DE202013102749U1

DE202013102749U1 - Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischem Nutzgut unter Schutzgas-/Reaktionsatmosphäre im Durchlaufbetrieb

Info

Publication number: DE202013102749U1
Application number: DE202013102749U
Authority: DE
Original assignee: Otto Junker GmbH
Current assignee: Otto Junker GmbH
Priority date: 2013-05-29
Filing date: 2013-05-29
Publication date: 2013-10-17
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: EP3004404B1; DE102013105543A1; WO2014191368A1; EP3004404A1

Abstract

Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischem Nutzgut unter Schutzgas-/Reaktionsgasatmosphäre im Durchlaufbetrieb mit einem einen Ofenraum (1) als Heizzone (HZ) umgebenden Ofengehäuse (2) und einer Mehrzahl von in den Ofenraum (1) hineinragenden Heizelementen (4) zur Erwärmung des Ofenraums (1) sowie mit einer der Heizzone (HZ) vorgeschalteten Vorwärmzone (VZ), wobei die Verbrennungsabgase nicht mit dem Nutzgut in Berührung kommen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine Sammeleinrichtung (7) zum Auffangen des Abgases der Heizelemente und eine von der Sammeleinrichtung (7) gespeiste und im Inneren der Vorwärmzone (VZ) angeordnete Wärmeübertragungseinheit (9) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischem Nutzgut unter Schutzgas-/Reaktionsgasatmosphäre im Durchlaufbetrieb mit einem einen Ofenraum als Heizzone umgebenden Ofengehäuse und einer Mehrzahl von in den Ofenraum hineinragenden Heizelementen zur Erwärmung des Ofenraums sowie mit einer der Heizzone vorgeschalteten Vorwärmzone, bei der die Verbrennungsabgase nicht mit dem Nutzgut in Berührung kommen. Anlagen zur kontinuierlichen Wärmebehandlung oder zum Anwärmen von metallischem Nutzgut sind aus der Praxis in vielerlei Ausführungen bekannt. Sie erfordern je nach Einsatzfall Ofenraumtemperaturen im Bereich von ca. 400°C bis ca. 1.300°C. Zur Erzielung möglichst hoher Wirkungsgrade beim Einsatz flüssiger, gasförmiger oder fester Brennstoffe werden bereits seit Jahren Verbrennungssysteme eingesetzt, in denen die Verbrennungsluft mittels der Abgaswärme vorgewärmt wird, sogenannte Rekuperatorbrenner oder Regenerativbrenner. Damit werden feuerungstechnische Wirkungsgrade in der Größenordnung von ca. 90% bei 400°C bis ca. 75% bei 1.100°C erreicht. Bei einer höheren Luftvorwärmung übersteigt zumeist der Schadstoffanteil (NO, NOx) die akzeptierten Grenzwerte. Oberhalb von ca. 900°C kann die sogenannte „flammenlose Oxidation” zur Reduktion der NO-, NOx-Schadstoffe verwendet werden.
In bekannten Anlagen zur Wärmebehandlung unter Schutzgas-/Reaktionsgasatmosphäre, wie in 3 dargestellt, ist der Ofeninnenraum aus metallurgischen Gründen mit einem speziellen Schutzgas oder Reaktionsgas gefüllt, weshalb das Verbrennungsabgas nicht in den Ofeninnenraum 21 gelangen darf. Zu diesem Zweck erfolgt die Beheizung indirekt, das heißt, die Verbrennung findet in speziellen Heizelementen statt, nämlich in vom Ofeninnenraum 21 abgeschlossenen und in das Ofengehäuse 22 hineinragenden sogenannten Strahlheizrohren 24, die die Verbrennungswärme über ihre Außenflächen an den Ofeninnenraum 21 abgeben. Der Ofeninnenraum 21 besteht meist aus mehreren Modulen 23, welche unmittelbar hintereinander angeordnet sind und eine Heizzone HZ bilden.
Das zu erwärmende metallische Nutzgut kann dabei, wie in 3 dargestellt, beispielsweise aus einem Metallband M oder aber auch aus mittels einer Transportvorrichtung einzeln durch den Ofen geführten Blöcken, Bolzen, Gestellen mit aufliegendem Stützgut od. dgl. bestehen.
Da die Verbrennungsabgase nicht frei in das Ofengehäuse 22 eingeleitet werden dürfen, ist die bekannte Weiterführung der Verbrennungsabgase innerhalb des Ofeninnenraums 21 von den heißeren Zonen in vorgelagerte Zonen auf niedrigerem Temperaturniveau, sogenannte Vorwärmzonen, nicht möglich und das Abgas der Brenner 25 muss durch separate Abgasleitungen 26 abgeführt werden.
Zur Minimierung der verbleibenden Abgasverluste sind weiterhin für sich Sauerstoffbrenner bekannt, bei denen der Abgasvolumenstrom durch den Einsatz von Sauerstoff anstelle von Luft (21% Sauerstoff/79% Stickstoff) deutlich reduziert wird. Gleichzeitig kommt es aufgrund des fehlenden Stickstoffs nicht zur Entstehung der Schadstoffe NO und NOx. Der notwendige Sauerstoff muss allerdings erst wieder kosten- und energieaufwändig hergestellt werden.
Bei der Wärmebehandlung mit anschließender Kühlung sind für sich ebenfalls bereits Ofenanlagen und entsprechende Verfahren zum Betrieb solcher Ofenanlagen mit Schutzgas-/Reaktionsgasbetrieb bekannt, die die in den Kühlzonen vom Nutzgut wieder entzogene und damit dem Schutzgas/Reaktionsgas zugeführte Energie in einer der Heizzone vorgeschalteten Vorwärmzone zu führen. Dies entweder indem das Schutzgas-/Reaktionsgasgas aus dem Kühlteil direkt zur Vorwärmzone geführt wird oder indem ein Kreislauf mit einem Wärmeträgermedium zwischen dem Kühlteil und der Vorwärmzone zwischengeschaltet wird. Hier steht jedoch nur das üblicherweise recht niedrige Temperaturniveau des Schutzgas-/Reaktionsgases im Kühlteil zur Verfügung. Bei Verwendung eines Zwischenkreises kommt es aus Gründen der Wärmeübertragung nochmals zu weiteren Temperaturverlusten und damit zu einer Verringerung der nutzbaren Energie.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannten und zuvor näher beschriebenen bekannten Vorrichtungen zur Wärmebehandlung von metallischem Nutzgut unter Schutzgas-/Reaktionsgasatmosphäre im Durchlaufbetrieb so auszugestalten und weiterzubilden, dass ihr Wirkungsgrad verbessert wird.
Vorrichtungsmäßig erfolgt die Lösung der Aufgabe dadurch, dass bei einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 eine Sammeleinrichtung zum Auffangen des Abgases der Heizelemente und eine von der Sammeleinrichtung gespeiste und im Inneren der Vorwärmzone angeordnete Wärmeübertragungseinheit vorgesehen sind. Erfindungsgemäß kann also die Abwärme des Abgases der Heizelemente zur Vorwärmung des metallischen Nutzgutes in der unmittelbar vor der Heizzone liegenden genutzt Vorwärmzone werden, ohne dass es zur Vermischung von Abgas und Schutzgas/Reaktionsgas kommt.
Nach weiteren bevorzugten Ausgestaltungen der Erfindung sind zur Beheizung der Heizzone als Heizelemente Rekuperatorbrenner, Regeneratorbrenner, Sauerstoffbrenner oder Kaltluftbrenner vorgesehen.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs ist nach einer weiteren Lehre der Erfindung vorgesehen, dass die Wärmeübertragungseinheit in der Vorwärmzone einseitig oder beidseitig berippt und/oder benoppt ist.
Zur Verbesserung des Wärmedurchgangs sieht eine weitere Ausbildung der Erfindung vor, dass die Wärmeübertragungseinheit in der Vorwärmzone aus einem besonders wärmeleitfähigen Material wie zum Beispiel Kupfer, Kupferlegierungen oder Aluminium hergestellt ist.
Eine andere Lehre der Erfindung sieht vor, dass der Heizzone ein Kühlelement nachgeschaltet ist, in diesem Fall ist es besonders zweckmäßig, dass zur Wärmerückgewinnung Leitungen zum Transport von Warmluft vom Kühlelement in die Vorwärmzone vorgesehen sind, um eine noch größere Wirkungsgradsteigerung zu erreichen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mit Hilfe einer Prozesssimulation dynamische Schwankungen der Wärmebehandlungstemperaturen insbesondere beim Anfahren automatisch kompensiert werden. Auf diese Weise lässt sich eine verbesserte Automatisierung durchführen, wodurch auch die Bedienerfreundlichkeit weiter verbessert wird.
Nach einer weiteren Lehre der Erfindung simuliert die eingesetzte Prozesssimulation auch metallische Einflüsse im Nutzgut und bindet diese in den Simulationsvorgang ein.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die eingesetzte Prozesssimulation direkt auf die in der Anlagensteuerung bekannten Betriebs- und Leistungszustände der abgaserzeugenden Heizelemente in der Heizzone zurückgreift.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Schutzgas-/Reaktionsgastemperatur in der Heizzone durch Veränderung der zugeführten Abgasmenge über regelbare Ventile, Klappen oder Fördereinrichtungen geregelt werden kann. Die Betätigung der mechanischen Einrichtungen geschieht dabei automatisiert durch die Anlagensteuerung.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Schutzgas-/Reaktionsgastemperatur in der Heizzone direkt auf die in der Anlagensteuerung bekannten Betriebs- und Leistungszustände der abgaserzeugenden Heizelemente in der Heizzone zurückgreift. Hierdurch lässt sich eine optimale Regelung des Wärmebehandlungsprozesses erreichen.
Schließlich ist vorgesehen, dass die Schutzgas-/Reaktionsgastemperatur in der abgasbeheizten Vorwärmzone mittels zusätzlicher Beheizungseinheiten erhöht oder – alternativ – mittels zusätzlicher Kühleinheiten beziehungsweise Beheizungseinheiten gezielt reguliert werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer lediglich Ausführungsbeispiele darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigen, jeweils in schematischer Seitenansicht,
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
3 eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung gemäß dem Stand der Technik.
In den Figuren sind verschiedene Vorrichtungen zur Wärmebehandlungen dargestellt. Die in der 3 gezeigte und aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtung wurde bereits beschrieben.
1 zeigt nun eine Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischem Nutzgut, im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Metallbandes M, welches in Pfeilrichtung von links nach rechts durch einen Ofenraum 1 bewegt wird. Der Ofenraum 1 ist dabei von einem Ofengehäuse 2 umschlossen, und besteht aus einer Mehrzahl unmittelbar hintereinander angeordneter Ofenmodule 3, in die jeweils ein Heizelement 4 hineinragt. Die mit den Heizelementen 4 versehenen Ofenmodule 3 bilden die eigentliche Heizzone HZ.
In jedem Heizelement 4 ist ein Brenner 5 angeordnet, dessen Abgase durch eine separate Abgasleitung 6 abgezogen werden und auf diese Weise nicht mit dem Innenraum des Ofengehäuses 2, welches zur Wärmebehandlung mit Schutzgas/Reaktionsgas gefüllt ist, in Berührung treten kann.
Erfindungsgemäß wird nun auch die Wärme des aus den Heizelementen 4 abgezogenen Abgases ausgenutzt, in dem die Abgasleitungen 6 in einer Sammeleinrichtung 7 münden, welche wiederum über eine Leitung 8 mit einer Wärmeübertragungseinheit 9 in Verbindung steht.
Die Wärmeübertragungseinheit 9 befindet sich in einem Vorwärmmodul 3', welches die Vorwärmzone der erfindungsgemäßen Vorrichtung bildet. Nachdem das heiße Abgas die Wärmeübertragungseinheit 9 im Vorwärmmodul 3' durchströmt hat, verlässt es die Wärmeübertragungseinheit 9 über einen Auslass 10.
Die Heizelemente 4 können, je nach Einsatzfall, als Rekuperatorbrenner, Regeneratorbrenner, Sauerstoffbrenner oder Kaltluftbrenner ausgebildet sein.
Zur Verbesserung des Wärmeübergangs in der Vorwärmzone VZ weist die Wärmeübertragungseinheit 9 nicht nur eine besondere Form zur Erzielung einer großen Oberfläche auf, sondern ist darüber hinaus gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung einseitig oder beidseitig berippt und/oder benoppt.
Zur Verbesserung des Wärmedurchgangs besteht die Wärmeübertragungseinheit 9 bevorzugt aus einem besonders wärmeleitfähigen Material wie zum Beispiel Kupfer, Kupferlegierungen oder Aluminium.
Ferner ist 1 noch zu entnehmen, dass die Vorrichtung optional auch noch ein Kühlelement 3'' aufweisen kann, welches der Heizzone HZ nachgeschaltet ist und eine Kühlzone KZ bildet.
In 2 ist ein gegenüber 1 noch verbessertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gezeigt, dabei ist das zuvor angesprochene Kühlelement 3'' verwirklicht, um auch eine aktive Kühlzone KZ zu bilden. Die Kühlzone KZ funktioniert dabei dermaßen, dass erwärmtes Schutzgas/Reaktionsgas aus dem Kühlelement 3'' durch eine Leitung 11 mittels einer Pumpe 12 der Vorwärmzone VZ zugeführt wird, wo es in den Ofeninnenraum 1 eintretende Metallband M im Vorwärmmodul 3' vorwärmen kann. Das abgekühlte Schutzgas verlässt dann über eine weitere Leitung 13 das Vorwärmmodul 3' wieder und strömt zurück in das Kühlelement 3''. Dieser 'zusätzliche Kreislauf' erlaubt eine sehr genaue Temperaturregelung und damit einen hohen Automatisierungsgrad, um den Wirkungsgrad der Vorrichtung weiter zu verbessern.
Eine optimierte Prozesssimulation und Anlagensteuerung sorgen für eine optimale Energieausnutzung bei der Wärmbehandlung.
Auch wenn nicht dargestellt, kann es sich bei dem metallischen Nutzgut auch um auf einem Förderer durch den Ofeninnenraum 1 bewegte Metallkörper wie Blöcke, Bolzen oder dergleichen handeln.

Claims

Vorrichtung zur Wärmebehandlung von metallischem Nutzgut unter Schutzgas-/Reaktionsgasatmosphäre im Durchlaufbetrieb mit einem einen Ofenraum (1) als Heizzone (HZ) umgebenden Ofengehäuse (2) und einer Mehrzahl von in den Ofenraum (1) hineinragenden Heizelementen (4) zur Erwärmung des Ofenraums (1) sowie mit einer der Heizzone (HZ) vorgeschalteten Vorwärmzone (VZ), wobei die Verbrennungsabgase nicht mit dem Nutzgut in Berührung kommen, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ferner eine Sammeleinrichtung (7) zum Auffangen des Abgases der Heizelemente und eine von der Sammeleinrichtung (7) gespeiste und im Inneren der Vorwärmzone (VZ) angeordnete Wärmeübertragungseinheit (9) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beheizung der Heizzone (HZ) Rekuperatorbrenner vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beheizung der Heizzone (HZ) Regeneratorbrenner vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beheizung der Heizzone (HZ) Sauerstoffbrenner vorgesehen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beheizung der Heizzone (HZ) Kaltluftbrenner vorgesehen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheit (9) in der Vorwärmzone (VZ) zur Verbesserung des Wärmeübergangs einseitig oder beidseitig berippt und/oder benoppt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeübertragungseinheit (9) in der Vorwärmzone (VZ) zur Verbesserung des Wärmedurchgangs aus einem besonders wärmeleitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer, Kupferlegierungen oder Aluminium hergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizzone (HZ) ein Kühlelement (3'') nachgeschaltet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Wärmerückgewinnung Leitungen (11, 13) zum Transport von Warmluft vom Kühlelement (3'') in die Vorwärmzone (VZ) vorgesehen sind.