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Vorrichtung zum beschleunigten Kühlen von Chargen in Hochöfen mit
Zwangsumlauf und gesteuerter Atmosphäre Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung
zum beschleunigten Kühlen von Chargen in Hochöfen mit Zwangsumlauf und gesteuerter
Atmosphäre, wobei die Vorrichtung bei Hochöfen mit einem zentralen Gebläse verwendbar
ist, und insbesondere auf Temperöfen für kaltgewalzte Stahlbleche.
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Hochöfen der genannten Gattung sind insbesondere zur Erzeugung von
Blechen für Kraftfahrzeugrahmen, sowie von Weißblech und anderen Produkten von grundlegender
Bedeutung
und ersetzen zunehmend die bislang für die Herstellung von Stahlblech verwendeten
Vorrichtungen, Folglich wird dadurch eine zunehmende Zahl von Anlagen bedingte die
die größeren Eisen- und Stahihütten ergänzen. Selbstverständlich kann das Verfahren
auch bei Glockenöfen Jederzeit zum Tempern anderer ei sein haltiger und eisenfreier
Materialien, und bei Bedarf auch bei anderen Hochofenarten angewendet werden.
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Zum besseren Verständnis der erfindungsgemäßen neuen Kihlvorrichtung
und zur näheren Erlåuterung der damit verbundenen und im Vergleich zu den derzeit
verwendeten Vorrichtungen auftretenden Vorteile wird auf die technischen Merkmale
eines GlockenoSens, seine Arbeitsweise und eine kurze Zllsmmonfassung auf die häufiger
angewendeten Kühlverfahren Bezug genommen.
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Unter Glockenöfen versteht nan Einheiten mit variabler Größe, welche
Chargen von einigen Hundert Kilogramm bis zu 50 Tonnen und mehr aufnehmen können.
Wie bereits erwähnt, sind diese Öfen zum Tempern von kaltgewalztem Stahlblech vorgesehen.
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Jede Einheit besteht aus der sogenannten Heizglocke, einem beweglichen
Bauteil mit den elektrischen Widerständen, KUhl- oder Helzrohren, Wärmegeneratoren,
und Wärme isolierungen, Auskleidungen, Metallrahmen usw.
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Für die Chargen sind eine oder mehrere Grundplatten vorgesehen, die
beim Betrieb zur Isolierung von der Außenluft durch die sogenannte Schutzglocke
abgedeckt werden,
innerhalb welcher eine Schutzatmosphäre zur Verhinderung
der Oxidation der Charge während des Verfahrens geschaffen wird.
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Um eine gleichmäßige Temperatur an allen Stellen der Charge zu erhalten,
und um die Erwärmung und Abkühlung zu beschleunigen, ist ein Gebläse oder eine Luftschraube
zur Luftumwälzung vorgesehen, wodurch mit der Schutzglocke Wärme ausgetauscht wird,
diese an die Charge während der Erwärmung weitergegeben, bzw. von der Charge beim
Abkühlen nach außen abgegeben wird; natürlich kommt dazu noch die durch Abstrahlung
erzeugte Erwärmung.
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Die Anzahl der für eine optimale Arbeitsleistung jeder Einheit erforderlichen
Grundplatten hängt von dem jeweiligen Arbeitszyklus ab, d.h. ob erwärmt oder gekühlt,
bepder entladen wird, ob der Behälter gereinigt wird, usw., da die Heizglocke fortlaufend
bestimmte Platten erwärmen muß, während andere nacheinander die angegebenen Arbeitsvorgänge
durchlaufen.
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Daraus folgt, daß de Abkühlzeit für die Verwendung der Grundplatten
von Bedeutung ist, weshalb die größeren Fachbetriebe in der ganzen Welt viel Mühe
auf die Entwicklung und Untersuchung der Arbeitsgänge verwenden, und um die Abkühlung
zu beschleunigen. Durch eine rasche Abkühlung kann die Anzahl der Grundplatten für
ein und denselben Arbeitsgang verringert werden, woraus sich für die Größe der.Anlage,
die Kosten usw. Vorteile ergeben.
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Außerdem ist die Möglichkeit, bereits bestehende Anlagen zu modernisieren,
ebenfalls von Interesse, indem die Prot
duktion einfach dadurch
erhöht wird, daß Heizglocken hinzugefügt werden, während die Anzahl der Grundplatten
beibehalten wird.
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Zusammenfassend ist zu sagen, daß der Arbeitsvorgang in einer Einheit
folgendermaßen abläuft: Die zu bearbeitende Charge wird - gewöhnlich in mehreren
Rollen -auf einer Grundplatte aufgelegt; anschließend wird die Charge durch eine
Schutzglocke abgedeckt, wodurch der von einer gesteuerten Atmosphäre einzunehmende
Raum begrenzt wird; dann findet der entsprechende Reinigungsvorgang statt und der
gesamte Aufbau wird mit der Heizglocke abgedeckt. Diese wird eingeschaltet, worauf
sich die Temperatur der Grundplatten, wie auch die Temperatur der Schutzglocke und
der Charge, erhöht bis die zur Bearbeitung erforderliche Temperatur erreicht ist.
Diese wird genügend lange aufrechterhalten oder kann bei einer besonderen Bearbeitung
nach einem festgelegten Plan verändert werden.
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Nach Zuführung der zur wirksamen Durchführung der jeweiligen Bearbeitung
erforderliche Wärmeenergie, wird die Heizglocke entfernt, worauf die Abkühlung in
der Schutzglocke eingeleitet wird. Nach Beendigung der Abkühlung und Entfernung
der Schutzglocke wird die Grundplatte entladen. Nun ist die erste Grundplatte für
einen neuen Arbeitsvorgang bereit.
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In der Zwischenzeit kann sich die zweite Grundplatte in einem früheren
Stadium befinden, z.B. bei der Erwärmung, Abkühlung, usw.; damit die Heizglocke
immer in Betrieb
ist, sind eine Anzahl dieser Grundplatten notwendig;
diese Anzahl hängt von der Dauer der aufeinanderfolgenden Arbeitsvorgänge ab, die
zwei, drei, vier, fünf oder, in besonderen Fällen, mehr betragen können.
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Bei herkömmlichen Anlagen erfolgt die Abkühlung der Glockenöfen durch
Wärmeaustausch zwischen der Charge und der Außenluft, indem das Blech, aus dem die
Schutzglocke hergestellt ist, leitend ist.
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Die Wärme wird von der Charge an das genannte Blech durch Abstrahlung
und Wärmeübertragung, und durch dieselbe Erscheinung von dort nach außen übertragen.
Wie bereits erwähnt, wird die Abkühlung durch forcierte Zirkulation beschleunigt,
die innerhalb der Schutzglocke aufrechterhalten wird. Um dieselbe Wirkung zu erzielen,
kann die Luftzirkulation außerhalb zur Glocke hin mittels einer entsprechenden Anlage
beschleunigt werden; manchmal kann auch das Außere den Glocke mit kaltem Wasser
besprüht werden.
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Wie schon erwähnt, versuchen Fachleute auf der ganzen Welt die Abkühlung
immer mehr zu beschleunigen, um damit die Arbeitsleistung dieser Öfen zu verbessern,
wobei sie verschiedene Vorrichtungen untersuchten und patentieren ließen, die mehr
oder weniger erfolgreich sind.
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Im folgenden werden nun einige dieser Vorrichtungen beschieben, die
am häufigsten verwendet werden: Bei einer Vorrichtung wird ein Teil der innerhalb
des Ofens zirkulierenden Luft mittels eines Schlauches von
der Grundplatte
abgezogen, in einer in Wasser getauchten Kühlschlange gekühlt und anschließend wieder
dem System zugeführt. Natürlich wird dieser Arbeitsgang durch ein Gebläse an der
Grundplatte beschleunigt; normalerweise sollten zwei Kühler pro Platte vorgesehen
sein.
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Bei einem anderen System wird ähnlich verfahren; hier wird jedoch
die Luft durch ein unabhängiges Gebläse bewegt und durch das zusätzliche Kühlsystem
geleitet.
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Schließlich besteht eine dritte bekannte Vorrichtung darin, daß eine
vorgegebene Anzahl hitzebeständiger Stahlschlangen in den in der Grundplatte vorgesehenen
Gasstrom und an den geeignetsten Stellen des Luftverteilerringes gesetzt wird; beim
Abkühlen wird Wasser durch diese Schlangen geleitet.
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Bei all diesen Vorrichtungen treten einige Nachteile auf, die bis
jetzt noch nicht vermieden werden können und im Grunde genommen auf der folgenden
Tatsache beruhen: Bei der zuerst genannten Vorrichtung wird nur ein Teil der zirkulierenden
Luft aufgenommen> wobei dieser Anteil schätzungsweise ein Viertel bis ein Achtel
des Luftvolumens beträgt. Damit sind umfangreiche Anlagen unterhalb der Grundplatte
erforderlich, wodurch wieder um besondere Fundamente benötigt werden, d.h. weshalb
schon mehr richtige Grundbauten statt eines einfachen
Sockels erforderlich
sind.
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Aus dem vorhergehenden wird ersichtlich, daß diese Vorrichtung hohe
Anlagekosten mit sich bringt und einer Modernisierung der Anlage im Wege stehen
kann> wenn diese nicht vorher geplant war.
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Bei der zweiten Vorrichtung kann eine größere Menge zirkulierenden
Gases aufgenommen und wieder in Umlauf gesetzt werden, wodurch unterhalb der Grundplatte
weniger Platz erforderlich ist, jedoch wird der Stromverbrauch beträchtlich erhöht,
und die bei dem ersten Vorschlag festzustellenden Nachteile werden auch hier nicht
vermieden. Da ein Teil des Kühlsystems mit negativem Druck arbeitet, kann leicht
auch Luft mit aufgenommen werden, wodurch die Bedingungen für die Atmosphäre verschlechtert
werden und die Charge oxidiert.
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Der dritte Vorschlag unterscheidet sich vorteilhaft von den beiden
anderen dadurch, daß das gesamte zirkulierende Gas durch die Kühlschlangen geführt
wird, jedoch taucht hier der Nachteil auf, daß bei vorgeebenem, zur Verfügung stehendem
Raum, der begrenzt ist, die Größe der Kühlschlangen in Grenzen gehalten wird.
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Andererseits unterliegen die genannten Kühlschlangen der Betriebstemperatur
des Ofens, die beim Erwärmen und Tempern etwa 7000C beträgt, so daß bei Erreichung
des Abkühlvorgangs kaltes Wasser durch die Leitungen geführt wird und damit ein
unvermeidlicher schwerer
Temperaturschock auStritt, welcher der
Grund für Schäden sein kann, jedoch vor allem die Lebensdauer der Anlage verringert.
Außerdem stellen die im Strom im Verteilerring der Grundplatten angeordneten Kühlschlangen
ernstzunehmende Behinderungen für die Gaszirkulation dar, die zu einem Verlust beim
Ertrag führen.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es nun, eine Vorrichtung der genannten
Gattung zu schaffen, bei der trotz einfachster Bauweise das gesamte im Hochofen
zirkulierende Gas zur Kühlung der Charge verwendet, und welche leicht in bestehende
Anlagen eingebaut werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art dadurch gelöst, daß am Boden des Ofens eine mit Wasserkühlschlangen
versehene Gaskühlkammer angeordnet ist, wobei die Kammer zwischen einem Hitzeisolator
und einer den Boden des Ofens bildenden Metallgrundplatte vorgesehen ist, und daß
das Gas in die Kammer über Ventile einströmt, wobei ein ringförmiger Raum zur RUckleitung
des gekühlten Gases zwischen der Kammer und einer Schutzglocke vorgesehen ist.
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Die hauptsächlichen Vorteile dieser Vorrichtung für Kühlgas in einem
geschlossenen Umlaufsystem in Glockenöfen können folgendermaßen zusammengefaßt werden.
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1. Die Gasaufnahme durch Ventile kann aufgrund der Art des verwendeten
Verteilerringes erfolgen, der bei allen
Gasverteilerleitungen so
verwendet wird, daß trotz Verlust durch Fugen 100 des zirkulierenden Gases verteilt
und durch den Kühler geleitet werden können7 wobei angesichts des vorgenannten Verlustes
mehr als 80% in Zirkulation gehalten werden können.
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2. Durch mehr oder weniger starke Betätigung der Ventile kann das
verteilte Gas in soviel Abstufungen gesteuert werden wie Ventile vorhanden sind;
folglich kann auch die Abkühlgeschwindigkeit gesteuert werden.
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Ebenso leicht können die Ventile mehr oder weniger stark geöffnet
werden, wodurch die genannte Steuerung fortlaufend erfolgen kann.
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5. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, gibt es für die freie Zirkulation in
der Grundplatte bei geschlossenen Ventilen keinerlei Widerstand und keine Störung
beim Erwärmen oder Tempern.
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4. Die Kühlschlange und daugehörige Kühlsystem werden während des
gesamten Vorgangs mit Wasser durchströmt, wobei sich nur der Durchfluß entsprechend
dem jeweiligen Bedarf verändert. Auf diese Weise wird der für die Lebensdauer der
Rohre so nachteilige Temperaturschock vermieden 5. Die Verwendung modernster hitzebeständiger
Isoliermaterialien bei der Herstellung der Grundplatten eröffnet neue Perspektiven
für die erfindungsgemäßen Vorrichtungen. Dabei ist eine Verringerung der herkömmlichen
Dicke der hitzebeständigen Auskleidung
und Isolierung der Grundplatte
um 50% möglich, so daß eine vollständig gekühlte Grundplatte mit einer Dicke erzielt
werden kann> wie sie bisher bei nicht gekühlten Grundplatten üblich war. Deshalb
ist es möglich, bereits bestehende Anlagen mit geringen Kosten zu modernisierenß
weil Bauarbeiten für Fundameint, Unterbau, usw. nicht erforderlich sind und die
wesentlichen Teile der Ofen nicht ausgetauscht werden müssen, da weder der Aufbau
der Glocken noch die Zusammensetzung der Grundplatten verändert wird. Die Modernisierung
ist in diesem Fall nur auf den Austausch der Bodenauskleidung mit einer neuen Auskleidung
beschrankt, zusätzlich zu den Kühlteilen, die genau denselben Raum einnehmen können.
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6. Eine genaue mathematische Untersuchung der Verluste bei der Charge,
die in den beiden Phasen der Erwärmung und Temperung und der Abkühlung auftreten,
zeigt, daß es sehr einfach ist, die verschiedenen Bauteile des Systems im Verhältnis
zueinander so zu verteilen, daß die Verluste durch Druck in beiden Richtungen dieselben
sind, wodurch die Arbeitsbedingungen der Einheit für Motor und Gebläse bei besten
Arbeitsergebnissen aufrechterhalten werden.
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Zur näheren Erläuterung der Erfindung wird im folgenden eine genaue
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gegeben. Es zeigen: Fig.
1 eine Schnittansicht durch einen Glockenofen, in welchem alle Teile des erfindungsgemäßen
Kühlsystems
eingebaut sind, wobei die Symmetrieachse der Zeichnung diese in zwei Teile teilt:
in der rechten Hälfte ist der Umlaufkreis des zirkulierenden Gases bei Erwärmung
und Temperung der Charge dargestellt, während in der linken Hälfte das System in
der Kühlphase abgebildet ist; Fig. 2 eine schematische Draufsicht auf den Ofen aus
Fig. 1, wobei die Heizglocke weggelassen wurde.
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Das erfindungsgemäße Kühlsystem umfaßt die folgenden Teile: Am Grunde
des Ofens ist zwischen einer Metallgrundplatte 15 und einem feuerfesten Hitzeisolator
4 mit genügend hoher Isolierfähigkeit eine Kammer 11 angeordnet; eine Wasserkühlschlange
6 ist in dieser Kammer angeordnet. Weitere zusätzliche Kühlrohre 12 sind an der
Metallgrundplatte 15 angeschweißt.
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Eine Reihe von acht Ventilen 2 sind nahe dem Umfang des zentralen
Gebläses 1 angeordnet, die sich mittels eines Betätigungsmechanismus 5 öffnen (heben)
oder schließen (senken) können. Senken oder öffnen sich die Ventile, so wird das
durch das Gebläse 1 angetriebene Gas durch die Ventile in die Kammer 11 geleitet,
wo es Wärme abgibt, und wieder in den Bereich der Charge durch den zwischen der
Kammer 11 und der Schutzglocke 9 angeordneten Ring zurückgeleitet wird.
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Die Anordnung der Ventile nahe dem Umfang des Gebläses
ist
außerordentlich wichtig, damit das Gas so rasch wie möglich an die Ventile gelangen
und durch kleine Abschnitte geleitet werden kann. Die bestmögliche Anordnung für
die Verteilerringe ist derart, daß die Verteiler zum Leiten des Gases eine solche
Länge aufweisen, daß daß einen den Umfang des Gebläses erreichen, während die anderen
nachfolgenden kürzer sind.
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Diese Anordnung ähnelt den amerikanischen Rolec-Verteilern.
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Die beiden Arbeitsgänge im Ofen, d.h. die Erwärmung und Abkühlung,
verlauten folgendermaßen: Beim Erwärmen und Tempern (rechter Abschnitt in Fig. 1)
strählen die Widerstände 14 auf der Heizglocke 15 Wärme an die Schutzglocke 9 ab.
Die Pfeile deuten an, daß die vom Gebläse 1 angetriebene Luft durch den. Verteilerring
5 geführt wird, zur Grundplatte austritt, und auf ihrem vertikalen Weg entlang der
Schutzglocke erwärmt wird; sie tritt dann in Konvektoren 10 ein, gibt ihre Wärme
an die Charge 8 ab und bewegt sich dann durch den durch die kreisförmige Form der
Kühlschlangen freigelassenen Raum nach unten und tritt schließlich wieder durch
das Gebläse 1 in einen neuen Umlauf ein. Bei diesem gesamten Arbeitsvorgang blieben
die Ventile 2 geschlossen.
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Nach dem Tempern, dessen Umlaufphase beschrieben wurde, beginnt die
Abkühlung der Charge (linke Seite in Fig. 1).
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Zunächst wird natürlich die Heizglocke 15 entfernt und die Ventile
2 werden angehoben. Folglich wird das vom Gebläse 1 angetriebene Gas durch die geöffneten
Ventile eingezogen und durch Leitungen geführt, die quer zur Auskleidung der unteren
Kammer 11 verlaufen, wo es durch (nicht abgebildete) Ablenkflächen durch eine Kühlschlange
6 geführt wird, in welcher kaltes Wasser zirkuliert, wobei weiterhin durch die Berührung
mit der am Boden angeordneten Grundplatte 15 Wärme abgegeben wird, die durch daran
angeschweißte Wasserrohre 12 gekühlt wird. Das Gas, das bereits einen Teil seiner
Wärme auf seinem Weg durch die Kammer 11 abgegeben hat, tritt durch den der Glocke
am nächsten liegenden Ring aus, nimmt von der Charge Wärme auf, und folgt dem selben
Weg wie bei der Erwärmung, wobei es wieder durch das Gebläse und in die Kammer 11
eintritt und dabei weitere Wärmeenergie verliert.
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Es liegt auf der Hand, daß im Rahmen der Erfindung verschiedene Modifizierungen
und AnderungeSe nach der angestrebten Verwendung möglich sind, ohne vom Schutzumfang
der Erfindung abzuweichen, wobei dieser aus den beigefügten Ansprüchen ersichtlich
ist.