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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Anlassofen, der zur Behandlung von Metallprodukten, wie beispielsweise Stahlrohren, geeignet ist.
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Der Anlassofen muss zur Behandlung von Rohren aus einer Vielzahl von Stahlsorten geeignet sein, indem unterschiedliche Betriebsparameter des Ofens überwacht werden, und zwar insbesondere:
- – eine geeigneten Mitteltemperatur,
- – eine Temperaturgleichförmigkeit,
- – eine Haltezeit innerhalb eines durch Metallurgen vorgegebenen Temperaturbereichs.
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Der Ofen und seine Überwachung sind so ausgelegt, dass sie einen thermischen Erfolg und folglich einen metallurgischen Erfolg für jedes Produkt sicherstellen können.
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Der Schlüsselfaktor dieser Vorgehensweise ist, die Ziele in Bezug auf die Erwärmung für alle Produkte erfüllen zu können bei gleichzeitiger Maximierung des Produktionsniveaus, Minimierung der Betriebskosten (Energie, Wartung, Betriebsmittel, etc.) und Minimierung der Schadstoffemissionen.
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Die Produktivität des Ofens, seine Erwärmungsqualität, seine Flexibilität beim Betrieb und die Kontrolle der Schadstoffemissionen sind somit die Leistungsmerkmale, die für das Anlassverfahren am wichtigsten sind. Produktivität steht in Zusammenhang mit:
- – der Fähigkeit des Heizequipments, die Wärmeübertragung zu den Produkten zu maximieren bei gleichzeitiger Erfüllung der Toleranzen in Bezug auf Gleichförmigkeit. Die Länge des Ofens und die Energierückgewinnung aus Abgasen bestimmen die Betriebseffizienz des Ofens und müssen als eine Funktion der repräsentativen Produktionsspezifikationen optimiert werden. Das für den Ofen ausgewählte Heizequipment und wie dieses darin installiert ist, hat auch einen Einfluss auf die Produktivität des Ofens.
- – die Verfügbarkeit des Ofens, die hauptsächlich von Wartungsarbeiten und verschiedenen Unterbrechungen abhängt, sei es geplant oder aus anderweitigen Gründen.
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Eine optimierte Ausführung eines Ofens kann zu bedeutenden jährlichen Verbesserungen führen, indem die Produktivität verbessert wird.
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Für eine hochwertige Erwärmung erfordert die Wärmebehandlung einen gewissen Grad an Temperaturgleichförmigkeit innerhalb der Produkte, sowohl in Richtung ihrer Dicke als auch in Richtung ihrer Länge. In Abhängigkeit von den Behandlungszielen und den zu behandelnden Produkten können spezielle Erwärmungskurven erforderlich sein, wie beispielsweise Kurven mit einer langen Haltezeit von möglicherweise bis zu 45 Minuten.
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Die Erwärmungsqualität ist im Wesentlichen von der Technologie der verwendeten Brenner (Größe der Verbrennungszone, etc.), von der Position der Brenner im Ofen (Aufteilung), von der Form der Umhüllung und vom Steuersystem für die Brenner abhängig.
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Ein weiteres gewünschtes Qualitätsmerkmal für Anlassöfen ist die Betriebsflexibilität.
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Unter der Flexibilität eines Ofens versteht man seine Fähigkeit, die Behandlung einer Abfolge von Produktchargen abzuwickeln, die unterschiedlich sind in Bezug auf:
- – ihre Abmessungen (Durchmesser, Länge),
- – Stahlsorte und
- – ihre Lage innerhalb des Ofens (zentriert oder versetzt)
bei gleichzeitiger Erfüllung der Ziele in Bezug auf die Wärmebehandlung (Mitteltemperatur und Gleichförmigkeit bei Austritt aus dem Ofen).
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Die Verbesserung der Flexibilität hat eine positive Wirkung auf die Qualität der Wärmebehandlung und auf die jährliche Produktivität des Ofens. Zusätzlich verbraucht ein flexiblerer Ofen weniger Energie, wenn die Brenner nur gerade genug Energie für den Prozess liefern.
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Flexibilität wird im Wesentlichen mit den Übergangszeiten in Verbindung gebracht, die zwischen zwei Produktchargen erreicht werden können. Dies ist abhängig:
- – von der ausgewählten Technologie: ein Ofen mit direkten Flammen in der Umhüllung (in Verbindung mit einer Reihe von zirkulierenden Turbinen in einem Halteabschnitt) liefert eine bessere Flexibilität, da eine Änderung des Temperatur-Sollwerts oder eine Änderung der Größe der Ladung und der Durchsatzrate direkte Folgen für die Anforderungen an die Erwärmung hat, und zwar ohne latente Verzögerung;
- – von der Konfiguration der Brenner im Ofen und des Steuersystems (Stufe 1 und Optimierung von Stufe 2). Zu den Konsistenzbedingungen gehören die Trägheit des Ofens und die Fähigkeit des Heizequipments, jede Produktcharge individuell zu behandeln.
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Es gibt auch Umweltauflagen, die beim Betrieb von Anlassöfen gelten, insbesondere in Hinblick auf Schadstoffemissionen.
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Öfen zum Normalisieren sind die Hauptquellen für Emissionen in gesamten Fabriken. Zwei chemische Stoffe sind von besonderer Bedeutung:
- – CO2, das wichtigste Treibhausgas; und
- – NOx, das eine schädliche Auswirkung auf das Ökosystem (saurer Regen, photochemische Verschmutzung, Eurtophierung), auf die Ozonschicht in der Stratosphäre und auf die Gesundheit des Menschen hat.
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Die durch Öfen erzeugte CO2-Menge steht in direktem Zusammenhang mit dem Energieverbrauch, während NOx-Emissionen bei hohen Temperaturen und bei spezifischen Mischbedingungen in Innern von Flammen entstehen. Zusätzlich fördert ein hoher Sauerstoffgehalt in den Abgasen die NOx-Emissionen. Bei einem Anlassofen, der mit einer Betriebstemperatur von unter 900°C betrieben wird, sind die NOx-Emissionen kein kritisches Element für die Auslegung, da die Flammentemperaturen niedriger sind als beispielsweise bei einem Drehherdofen, bei dem die Flammentemperaturen 1300°C betragen. Durch auf dem Markt erhältliche Hochgeschwindigkeitsbrenner ist es möglich, die europäischen und französischen Gesetzesvorschriften ohne Schwierigkeiten zu erfüllen.
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Ein Anlassofen ist ein energetisches, ein mechanisches und ein elektrisches System, das häufig komplex und kostenintensiv in der Wartung ist. Ein Anlassofen ist gekennzeichnet durch:
- – zahlreiche Steuer- und Messelemente;
- – zahlreiche Abschnitte, die Bewegungen und einem hohen Maß an thermischer und thermomechanischer Belastung unterworfen sind, und
- – eine Verfügbarkeit, die möglichst nah an 100% kommen sollte.
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Die Wartung ist ein wesentliches Element, um eine optimierte Arbeitsleistung bei gleichzeitiger Maximierung der Verfügbarkeit der Anlage zu erhalten.
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Die Instandhaltung eines Ofens muss in der Planungsphase berücksichtigt werden, um sowohl präventive Wartungs-Hilfsmittel als auch Wartungsfunktionen zu integrieren, die es ermöglichen, Wartungsarbeiten in möglichst großen Abständen durchführen zu können.
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Es ist offensichtlich, dass die Heizmittel eine entscheidende Rolle bei der Ofenleistung spielen.
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Für diese Art von Anwendung gibt es einen großen Bereich von Heiztechnologien:
- – Kaltluftbrenner (am Ende oder oben montiert);
- – Brenner, die Luft verwenden, die durch einen zentralen Rekuperator oder einen zentralen Regenerator vorgewärmt wurde (am Ende oder oben montiert);
- – auto-rekuperative Brenner (nur am Ende montiert)
- – regenerative Brenner (nur am Ende montiert)
- – Oxy-Combustion-Brenner (am Ende oder oben montiert).
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Kaltluftbrenner sind wegen der niedrigen erzielten Gesamtenergieeffizienz nicht geeignet.
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Brenner mit Oxy-Combustion sind nicht geeignet: die Kosten für Sauerstoff führen zu Betriebskosten, die durch die verbesserte Effizienz nicht profitabel gemacht werden können. Ferner beeinträchtigt die niedrige Durchflussrate der Abgase die gleichförmige Erwärmung, insbesondere bei mittlerer und/oder niedriger Temperatur.
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Regenerative Brenner sind nicht geeignet: die Energieeinsparung ist real, jedoch erfordert die Technologie, die doppelte Leistung zu installieren (zyklischer Betrieb, wobei immer nur die Hälfte der Brenner gleichzeitig in Betrieb ist). Durch die damit verbundenen Zusatzkosten ist es schwierig, profitabel zu sein und es führt zu Problemen bei der Brenneranordnung und bei der gleichförmigen Erwärmung.
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Auto-rekuperative Brenner sind von vornherein gute Kandidaten.
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Das Prinzip dieser Brenner liegt darin, dass ungefähr 80% der um den Brennerkopf erzeugten Abgase zurückgesaugt werden. Die rekuperativen Abgase werden durch einen internen Wärmetauscher zum Vorwärmen der Verbrennungsluft geleitet.
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Nichtsdestotrotz wird diese Lösung aus folgenden Gründen für Anlassöfen als unzulänglich erachtet:
- – Auto-rekuperative Brenner sind schwierig in der Mitte des Ofens anzuordnen, da durch ihre größere Abmessung ein Dach mit einer langen Nase installiert werden muss, wodurch Länge zum Erwärmen verloren geht. Die zentrale Zone kann trotzdem mit Brennern ausgestattet sein, die Luft verwenden, die durch einen kleinen zentralen Rekuperator vorgewärmt worden ist.
- – Die oben erwähnte Mischlösung liefert eine Energieeffizienz, die einer Lösung mit Warmluft entspricht, bei der ein zentraler Rekuperator (Vorwärmung auf 350°C) verwendet wird. Es kann kein weiterer Vorteil erzielt werden, wenn die Abgase aus den auto-rekuperativen Brennern mit einer Temperatur von mehr als 500°C entweichen, wohingegen die Abgase aus dem Rekuperator mit einer Temperatur von weniger als 400°C entweichen.
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Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Anlassofen anzugeben, der es ermöglicht, die Leistung von Anlassverfahren zu verbessern.
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Um dieses Ziel zu erreichen, ist gemäß der Erfindung ein Anlassofen vorgesehen, der eine Umhüllung mit Brennern aufweist, die durch einen zentralen Rotations-Regenerator auf ungefähr 550°C vorgewärmte heiße Luft verwenden, wobei die Brenner einer Ein/Aus-Steuerung unterworfen sind.
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Diese Eigenschaften ermöglichen es, einen relativ niedrigen Energieverbrauch zu haben, und gleichzeitig eine Erwärmung zu haben, die in der Umhüllung gleichförmig ist.
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Es können optional noch zusätzliche Eigenschaften vollständig oder teilweise kombiniert werden:
- – der Ofen umfasst ein einen Abgaskreis und ein System zum Ableiten von Verbrennungsluft in den Abgaskreis bei niedriger Geschwindigkeit, um einen ordnungsgemäßen Betrieb des Lüfters und Exhaustors zu gewährleisten. Dadurch kann die Arbeitsweise bei niedriger Geschwindigkeit verbessert werden.
- – die Umhüllung ist mit Mitteln zum Schutz gegen übermäßige Temperaturen (heiße Luft, heiße Gase) versehen;
- – der Ofen umfasst ein zentralisiertes Regeneratorsystem und einen Exhaustor zum Zwangsabzug der Abgase bei niedriger Temperatur; und
- – die Umhüllung ist mit einem System für einen unterstützten Abzug der Abgase in den Schornstein ausgestattet, die möglicherweise „kalt” sein können (geringer natürlicher Abzug).
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Hierdurch wird ein optimierter Betrieb des Ofens gewährleistet:
- – während einer Hochtemperaturproduktion (> 750°C),
- – während Übergängen der Behandlungstemperatur,
- – während eines Standy-Betriebs bei niedriger Temperatur; und
- – beim Starten und Stoppen des Ofens.
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Offenbart wird ebenfalls ein Verfahren zur Steuerung eines solchen Ofens.
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Weitere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von speziellen, nicht-einschränkenden Ausführungsformen der Erfindung.
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Es wird auf die beigefügten Figuren Bezug genommen, wobei:
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1 eine schematische Darstellung einer Brenner-Anordnung mit einem zentralen Rotations-Regenerator zeigt,
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2 ein Sankey-Diagramm dieses Systems mit einer vorgegebenen Konfiguration zeigt,
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3 einen schematischer Querschnitt der Umhüllung des Anlassofens zeigt,
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4 ein Heizdiagramm zeigt, wobei die Position im Ofen in Metern auf der Abszisse und die Temperatur auf der Ordinate dargestellt sind,
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5 ein Diagramm zeigt, das die Regelkreise des Ofens zeigt,
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6 eine perspektivische Darstellung und einen Längsschnitt zeigt, die den Verlauf der Abgase innerhalb der Umhüllung zeigen,
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7 ein Histogramm zeigt, das eine Ein/Aus-Impulssteuerung der Brenner mit einer proportionalen Steuerung vergleicht,
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8 ein Zeitdiagrammzeigt, das die Zeiträume zeigt, in denen die Brenner gezündet sind,
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9 eine schematische Darstellung der Umhüllung des Ofens und seine Unterteilung in eine Vielzahl von Kontrollzonen zeigt,
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10 ein Heizdiagramm wie das Diagramm von 4 zeigt, bei dem eine Erwärmungskurve für ein bestimmtes Beispiel dargestellt ist.
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Unter Bezugnahme auf die Figuren ist der CMI Greenline Anlassofen speziell so ausgelegt, dass die industriellen Anforderungen durch eine Kombination spezifischer Technologien erfüllt werden können.
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Der Ofen hat eine Umhüllung in Form einer Einlass-Luftschleuse ohne Brenner, einer Nasenwölbung, einen Schirm und eine Auslass-Luftschleuse, die so ausgelegt sind, dass sie die gleichförmige Erwärmung optimieren.
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Die Umhüllung ist mit frontalen Hochgeschwindigkeits-Brennern mit geringem NOx ausgestattet, die geeignet sind, bei niedrigen Temperaturen zu brennen (anders als die sogenannten „flammenlosen” Technologien), die durch Ein/Aus-Impulse gesteuert werden unter Anwendung des von CMI entwickelten Ein/Aus-Soft Algorithmus. Dieser Algorithmus optimiert die Heizsequenz des Brenners, um Druckabfälle im Luft- und Gasleitungsnetz sowie beim Ofendruck zu vermeiden.
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Die Umhüllung ist der Länge nach in drei Zonen und der Breite nach in fünf Zonen unterteilt, wobei sich insgesamt 15 Erwärmungszonen ergeben, damit die Erwärmung für ein großes Spektrum von Rohrlängen und -durchmessern geeignet ist.
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Herdbrenner mit gekrümmten Siliziumkarbidköpfen sind am Ende des Ofens eingesetzt, um eine ausgezeichnete thermische Gleichförmigkeit beim Halten der Temperatur zu gewährleisten.
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Der Ofen ist in der Haltezone außerdem mit Zirkulationsventilatoren ausgestattet, um eine gleichförmige Erwärmung zu gewährleisten, insbesondere bei diffizilen Erwärmungskurven mit einer Haltezeit von mehr als 40 Minuten.
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Dies führt präziser zum Sicherstellen einer gleichförmigen Erwärmung innerhalb der Umhüllung.
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Die Verwendung von zentralen Rotations-Regenerator-Brennern ermöglicht, einen spezifischen Verbrauch, der um mindestens 10% niedriger ist als bei optimierten Standardtechniken (zentraler Rekuperator oder auto-rekuperative Brenner), wodurch eine beträchtliche jährliche Einsparung in Bezug auf den reinen Gasverbrauch erreicht wird. Durch diese Lösung kann die Verbrennungsluft zum Anlassen bei 700°C auf ca. 550°C vorgewärmt werden, wobei sich für das System eine Gesamt-Effizienz von ungefähr 80% ergibt.
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Das System basiert auf der bekannten Technik von Regeneratoren mit poröser Matrix aus Aluminiumoxid, die industrielle Anwendung findet bei Heizblöcken, beim Schmelzen von Aluminium, bei Glasschmelzöfen usw. Der große Vorteil dieses Systems für Anlassöfen ist sein Betrieb bei „niedrigen” Abgastemperaturen. Außerdem ist die bei ca. 550°C erzeugte Warmluft zum Einspeisen in Hochgeschwindigkeits-Brenner kompatibel, ohne dass auf spezielle Hochtemperatur-Ventile zurückgegriffen werden muss. Insbesondere hat CMI in den letzten Jahren zahlreiche Öfen mit Impulsbrennern realisiert, die Luft mit einer Temperatur von 550°C verwenden.
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Die CO2-Emissionen werden minimiert, wobei diese mit dem Energieverbrauch in Verbindung stehen.
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Die Wahl von Hochgeschwindigkeits-Brennern mit einer Umhüllung gewährleistet die NOx-Bedingungeneinzuhalten. Es solltet beachtet werden, dass eine Impulssteuerung die Emissionen minimiert, da die Flammen immer unter Nominalbedingungen betrieben werden.
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Die Ausgestaltung des Ofens umfasst die folgenden Elemente:
- – hitzebeständige Materialien aus Leichtbeton, um die Trägheit oder Latenzzeit des Ofenszu verringern,
- – eine Ausgestaltung mit Brennern mit direkten Flammen, d. h. Brenner, die die Umhüllung des Ofens direkt erwärmen in der Art, dass eine Änderung des Sollwerts deshalb direkt ohne Verzögerung durch das Heizequipment wahrgenommen wird, und sinnvolle Positionierung der Thermoelemente (TC) in der Umhüllung. Es wird hier deshalb zum Beispiel empfohlen, zwei Bänder mit Thermoelementen zu verwenden, eines am Anfang einer Zone und eines am Ende einer Zone: die Thermoelemente am Ende der Zone werden verwendet, da sie in Verbindung mit dem thermischen Erfolg bei den Rohren stehen, und die Thermoelemente am Anfang der Zone dienen dazu, die Übergänge zwischen zwei Chargen wahrzunehmen. Diese Positionierung wird für die Erwärmungszone und die Erwärmungsendezone/Erwärmungshaltezone angewendet.
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Es sind mehrere sogenannte „intelligente Haltemodule” vorgesehen und angeordnet, die es z. B. ermöglichen, die Energieeffizienz des Ofens, die Anzahl der Ein/Aus-Ventilzyklen, die Nennleistung eines jeden Brenners, die Übereistimmung der Position der Ventile in Bezug auf die beabsichtigte Position, etc. nachzuverfolgen.
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Der Ofen ist mit einem System zur Entladung des Verbrennungsluftventilators bei niedriger Geschwindigkeit ausgestattet, um den Luftdruck und die Steuerung des Ofens zu steuern, die für alle Geschwindigkeiten optimiert sind.
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Der Ofen wird über einen selbstkorrigierenden Regelkreis zur Regelung des Luft/Gas-Verhältnisses gesteuert, und zwar über einen speziellen Algorithmus und drei Gas-Durchflussratenmessungen.
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Die Ausgestaltung des Ofens und des Prozesses sowie die damit verbundenen Vorteile werden nachfolgend detailliert beschrieben.
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Das Profil des Ofens ist so ausgestaltet, dass eine gleichförmige Erwärmung sichergestellt ist bei gleichzeitiger Ermittlung der besten technisch-wirtschaftlichen Lösung in Bezug auf die Energieeffizienz, die Betriebsflexibilität, erleichterter Wartung und NOx-Emissionen.
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Die vorgeschlagene Ausführungsform besteht darin, ein zentrales regeneratives System (CR) und eine Technologie zum Steuern des Heizequipments miteinander zu verbinden.
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Als Beispiel hierfür ist das CR-System, das unter der Bezeichnung ECOREG der Jasper GmbH bekannt ist, in 1 dargestellt. Es wird mit dem folgenden Prinzip betrieben:
- – eine poröse Matrix mit einer zylindrischen Form, die in Viertel unterteilt ist, wird in einen Behälter mit kontinuierlicher Rotation eingebracht, um den Rotations-Regenerator zu bilden,
- – der Behälter wird vom Boden mit Kaltluft gespeist, die die Matrix vertikal nach oben durchdringt, die Luft entweicht bei einer Temperatur im Bereich zwischen 500°C und 550°C in Abhängigkeit der Ofen-Geschwindigkeit,
- – der Behälter wird von oben mit den aus dem Ofen austretenden Abgasen gespeist, die die Matrix vertikal nach unten durchdringen und die Abgase bei einer Temperatur zwischen 120°C und 250°C in Abhängigkeit der Ofen-Geschwindigkeit entweichen; und
- – die Luft und die Abgase sind im Innern des Behälters natürlich separat gehalten.
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Diese Lösung bietet die folgenden Vorteile:
- – sehr hohe Effizienz: die Verbrennungsluft kann durch die Nutzung der mit 650°C aus dem Ofen austretenden Abgase auf 550°C vorgeheizt werden;
- – das System ist kompakter als ein Rekuperator mit Rohrbündeln, da die poröse Matrix ein sehr günstiges Verhältnis zwischen Wärmeaustausch pro Volumeneinheit ermöglicht, ein Abgas-Exhaustor wird benötigt, aber dadurch, dass die Abgase kalt sind, ist die die Größe des Exhaustors angemessen, und.
- – durch die Luft mit einer Temperatur von 550°C ist es möglich, Rohrleitungen, Ventile und Instrumentierungen zu verwenden, die Standard sind, ohne auf „edle” Materialien, wie beispielsweise rostfreien Stahl, zurückgreifen zu müssen. Die Brenner können innen ausgekleidet und die Rohrleitungen mit einer externe Isolation versehen sein.
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Diese Kombination ist neuartig und ist in der Vergangenheit so noch nie verwendet worden.
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Die Energiebilanz unter denselben Bedingungen wie vorher ist in 2 gezeigt.
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Die Umhüllung des Ofens kann in vier Abschnitte untergliedert werden:
- – die Einlass-Luftschleuse, in der die Abgase ihre Energie durch Strahlung und Konvektion in einem Verhältnis übertragen, das von der Behandlungstemperatur abhängt; bei über 700°C wird die Strahlung ausschlaggebend;
- – den Erwärmungsabschnitt, in dem der Temperaturunterschied zwischen den Produkten und der Umhüllung hoch bleibt; der Heizbedarf in dieser Zone ist in den meisten Produktionssituationen typischerweise sehr hoch;
- – den Erwärmungsendeabschnitt und Erwärmungshalteabschnitt, bei dem sich die Produkttemperatur asymptotisch der Behandlungstemperatur annähert; während langer Haltezeiten gewährleistet dieser Abschnitt die gewünschte Gleichförmigkeit; und
- – schließlich in den Halteabschnitt, bei dem die Toleranz für eine Gleichförmigkeit der Erwärmung bei der für die Behandlung gewünschten Durchschnittstemperatur erreicht wird.
Genauer gesagt:
- – die Eingangsluftschleuse besitzt keinen Brenner;
- – der Erwärmungsabschnitt ist mit einer Reihe von 25 Endbrennern ausgestattet;
- – der mit 25 Endbrennern ausgestattete Erwärmungsendeabschnitt und Erwärmungshalteabschnitt ist stromaufwärts durch ein bogenförmiges Ende und stromabwärts durch eine hängende hitzebeständige Unterteilung abgeteilt. Diese Unterteilung ist unentbehrlich für eine gute Separierung der Abgasströme in dem Abschnitt. Die Höhe der Unterteilung wird nach dem größten Durchmesser der zu behandelnden Rohre plus einer Sicherheitstoleranz festgelegt. Der Endabschnitt ist mit fünf Zirkulations-Turbinen versehen, die dazu dienen, die Temperaturgleichförmigkeit während langer Haltezeiten (40 Minuten bis 45 Minuten) sicherzustellen; und
- – die Ausgangs- oder Gleichmäßigkeitsluftschleuse ist mit 25 Endbrennern versehen, die gleichermaßen mit fünf Zirkulationsturbinen und sieben Herdbrennern versehen sind zum Ausgleich von Abwärtsverlusten, insbesondere über die Ofenentladewalzen.
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Diese Unterteilung in Abschnitte ermöglicht eine präzise Steuerung der Erwärmungskurve über die Länge des Ofens.
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Die Gleichförmigkeit der Temperatur entlang der Rohre ist gewährleistet durch:
- – die Konfiguration der Brenner in der Umhüllung und die verbundene Überwachung und Steuerung (Steuerkaskade, wie nachfolgend erklärt).
- – die zwei Reihen und fünf Turbinen auf beiden Seiten der Trennwand, die eine Zirkulation und Durchmischung der Abgase am Ende des Ofens ermöglichen.
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Diese Kombination gewährleistet, dass das gewünschte Halten des gleichförmigen Niveaus innerhalb von +/–3°C während der gesamten Haltezeit und innerhalb von +/–2,5°C am Ende des Ofens sicher erreicht wird.
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Die Erwärmungsleistungen pro Abschnitt und die Geschwindigkeit der Turbinen sind so dimensioniert, dass ein thermischer Erfolg für die unterschiedlichen festgelegten Produktionsbedingungen gewährleistet ist. Eine Heizkurve ist in 4 dargestellt.
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Der nachfolgende Abschnitt erklärt, wie es das Steuer- und Überwachungsverfahren ermöglicht, eine ausgezeichnete Erwärmungsgleichförmigkeit für Rohre über einen großen Bereich der Haltezeiten bei gleichzeitiger genauer Steuerung der Verbrennung (Verhältnis Luft/Gas) zu erreichen.
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Die Steuerkaskade fasst zusammen, in welcher Art das Heizequipment betrieben wird; vom Verbrennungsluftgebläse und dem natürlichen Gasexpander bis zu jedem Brenner.
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Vier kaskadierte Regelkreise werden implementiert, wie in 5 dargestellt ist:
- – die Brenner werden individuell gesteuert mit Hilfe eines Verfahrens zur Brennersteuerung, das als ONOFFSoft Verfahren bekannt ist (siehe unten);
- – die Prozesszonen erlauben eine Beherrschung des Erwärmungsprofils entlang der Ausdehnung des Ofens (siehe unten);
- – das Verhältnis Luft/Gas für jeden Abschnitt (Erwärmung, Erwärmungsende/Erwärmungshalten und Halten) werden fein gesteuert (siehe unten); und
- – schließlich werden die Betriebsdrücke für Luft und Gas unabhängig voneinander gesteuert ungeachtet der Anforderung des Ofens (siehe unten).
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Naturgemäß erfüllt diese Kombination die Sicherheitsnorm EN746-2 für Verbrennungsinstallationen.
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Die Vorteile der Steuerkaskade sind in 5 zusammengefasst. Sie werden nachfolgend kommentiert.
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Alle Brenner werden im Ein/Aus-Betrieb betrieben, wodurch sich die folgenden Vorteile ergeben:
- – die Flammen besitzen immer dieselbe Form: dieselbe Länge der Endbrenner, dieselbe Abdeckung der Bodenbrenner; die Erwärmungsqualität ist folglich konstant, unabhängig von der Last und dem Temperaturniveau des Ofens.
die NOx-Emissionen werden minimiert, da die Brenner immer unter Nominalbedingungen betrieben werden; - – der Durchfluss der Abgase unter den Produkten ist verbessert, wodurch auch die gleichförmige Erwärmung verbessert wird (vgl. 6); und
- – Messungen, die mit den Thermoelementen der Zonen gemacht werden, sind zuverlässiger, da sie sind nicht vom Betrieb der Brenner abhängig sind. Eine kurze oder lange Flamme kann das Thermoelement nämlich lokal beeinflussen und berücksichtigt nicht das tatsächliche mittlere Temperaturniveau der Zone.
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Die Ein/Aus-Steuerung besteht in der Befeuerung der Brenner für einen Bruchteil der Zeit unter Nominalbedingungen. Im Durchschnitt entspricht die in die Umhüllung freigegebene Energie der Energie der gesteuerten Brenner bei proportionalem Betrieb (vgl. 7).
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Die üblichen Probleme bei der Ein/Aus-Steuerung sind im Wesentlichen der mögliche Einfluss der Befeuerungen/Auslöschungen der Brenner auf die Drücke stromaufwärts (Luft und Gas) und stromabwärts (in der Umhüllung) der Brenner (Ruckeffekt).
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Um diese Nachteile zu beseitigen, wird jeder Endbrenner oder jede Brennergruppe (Dachbrenner mit jeweils vier Brennern) unabhängig in Bezug auf die Befeuerungssequenzen betrachtet. Das Ein/Aus-Soft-Verfahren dient dazu:
- – den Wärmebedarf mit jedem Brenner abzudecken, der durch die Wärmesteuerung verwaltet wird;
- – den Ein/Aus-Soft-Optimierungsalgorithmus unter der Bedingung der Befeuerungssequenzen zu ermitteln, die für die Sicherstellung einer „geglätteten” mittleren Durchflussrate in dem Luft-/Gas-Ansaugstutzen und in den Abgaskreis optimiert sind. Das Ein/Aus-Soft-Verfahren bestimmt die optimale Zyklusdauer und „unterteilt” die Befeuerungssequenzen optional, um eine bessere Optimierung zu erreichen (vgl. 8, bei der die Zahlen 1, 2, ... bis 8 jeweils Brenner oder Gruppen von Brennern bezeichnen).
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Das Ein/Aus-Soft-Verfahren wird durch ein auf dem zugeordneten Server installiertes Programm (Standardkonfiguration, keine Notwendigkeit von großen CPU Ressourcen) realisiert, das mit der Heizsteuerung kommuniziert. Es muss beachtet werden, dass ein „Notfall”- oder Backup-Algorithmus in der Steuerung programmiert ist, so dass der Brenner ohne das Ein/Aus-Soft-Verfahren weiterbetrieben werden kann, wobei die Effizienz nicht so gut ist.
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Es ist wesentlich, das Erwärmungsprofil über die Ausdehnung des Ofens zu steuern, um eine gute Gleichförmigkeit bei jeder Beschickung zu gewährleisten, und zwar unabhängig von der Länge der Ladung bzw. Last.
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Um dies zu erreichen wird der Ofen entlang der gesamten Breite des Ofens in fünf Zonen „unterteilt”, und zwar für jeden der drei Erwärmungsabschnitte, so dass sich insgesamt 20 Prozesszonen ergeben.
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Jede Prozesszone hat ein Thermoelement. Die Thermoelemente werden nichtdoppelt vorgesehen, da, wenn eines versagen sollte, die Vernetzung fein genug ist, dass ein benachbartes Thermoelement in der Zwischenzeit verwendet wird, bis das defekte Thermoelement ausgetauscht wird.
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Die Brenner werden jeder Prozesszone zugeordnet (fünf Brenner pro Prozesszone), es gibt aber keine zusätzlichen Ventile und/oder Instrumente pro Verarbeitungszone, da die Brenner individuell durch die Ein/Aus-Soft-Steuerung gesteuert werden. 9 zeigt die vorgeschlagene Unterteilung in Prozesszonen.
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Diese Kombination führt zu einer echten Flexibilität bei der Erwärmung, da es, wenn es nötig ist, möglich ist, die Kopplung der Brenner mit einem Thermoelement zu ändern, um das Erwärmungsprofil zu verbessern.
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Für eine bessere Steuerung des Luft-/Gas-Verhältnisses der Anordnung sind die drei Erwärmungsabschnitte jeweils mit einem Zufuhrverteiler zur Zufuhr des entsprechenden Gases ausgestattet, die jeweils mit einem sogenannten „selbstkorrigierenden” Regulierungsventil und einer Durchflussmessung ausgestattet sind.
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Bei der Verbrennungsluft ist ebenfalls eine Durchflussmessung vorgesehen, und zwar über eine Membran an jedem der drei Zufuhrverteiler.
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Servo-Regelkreise wirken kontinuierlich zum Einstellen des Luft-/Gas-Verhältnisses eines jeden Erwärmungsabschnitts durch Nachkontrolle des für die Zonen berechneten Durchflusses an Warmluft (der abhängig ist von der Anzahl der befeuerten Brenner, dem Betriebsdruck und der Betriebstemperatur) und der für das Gas berechneten und gemessenen Durchflussrate.
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Dieses einfache und originäre System gewährleistet eine kontinuierliche Autokorrektur des Luft-/Gas-Verhältnisses, wodurch sich die folgenden Vorteile ergeben:
- – optimierte Einstellung des Luft-/Gas-Verhältnisses, wodurch ein unerwünschter Mehrverbrauch vermieden wird
- – Halten des Sauerstoffniveaus im Ofen auf das gewünschte Niveau;
- – Sicherstellen einer guten Verbrennung an den Brennern, um NOx-Emissionen ohne CO-Emissionen zu verringern.
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Schließlich werden am Kopf der Kaskadensteuerung der Betriebsdruck des reinen Gases und der Verbrennungsluft auf feste Sollwerteeingestellt, die abhängig sind von:
- – dem in den Erwärmungsabschnitten maximal erforderlichen Luft-/Gas-Verhältnis;
- – der Temperatur der Verbrennungsluft; und
- – den Referenzdrücken der Luft und des Gases.
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Diese Drücke werden durch Klappen des Verbrennungsluftgebläses und durch ein Kopfventil stromabwärts der Druckminderungseinheit des reinen Gases reguliert.
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Es sollte beachtet werden, dass bei niedrigem Ofendurchsatz das Gebläse seinen Solldruck selbst dann nicht halten kann, wenn die Klappen vollständig geschlossen sind. Um dieses Problem zu vermeiden, gewährleistet ein Austrittsventil zwischen der Kaltluft und dem Abgasabzug eine am Mindestmenge am Gebläse.
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Ein weiterer Vorteil des Austritts-Systems ist die Möglichkeit, den Ofendruck korrekt einstellen zu können, selbst bei sehr niedrigem Durchsatz, wobei die durch die in die Abgase austretende Luft dazu dient, den Abgas-Exhaustor „anzutreiben”.
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Es wurde ein Referenzbetrieb simuliert, um Erwärmungskurven zu erstellen und die energetischen Leistungen des Ofens zu quantifizieren.
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Die Bedingungen dieses Betriebs sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengefasst.
| Sorte | kohlenstoffarmer Stahl |
| Abmessungen | 244.5 × 11.99 × 14100 mm |
| angestrebte Produktivität | 58 t/h (60 Rohre/h) |
| Behandlungstemperatur | 696°C |
| Haltezeit | 10 Minuten |
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Die Erwärmungskurve ist in 10 dargestellt.
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Der spezifische Verbrauch beträgt nur 144 kWh/t, da die eingesetzte originäre Lösung ermöglicht, einen viel höheren Anteil der Energie des Abgases rückzugewinnen. Bei dieser Berechnung entweichen die Abgase bei einer Temperatur von ungefähr 150°C und erreichen den Schornstein ohne verdünnt zu werden. Die Luft wird dann auf 550°C vorgewärmt.
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Der Anlassofen ist vorgesehen zur Behandlung von unterschiedlichen Rohrchargen, die unterschiedliche Besonderheiten aufweisen in Bezug auf:
- – Größe;
- – Art;
- – Soll-Haltezeit in Verbindung mit der Metallurgie
- – Anzahl der Behandlungen (eine oder zwei)
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Die jährliche Produktivität des Ofens steht in Zusammenhang mit:
- – den maximalen Durchsatzraten des Ofens für jede Charge: dies ist abhängig von der Länge des Ofens und der pro Zone installierten Leistung. Dieser Punkt wurde bereits oben erwähnt;
- – der Anzahl der vorgesehenen oder nicht vorgesehenen Unterbrechungen der Produktionslinie;
- – dem notwendigen „Abstand” zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rohrchargen, um eine erfolgreiche Bearbeitung für alle Rohre zu gewährleisten.
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Dieser letzte Punkt trägt in einer nicht zu vernachlässigenden Weise zum jährlichen Produktivitätsverlust bei. Die Minimierung des Abstands zwischen zwei aufeinanderfolgenden Chargen sollte also berücksichtigt werden:
- – bei der Produktionsorganisation, damit die Übergänge zwischen Chargen so gering wie möglich sind (z. B. Übergänge einer Haltetemperatur von 550°C auf 800°C bei aufeinanderfolgenden Chargen zu vermeiden), und
- – die Konstruktion des Ofens.
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Diese Auswahl sollte es ermöglichen, den Abstand zwischen zwei Rohrchargen auf weniger als die Hälfte der Ofenlänge zu verkürzen, d. h. auf ungefähr zehn Meter.
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Die Erfindung ist natürlich nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen beschränkt, sondern umfasst sämtliche Varianten im Bereich der Erfindung.
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Der Ofen muss nicht alle in der Beschreibung oben genannten Merkmale der bevorzugten Ausführungsform haben, sondern kann auch nur einen Teil der in der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform oben genannten Besonderheiten aufweisen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Sicherheitsnorm EN746-2 [0075]
