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Direkt beheizter Ofen zur zunderfreien Erwärmung von Wärmgut, insbesondere
von Stahl, und Verfahren zum Betrieb dieses Ofens Für die zunderfreie Erwärmung
von Wärmgut, insbesondere von Stahl, sind vor allem Öfen mit Schutzgasatmosphäre
bekannt. Wenn ein Wärmgut unter Verwendung eines Schutzgases indirekt erwärmt wird,
sind die Erwärmungstemperaturen durch die Haltbarkeit der verwendeten Muffeln oder
Strahlrohre auf Temperaturen unterhalb l050° C begrenzt. Für die Erwärmung auf höhere
Temperaturen, insbesondere für Wärmeprozesse, ist es daher bekannt, das Wärmgut
zunderfrei in einem direkt beheizten Ofen zu erwärmen. Bei derartigen direkt beheizten
Öfen erfolgt die Verbrennung des Brennstoffes in zwei oder mehreren Stufen, wobei
nur die erste Stufe oder die ersten Stufen im Ofenraum durchgeführt und in dieser
ersten Stufe nur so viel Verbrennungsmittel, z. B. Verbrennungsluft, den Brennmitteln
zugesetzt werden, daß die Verbrennungsgase gegenüber dem zu erwärmenden Arbeitsgut
reduzierende Eigenschaften haben, also als Schutzgas wirken. Dabei können für die
Erwärmung nur etwa 20 bis 3011/o des Heizwertes der Brennmittel ausgenutzt werden.
Um den noch verbleibenden Teil des Heizwertes auszunutzen, wird das bei der Primärverbrennung
erzeugte, als Schutzgas wirkende Gas in einer oder mehreren weiteren Stufen außerhalb
des Ofenraumes vollständig verbrannt. Zumeist wird dabei die bei der Sekundärverbrennung
entwickelte Wärme rekuperativ oder regenerativ für die Vorwärmung von Verbrennungsmitteln
und Brennmitteln für die Primärverbrennung zu einem Teil zurückgewonnen. Dieser
Teil ist jedoch durch die praktisch erreichbare Höhe der Vorwärmtemperaturen mit
Rücksicht auf die Haltbarkeit von Rekuperatur oder Regeneratur auf etwa 30% begrenzt,
so daß ein erheblicher Teil des Heizwertes ungenutzt bleibt.
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Es ist außerdem bei direkt beheizten Öfen zur zunderfreien Erwärmung
von Wärmgut, insbesondere von Stahl, mit im Ofenraum angeordneten Brennern für die
Primärverbrennung des Brennstoffes unter Luftmangel zur Erzeugung der für die direkte
Erwärmung erforderlichen Schutzgasatmosphäre und nachgeschalteten Mitteln zur Sekundärverbrennung
des Brennstoffes bekannt, auch die Sekundärverbrennungswärme an den Ofenraum bzw.
an das Wärmgut zu übertragen. Bei dieser bekannten Ausführungsform werden die die
Schutzgasatmosphäre bildenden teilverbrannten Gase in besondere Kammern des Ofenmauerwerks
eingeführt, in denen die Sekundärverbrennung stattfindet. Hier ist einerseits der
bauliche Aufwand erheblich, andererseits bedingt das Ofenmauerwerk eine erhebliche
Wärmedämmung. Die gleichen Nachteile gelten für den ebenfalls bekannten Vorschlag,
die Sekundärverbrennung in einem von dem Arbeitsraum durch eine Trennwand oder Zwischendecke
abgetrennten Raum vorzunehmen, wobei ein Teil der entwickelten Wärme durch die Zwischendecke
in den Ofenraum, in dem die Wärmebehandlung des Gutes erfolgt, eingestrahlt wird.
Für die Erreichung der notwendigen Ofenraumtemperaturen und zur Erzielung einer
besseren Wärmeausnutzung verwendet man bei diesen bekannten Maßnahmen außerdem Sauerstoff
oder sauerstoffangereicherte Luft zur Verbrennung, was erhebliche Nachteile bedeutet.
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Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die beschriebenen Nachteile
zu vermeiden und will insbesondere ohne Anwendung von Sauerstoff bzw. sauerstoffangereicherter
Luft die notwendigen Ofenraumtemperaturen sowie eine bessere Ausnutzung der Brennmittel
erzielen.
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Die Erfindung betrifft einen direkt beheizten Ofen zur zunderfreien
Erwärmung von Wärmgut, insbesondere von Stahl, mit im Ofenraum angeordneten Brennern
für die Primärverbrennung des Brennstoffes unter Luftmangel zur Erzeugung der für
die direkte Erwärmung erforderlichen Schutzgasatmosphäre und nachgeschalteten Mitteln
zur Sekundärverbrennung des Brennstoffes, wobei auch die Sekundärverbrennungswärme
an den Ofenraum bzw. das Wärmgut übertragen
wird. Die Erfindung
besteht darin, daß der Sekundärverbrennungsraum einen Teil des Ofenraumes bildet
und die Sekundärverbrennungsgase frei auf das Wärmgut strahlen. Nach einer bevorzugten
Ausführungsform ist der Brenner für die, Primärverbrennung diffusorartig erweitert
ausgebildet und sind im Anschluß daran die Zuführungseinrichtungen für die Sekundärverbrennungsluft
vorgesehen. Bei dieser Ausführungsform werden nachteilige Rückströmungen im Ofenraum
vermieden und kann gewährleistet werden, daß das Wärmgut selbst zumindest in denjenigen
Temperaturbereichen, in denen Verzunderungen auftreten können, lediglich mit den
gleichsam als Schutzgas wirkenden Verbrennungsgasen aus der Primärverbrennung in
Berührung kommt. Im allgemeinen wird man dabei die Zuführungseinrichtung für die
Sekundärverbrennungsluft im Gewölbe anordnen. Jedenfalls empfiehlt es sich, um vorteilhafte
Wärmeausnutzung zu erzielen und dem Wänngut die verlangten Temperaturen zu verleihen,
im Bereich der Sekundärverbrennung das Gewölbe gegen die Längsachse des Ofens geneigt
auszuführen und den Neigungswinkel des -Gewölbes derart zu wählen, daß die Einstrahlung
der Sekundärverbrennungswärme auf das Wärmgut in der Zone der Primärverbrennung
erfolgt. Bei der Mischung der Verbrennungsgase aus der Primärverbrennung mit denen
aus der Sekundärverbrennung bzw. bei der Zuführung der Sekundärverbrennungsluft
sind tunlichst Wirbelbildungen u. dgl. zu vermeiden. Letzteres erreicht man auf
einfache Weise dadurch, daß für die Zuführung der Sekundärverbrennungsluft bzw.
der Sekundärverbrennungsmittel mehrere räumlich voneinander getrennte Zuführungsöffnungen
oder Düsen vorgesehen sind.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb des beschriebenen
Ofens, nach dem auf einfache und sichere Weise Verzunderungen am Wärmgut vermieden
werden. Dieses Verfahren besteht darin, die Strömungsgeschwindigkeiten der Verbrennungsgase
aus der Primär- und Sekundärverbrennung derart abzustimmen, daß die völlig ausgebrannten
Verbrennungsprodukte das Wärmgut nur bei Temperaturen erreichen, bei denen keine
wesentlichen Verzunderungen mehr auftreten können.
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Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind in der wesentlichen
Verbesserung der Wärmeausnutzung der Brennmittel zu sehen. Darüber hinaus wird der
Ofen selbst in seiner Gesamtkonstruktion wesentlich vereinfacht und sind die gewünschten
hohen Temperaturen für das Wärmgut ohne Verwendung von Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter
Luft zu erzielen.
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Die Erfindung wird an Hand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden schematischen Zeichnung, die einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen
Ofen darstellt, ausführlicher erläutert.
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Im Ausführungsbeispiel nach der Figur ist ein Stoßofen dargestellt.
Die Primär- und Sekundärverbrennung wird im selben Ofenraum 1 ohne Verwendung einer
Zwischendecke in der Weise vorgenommen, daß die bei der Sekundärverbrennung entwikkelte
Wärme zur direkten Beheizung des Wärmgutes ausgenutzt wird. Für die Primärverbrennung
wird dem Brennmittel, z. B. Gas, etwa die Hälfte der für die luftsatte Verbrennung
erforderliche Luft zugesetzt und das Gas-Luft-Gemisch in einem Brenner 2, der diffusorartig
ausgebildet ist, verbrannt. Durch die diffusorartige Ausbildung des Brenners werden
Rückströmungen im Ofenraum 1 weitgehend vermieden. Die Luft für die Sekundärverbrennung
wird über die Zuführungseinrichtungen 3 durch das Gewölbe 4 so zugeführt,
-daß der Strömungsverlauf der als Schutzgas wirkenden Verbrennungsprodukte aus der
Primärverbrennung möglichst wenig gestört wird. Das Gewölbe 4 ist außerdem gegen
die Längsachse des Ofens so geneigt, daß die Flammenstrahlung und die Strahlung
des Gewölbes 4 hauptsächlich auf das vom Schutzgas umspülte Wärmgut 5 direkt
erfolgen. Die Verbrennungsprodukte der Sekundärverbrennung umspülen das Wärmgut
5 erst dort, wo seine Temperatur unterhalb der Grenze liegt, bei der eine
merkliche Verzunderung eintreten kann. Die Geschwindigkeiten der Gase aus der Primär-
und Sekundärverbrennung werden dabei durch die Form des Ofenraumes so aufeinander
abgestimmt, daß eine Durchwirbelung an der Stoßstelle zwischen Gasen aus der Primär-
und Sekundärverbrennung auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Eine rekuperative
Ausnutzung der Abwärme zur Vorwärmung von Gas, Primär- und Sekundärluft im Rekuperator
6, zu dem die Rauchgaskanäle 7 mit Regelschiebern 7a führen, ist möglich, wird aber
nur insoweit vorgenommen, als sich die Wärme der Verbrennungsprodukte im Ofenraum
1 nicht ausnutzen läßt.