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Verfahren zum Spülen und Atmosphärenwechsel bei retortenlosen, eine
Schutzgasatmosphäre enthaltenden Industrieöfen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Spülen und Atmosphärenwechsel bei retortenlosen, eine Schutzgasatmosphäre enthaltenden
Industrieöfen mit außenliegender gasdichter Ummantelung und keramischer Innenwand
sowie einen zur Anwendung dieses Verfahrens geeigneten Industrieofen.
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Insbesondere in der Metallindustrie finden Industrieöfen eine immer
zunehmende Verwendung, die mit einer Schutzgasatmosphäre arbeiten. Derartige Öfen
werden beispielsweise zum Blankglühen, Härten u. dgl. eingesetzt. Grundsätzlich
können zwei Arten solcher sogenannter »Schutzgasöfen« unterschieden werden: erstens
Retorten- oder Muffelöfen, bei denen der Schutzgasraum durch eine Retorte oder Muffel
aus hitzebeständigem Stahl im Inneren des Ofens begrenzt wird, und zweitens retortenlose
Öfen, bei denen die Abgrenzung des Schutzgasraumes gegen die Außenatmosphäre durch
eine außenliegende gasdichte Ummantelung erreicht wird. Die Beheizung dieser Öfen
geschieht durch elektrische Heizkörper oder durch sogenannte Strahlrohre.
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Die retortenlose Ofenbauart verfügt an sich über eine ganze, Reihe
von Vorteilen, die insbesondere in dem Wegfall der einem ziemlichen Verschleiß unterliegenden,
aus teuerem hitzebeständigem Material: bestehenden Muffeln oder Retorten sowie dem
Umstand erblickt werden, daß Beschränkungen hinsichtlich der Abmessungen, wie sie
bei Retortenöfen durch die größtmöglichen Retortengrößen gegeben sind, nicht vorhanden
sind.. Auch verfügen retortenlose Öfen über eine höhere Aufheizleistung, weil der
Wärmeübergang von , den Heizelementen. auf das Wärmgut nicht durch eine Zwischenwand
behindert ist. Abgesehen davon liegt auch die obere Temperaturgrenze höher, da die
einfachen Bauelemente, wie die Strahlrohre oder die elektrischen Heizkörper, höheren
Temperaturen standzuhalten vermögen als die Retorten oder Muffeln, insbesondere
wenn diese Retorten größere Abmessungen oder eine komplizierte Form haben.
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Den retortenlosen Öfen hängt aber trotz dieser Vorteile ein entscheidender
Nachteil an, der insbesondere in der Schwierigkeit beim Atmosphärenwechsel von der
Luft auf die Schutzgasatmosphäre im Ofen bei der ersten Inbetriebnahme sowie nach
Betriebspausen und Stillständen besteht.
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Grundsätzlich müssen aus allen Öfen aus Sicherheitsgründen die explosiblen
Schutzgase entfernt werden, bevor die Temperatur unter 700 bis 750° C absinkt, da
sonst beim Zutritt von Luftsauerstoff explosible Gemische entstehen, die zu Verpuffungen
führen können, wenn sie sich zufällig entzünden. Dies bedeutet, daß bei jedem mit
einem Temperaturrückgang verbundenen Ofenstillstand die Schutzgasatmosphäre entfernt
und beim nachfolgenden Anfahren des Ofens wieder eingefüllt werden muß.
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Die Anforderungen an die Reinheit der Schutzgasatmosphäre sind regelmäßig
außerordentlich hoch. Auch dürfen je nach dem verwendeten Glühverfahren bestimmte
durchweg sehr niedrig liegende Anteile von (diszoziiertem) H20 und/oder C02 nicht
überschritten werden.
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Bei mit einer Retorte oder Muffel versehenen Öfen ist der Atmosphärenwechsel
nicht weiter schwierig, weil die Atmosphäre lediglich in der abgeschlossenen Retorte
oder Muffel aufrechterhalten werden muß, deren aus hitzebeständigem Stahl bestehende
Wandung im allgemeinen keinen sehr großen Einfluß auf die Schutzgasatmosphäreneinheit
hat. Es genügt daher in der Regel eine rein mechanische Ausspülung des Retorten-
oder Muffelinnenraumes, die so intensiv bzw. lange durchzuführen ist, bis auf Grund
der volumetrischen Spülgesetze, die in guter. Annäherung gelten, der Atmosphärenwechsel
in genügendem Maß durchgeführt ist, d. h. von der ursprünglich vorhandenen Luftatmosphäre
ausreichend geringe Spuren zurückgeblieben sind. Je nach Ofenvolumen und Schutzgasmenge
ist diese Spülung, d. h. der Atmosphärenwechsel, in einigen Stunden oder sogar schneller
beendet, wobei es keinen Unterschied macht, ob der Atmosphärenwechsel nur wegen
einer kurzzeitigen Betriebsunterbrechung oder wegen der Neuinbetriebnahme einer
Retorte oder Muffel notwendig wurde.
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Grundsätzlich anders liegen die Verhältnisse bei retortenlosen Öfen.
Liegt die Gebrauchstemperatur
dieser Öfen höher als etwa 500° C,
so kann keine metallische Innenwand mehr verwendet werden. Die Öfen werden vielmehr
mit einer keramischen Innenwand ausgerüstet, die regelmäßig aus feuerfesten Steinen,
Schamotte, Kieselgur als Wärmeisolierstoff u. dgl. aufgebaut ist. Dieses keramische
»feuerfeste« Mauerwerk ist nach außen durch eine gasdichte Ummantelung gegen die
Außenatmosphäre abgeschirmt, weil es selbst auf Grund seiner Struktur nicht gasdicht
ist. Tatsächlich enthält das keramische Mauerwerk ein: durch eine Vielzahl von Poren
bedingtes Porenvolumen, das nicht zuletzt auch die wärmeisolierende Wirkung des
Materials mitbedingt. Da somit bei den retortenlosen Öfen dieses Mauerwerk innerhalb
des Schutzgäsraumes liegt und somit mit der Schutzgasatmosphäre unmittelbar in Berührung
kommt, nimmt es einen erheblichen Einfluß auf die Reinheit der Schutzgasatmosphäre,
wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden.
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Zunächst ist zu berücksichtigen, daß das Mauerwerk zufolge seiner
Porenstruktur eine extreme Anzahl von Toträumen enthält, in denen zunächst Luft
und Feuchtigkeit eingeschlossen ist, die beim Atmosphärenwechsel ausgetrieben werden
müssen, damit sie nicht binnen kurzem die Schutzgasatmosphäre bis zur Unbrauchbarkeit
verunreinigen. Da in den Poren das Gas nur durch Diffusion ausgetauscht werden kann,
wobei noch komplizierte Diffusionswege von Pore zu Pore vorliegen, und das Mauerwerk
beim Atmosphärenwechsel nur an der Innenseite mit Schutzgas gefüllt wird, ist der
Gasaustausch in dem Porenvolumen außerordentlichlangwierig und schwierig. Besonders,
ungünstige Verhältnisse liegen hierbei in der unmittelbar an die Ummantelung anschließenden
Wandungsschicht vor, weil von hier aus die Diffusionswege zum Ofeninnenraum ganz
besonders lang sind.
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Daneben kann das poröse keramische Wandungsmaterial erhebliche Gasmengen
- d. h. Luft und Wasserdampf -durch Adsorp.tion binden, die ebenfalls entfernt werden
müssen. Hierbei ist bekannt, daß die Adsorptionskräfte auf H20 und CO., besonders
groß sind. Da die Adsorptionsfähigkeit mit fallender Temperatur steigt, ergibt sich
in der unmittelbar an die Ummantelung anschließenden Wandungsschicht, an der wegen
der langen Diffusionswege zum -Ofeninnenraum der Gasaustausch besonders schwer durchzuführen
ist, gerade die größte Beladung. Die Entfernung der adsorbierten Gase erfordert
gegenüber dem reinen Austausch der in den Poren enthaltenen Gase darüber hinaus
ein höheres Konzentrationsgefälle.
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Die Anreicherung des Mauerwerkes mit unerwünschten und zu entfernenden
Gasen ist nicht nur nach Neuzustellungen in der Mauerung vorhanden, wo von dem Wandungsmateriai
größere Mengen des in dem Mörtel -enthaltenen Wassers gebunden sind, sondern sie
ergibt sich auch verhältnismäßig rasch bei kurzen Ofenstillstandszeiten, insbesondere
wenn explosibles Schutzgas aus dem .Ofen ausgebrannt wird. Beider Verbrennung entsteht
nämlich Wasser und CO., was beides zum Teil in den Poren des Mauerwerkes zurückbleibt,
wobei sich wegen der höheren Adsorptionskräfte ein erheblicher Anteil in der verhältnismäßig
kalten Schicht im unmittelbaren Bereich der Ummantelung ansammelt.
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Schließlich besteht eine gewisse Schwierigkeit auch noch darin, daß
eine bestimmte Schicht der keramischeu Innenwandung im Ofenbetrieb auf Temperaturen
kommt, bei denen sie reit dem angrenzenden Schutzgas reagiert. Wenn auch aus diesem
Grund bei hochwertigen Öfen nur reinste keramische Baustoffe, wie A1.03, Si02, MgO
usw., verwendet werden, so können doch Verunreinigungen in FQxxa von Schwermetalloxyden
usw. Oxydationsprodukte in Gestalt von 140 und C02 liefern. Dieser Einfluß ist in
der Regel wohl gering, doch oft nicht zu vernachlässigen.
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Wegen der im einzelnen erörterten Einwirkungen des porösen keramischen
Wandungsmaterials auf die Schutzgasatmosphäre ergeben sich die schonerwähnten Schwierigkeiten
beim Atmosphärenwechsel, die eine außerordentliche Erschwernis .des Ofenbetriebes
bedeuten, und zwar deshalb, weil sie außerordentlich lange Spülzeiten erforderlich
machen. Daß diese Verlängerungen der Spülzeiten tatsächlich durch die Ausmauerung
bedingt sind, läßt sieh ohne weiteres praktisch feststellen. Die Abnahme des zu
verdrängenden Gases im Ofen entspricht nämlich zunächst ziemlich genau dem theoretischen
volumetrisch.en Spülgesetz, nach dem die Konzentration .des ursprünglich vorhandenen
Gases nach der Funktion
wobei a Konzentration des auszuspülenden Gases im Ofen, .s Spülgasmenge (ins) und
v freies Ofenvolumen (mg) ist, abnimmt, doch wird die zeitliche Dauer der Feinspülung
außerordentlich verlängert, so daß die Beziehung dann ungültig wird, Für :den praktischen
Ofenbetrieb hat dies höchst unerwünschte Konsequenzen: Bei der ersten Inbetriebnahme
oder Neuausmauerang eines retortenlosen Ofens muß zunächst die Feuchtigkeit des
Mauerwerkes ausgetrieben. werden, Dafür werden Zeiten von einigen Tagen, Wochen
oder sogar Monaten benötigt. Aber auch nach Betriebsunterbrechungen. liegen die
Spülzeiten von retortenlosen Öfen zwischen einigen Stunden und mehreren Tagen. Daraus
resultiert für die Öfen ohne Retorten, ein wesentlich geringerer Ausnutzungsfaktor.
Der häufig unerwünschte durchgehende Betrieb mit der damit verbundenen Nachtarbeit
iäßt sich nicht umgehen. Größere Ofeneinheiten werden. sogar über die Betriebspausen
an den Wochenenden und Feiertagen auf Temperatur und unter Schutzgas gehalten, um
die langen Spülzeiten zu vermeiden, Es ist offensichtlich, daß ddadurch hohe unproduktive
Kosten für Betriebsstoffe und Löhne entstehen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier eine Abhilfe zu finden
und einen Weg zu weisen, die Spülzeiten bei solchen retortenlosen Öfen zu verkürzen
und .damit :eine wesentliche Erleichterung und Beschleunigung des Atmosphärenwechsels
zu erzielen. Der erfindungsgemäße Gedanke besteht darin, daß das keramische. Wandmaterial
,durch Einführen von Schutzgas inzwischen der Ummantelung und der Innenwandfläche
liegende Räume zumindest während einer bemessenen. Zeitspanne mit Schutzgas durchspült
wird, Durch diese Durchspülung des keram!-scheu Wandmaterials mit Schutzgas, die
insbesondere in den unmittelbar an die Ummantelung anschließenden Bereichen ihren
Ausgang nehmen kann, werden die Diffusionswege für die zu entfernenden Gase verkürzt,
während gleichzeitig das Konzentrationsgefälle vergrößert wird. Zweckmäßig ist es,
zum Durchspülen .des Wandmaterials erhitztes Schutzgas zu verwenden,
durch
das die normalerweise verhältnismäßig kalten Schichten des Mauerwerkes erwärmt werden,
so daß dort die Adsorptionsfähigkeit für Gase sinkt und deren Austreiben begünstigt
wird. Hierbei wird in Kauf genommen, daß ein gewisser Wärmeverlust auftritt, dar
jedoch keine Rolle spielt.
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Während es an sich möglich ist, in die in der keramischen Wandung
enthaltenen erwähnten Räume von außen Schutzgas einzupressen, das durch das Wandungsmaterial
in das Ofeninnere gelangt, von wo aus es wieder abgelassen wird, ist es regelmäßig
vorteilhaft, wenn innerhalb des Wandmaterials ein stetiger Schutzgasstrom aufrechterhalten
wird, der auch durch die Ofenkammer verläuft, d. h. im Kreise geht. Hierbei kann
der Schutzgasstrom zwangsweise umgewälzt werden - beispielsweise durch ein Gebläse
-, doch kann auch eine selbsttätige Umwälzung erreicht werden, und zwar dadurch,
daß die von der Erwärmung des Schutzgases in der Ofenkammer ausgehende thermische
Wirkung ausgenutzt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich beispielsweise derart anwenden,
daß bei einem Industrieofen gemäß weiterer Erfindung in dem keramischen Wandmaterial
in dem Bereich zwischen der Ummantelung und der Innenwandfläche die Wandungen durchziehende
Kanäle ausgebildet sind, die mit Schutzgas beaufschlagbar sind. Diese Kanäle können
mit Vorteil im wesentlichen parallel zur Ummantelung und der Innenwandfläche verlaufen,
so daß bei fehlender Schutzgasbeaufschlagung dieser Kanäle praktisch keine Beeinträchtigung
der Isolierwirkung eintritt.
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Die neuen Öfen zeichnen sich durch wesentlich kürzere Spülzeiten und
damit durch einen geringeren Spülgasverbrauch aus. Selbstverständlich können hierbei
auch die bekannten zur Verkürzung der Spülzeiten angewandten Maßnahmen wie Verwendung
von reinem keramischem Material ohne Verunreinigungen sowie von möglichst trockenem
feuerfestem Material und wasserfreiem Mörtel für eine Neuzustellung sowie Trocknen
eines neuausgemauerten Ofens durch vorherige starke Belüftung zusätzlich angewandt
werden.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Gegenstandes der Erfindung
dargestellt. Es zeigt jeweils in schematischer Darstellung F i g. 1 ein Industrieofen
gemäß der Erfindung, im Querschnitt, in perspektivischer Teildarstellung, F i g.
2 den Ofen nach F i g. 1, geschnitten längs der Linie II/II der F i g. 1, in einer
Draufsicht, in einer Teildarstellung, F i g. 3 den Ofen nach F i g. 1, geschnitten
längs der Linie III/III der F i g. 1, in einer Seitenansicht, in einer Teildarstellung,
und F i g. 4 einen Industrieofen gemäß der Erfindung, in einer anderen Ausführungsform,
mit Zwangsschutzgasumwälzung, im Querschnitt, in einer Draufsicht.
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Die in der Zeichnung dargestellten Industrieöfen bestehen jeweils
aus einem kammerartigen Kasten, dessen an sich bekannte Einzelheiten, wie Heizeinrichtungen,
Verschlüsse, Gas- und Überwachungsarmaturen u. dgl., der übersichtlichkeit halber
nicht weiter veranschaulicht sind. Ein solcher Ofen besteht grundsätzlich aus einem
außenliegenden gasdichten Stahlblechmantel 1, in dem eine keramische Innenwandung
2 angeordnet ist, die den Ofeninnenraum 3 bzw. die eigentliche Ofenkammer begrenzt.
Die keramische Innenwandung 2 besteht aus feuerfesten Steinen, Schamotte u. dgl,
In der Ausführungsform nach F i g. 1 bis 3 sind, wie ebenso in der Ausführungsform
nach F i g. 4, in dem keramischen Material der Wandung 2 in dem Bereich zwischen
der Ummantelung 1 und der Innenwandfläche die Wandungen durchziehende Kanäle
ausgebildet, wie in den F i g.1 bis 3 mit 4 und 5 und in F i g. 4 mit 40 und 50
bezeichnet. Diese Kanäle verlaufen im wesentlichen parallel zu der Ummantelung 1
und der Innenwandfläche. Sie sind, wie aus den Figuren ersichtlich, insbesondere
unmittelbar in der Nähe der Ummantelung angeordnet, wobei die Anordnung derart getroffen
ist, daß ein Teil der Kanäle, nämlich die Kanäle 4 bzw. 40, einseitig
unmittelbar von der Ummantelung 1 begrenzt ist. Besteht die keramische Innenwandung
2 aus Mauersteinen bzw. Formsteinen, so können diese Steine kanalartige oder rinnenartige
Durchbrüche aufweisen, die zusammengefügt im Mauerwerk durchlaufende Kanäle ergeben.
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Bei dem Ofen nach den F i g. 1 bis 3 verlaufen die Kanäle 4, 5 im
wesentlichen in vertikalen Ebenen. Sie stehen mit dem Ofeninnenraum im Bereich dessen
Boden und Deckenwandung in Verbindung, und zwar über bohrungsartige Löcher, die
bei 6 und 7 angedeutet sind und sich über die Tiefe des Ofens erstrecken. Dem Kanal
4 sind hierbei Löcher 8 zugeordnet, die gegenüber der Lochreihe 6 versetzt sein
können. Von dem Ofeninnenraum 3 geht eine Abgasleitung 9 ab, während bei
10 eine Schutzgaszuführungsleitung dargestellt ist, die mit den Kanälen 4,
5 in Verbindung steht.
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Während des Spülens bzw. des Atmosphärenwechsels wird über die Leitung
10 Schutzgas zugeführt, das sich in der in F i g.1 durch Pfeile angedeuteten Weise
in die Kanäle 4, 5 verteilt und hierbei das Wandungsmaterial durchströmt, bis es
bei 6 wieder in den Ofeninnenraum 3 eintritt. Im Ofeninnenraum 3 wird das Schutzgas
erwärmt, so daß es von dem verhältnismäßig kühleren Boden zur Decke aufsteigt und
dort bei 7 wieder in die Kanäle 4, 5 eintritt. Dadurch kommt, bedingt durch die
vertikale Anordnung der Kanäle 4, 5 sowie die Anordnung der Öffnungen 6, 7 im Boden
und in der Decke der Ofenkammer, ,eine selbsttätige thermische Umwälzung des Schutzgases
in Gang. Durch die Leitung 10 wird hierbei immer so viel Schutzgas zugesetzt, wie
durch die Leitung 9 aus dem Ofeninnenraum 3 an mit Verunreinigungen beladenem Spülgas
entnommen wird.
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Um nach vollendeter Spülung und abgeschlossenem Atmosphärenwechsel
die Schutzgaszirkulation zu unterbrechen, da diese beim Dauerbetrieb erhöhte Wärmeverluste
zur Folge hätte, sind die Eintrittsöffnungen 6 der Kanäle 4, 5 in den Ofeninnenraum
3 verschließbar, und zwar durch eine bei 11 schematisch angedeutete, von außen zu
betätigende Klappe. Es wäre daneben aber auch denkbar, den während des Ofenbetriebes
zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Schutzgasüberdruckes stetig zuzusetzenden
Schutzgasanteil derart zuzuführen, daß er zunächst die Kanäle. 4, 5 durchströmt,
bevor er in das Ofeninnere 3 gelangt. In diesem Fall wären die öffnungen 7 zu verschließen,
während die Öffnungen 6 geöffnet bleiben.
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Die Ausführungsform nach F i g. 4, die dort in Draufsicht dargestellt
ist, unterscheidet sich dadurch, daß die Kanäle 40, 50 im wesentlichen in
waagerechten
Ebenen verlaufen, so daß der erwähnte thermische Umwälzeffekt
der Ausführungsform nach den Fi g. 1 bis 3 vermieden wird. Das Schutzgas wird hierbei
durch ein Gebläse 12 umgewälzt, dem zu seinem Schutz ein Kühler 13 vorgeschaltet
ist und dessen Saugseite bei 14 in den Ofeninnenraum 3 mündet, während die Druckleitung
bei 15 mit den Kanälen 40, 50 in Verbindung steht. Der Saugseite des Gebläses 12
kann bei 10 frisches Schutzgas zugeführt werden, während der Schutzgasaustritt über
einen Rohrstutzen 15 erfolgt. Die Verbindung der Kanäle 40, 50 mit dem Ofeninnenraum
3 ist bei 60 angedeutet; sie erfolgt über Löcher ähnlich den Löchern 6 in F i g.
3.
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Das Gebläse 12 saugt das heiße Schutzgas aus dem Ofeninnenraum 3 ab
und drückt es bei 15 in die Kanäle 40, 50, von wo aus ein Teil bei 60 in den Ofeninnenraum
3 zurückströmt, während ein anderer Teil bei 18 abbläst, der durch eine entsprechende
Schutzgaszufuhr über die Leitung 10 ersetzt wird. Die Anordnung ist hierbei derart
getroffen, daß die Leitung 18 den öffnungen 60 gegenüberliegt und im übrigen ebenso
wie die Einlaßstelle 15 im Bereich einer Seitenwand des Ofens angeordnet ist.
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Auch bei dieser Ausführungsform kann während des Dauerbetriebes der
erforderliche Schutzgaszusatz über die Kanäle 40, 50 erfolgen, doch ist es auch
möglich, die Öffnungen 60 verschließbar zu machen und den Schutzgaszusatz bei abgestelltem
Gebläse über die Leitungen 10, 14 direkt zu bewirken.
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Im Ofenbau ist es häufig üblich, zwischen der Blechummantelung und
der Mauerung eine Schicht aus Faserisolierstoffen einzufügen, die eine besonders
gute Isolierwirkung ergibt, deren Material jedoch nur eine beschränkte Temperaturbeständigkeit
aufweist, so daß es nicht näher an die Ofenkammer herangebracht werden kann, wo
die Temperaturen verhältnismäßig hoch sind.
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Da derartige Faserstoffe, wie Glaswolle, Schlackenwolle u. dgl., Wasser
und C02 in besonderem Maß zu binden vermögen, wird zur Ausschaltung dieses Einflusses
in der Weise vorgegangen, daß die aus Glaswolle od. dgl. bestehende Isolationsschicht
außerhalb der gasdichten Ummantelung angeordnet wird. Damit kann sie keinen Einfluß
auf den Atmosphärenwechsel im Ofen selbst nehmen, aber trotzdem ihre Isolierwirkung
zur Geltung bringen.