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Industrieofen für Schutzgasbetrieb Die Erfindung bezieht sich auf
einen Industrieofen mit Behandlungskammer zur Aufnahme der Werkstücke und mit Vorrichtungen
zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre durch Teilverbrennung eines Luft-Brennstoff-Gemisches
in der Behandlungskammer sowie mit einer Kammer zur Nachverbrennung der aus der
Behandlungskammer kommenden teilverbrannten Gase und mit Vorrichtungen zur Nutzbarmachung
der Nachverbrennungswärme zum Vorwärmen des Brennstoffes bzw. der Verbrennungsluft
für die Erstverbrennung und/oder Nachverbrennung. Die mit Luft-Brennstoff-Gemischen
in Industrieöfen dieser Art erzielbaren Temperaturen genügen nicht immer den technischen
Anforderungen. Bei Verwendung von Luft als Träger des für die Verbrennung benötigten
Sauerstoffes gelangt nämlich in das Gemisch eine große Stickstoffmenge, die an der
Verbrennung nicht teilnimmt und einen erheblichen, am Verbrennungsvorgang nicht
teilnehmenden, jedoch mit zu erwärmenden Gasballast darstellt und dadurch der erreichbaren
Temperatur eine verhältnismäßig niedrige Grenze setzt. Andererseits kann aber auch
die in der Behandlungskammer unter Schutzgaserzeugung zu verbrennende Brennstoffmenge
nicht beliebig gesteigert werden; sie ist vielmehr durch den Bedarf an reduzierend
wirkendem Schutzgas in der Behandlungskammer begrenzt.
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Nun ist es zwar bekannt, den zur Beheizung der Behandlungskammer eines
Industrieofens und zur Erzeugung einer Schutzgasatmosphäre verwendeten Brennstoff
mit reinem Sauerstoff bzw. mit einem vorwiegend aus Sauerstoff bestehenden Gemisch
zu verbrennen. Da hierbei der Inertgasballast wegfällt oder doch stark herabgesetzt
wird, lassen sich hohe Temperaturen in der Behandlungskammer erzielen. Da jedoch
die hierzu benötigten, recht beträchtlichen Sauerstoffmengen in Hochdruckflaschen
bezogen werden müssen, ergeben sich hohe Betriebskosten. Außerdem ist der mit diesem
bekannten Verfahren verbundene Fortfall bzw. die Herabsetzung des Stickstoffanteiles
in der Schutzgasatmosphäre nicht immer erwünscht. Häufig wird in der Behandlungskammer
ein reichlicher Inertgasgehalt neben den reduzierend wirkenden Bestandteilen verlangt.
Eine solche Ofenatmosphäre erfordert eine Teilverbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches,
mit der auch bei weitgehender Ausnutzung der Nachverbrennungswärme - wie bereits
dargelegt wurde - nicht genügend hohe Temperaturen in der Behandlungskammer erreicht
werden können. In diesen Fällen ist man also genötigt, der Behandlungskammer eine
ausreichende Wärmemenge zuzuführen. Die hierfür benötigten Heizvorrichtungen werden
bei den bekannten Ofenanlagen der genannten Art in Gestalt von elektrischen Heizwiderständen
oder Strahlrohren in der Behandlungskammer angeordnet, während die in dieser Kammer
benötigten schwach reduzierenden Ofengase in einem besonderen Schutzgaserzeuger
gewonnen werden. Hierbei kann aber die Wärmeenergie, welche in dem zur Schutzgaserzeugung
benötigten Brennstoff enthalten ist, für den Ofenbetrieb nicht wirtschaftlich ausgenutzt
werden.
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Der Erfindung liegt nun die Erkenntnis zugrunde, daß die Gesamtanlage
wesentlich vereinfacht sowie besonders wirtschaftlich betrieben und vor allem die
Erzeugung ausreichend hoher Ofentemperaturen bei gleichzeitiger Schutzgaserzeugung
durch Teilverbrennung eines Brennstoff-Luft-Gemisches in der Behandlungskammer unter
weitgehender Ausnutzung der im Brennstoff zugeführten Wärmeenergie durch Nachverbrennung
gewährleistet wird, wenn die zur Erreichung der hohen Ofentemperaturen benötigte
regelbare Heizung in einer zusätzlichen Luftvorwärmkammer angeordnet ist, welche
hinter dem von den Ofenabgasen beaufschlagten Wärmeaustauscher in die isolierte
Luftzuführungsleitung zu den Brennstellen eingebaut ist.
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Der Industrieofen gemäß der Erfindung hat außerdem noch den großen
Vorteil, daß die Temperatur im Nutzraum weitgehend geregelt werden kann, und zwar
beispielsweise bei elektrischer Beheizung durch Zu-oder Abschalten einiger Heizwiderstände.
Da ein großer Teil der für den Ofenbetrieb benötigten
Wärmeenergie
von der auch zur Schutzgaserzeugung dienenden Feuerung geliefert wird, braucht der
in der zusätzlichen Luftvorwärmkammer angeordneten Heizung nur ein Teil der sonst
für elektrisch beheizte Industrieöfen benötigten Energiemengen zugeführt zu werden.
Dabei kann die Teilverbrennung unter erheblichem Luftmangel durchgeführt werden,
so daß auch bei den nunmehr erreichbaren hohen Ofentemperaturen eine den schädlichen
Einfiuß des Kohlendioxydes ausschaltende Ofenatmosphäre mit einem hohen Gehalt an
reduzierenden Bestandteilen, insbesondere an Kohlenmonoxyd, im Ofennutzraum entsteht.
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Zweckmäßigerweise ist bei dem Industrieofen gemäß der Erfindung die
Nachverbrennungskammer um die Behandlungskammer herum angeordnet und von dieser
nur durch aus wärmeleitendem Werkstoff bestehende Wände getrennt. Die zusätzliche
Luftvorwärmkammer ist mit Vorteil baulich mit dem Ofennutzraum und der Nachverbrennungskammer
vereinigt.
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In der Zeichnung ist als Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der
Erfindung ein zur Wärmebehandlung von Schmiedestücken dienender Ofen in senkrechtem
Mittelschnitt dargestellt.
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Dieser Ofen enthält mehrere durch feuerfeste Wandungen gegeneinander
sowie gegen den Aufstellungsraum abgegrenzte Kammern 1, 2 und 3. In die Kammer 1,
deren Rückwand eine durch einen feuerfesten Verschluß absperrbare Öffnung 4 zum
Einsetzen und Entnehmen der Werkstücke hat, mündet eine Mischdüse 5 ein. Dieser
Düse wird aus der Kammer 3 stark vorgewärmte Luft und durch eine Leitung 6 Brenngas
zugeführt.
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Das Gas-Luft-Verhältnis wird so eingestellt, daß beim Verbrennungsvorgang,
der in der Kammer 1 stattfindet, ein sauerstofffreies Verbrennungsgasgemisch mit
einem hohen Gehalt an Kohlenmonoxyd entsteht. Ein solcher Gehalt ist erforderlich,
um bei der hohen Temperatur, die im wesentlichen durch die Vorwärmung der Verbrennungsbestandteile,
zum geringeren Teil auch durch den Verbrennungsvorgang entsteht, in der Kammer 1
eine Gasatmosphäre zu erhalten, welche dem auf ein Entkohlen der Werkstücke hinwirkenden
Einfluß des bei der Teilverbrennung entstehenden Kohlendioxydes sowie dem entkohlenden
und oxydierenden Einfluß der Kohlensäure und der Verbrennungsfeuchtigkeit entgegenwirkt
und damit eine Zunderbildung mit Sicherheit ausschließt.
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Ein Gemisch von dieser Zusammensetzung hat noch einen beträchtlichen
Gehalt an brennbaren Bestandteilen; dieser Gehalt muß möglichst weitgehend in der
Weise nutzbar gemacht werden, daß trotz der geringen Wärmemengen, welche bei der
in der Kammer 1 stattfindenden Teilverbrennung frei werden, eine ausreichende Glühtemperatur
gewährleistet und eine stetige Verbrennung des durch die Düse 5 zugeführten Gemisches
aufrechterhalten wird.
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Ein wesentlicher Schritt auf diesem Wege wird dadurch getan, daß dem
heißen Gemisch, das aus der Kammer 1 durch eine Öffnung 7 der Stirnwand 14 in die
Kammer 2 strömt, noch eine zur vollständigen Verbrennung ausreichende Sekundärluftmenge
zugemischt wird. Zur Zuführung dieser Teilmenge dient eine Leitung 8, an welche
sich ein Kanal 8 a und ein in die Ofensohle einmündender enger Luftschlitz 9 sowie
ein Querrohr 10 anschließen; dieses Querrohr steht mit mehreren über die Breite
der Stirnwandfläche der Kammer 2 verteilten Düsenrohren 11 in Verbindung. Zwei als
Drosselklappen 12 und 13 ausgebildete Regelglieder ermöglichen eine zweckentsprechende
Verteilung der gesamten Zweitluftmenge auf den Luftschlitz 9 und die Düsenrohre
11.
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Durch die Zweit- oder Nachverbrennung wird die Gemischtemperatur noch
beträchtlich erhöht. Ein Teil dem Wärmeinhaltes des Gemisches wird zur Erhitzung
der aus besonders feuerfestem und verhältnismäßig gut wärmeleitendem Baustoff bestehenden
Zwischenwände 14 und 15 herangezogen, die durch Wärmestrahlung zur Aufrechterhaltung
einer hohen Temperatur in der Kammer 1 beitragen. Ein wesentlich größerer Restanteil
des gesamten Wärmeinhaltes der Feuerungsgase wird zur Vorwärmung der Verbrennungsluft
und des Brennstoffes verwendet. Diesem Zweck dienen zwei an den Abgasschacht angeschlossene
Wärmetauscher oder Rekuperatoren 17 und 18, die in bekannter Weise ausgestaltet
und von je einem den Schacht 16 umgebenden Mantelrohr umhüllt sind. Der Rekuperator
17 steht mit einer die Förderleitung eines Ventilators 20 bildenden Luftzuführungsleitung
21 sowie mit zwei Entnahmeleitungen 22 und 23 in Verbindung, an welche die Ofenkammer
3 sowie die Zweitluftleitung 8 angeschlossen sind. In der Leitung 23 befindet sich
eine Drosselklappe 27; auch im Abgasschacht 16 ist ein derartiges Drosselglied 30
angeordnet. Im Rekuperator 18 wird ein als Brennstoff geeignetes Gas vorgewärmt,
das durch eine Leitung 24 zugeführt und durch eine Leitung 26 zum Brennerrohr 6
abgeleitet wird. In der Leitung 24 befindet sich ein Regelventil 25 zur richtigen
Dosierung der Gasmenge.
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In der Kammer 3 sind mehrere Gruppen von elektrischen Heizwiderständen
33 angeordnet, durch welche die im Rekuperator 17 auf etwa 400 bis 700° C vorgewärmte
Erstluft auf eine Temperatur von etwa 1000° C erhitzt wird. Diese und sogar noch
wesentlich höhere Temperaturen bis über 1400 ' C, im Bedarfsfall sogar bis
1600' C, lassen sich in der Anlage gemäß der Erfindung mit Sicherheit beherrschen,
da die zur Fertigung von Heizwiderständen verwendeten Sonderlegierungen bzw. keramischen
Halbleiterwerkstoffe hohe Wärmebelastungen vertragen und sich diese Heizwiderstände
in einer mit dem Ofen baulich vereinigten, d. h. vollständig von feuerfesten Baustoffen
ummantelten Kammer befinden und ausschließlich Luft und keine Gase zu erhitzen sind,
welche bei hohen Temperaturen die Lebensdauer der Heizkörper stark beeinträchtigen
würden.
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Mit der hohen Temperatur gelangt die Erstluft in die unmittelbar an
die Kammer 3 anschließende Düse 5, und da auch das aus der Leitung 6 der Mischdüse
zuströmende Gas vorgewärmt ist, wird bei der in der Kammer 1 stattfindenden Erstverbrennung
eine weitere Temperatursteigerung um etwa 300" C erreicht, auch wenn der Mischdüse
nur für eine Teilverbrennung ausreichende Luftmengen zugeführt werden. Somit kann,
zumal auch die von den Kammerwänden ausgehende Wärmestrahlung noch zur Erhöhung
der Temperatur in der Kammer 1 beiträgt, das bei dieser Erstverbrennung entstehende
Gasgemisch einen bisher unerreicht hohen Gehalt an Kohlenoxyd aufweisen, der bei
den durch das Verfahren gemäß der Erfindung erreichbaren hohen Temperaturen besonders
wertvoll ist.
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Wie bereits dargelegt wurde, bietet der Erfindungsgegenstand auch
noch den Vorteil, daß die Temperatur im Ofennutzraum 1 in besonders einfacher Weise,
nämlich
durch einfaches Zu- oder Abschalten von einzelnen Heizwiderständen bzw. Heizkörpergruppen
33 geregelt werden kann. An Stelle von elektrischen Heizwiderständen können in der
Kammer 3 auch von anderen Wärmequellen beheizbare Elemente, z. B. Strahlrohre, verwendet
werden, die in an sich bekannter Weise durch ein in ihrem Innenraum verbrennendes
Brennstoff-Luft-Gemisch hoch erhitzt werden können.
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Selbstverständlich empfiehlt es sich, die Vorwärmer oder Rekuperatoren
17 und 18 sowie die Leitungen 22, 23, 24 und 8 wärmeisolierend zu ummanteln. Diese
Ummantelungen sind der Übersichtlichkeit halber in der Zeichnung nicht dargestellt.
Im Bedarfsfall kann auch noch der Brennstoff durch elektrische Heizwiderstände od.
dgl. über die durch den Wärmeaustauscher 18 erreichbare Temperatur aufgeheizt werden.
In vielen Fällen, insbesondere bei Verwendung flüssiger Brennstoffe, ist auch die
Vorwärmung des Brennstoffes vollkommen entbehrlich; der Wärmeaustäuscher
1.8 wird dann nicht benötigt.