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Ofen zur Wärmebehandlung von Metallen, insbesondere von Stahl, in
einer Schutzgasatmosphäre Die Erfindung bezieht sich auf Öfen zur Behandlung von
Metallen in einer Schutzgasatmosphäre, die in der den heißesten Ofenteil bildenden
Behandlungskammer durch unvollkommene primäre Verbrennung eines Brennstoffes erzeugt
wird, wobei die Verbrennungsprodukte zur Ausnutzung ihres Wärmeinhaltes in einer
oder mehreren weiteren Kammern des Ofens unter Luftzufuhr in einem sekundären Verbrennungsvorgang
vollkommen zu verbrennen. sind.
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Es ist ein Ofen dieser Art bekannt, bei welchem die der Wärmebehandlungskammer
entnommenen Primärverbrennungsprodukte in Rohre geführt werden, die in einer der
Wärmebehandlungskammer vorgeschalteten Vorwärmkammer zum Vorwärmen der zu behandelnden
Metalle angeordnet sind und unter Zufuhr zusätzlicher Luft weiterverbrannt werden.
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Es ist ferner ein Ofen bekannt, bei welchem die durch die unvollkommene
primäre Verbrennung in der Wärmebehandlungskammer des Ofens erzeugten Verbrennungsprodukte
einer im wesentlichen vollständigen Verbrennung in einem Wärmeaustauscher unterworfen
werden, durch welchen die Luft oder der Brennstoff, die für den primären Verbrennungsvorgang
benötigt werden, zu ihrer Vorwärmung hindurchgeführt werden.
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Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Ofens der eingangs genannten
Art, welcher mit einer völlig neutralen Schutzgasatmosphäre arbeitet und sehr hohe
Temperaturen (in der Größenordnung von 1370° C) bei rascher Erhitzung des Metalls
ohne jegliche Zunderbildung gewährleistet.
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Die Erfindung geht davon aus, in der Wärmebehandlungskammer des Ofens
ein Gemisch aus Luft und Brennstoff derart zu verbrennen, daß ein Kohlendioxyd-zu-Kohlenoxyd-Verhältnis
vorhanden ist, das unterhalb des oxydierend wirkenden Verhältnisses dieser Gase
bei der Arbeitstemperatur des Ofens liegt. Wenn beispielsweise als Brennstoff ein
Naturgas. verwendet wird, das -einen Heizwert. von etwa 890Ö kcal/m3 besitzt und
so verbrannt wird, daß ein Verhältnis von Kohlendioxyd zu Kohlenoxyd von etwa 0,3
herrscht, dann werden nur etwa 60°/o des Heizwertes des Brennstoffes nutzbar gemacht,
und die Reaktionsprodukte haben noch einen Heizwert von etwa 3500 1-,cal/m3. Die
Erfindung nutzt den hohen restlichen Wärmeinhalt der Primärverbrennungsprodukte
aus, indem bei einem Ofen der eingangs genannten Art die Nachverbrennungskämmern
um die Wärmebehandlungskammer herum und/oder innerhalb derselben angeordnet und
nur durch aus wärmeleitendem Werkstoff bestehenden Wänden von dieser getrennt sind.
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Ein Ausführungsbeispiel eines Ofens gemäß der Erfindung wird nachstehend
an Hand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 ist ein senkrechter Querschnitt des
Ofens nach der Linie 1-1 der Fig. 3; Fig. 2 ist ein senkrechter Längsschnitt durch
den Ofen nach der Linie 2-2 von Fig. 3; Fig. 3 ist ein waagerechter Schnitt nach
der Linie 3-3 von Fig. 2; Fig.4 ist ein senkrechter Mittelschnitt nach der Linie
4-4 von Fig. 3; Fig.5 ist ein Längsschnitt einer besonderenBrennerform; Fig. 6 ist
ein Schnitt nach der Linie 6-6 von Fig. 5. Der Ofen weist eine äußere rechteckigeMetallhülle9
auf und besitzt eine die Werkstücke aufnehmende Wärmebehandlungskammer 8, die durch
einen Boden 10 aus wärmebeständigem Material, eine Vorderwand 11 mit zwei darin
befindlichen, im Abstand voneinander angeordneten und mittels Einzeltüren 13 verschließbaren
Öffnungen 12 (Fig. 3), eine Hinterwand
14, Endwände
15 und
16 (Fig. 2) und durch ein Deckengewölbe 17 begrenzt wird. Das Gewölbe 17
hat, wie in Fig. 2 dargestellt, eine Mehrzahl von im Abstand voneinander angeordneten,
nach unten ragen-
| den gebogenen Rippe , welche zwische sieh |
| schmale gebogene Kanälei11 bilden; diea`n# 14 "ist |
| mit einer Reihe von Brennern 21 versehen, 'Jle in die |
| Kanäle 19 münden und deren Flammenstrahlen gegen |
| die Fläche ges Gewölbes 17 gerichtet sin4. Der @wdck |
| dieses -Aufhalies wird weiter Ünten'-nii,Iiez' erläutert. |
| Der Boden 10 der Arbeitskammer ist mit zwei |
| Tläliptgiugpen 2#2 und 23 (Fig. 3) von Auslaßleitungen |
| versehen, und jede auptgruppe vop vier Unter- |
| grüppen 22 ä, @tL2 b, 22 Cl' 22 d Üzw.
23ä, 23b, 23c, 23d. |
| Jede Untergruppe der Aüslaßleitüiigeri ist im Abstand |
| rings um eine mittlere Fläche angeordnet, von der Roh- |
| linge 24 od. dgl. getragen @yerdeü. die Leitungen der |
| Grippen 22 Fund 23 stehen unfei#ha b° des Bodens mit |
| einer Reihe von vier waagerechten Auslaßtunneln 25, |
| 26, 27 und 28, wie in Fig.1 und in gestricheltenLinien |
| in Fig. 3 angedeutet, i'ii` Verbiridüng. Di`e Tunnel
25 |
| und 26 stehen an jeder Seite des Ofens mit senkrechten |
| Kammern 29 a und` 29 b "und die Tunnel 27 und 28 |
| mit entsprechenden Ka`mmerri 36 a und 30 b in
Verbin- |
dung. Die Kammern
29 r"
29b und
30 ä,
30 b bilden Nachverbrennungskammern für die aus der Wärmebehandlungskammer
8 kommenden Primärverbrennungsprodukte, und sie führen ihrerseits die Gase in eine
Gewölbezwischenkammer 31 (Fig. 1 und 2), welche zwischen dem Deckengewölbe
17 und einem Außengewölbe 32 aus wärmebeständigem Material vorgesehen ist.
Das Gewölbe 32 hat eine Anzahl von sich in` seitlicher Richtung erstreckenden Auslaßleitungen
33, die an der Hinterseite des Ofens zu senkrechten Zügen 34 führen, durch welche
die vollständig verbrannten Gase zur Außenatmosphäre abgezogen werden. jeder der
Züge 34 ist mit -einer Verschlußklappe 35 versehen, die bei 36 an einem Stellhebel
37 angelenkt ist, der seinerseits bei 38 schwenkbar gelagert ist.
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Außer durch die senkrechten Kammern 29a, 29b und 30a, 30b nimmt die
dewölbezwischenkammer 31 Abgabe aus der Wärmebehandlungskammer 8 durch eine
Gruppe von senkrecht angeordneten, strahlenden Verbrennungsrohren 39 (Fig. 2 und
3) auf, die sich durch die Wärmebehandlungskammer zwischen den Auslaßtunneln 25
bis 28 und der Gewölbezwischenkammer 31 erstrecken. Die Rohre 39 bestehen
vorzugsweise aus feuerfestem Material, wie z. B. Siliciumcarbid.
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Wie oben angegeben, besteht der Zweck der senkrechten Kammern 29a,
29b und 30a, IM, der Strahlungsrohre 39 und der Gewölbezwischenkammer
31 darin; eine weitere Verbrennung der aus der Behandlungskammer abgezogenen Gase
zu ermöglichen und die- dabei frei werdende kestwärfeenergie der Behandlungskammer
'zuzuleiten. Zu diesem Zweck wird Luft durch in die Kammern 29 d,'
29 b und 30 d, 30 b und die Rohre 39 gerichtete Düsen
diesen Gasen zugesetzt. Aus den Yig.2 und 3 ist ersichtlich, daß die Kammern 29a
und 29b je mit einer Lufteinlaßleiturig 40 ' versehen sind; die ein Regelventil
41 und eine Düse 42 aufweist, welche schräg in das sintere Ende der Kammern
29 a bzw. 29 b gerichtet ist: Eine ähnliche Düse 42' führt Luft den Abgasen zu,
wenn diese in die Ge-,#,ölbezwischenkammer31 eintreten. Die Menge der von den Düsen
42 und 42' zugeführten Luft wird- so geregelt, däß eine -vollständige Verbrennung
der aus der Behandlungskammer abgezogenen 'Gase bewirkt wird.
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Ein -Zündbrenner 43 erstreckt sich ebenfalls in jede der Kammern
29 a und 29 b, um ein Zünden des Gas-Luft-Gemisches in der Kammer zu gewährleisten.
Der Brenner 43 ist mit einem Brennerblock44 versehen. Die
| Kammern 3R ¢ und 30 b sind mit entsprechenden Luft- |
| düsen und Zündbrennern versehen. |
| Die Rohre 39 find gleichfalls mit je einer zusätz- |
| lichen LuftzuführlIngsdüse 45 und einem Zündbrenner |
| ?6 (fig- 4) "v@rseljen, die sich in senkrechter Richtung |
| nach oben durch den Unterteil des Ofens erstrecken. |
| Es ist ersichtlich, daß die in den Kammern 29 und |
| 30 und in den Stiahlungsrohren 39 verbrannten
Gase |
| nach oben in die dewölbezwischenkammer31 und dann |
| nach hinten zu den Auslaßzügen 34 wandern. Die Ver- |
| teilung der Gase über das Gewölbe 17 kann durch Ver- |
| schlußkappen 35 `geregelt werden, um so eine im |
| wesentlichen gleichförmige Erhitzung des Gewölbes |
| zu bewirken. |
| '-`Urri*'die'übertragung der Sekundärverbrennungs- |
| wärme an die Behandlungskammer zu erleichtern, be- |
| steh die W4qe 15 und 16 und das Gewölbe17 vor- |
| zügse@sz 1.11$ einem hartgebrannten feuerfesten Mate- |
| rial, z. ' gebranntem Ton oder Siliciumcarbid, |
| das einen - verhältnismäßig =hohen Wärmeleit- und |
| Strahlurigskäeffizienteri hat. Feuerfeste Ziegel dieser |
| Art haben-- eine Wärmeleitfähigkeit von 40 bis |
| 49 kcäI/m2 .'C -h bei 538°C. Im Gegensatz dazu be- |
| stehen, um Leitrings- und Strahlungsverluste aus dem |
| Öfen zti verhindern und die Wärme zwangläufig zu |
| diesen inneren Wänden zu führen, die äußeren Wände |
| 47.: (Fig: 2) und -das- äügere Gewölbe 32 wenigstens |
| zum Teil aus einerii' feuerfesten Material, das einen |
| niedrigen Wärmeleitko@f:izienten hat, z. B. aus porösen |
| Isolierziegeln, 'welche, eine Leitfähigkeit von 4,9 bis |
| 9,8 kcal/m2 --`- h bei 538° C besitzen. |
| Die §ekundärveib-rennung der Abgase - in den |
| Zwischenwarid-Verbrerinungskanimern 29, 30, 31 und |
| in 'den 'Strählüngsrohren 39 dient mehreren wichtigen |
| Zwecken. Sie macht die Restwärme eenergie in den Ab- |
| gasen 'aus der A@4itskarümer -für eine zusätzliche |
| Wärmezüfulir zit' "der 4rbeitskamrner verfügbar, sie |
| veibraücht @ dp fiqhen Kohlenoxyd- und Wsserstoff- |
| gehäIt der Gase der Arj@eitskammer und macht es |
| möglich, die- Arbeitskammer mit einer viel höheren |
| Temperatur arbeiten zu sässen, -als es sonst möglich |
| wäre, und schließlich dient * sie dazu, das Gewölbe
17 |
| und'die in, Ab'sta:nd'voneinänder@arigeordneten, nach |
| unten iagenderi-hägenförzhigen Gewölbeabschnitte
18 |
| auf- eine `Terigeratu.x zu - erhitzen, die oberhalb
der |
| Reaktionstemperatur des den Brennern 21 zugeführten |
| Gemisches liegt. -Die letztgenannte Wirkung ist. ein |
| wichtiges Merkmal' der Erfindung, da sie die Reak- |
| tioäsyörgänge -in@-der Arbeitskammer erleichtert und |
Luft-Brenpstä£f-Gemische
zu'- verwenden gestattet, welche Sich dein encföthermen
Bereich nähern oder in diesem arbeiten: Diese Reaktionen werden weiterhin durch'
die kanäl-förmige Ausbildung der Gewölbeabschnitte
18 erleiclitert; wodurch
eine kräftige Reibwirküng des -eintretenden Gemisches an den heißen Flächen "des
Geyyölbes
17 und den nach unten ragenden Abschnitten ,18: -eintritt. Die
Eigenschaft der entstehenden gasförmigen Produkte, keine Zunderbildung hervorzürüfen,
hängt weitgehend von dem Ausmaß ab, zu welchem diese- Reaktionsvorgänge im oberen
Teil der Heizkammer beendet und stabilisiert werden, d. h., bevor sie mit den Werkstücken
in Berührung kommen. Die katalytische Wirkung des heißen Ziegelaufbaues fördert
diese Reaktionen, einerlei ob sie endothermer oder exöthermer 5 Art sind.
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In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, daß den Brennern 21 ein
Brennstoff-Luft-Gemisch zugeführt wird, welches einen Kohlenoxydgehalt erzeugt,
der etwas höher ist, als er an den Werkstücken gewünscht wird, und daß dieser Gehalt
durch die nachfolgende
Zugabe von .Rohgas. in den. Ofen an. einer.
Stelle erhöht wird, an welcher die primäre Verbrennung beendet ist. Zu diesem Zweck
ist der Ofen mit einer Anzahl von Gaszufuhrrohren 48 versehen, welche unterhalb
des Gewölbes.17 in die Heizkammer eintreten. Die Rohre 48 werden aus Leitungen
49 mit Rohgas öder einem reichen endothermen Gemisch aus Brennstoff und Luft
gespeist und sind mit Regelventilen versehen. Das durch die Röhre 48 eingelassene
Gas wird durch eine endotherme Reaktion gekrackt, um Aaszierenden Kohlenstoff und
Wasserstoff in Berührung mit den Werkstücken freizusetzen. -Um das vorzeitige Kracken
dieser Zusätze an Rohgas und demzufolge das Absetzen von Ruß in den Rohren 48 zü
verhindern, sind -diese vorzugsweise mit einem Kühlmantel versehen, durch welchen
hindurch Kühlluft aus einer Leitung 50 (Fig. 1.) umlaufen kann.
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Beim Aufheizen des Ofens wird zweckmäßig anfangs ein Luft-Brennstoff-Gemisch
für die Brenner 21 verwendet, welches leicht mit hoher Flammentemperatur verbrennt,
beispielsweise Naturgas mit einem Luft-Brennstoff-Verhältnis von etwa 10:1. Nachdem
die gewünschte Ofentemperatur erreicht worden ist und bevor die Werkstücke in die
Behanlungskammer kommen, wird das Luft-Brennstoff-Verhältnis vermindert, um in der
Arbeitskammer das für den Schutz der Werkstücke erforderliche Verhältnis von Kohlendioxyd
zu Kohlenoxyd herzustellen. Wenn die den Hauptbrennern 21 zugeführte Luft verringert
wird, wird den Düsen 42 und 45 zusätzlich Luft zugeführt, um die Verbrennung in
den Zwischenwand-Verbrennungskammern 29, 30, 31 und in den Rohren 39 einzuleiten
und so den Ofen auf der gewünschten Arbeitstemperatur zu halten.
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Außer Naturgas kann auch ein beliebiger anderer Brennstoff, wie z.
B. Leuchtgas, Propan, Butan, Öl od. dgl., sowohl in den Brennern 21 als auch in
den Gaszufuhrrohren 48 verwendet werden.
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Um die Verbrennung des den Brennern 21 zugeführten reichen Gemisches
weiter zu unterstützen, wird vorzugsweise die in den Fig. 5 und 6 dargestellte Sonderausführung
der Brenner verwendet. Bei dieser Ausführungsform ist ein sich bei 61 nach außen
erweiternder Brennermantel 60 vorgesehen, dessen sich erweiternder Teil mit
einer Anzahl von Öffnungen 62 versehen ist, die mit einem Raum 63 in Verbindung
stehen, der- zwischen dem. Mantel- .60 und - einem Brennerblock 64 liegt
und zur Behandlungskammer führt. Der Mantel 60 ragt über die Stirnfläche
des Brennerblockes hinaus und ist durch radiale Rippen 65 auf dem Brennerblock
abgestützt. Die innere Fläche des Brennermantels 60 ist mit Schraubengängen
66
versehen, um die Reibwirkung der eintretenden Gase zu erhöhen. Infolge
der Ausdehnung der Gase in dem konischen Abschnitt 61 des Mantels wird eine Saugwirkung
hervorgerufen, welche die Gase aus der Behandlungskammer durch den Raum 63 und die
Öffnungen 62 in den Brennermantel saugt. Die Verlängerung des Mantels 60 jenseits
der Stirnfläche des Blockes 64 bewirkt, daß eher diese Gase als die aus dem Brennermantel
austretenden Gase an den heißen Wandungen der Hinterseite der Kammer entlangstreichen.
Infolgedessen befinden sich diese mitgerissenen Gase auf der Ofentemperatur, die
höher als die normale Reaktionstemperatur des einströmenden Luft-Brennstoff-Gemisches
liegt. Sie dienen daher dazu, den Mantel 60 und die eintretenden Gase zu erhitzen.
Diese zusätzliche Wärme fördert die Reaktion der eintretenden reichen Gemische und
ermöglicht sogar eine Verbrennung von Gemischen, die von sich aus nicht genügend
Wärme erzeugen, um die Verbrennung zu tragen.
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Es können auch Brenner üblicher Art benutzt werden; die Anwendung
von Brennern gemäß den Fig. 5 und 6 gestattet jedoch die Verwendung von etwas reicheren
Gemischen, als es sonst ratsam ist, und ermöglicht, daß die Reaktionsvorgänge in
allen Fällen in -dem Brennermantel vollkommener erfolgen: Der Mantel 60 kann
aus einer hitzefesten Legierung bestehen, jedoch wird beim Arbeiten mit hoher Temperatur
die Verwendung eines feuerfesten Materials, wie z: B. Siliciumcarbid, vorgezogen.
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Falls es erwünscht ist, die Oxydationsneigung von Wasserdampf vollständig
zu beseitigen und damit diese veränderliche Größe- bei der Regelung der Ofentemperatur
zu eliminieren, kann eine kleine Menge Lithiumdampf in die Arbeitskammer eingeführt
werden. Zu diesem Zweck ist an jedem Ende der Ofenhülle ein Lithiumgenerator 51
vorgesehen (Fig. 2 und 3). Diese Gneratoren umfassen je eine waagerechte zylindrische
Verlängerung 52, die an der Ofenhülle 9 befestigt und mit einer feuerfesten
Auskleidung 53 versehen ist, die eine Verbrennungskammer 54 bildet. Ein Rohr 56
aus einer wärmebeständigen Legierung erstreckt sich in axialer Richtung durch diese
Kammer 54 hindurch, und das Rohr 56 hat eine oder mehrere Öffnungen
57, durch welche die Verbrennungsprodukte aus der Kammer 54 in das Innere
des Rohres 56 gelangen können. Das eine Ende des Rohres 56 ragt aus der Verlängerung
52 der Ofenhülle nach außen vor und kann durch eine Kappe 58 verschlossen
werden. Das gegenüberliegende Ende des Rohres 56
erstreckt sich in eine Öffnung
59 in der Ofenwand, um die Gase in die Heizkammer zu führen.
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Lithiumverbindungen werden in das Verdampfungsrohr 56 in Form eines
geschmolzenen Kuchens eingebracht, der in einer offenen Schale oder einem Behälter
67 angeordnet ist. Dieser geschmolzene Kuchen enthält vorzugsweise eine Mischung
von Lithiumchlorid und Lithiumcarbonat in einem Anteilverhältnis von 4011/o Lithiumchlorid
zu 601% Lithiumcarbonat.
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Die Temperatur des Lithiumdampfgenerators 51
wird vorzugsweise
zwischen 760 und 955°C gehalten, was ausreicht, um an der Oberfläche der Lithiummischung
einen erheblichen Dampfdruck zu erzeugen und zu ermöglichen, daß eine kleine Menge
davon durch die aus der Kammer 54 über die Mischung strömenden Verbrennungsgase
in den Ofen geführt wird.