DE10338431A1

DE10338431A1 - Vertical retort oven for heat-treating metal component parts has centre column of charging frame formed as hollow tube coupled to suction opening of circulating assembly to be used as suction pipe for intensive circulation

Info

Publication number: DE10338431A1
Application number: DE2003138431
Authority: DE
Inventors: Ruediger Hoffmann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2003-08-18
Filing date: 2003-08-18
Publication date: 2005-03-24

Abstract

The retort oven has a useful depth of more than three metres for heat-treating metal component parts at temperatures up to 650 degrees C and the centre column of a charging frame is formed as a hollow tube which is coupled to the suction opening of a circulating assembly so that it is used as the suction pipe for intensive circulation of the oven atmosphere. The inner diameter of the hollow tube is the same or larger than the suction opening of the circulating assembly. The lower widened region of the hollow tube is used to take up the material being treated.

Description

Vertikale Retortenöfen zur Wärmebehandlung von metallischen Bauteilen, insbesondere von Stählen, sind weit verbreitet und finden vielfältige Anwendungen. Retortenöfen für sehr große Nutzlasten mit mehr als 3 bis 4 m Nutztiefe sind dagegen eher selten, da sie allein schon durch die Eigengewichte der der Erwärmung unterworfenen Ofenelemente, durch die thermisch bedingten Längendehnungen und durch die mit steigender Temperatur stetig abnehmende Werkstofffestigkeit hohe Ansprüche an die Ofentechnik sowie an die verwendeten Ofenwerkstoffe stellen. Hinzu kommt, dass Retortenöfen durch regelmäßiges Erwärmen und Abkühlen einem ständigen Temperaturwechsel unterliegen und somit im betrieblichen Einsatz fast immer stetig steigende Maßänderungen und Verformungen aufweisen.vertical Retort for heat treatment of metallic components, in particular of steels, are widely used and find diverse Applications. Retort for very size Payloads with more than 3 to 4 m working depth, however, are rather rare, since they alone by the self-weights of the subjected to warming Furnace elements, by the thermally induced elongations and by the with increasing temperature steadily decreasing material strength high standards to the furnace technology and to the furnace materials used. In addition, retort ovens through regular heating and cooling down a permanent one Subject to temperature changes and thus in business use almost always increasing dimensional changes and have deformations.

Bei Wärmebehandlungen bis ca. 650 °C sind die angedeuteten Probleme noch einigermaßen überschaubar. Dennoch werden aus den genannten Gründen auch hier die technischen Schwierigkeiten umso größer, je größer die erforderliche Nutztiefe und insbesondere das Retortenvolumen werden.at heat treatments up to 650 ° C The indicated problems are still reasonably manageable. Nevertheless, will be for the reasons mentioned here, too, the technical difficulties are ever greater bigger the required useful depth and in particular the retort volume.

Bei Temperaturen unter 650 °C trägt die Konvektion noch nennenswert zur Erwärmung bei. Daher sollten solche Öfen über eine ausreichend intensive und das gesamte Behandlungsgut erfassende Umwälzung der Ofenatmosphäre innerhalb der Retorte verfügen. Dafür werden umso leistungsfähigere Umwälzaggregate benötigt, je größer das Retortenvolumen und je größer die Nutztiefe.at Temperatures below 650 ° C wears the Convection still significant to warming at. Therefore, such ovens should have a sufficiently intensive and covering the entire material to be treated circulation the furnace atmosphere within the retort. For that will be all the more powerful circulation units needed the bigger that Retort volume and the larger the Effective depth.

Üblicherweise werden Retortenöfen zu diesem Zweck zusätzlich mit einem Gasführungszylinder, der den kompletten Nutzraum umschließt, sowie gegebenenfalls mit weiteren Gasführungshilfen ausgerüstet. Um bei gleichem Nutzdurchmesser der Charge Raum für den Gasführungszylinder zu schaffen, muss der Durchmesser der Retorte zwischen ca. 200 und rund 400 mm größer bemessen werden als der Durchmesser des Gasführungszylinders. Da dieser außer seinem Eigengewicht in der Regel keinen weiteren Belastungen ausgesetzt ist, beträgt seine Wandstärke selbst bei größeren Retortenöfen oft nicht mehr als 6 mm, während die Wandstärke der Retorte desselben Ofens fast immer 8 mm übersteigt. Während die Formstabilität des kreisrunden Querschnitts der Retorte nicht nur durch die dickere Wandung sondern im Allgemeinen auch durch einen Kümpelboden als unterer Abschluss der Retorte sowie durch einen stabilen Flansch am oberen Ende der Retorte ausreichend gewährleistet ist, ist der dünnwandigere Gasführungszylinder oft mehrfach gesickt, das heißt er besitzt über seine Länge verteilt einige waagerecht um den Zylinder herumlaufende wulst- bzw. rinnenförmige Biegungen, die ihm eine höhere Formstabilität des kreisförmigen Querschnitts verleihen.Usually become retort ovens in addition to this purpose with a gas guide cylinder, which encloses the entire usable space, and optionally with additional gas-handling aids equipped. For the same useful diameter of the batch room for the gas guide cylinder To create, the diameter of the retort between about 200 and 400 mm larger be as the diameter of the gas guide cylinder. Because of this except Its own weight usually exposed to no further burden is, is its wall thickness often not even with larger retort ovens more than 6 mm while the wall thickness the retort of the same furnace almost always exceeds 8 mm. While the dimensional stability the circular cross-section of the retort not only by the thicker Wandung but also generally by a Kümpelboden as the bottom of the retort and a stable flange At the top of the retort is sufficiently ensured, is the thinner walled Gas guide cylinder often repeatedly spiked, that is he owns over his length distributes some horizontal beads around the cylinder or gutter-shaped Bends giving it a higher dimensional stability of the circular Cross section.

Bei der Nutzung von Schutz- und Reaktionsgasen im Behandlungsraum müssen die Retorte und der sie nach oben abschließende Retortendeckel stets gasdicht sein, während an das innenliegende Gasführungssystem und damit auch an den Gasführungszylinder derartige Ansprüche nicht gestellt werden und für die Betriebssicherheit hinsichtlich explosiver und/oder toxischer Gefahren auch nicht erforderlich sind. Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass bei vertikalen Retortenöfen bei großer Nutztiefe auch Retorten bekannt sind, die der Länge nach aus mehreren Schüssen bestehen, die untereinander gasdicht verbunden sein können.at the use of protective and reaction gases in the treatment room must be Retort and the top of the retort lid always be gas-tight while to the internal gas supply system and thus also to the gas guide cylinder such claims can not be asked and for the operational safety regarding explosive and / or toxic Dangers are not required. The completeness it should be mentioned that in vertical retort ovens at big Useful depth also retorts are known, which consist in length of several shots, which can be connected to each other gas-tight.

Die vorgestellte Erfindung kehrt nun das Merkmal des Wandstärkenverhältnisses von Gasführungszylinder und Retorte um, indem gleichzeitig auch einige wichtige Teilaufgaben dieser Elemente verändert bzw. ausgetauscht werden.The Present invention now reverses the feature of wall thickness ratio of gas guide cylinder and retort around, while also doing some important subtasks changed these elements or exchanged.

Zu jedem Retortenofen gehören mehr oder weniger komplexe Chargiergestelle und/oder Chargierhilfen, die für die zweckmäßigste Positionierung der zu behandelnden Teile erforderlich sind.To belong to each retort oven more or less complex charging racks and / or charging aids, the for the most appropriate positioning of the parts to be treated are required.

Für den Fall, dass das Behandlunsgut auf mehrere Ebenen verteilt werden muss, ist fast immer ein Chargiergestell erforderlich, das auf dem Boden des Ketorieninnenraumes aufgesetzt wird. Für die Erfindung ist es nun wesentlich, dass die Mittelachse des Chargiergestells als stabiles, dickwandiges Hohlrohr mit einer Wandstärke größer oder gleich 8 mm ausgebildet wird, dessen lichter Innendurchmesser etwa gleich oder größer als der Durchmesser der Ansaugöffnung des verwendeten Umwälzaggregates ist. Durch geeignete Maßnahmen, die auch die unterschiedlichen Wärmedehnungen berücksichtigen, kann nun dieses Hohlrohr gasschlüssig an die Ansaugöffnung des Umwälzaggregates so angepasst werden, dass das Aggregat das umzuwälzende Ofengas bei nur geringfügigen Strömungslecks fast ausschließlich aus dem Bodenbereich der Retorte ansaugt. Auf diese Weise kann auf den zuvor beschriebenen separaten Gasführungszylinder verzichtet werden. Dies hat unmittelbar den Vorteil, dass der Durchmesser der Retorte um die zuvor erwähnten 200 bis 400 mm verkleinert werden kann.In the case, that the treatment must be distributed over several levels, Almost always a charging rack is required, which is at the bottom of the Ketorieninnenraumes is put on. It is now for the invention essential that the center axis of the charging frame as stable, thick-walled hollow tube with a wall thickness greater than or equal to 8 mm formed whose inner diameter is about equal to or greater than the diameter of the suction opening the circulating unit used is. Through appropriate measures, which also the different thermal expansions can take into account now this hollow tube gas-tight to the intake of Umwälzaggregates be adapted so that the aggregate the furnace gas to be circulated with only minor flow leaks almost exclusively sucked from the bottom of the retort. That way you can up be dispensed with the previously described separate gas guide cylinder. This has the direct advantage that the diameter of the retort around the aforementioned 200 can be reduced to 400 mm.

Da große Chargen oft aus unterschiedlichen Bauteilen zusammengesetzt werden, kann es günstiger sein, wenn das Hohlrohr über seine ganze Länge nicht denselben Querschnitt beibehält. In solchen Fällen wird insbesondere der untere Teil des Hohlrohres einen größeren Querschnitt erhalten können. Dabei würde eine Erweiterung des Durchmessers um mindestens 50 % allein schon aus Stabilitätsgründen zur besseren Wahrung der senkrechten Stellung des Hohlrohres Sinn machen.Since large batches are often composed of different components, it may be cheaper if the hollow tube over its entire length does not maintain the same cross-section. In such cases, in particular the lower part of the hollow tube will be able to obtain a larger cross-section. There at an extension of the diameter by at least 50% alone for reasons of stability would make sense for better preservation of the vertical position of the hollow tube.

Sofern das Hohlrohr seiner Länge nach aus mehreren Schüssen zusammengesetzt ist, kann der erweiterte Bereich auch zur Aufnahme von Behandlungsgut genutzt werden. Eine aus strömungstechnischer Sicht optimale Lösung ist dann gegeben, wenn der Querschnitt im erweiterten Bereich des Hohlrohres genau so groß ist, wie der restliche Querschnitt in der Retorte, das heißt wenn der Durchmesser im erweiterten Bereich ca. 70 % des Durchmessers der Retorte beträgt. Die Strömungsquerschnitte sind dann im und außerhalb des Hohlrohres gleichgroß. Der erweiterte Bereich muss sich dabei aber nicht notwendigerweise auf den unteren Teil des Hohlrohres beschränken sondern könnte problemlos auch bis in eine Höhe von beispielsweise 75 % der Länge des Hohlrohres ausgedehnt werden. Über derartige Möglichkeiten entscheidet letztendlich jedoch die Beschaffenheit der zu behandelnden Bauteile.Provided the hollow tube of its length after several shots is composed, the extended area can also be used for recording be used by the treated. An optimal from a fluidic point of view solution is given when the cross section in the extended area of the Hollow tube is just as big like the remaining cross-section in the retort, that is when the diameter in the extended area about 70% of the diameter the retort is. The flow cross sections are then in and out of the hollow tube the same size. Of the but extended scope does not necessarily have to restrict the lower part of the hollow tube but could easily even up to a height for example, 75% of the length of the Hollow tube to be extended. about such possibilities but ultimately decides the nature of the treatment Components.

Bei Retorten, die der Aufnahme großer Nutzlasten dienen, werden die Chargen üblicherweise nicht auf dem Boden frei hängender Retorten abgestellt sondern auf einer festen, außerhalb der Retorte befindlichen Unterlage. Die Wärmedehnung einer nach unten geschlossenen und auf der Unterlage aufstehenden Retorte lässt dann die Retorte nach oben „wachsen" oder wird durch eine Dehnung nach unten in eine Öl- und/oder Sand-„tasse" hinein abgefangen, wenn die Retorte unten offen ist und gasdicht abgeschlossen werden muss. In beiden Fällen sind die Retorten nicht zusätzlich durch die Chargen belastet, sondern haben lediglich sich selbst oder zusätzlich noch den Retortendeckel mit dem Umwälzaggregat zu tragen. Für die Erfindung wird angenommen, dass entsprechende Nutzlasten behandelt werden müssen und dass somit von einer dieser beiden Lösungen Gebrauch gemacht wird. In diesen Fällen reduziert sich die Funktion der Retorte nur noch auf den gasdichten Abschluss des Behandlungsraumes.at Retorts, recording large Payloads, the batches are usually not on the Floor hanging more freely Retorted off but on a fixed, located outside the retort Document. The thermal expansion a closed down and resting on the base Retort leaves then the retort "grows" upwards or gets through an expansion down into an oil and / or sand "cup" intercepted, when the retort is open at the bottom and sealed gas-tight got to. In both cases the retorts are not additional burdened by the batches, but only have themselves or additionally nor to wear the retort lid with the circulating unit. For the invention it is assumed that corresponding payloads are handled have to and thus making use of one of these two solutions. In these cases reduced the function of the retort only on the gas-tight conclusion of the treatment room.

Damit ist es prinzipiell möglich, die Dicke der Wandung der Retorte auf ca. 4 mm zu beschränken. Auch hier ist es zweckmäßig, die Retorte durch Sicken, die die Retorte waagerecht umlaufen, hinsichtlich ihres kreisförmigen Querschnitts zu stabilisieren. Ein zusätzlicher Vorteil ausgeprägter wellblechartiger Sicken ist die Vergrößerung der Oberfläche der Retorte. Dies ist für eine größere Wärmeübertragungsrate von Bedeutung, da Heiz- und Kühleinrichtungen ja im Allgemeinen außerhalb der Retorte angeordnet sind und somit die Wärme über die Retortenwandung sowohl von außen nach innen beim Aufheizen als auch von innen nach außen beim Abkühlen übertragen wird.In order to is it possible in principle limit the thickness of the retort wall to approx. 4 mm. Also Here it is appropriate, the Retort by beads that circumscribe the retort horizontally, in terms of their circular Stabilize cross-section. An additional advantage of pronounced corrugated sheet-like beads is the enlargement of the surface the retort. This is for a greater heat transfer rate important because heating and cooling equipment yes generally outside the retort are arranged and thus the heat across the retort wall both from the outside inside when heating up as well as inside out Transfer cooling becomes.

Infolge der dünneren Wandung der Retorte erfolgt auch die Wärmeleitung durch die Retortenwandung hindurch rascher. Auch der Fortfall des Gasführungszylinders, der ja praktisch als Strahlungsschirm zwischen Retortenwandung und Charge wirkt, entfällt und erhöht somit ebenfalls die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit. Während des Aufheizvorganges ist die Retorte stets wärmer als alles, was sich innerhalb der Retorte befindet. Kühleres Ofengas erwärmt sich dann im Kontakt mit der Retorte und erfährt einen Auftrieb. Umwälzaggregate, die im Retortendeckel angeordnet sind, drücken in der Regel das umgewälzte Ofengas zwischen Gasführungszylinder und Retorte nach unten und wirken somit dem Auftrieb entgegen, was in dem üblicherweise schmalen Zwischenraum zwischen Gasführungszylinder und Retorte die Zwangsumwälzung beeinträchtigt. Diese Beeinträchtigung während der Erwärmung entfällt ebenfalls durch Fortfall des Gasführungszylinders. Da der Zwischenraum zwischen Hohlrohr und Retorte erheblich größer ist, können sich Zwangsumwälzung und lokaler Auftrieb gleichermaßen ungehindert ausbilden und somit auch für eine bessere Turbulenz sorgen.As a result the thinner one Wall of the retort is also the heat conduction through the retort wall through faster. Also the discontinuation of the gas guide cylinder, which is practical acts as a radiation shield between the retort wall and the charge, deleted and increased thus also the heat transfer rate. While During the heating process, the retort is always warmer than anything inside the retort is located. cooler Furnace gas heated then in contact with the retort and undergoes a buoyancy. circulation units, which are arranged in the retort lid, usually press the circulated furnace gas between gas guide cylinder and retort down and thus counteract the buoyancy, which in the usually narrow Gap between gas guide cylinder and retort the forced circulation impaired. This impairment while the warming deleted likewise by elimination of the gas guide cylinder. Because of the gap between hollow tube and retort is considerably larger, can be forced circulation and local buoyancy alike form unhindered and thus provide better turbulence.

Wenn man zudem bedenkt, dass der Ringspalt zwischen Gasführungszylinder und Retorte bestenfalls im Neuzustand auf dem gesamten Umfang gleichmäßig breit ist danach aber durch den ständig zunehmenden Verzug des Gasführungszylinders mit zunehmender Betriebsdauer aber immer ungleichförmiger wird, dann kann man sich gut vorstellen, dass die Wärmeübertragung an einer Seite der Retorte besser erfolgt als an einer anderen. Auch diese zunehmende Ungleichförmigkeit und Beeinträchtigung der Wärmeübertragung entfällt mit Fortfall des Gasführungszylinders.If one also considers that the annular gap between gas guide cylinder and retorts evenly in the new state on the entire circumference uniformly wide but after that is by the ever-increasing Delay of the gas guide cylinder but becomes more and more non-uniform with increasing service life, then one can well imagine that the heat transfer on one side of the Retort is better done than another. Even this increasing irregularity and impairment of heat transfer deleted with elimination of the gas guide cylinder.

Bei großen Nutzlasten muss beim Erwärmen viel Wärme auf die Charge übertragen und während der Abkühlung im Ofen ebenso viel Wärme von ihr wieder abgeführt werden. Bei Temperaturen unter 650 °C ist die Zwangsumwälzung in der Retorte für diese Wärmeübertragung von umso größerer Bedeutung, je niedriger die Temperatur. In solchen Fällen nimmt die Wärmeübertragung mit steigender Strömungsgeschwindigkeit des umgewälzten Ofengases zu. Bei der Verwendung von Gasführungszylindern ist die komplette Charge stets im Gasführungszylinder untergebracht. Der Querschnitt im Gasführungszylinder bestimmt dann bei gegebener Umwälzleistung die Strömungsgeschwindigkeit des Ofengases um das Behandlungsgut. Da diese Querschnitte oft sehr groß sind, sind aber selbst bei großen Umwälzaggregaten die wirksamen Strömungsgeschwindigkeiten im Behandlungsraum nur gering. Wenn jedoch erfindungsgemäß der Querschnitt im Hohlrohr so groß gewählt wird wie der nach Abzug des Hohlrohres verbleibende Restquerschnitt in einer Retorte ohne Gasführungszylinder, dann wird sich bei gleicher Umwälzleistung die Strömungsgeschwindigkeit des Ofengases am Behandlungsgut etwa verdoppeln.For large payloads, a lot of heat has to be transferred to the charge during heating and just as much heat has to be removed from it during cooling in the furnace. At temperatures below 650 ° C, the forced circulation in the retort is of greater importance for this heat transfer, the lower the temperature. In such cases, the heat transfer increases with increasing flow velocity of the circulated furnace gas. When using gas guide cylinders, the complete batch is always housed in the gas guide cylinder. The cross section in the gas guide cylinder then determines the flow rate of the furnace gas around the material to be treated for a given circulation rate. Since these cross-sections are often very large, but even with large Umwälzaggregaten the effective flow rates in the treatment room are low. However, if according to the invention the cross section in the hollow tube is chosen to be as large as that after removal of the hollow tube Res remaining residual cross-section in a retort without gas guide cylinder, then the flow rate of the furnace gas will approximately double at the same circulation capacity at the treated.

Dennoch wird ergänzend zu den bisher genannten Vorteilen der rascheren Wärmeübertragung in dem erfindungsgemäßen Retortenofen vorgeschlagen, in gasdichten Retorten zur weiteren Erhöhung der Aufheiz- bzw. Abkühlgeschwindigkeit während des Aufheizens bzw. Abkühlens Wasserstoff-haltiges Schutzgas zu verwenden.Yet will be complementary to the previously mentioned advantages of faster heat transfer in the retort oven according to the invention proposed in gas-tight retorts to further increase the Heating or cooling rate while heating or cooling Hydrogen-containing inert gas to use.

Abschließend sei vermerkt, dass das Hohlrohr nicht notwendigerweise in stabiler Bauweise fest an das Chargiergestell gebunden sein muss; im Extremfall könnte es sogar als vergleichsweise dünnwandiges Blechrohr am Topfdeckel aufgehangen sein. Allerdings muss gewährleistet sein, dass auch durch dieses Blechrohr die Ansaugung des Ofengases aus dem Bodenbereich der Retorte erfolgt. Auch könnte das Umwälzaggregat statt im Retortendeckel im Sockel einer bodenlosen Retorte untergebracht sein. Diese Möglichkeiten werden zwar nicht explizit erläutert, ergeben sich aber logisch aus den vorigen Darstellungen. Ähnliches gilt für die auf den Kopf gestellten Retortenöfen, die sogenannten Haubenöfen. Schließlich sei noch erwähnt, dass das dargelegte Prinzip naturgemäß auch für kleinere Retortenöfen anwendbar ist, obwohl es erfindungsgemäß nur auf Öfen mit einer Nutztiefe vom mehr als 3 m begrenzt wird, da es in solchen Fällen als besonders zweckmäßig erachtet wird.In conclusion, be noted that the hollow tube is not necessarily stable in construction must be firmly bound to the charging frame; in extreme cases it could even as a comparatively thin-walled one Be hung on the pot lid. However, it must be guaranteed be that even through this sheet metal tube, the intake of the furnace gas from the bottom of the retort. Also could be the circulation unit instead of being housed in the retort lid in the base of a bottomless retort. These possibilities are not explicitly explained, but arise logically from the previous representations. something similar applies to the upside down ovens, the so-called hood ovens. Finally, be yet mentioned that the stated principle naturally also applicable to smaller retort furnaces is, although according to the invention only on stoves with a useful depth of more than 3 m is limited, as it is in such make considered particularly appropriate becomes.

Claims

Vertical retort furnace with a useful depth of more than 3 m for the heat treatment of metallic components at temperatures up to 650 ° C, characterized in that the center column of a Chargiergestells is formed as a hollow tube and - coupled by a suitable gas guide to the suction of a Umwälzaggregates - as intake manifold for a intensive circulation of the furnace atmosphere is used, wherein the inner diameter of the hollow tube is approximately equal to or greater than the suction port of Umwälzaggregates.

Vertical retort oven according to claim 1, characterized that the hollow tube in the lower part over a length of about 25 to 75% of Useful depth has a cross-section that is at least 50% larger as the cross section in the upper part of the hollow tube, optimally even a cross section that is the same size as the remaining cross section in the retort after deduction of the cross section of the hollow tube.

Vertical retort furnace according to claim 1 and 2 characterized characterized in that the lower extended portion of the hollow tube is used for receiving material to be treated.

Vertical retort oven according to claim 1, characterized that the retort consists of beaded sheet metal whose wall thickness is maximum 6 mm.

Vertical retort oven according to claim 1, characterized that while the heating and cooling phases in the retort, a hydrogen-containing inert gas is used.