausgeführt. Dadurch vergrößert sich, gegenüber einer ebenen Heizfläche, das Verhältnis von strahlender Fläche zu bestrahlter Nutzfläche, also der Fläche des Bandes (5) mit maximaler Breite, erheblich. Dies führt zu einer erhöhten Wärmestrahlung auf das Band, so dass sich höhere Erwärmungsgeschwindigkeiten ergeben. So kann bei sehr dünnen Bändern, für die sich BIOT-Zahlen sehr weit unter 1 ergeben und die Temperaturverteilung über der Banddicke praktisch konstant ist, die Heizfläche auf nur einer Bandseite oberhalb des Bandes (5) eingesetzt werden, wodurch eine Beschädigung des Flächenheizelementes (6) durch das Band (5), z.B. bei einem Bandriss, weitgehend ausgeschlossen ist.
Wie aus 3 ersichtlich, liegen die unteren Kanäle des Flächenheizers (6) mit Form einer halben Zylinderschale auf Vorsprüngen (11) der Ofeninnenwand auf, so dass sich eine weitere Befestigung erübrigt. Die entsprechend der Aufteilung in getrennt regelbaren Heizzonen aufgeteilten Heizschalen werden bei abgenommenem Deckel von oben in den Ofen eingelegt, so dass die Stromzu- und ableitungen (nicht gezeichnet), die ebenfalls aus Graphit gefertigt sind, mit der Heizschale verbunden werden.
Das flächenhafte Heizelement (6) wird vom elektrischen Heizstrom mäanderartig durchflossen, wobei die Mäanderform durch entsprechende Ausschnitte im flächenhaften Heizelement hergestellt wird. Es ist wichtig, dass die verbleibende Heizfläche groß gegenüber den ausgeschnittenen Flächenanteilen ist und dass die durch die Mäander vorgegebene Heizleiterlänge einen elektrischen Widerstand aufweist, der zur vorgesehenen elektrischen Spannung und Stromstärke passt.
Auf diese Weise wird ein Ofen geschaffen, bei dem sich im heißen Innenraum keine metallischen Bauelemente befinden. Dies wird im Falle der Verwendung ebener Flächenheizer mittels keramischer Befestigungselemente erreicht.
Vorteilhaft ist zu diesem Zweck die Heizschale (6) an den Kontaktstellen mit nach unten offenen U-förmigen Einschnitten (12) zu versehen, die über den ebenfalls aus Graphitwerkstoff gefertigten Kontaktstab (13) geschoben werden. Dieser Kontaktstab ist auf der Heizschaleninnenseite mit einem Bund (14) versehen, der durch eine mittels Schraubung (15) betätigte Spannvorrichtung (16) die Heizschale (6) mit dem Bund (14) gegen ein ebenfalls aus Graphit bestehendes Widerlager (17) drückt und so einen zuverlässigen elektrischen Kontakt herstellt. Die Schraub-Spanneinrichtung (16) befindet sich, genauso wie der Übergang vom Graphitleiter (13) zum metallischen Leiter (18), außerhalb des heißen Bereichs. Die Kontaktflächen und Querschnitte sind so bemessen, dass der elektrische Widerstand dieser Komponenten vernachlässigbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Rolle am Banddurchhang Anfang
2: Rolle am Banddurchhang Ende
3: Ofenkammer
4: Ausmauerung oder Wärmeisolation
5: Metallband
6: Flächenheizelement
7: Banddurchhang
8: Deckel
9: Wärmedämmung
10: Flüssigkeitstasse
11: Simsartige Vorsprünge
12: Einschnitte, U-förmig
13: Kontaktstab
14: Bund
15: Schraubung
16: Spannvorrichtung
17: Widerlager
18: Metallischer Leiter

Claims

Elektrisch widerstandsbeheizter Durchlaufofen (3) zum Glühen von durchlaufenden Metallbändern (5), insbesondere Stahlbändern, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale: a) Im Ofeninnenraum und im Hochtemperaturbereich der Wärmeisolation (4) und (9) des Ofens (3) werden keinerlei metallische Werkstoffe und Bauelemente verwendet. b) Die elektrischen Widerstandsheizelemente (6) sind flächenhaft ausgeführt und vorzugsweise aus CFC-Werkstoff hergestellt. c) Die Kontaktierung der Heizelemente erfolgt durch eine Bauteilkombination derart, dass sich im Bereich der Wärmeisolation der Wand mit höheren Temperaturen keine metallischen Werkstoffe befinden und die Abdichtung des metallischen Teils der Zuleitung gegen Schutzgas im kalten Bereich erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flächenhaft ausgeführte Heizelement (6) aus nicht metallischem Werkstoff als zum Band konkav geformte Schale (6) ausgeführt ist.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die konkav zum Band weisende Heizschale (6) mit ihren unteren Bändern auf die simsartigen Vorsprünge (11) der Wärmeisolatoren des unteren Ofenbereichs aufliegt.
Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung durch eine im heißen Bereich nicht metallische Klemmvorrichtung (16) hergestellt wird, in welche die Heizschale (6) von oben hineingelegt wird, die von außen durch eine Schraubverbindung (15) mit dem im Kalten befindlichen, metallischen Teil (18) der elektrischen Zu- bzw. Ableitung betätigt wird.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Band (5) in der Ofenkammer berührungsfrei im Durchhang geführt wird, wobei der Banddurchhang so bemessen ist, dass auch bei größeren Durchhängen von 10 m Länge und mehr im Band so niedrige Spannungen auftreten, wie sie bei hohen Temperaturen für das Bandmaterial verträglich sind.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen einen Deckel (8) aufweist, der auf den Ofenunterteil (3) aufgelegt und durch eine umlaufende Flüssigkeitstasse (10) gegenüber dem Unterteil abgedichtet ist.
Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die verwendeten nicht metallischen Heizelemente (6) bei Temperaturen bis zu 2000°C und darüber betrieben werden können und gegenüber metallischen Heizelementen eine geringere Wärmeträgheit aufweisen.