DE19653483A1 - Hängevorrichtung für den Einsatz in Brennöfen zur Herstellung keramischer Bauteile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Hängevorrichtung für den Einsatz in Brennöfen zur Herstellung keramischer Bau­ teile. Dabei sollen keramische Rohlinge, insbesondere großformatiger Bauteile, wie Rollenrohlinge, nach der Trocknung gebrannt werden. Während des Brennvorganges können dabei die keramischen Bauteile und insbesonde­ re die Rollenrohlinge im Brennofen aufgehängt werden.

Keramische Bauteile und dabei insbesondere Ofenrollen aus keramischen Material werden zum Brennen in ent­ sprechend ausgebildeten Ofenkammern aufgehängt. Hier­ für werden üblicherweise feuerfeste Stützmauern ver­ wendet, auf denen Querverstrebungen oben aufgelegt werden.

Die thermischen Belastungen berücksichtigend, werden diese Stützmauern entweder aus Siliciumcarbidsteinen (nitridisch oder silicatisch gebunden) oder aus Al₂O₃-Steinen (Korund) in die Brennöfen hineingebaut.

Dabei müssen die für das Brennen vorgesehenen Ofen­ kammern in ihren Abmessungen auf die zu brennenden keramischen Bauteile angepaßt werden, um eine wirt­ schaftliche Befüllung des Brennofens zu gewährlei­ sten. Für keramische Rollenrohlinge sind dabei Rol­ lenlängen von bis zu 5 m zu berücksichtigen.

Dabei werden gegenwärtig die maximale Größe der Brennkammer, ausgehend von der maximal erforderlichen Brenntemperatur ausgelegt und dabei wird berücksich­ tigt, daß eine gleichmäßige Temperaturverteilung im Brennofen erreicht wird, um eine sehr hohe Qualität der gebrannten Bauteile (Ofenrollen) zu sichern. Das bedeutet, daß je größer die maximal erforderliche Brenntemperatur wird, das maximale Brennvolumen in der Ofenkammer entsprechend kleiner werden muß. Bis­ her übliche, mit Stützmauern ausgestattete Brennkam­ mern, erlauben daher für das Brennen keramischer Ofenrollen einen Besatz zwischen 1.000 und 3.000 Stück.

Bei den erforderlichen sehr hohen Brenntemperaturen und dem zyklischen Ofenbetrieb, mit den dabei auftre­ tenden Temperaturdifferenzen, unterliegen die bisher üblicherweise verwendeten Stützmauern einer außeror­ dentlich harten thermomechanischen Belastung und Ver­ schleißen dadurch, was eine ständige Wartung und Er­ neuerung zur Folge hat.

Ein weiterer Nachteil, den die bisher verwendeten Stützmauern mit sich bringen, ist der, daß der in den Ofenkammern zur Verfügung stehende Raum entsprechend eingeschränkt und demzufolge auch die Kapazität und Produktivität des zu verwendenden Brennofens verrin­ gert wird. Darüberhinaus wird die Energiebilanz des Brennofens ebenfalls negativ beeinflußt, da beim Auf­ heizen auch das Material für die Stützmauerkonstruk­ tion erwärmt werden muß.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Hängevor­ richtung für den Einsatz in Brennöfen zur Herstellung keramischer Bauteile vorzugeben, die gegenüber ther­ momechanischer Belastung und unter dem Einfluß hoher Temperaturgradienten hochgradig widerstandsfähig ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal­ tungsformen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich mit der Verwendung der in den untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmale.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Hängevorrichtung besteht dabei aus mindestens zwei Elementen, die aus Siliciumcarbid bestehen und die formschlüssig so mit­ einander verbunden sind, daß das an der Decke des Brennofens befestigbare Hängeelement und ein an die­ sem befestigter Tragbalken, Relativbewegungen der beiden Elemente zueinander ermöglichend, verwendet werden. Dabei sollen in erster Linie bei der Erwär­ mung während der Aufheizphase und Abkühlung nach Ab­ schluß des Brennvorganges auftretende Temperaturdif­ ferenzen mit den damit verbundenen Wärmeausdehnungen dadurch abgefangen werden.

Vorteilhaft werden dabei mindestens zwei Hängeelemen­ te an der Decke des Brennofens befestigt und die Be­ festigung erfolgt in der Form, daß diese Hängeelemen­ te teilweise durch die Decke des Brennofens geführt und dort oberhalb der Decke arretiert werden.

Der erfindungsgemäß zu verwendende Tragbalken weist dann entsprechend der Anzahl der verwendeten Hänge­ elemente Durchbrechungen auf, durch die die Hängeele­ mente geführt sind und dabei der unterhalb des Trag­ balkens verbleibende Teil der Hängeelemente eine Auf­ weitung aufweist, die größer ist als der freie Quer­ schnitt der Durchbrechungen.

Vorteilhaft können dann die Durchbrechungen und die genannten Aufweitungen entsprechend zueinander konisch ausgebildet sein, um einen gleichmäßigen Kraftangriff unter Vermeidung von Seiten- und Quer­ kräften zu erreichen.

Besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, die Auf­ weitungen und die Durchbrechungen als Kugel-Pfanne-An­ ordnung auszubilden.

Die Tragbalken befinden sich mit der erfindungsgemäß ausgebildeten Hängevorrichtung unmittelbar unterhalb der Ofendecke und es können an diesen mit weiteren Hilfskonstruktionen zum Aufhängen, die zu brennenden Rohlinge aufgehängt werden.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung wird eine thermisch und mechanisch hochbelastbare Hängevorrichtung zur Verfügung gestellt, die den zyklischen Brennbedingun­ gen über einen großen Zeitraum standhält. Dies ist auch bei den sehr hohen Temperaturen im Brennofen bei der relativ großen Wärmeausdehnung der feuerfesten Ofeninnenauskleidung, den Wärmedurchgängen und den Temperaturgradienten, die insbesondere im Veranke­ rungsbereich der Ofendecke zu berücksichtigen sind, der Fall.

Bei der bevorzugt zu verwendenden Verankerung der Hängeelemente oberhalb der Ofendecke, treten an die­ sem während der Hochtemperaturphase ein Temperatur­ gradient bis zu 1.400°C auf. Mit der erfindungsgemä­ ßen Ausbildung der Hängevorrichtung kann die entspre­ chende Wärmeabführung und die unterschiedliche Wärme­ ausdehnung der anderen Ofenkonstruktionsmaterialien ausgeglichen werden und es treten keine mechanischen Verspannungen in einer Größenordnung auf, die zum Bruch oder anderweitiger Zerstörung an den erfin­ dungsgemäß zu verwendenden Elementen führt und demzu­ folge Havarien, die zu Ausschuß und Produktionsaus­ fällen mit den entsprechenden erhöhten Kosten führen können, sind vermeidbar.

Ein weiterer Vorteil, den die erfindungsgemäß ausge­ bildete Hängevorrichtung mit sich bringt, ist die Möglichkeit, daß die zu brennenden Rohlinge und dabei insbesondere die zu brennenden Ofenrollen sehr dicht und unmittelbar unterhalb der Ofendecke angehängt werden können, so daß eine leichte Zugänglichkeit zur Aufhängung und wieder Abnahme ermöglicht wird und außerdem der im Brennofen zur Verfügung stehende Raum optimal genutzt werden kann.

Die erfindungsgemäße Hängevorrichtung hat dabei den Vorteil, daß, obwohl die an den Tragbalken angreifen­ de Last als reine Zugbelastung auftritt, die eigent­ lich bei einer Keramikkonstruktion vermieden werden sollte, da Keramiken eine um den Faktor 10 bis 100 geringere Zugfestigkeit im Vergleich zur Druckfestig­ keit hat, trotzdem einsetzbar sind. Die erfindungs­ gemäße Lösung vermeidet außerdem, insbesondere durch die Gestaltung der formschlüssigen Verbindung zwischen Hängeelement und Tragbalken erhöhte Biege-, Zug- und/oder Torsionsspannungen, die zu lokalen Spannungsüberhöhungen und dementsprechend zu Brüchen der verschiedenen Bauteile an diesen Orten führen können.

Dem kann einmal dadurch entgegen gewirkt werden, daß eine gleichmäßige Kraftübertragung zwischen Tragbal­ ken und Hängeelementen durch eine jeweils dem ent­ sprechenden Bauelement angepaßte konische Ausbildung, im Bereich der formschlüssigen Verbindung oder eine Ausbildung als Kugel-Pfanne-Anordnung verwendet wird.

Bei der letzteren Variante wird die bevorzugt am un­ teren Ende der Hängeelemente ausgebildete Aufweitung, zumindest im Bereich, der im direkten Kontakt als Auflage für den Tragbalken dient, halbkugelförmig ausgebildet wird. Dabei können die verwendeten Radien für die Kugelform optimiert werden. Dem entsprechend ist der untere Bereich der Durchbrechungen in den Tragbalken, der sich an der Aufweitung der Hängeele­ mente abstützt, ebenfalls zumindest teilweise halbku­ gelförmig als entsprechende Pfanne ausgebildet, so daß Hängeelement und Tragbalken je nach dem Radius­ verhältnis über einen Ringbereich die Kraft übertra­ gen. Bevorzugt sollte ein Radiusverhältnis größer 0,5 eingehalten werden. Dadurch wird gesichert, daß auf das Hängeelement der Kraftangriff so erfolgt, daß eine entsprechende gleichmäßige Verteilung der Zugs­ pannung wirkt und gefährliche zusätzliche überlagern­ de Biegemomente, die infolge von Quer- und Seiten­ kräften auftreten könnten, weitestgehend vermieden werden. Da lokale Zugspannungsüberhöhungen mit einer entsprechenden Ausbildung vermieden werden, ist die erfindungsgemäße Lösung wesentliche widerstandsfähi­ ger und Brüche können vermieden werden.

Mit einer entsprechend ausgebildeten Hängevorrichtung konnten sehr hohe Lasten über den Tragbalken auf die Hängeelemente übertragen werden, so daß auf engstem Raum eine große Anzahl von zu brennenden Rohlingen angeordnet werden können.

Die besonders günstig zu verwendende Kugel-Pfan­ ne-Anordnung bei den Hängeelementen und den Tragbalken, erlaubt eine bewegliche Anordnung zwischen diesen beiden Elementen, so daß Wärmedehnungen ohne weiteres ausgeglichen werden können und trotzdem eine gleich­ mäßige Spannungsverteilung gesichert bleibt. Auch andere Bewegungen, die z. B. durch die Strömungen im Brennofen hervorgerufen werden oder beim Auf- und Abhängen der Rohlinge zwangsläufig auftreten, können durch die insgesamt relativ bewegliche Konstruktion ebenfalls weitestgehend abgefangen werden.

Als geeignete Materialien für die erfindungsgemäß zu verwendenden Hängeelemente und Tragbalken sind rekri­ stallisiertes Siliciumcarbid (R-SiC), siliciuminfil­ triertes Siliciumcarbid (SiSiC), nitridgebundenes Siliciumcarbid (N-SiC), gesintertes Siliciumcarbid (S-SiC) oder verschiedene Mischungen der genannten Siliciumcarbide.

Nachfolgend soll die Erfindung an einem Ausführungs­ beispiel näher beschrieben werden.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Darstellung eines Beispiels für eine erfindungsgemäße Hängevorrichtung und

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der form­ schlüssigen Verbindung mit einer Kugel-Pfanne-Anordnung an einem Hängeelement und einem Tragbalken.

Zum Brennen von keramischen Ofenrollen als Rohlinge sollen diese, bevorzugt sehr dicht unterhalb der Ofendecke, in einem sogenannten Deckenförderofen hän­ gend angeordnet werden können. Hierfür eignet sich eine entsprechende Tragkonstruktion zur Aufnahme der senkrecht aufgehängten Ofenrollen, bei der parallel zueinander ausgerichtete Tragbalken 2 mittels Hänge­ elementen 1 gehalten werden. Dabei sollte jeder Trag­ balken 2 mit mindestens zwei Hängeelementen 1, bevor­ zugt drei Hängeelementen 1 gehalten werden. Die Hän­ geelemente 1 werden in einer bevorzugten Ausführung durch die Ofendecke geführt und dort oberhalb veran­ kert. Zur Verankerung kann im Hängeelement 1 eine Nut 5 ausgebildet sein, in die eine entsprechend ausge­ bildete Arretierung eingreifen kann, die sich dann oberhalb der Ofendecke abstützt und die Last auf­ nimmt.

Am unteren Ende des Hängeelementes 1 ist dann eine Aufweitung 4 ausgebildet, auf der sich der Tragbalken 2 abstützen kann. Der Tragbalken 2 weist dabei ent­ sprechend der Anzahl der verwendeten Hängeelemente 1 in gleichmäßigen Abständen zueinander oder in einer symmetrischen Anordnung Durchbrechungen 3 auf, durch die das jeweilige Hängeelement 1 geführt werden kann, bis sich der Tragbalken 2 an der Aufweitung 4 des Hängeelementes 1 abstützt.

Bei diesem Beispiel ist der untere Teil der Durchbre­ chung 3 des Tragbalkens 2 zumindest teilweise halbku­ gelförmig und der entsprechende Teil der Aufweitung 4 des Hängeelementes 1 dieser Form entsprechend ange­ paßt ausgebildet, so daß beide Teile in diesem Be­ reich eine Kugel-Pfanne-Anordnung bilden.

Der obere Teil des Tragbalkens 2 bildet dabei den Auflagegurt 6 für das Brenngut.

In der Fig. 2 ist dann in einer vergrößerten Dar­ stellung das Beispiel mit der erfindungsgemäß zu ver­ wendenden Kugel-Pfanne-Anordnung deutlicher darge­ stellt. Zur besseren Erkennbarkeit liegt in dieser Darstellung der Tragbalken 2 nicht direkt auf der Aufweitung 4 des Hängeelementes 1 auf.

Bei diesem Beispiel wurde ein Kugelradius der Pfanne R_R-T im Tragbalken 2 von 67 mm und beim Kugelradius R_K-H an der Aufweitung 4 des Hängeelementes 1 von 65 mm gewählt, was ein Radiusverhältnis von R_R-T : R_K-H = 0,97 ergibt. Die sich daraus ergebende theoretische Kraftübertragungslinie 7 ist in Fig. 2 eingezeich­ net. Dabei zeigt insbesondere die Darstellung der Fig. 2, daß die erfindungsgemäß zu verwendenden Geo­ metrien einen gleichmäßigen Kraftangriff mit einer entsprechenden Spannungsverteilung sichern und da­ durch gewährleistet wird, daß die zwar thermisch sehr stabilen Siliciumcarbide eingesetzt werden können, obwohl deren Zugfestigkeit begrenzt ist.

Beim Brennen von keramischen Ofenrollenrohlingen kön­ nen diese an den Tragbalken 2 über zusätzliche nicht dargestellte Hilfsleisten aufgehängt werden und dabei je Tragbalken 2 eine Masse von ca. 450 kg bei Tempe­ raturen von ca. 1.550°C sicher gehalten werden, wo­ bei sich die Betriebsfestigkeit bereits bei einer hohen Anzahl von Versuchen, bei denen keine Abrisse oder andere Beschädigungen festgestellt werden konn­ ten, bestätigt hat.

Claims (7)

1. Hängevorrichtung für den Einsatz in Brennöfen zur Herstellung keramischer Bauteile, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein an der Decke eines Brennofens befestigbares Hängeelement (1) aus Siliciumcar­ bid mit einem Tragbalken (2) aus Siliciumcarbid, Relativbewegungen dieser beiden Elemente zulas­ send, formschlüssig miteinander verbunden sind.

2. Hängevorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Hänge­ element(e) (1) teilweise durch die Decke des Brennofens geführt und oberhalb der Ofendecke verankerbar ist/sind.

3. Hängevorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das/die Hänge­ element(e) (1) durch jeweils eine Durchbrechung (3) des Tragbalkens (2) geführt ist und das/die Hängeelement(e) (1) unterhalb der Durch­ brechung(en) eine Aufweitung (4) aufweist/auf­ weisen.

4. Hängevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch­ brechung(en) (3) und die Aufweitung(en) (4) zu­ mindest teilweise konisch ausgebildet sind.

5. Hängevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Durch­ brechung(en) (3) und die Aufweitung(en) (4) als Kugel-Pfanne-Anordnung ausgebildet sind.

6. Hängevorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Radiusverhältnis zwischen dem Kugelradius (R_K-H) des/der Hängeele­ mente(s) (3) und dem Pfannenradius (R_P-T) am Tragbalken (2) größer 0,5 ist.

7. Hängevorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Hängeelement (3) und Tragbalken (2) aus rekristallisiertem Silicium­ carbid (R-SiC), siliciuminfiltriertem Silicium­ carbid (SiSiC), nitridgebundenem SiC (N-SiC) und/oder gesintertem Siliciumcarbid (S-SiC) ge­ bildet sind.