DE3026324A1 - Energiesparender ofen und betriebsverfahren - Google Patents

Description

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Energiesparender Ofen und Betriebsverfahren.

Die Erfindung bezieht sich auf Industrie-Heizeinrichtungen, wie Wärmebehandlungs- oder Sinterofen, die mit einer gesteuerten Gasatmosphäre arbeiten, und insbesondere auf einen neuartigen Aufbau und auf ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Heizeinrichtung. Der Ofen, sein Aufbau und das Betriebsverfahren gemäß der Erfindung sorgen für wesentliche Einsparungen im Energie- oder Leistungsbedarf, um die mit einer gesteuerten Atmosphäre arbeitenden Heizeinrichtungen wirksam zu heizen und zu betreiben.

Wärmebehandlungs- Sinter- und ähnliche Öfen sind bisher nach einer von zwei festgelegten Kategorien oder Systemen aufgebaut. Der eine Ofentyp arbeitet in der Weise, daß das jeweilige Gas der gesteuerten Atmosphäre innerhalb der Heizkammer sich einfach

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über den gesamten Querschnitt der vollständigen Einheit erstreckt oder diesen durchdringt einschließlich irgendwelcher Bereiche jenseits oder außen von den hochwarmfesten Wänden, die die heiße Fläche und den Heiz- oder Sinterkammerbereich bilden und sich zum äußeren Ofengehäuse erstrecken, das im allgemeinen einen im wesentlichen gasdichten Aufbau besitzt.

Der andere Ofentyp für eine gesteuerte Atmosphäre enthält eine gasdichte Muffel- oder Manteleinheit, die das jeweilige atmosphärische Gas innerhalb der Begrenzungen enthält und isoliert, die den Heiz- oder Sinterkammerbereich bilden. Der Raum außerhalb der Muffel- oder Manteleinheit, der gewöhnlich die Wärmeisolation und Heizmittel oder -elemente enthält, weist eine Gasatmosphäre auf, die mit allen Komponenten kompatibel ist, wie beispielsweise der Isolation und der in den Außenteilen eines Muffelofens angeordneten Heizmittel, und deshalb kann sie von der Atmosphäre innerhalb des Muffelofens unterschiedlich sein. Öfen dieser letztgenannten Art mit Muffeleinrichtungen oder gasdichten Isoliermänteln sind in den US-Patentschriften 1 472 401 und 2 064 532 beschrieben.

Muffelofen sind jedoch relativ teuer herzustellen und bei ihnen treten häufig Schwierigkeiten in Bezug auf ihre Betriebssicherheit unter bestimmten Betriebsbedingungen auf, wie beispielsweise die Erreichung und Aufrechterhaltung sehr hoher Temperaturen, die häufig für viele derzeitige Fertigungsverfahren erforderlich sind.

Die Erfindung bezieht sich auf andere Öfen als Muffelofen oder übliche öfen, für einen Betrieb mit gesteuerter Atmosphäre unter Verwendung eines Gases oder von Gasen mit einem relativ leichten Gewicht, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium oder Ammoniakgas, als Atmosphäre, und die Erfindung umfaßt Mittel für eine wesentliche Senkung der WärmeVerluste, die mit dem Betrieb dieser Öfen mit leichten Gasen verbunden sind. Die Öfen gemäß der Erfindung enthalten eine Zusammensetzung von hochwarm-

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festen und isolierenden Komponenten oder Materialien, die so angeordnet sind, daß sie die Heizkammer oder den Bereich bilden und ummanteln, wobei jede der Komponenten oder Materialien in Bezug zueinander in einer geschichteten Folge angeordnet sind, die durch ihre relative Gasdurchlässigkeit bestimmt ist, um so eine eine geringe Durchlässigkeit aufweisende Begrenzung für die Gasströmung und die dadurch erfolgende Wärmeübertragung zu sorgen. Zusätzlich zu dem normalerweise vorgesehenen Gas zur Zufuhr der gesteuerten Atmosphäre in die Heizkammer oder den Bereich derartiger Öfen wird erfindungsgemäß ein zweites Gas mit einem relativ größeren Gewicht als das erste Gas der Heizkammeratmosphäre zur kalten oder äußeren Seite der zusammengesetzten hochwarmfesten und isolierenden Komponenten oder Materialien, die die Ummantelung der Heizkammer bilden, oder zu dem diese verbindenden Bereich zugeführt, und zwar bei einem Druck, der höher ist als der Druck des für die Atmosphäre in der Heizkammer vorgesehenen Gases.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt von einem Ofen gemäß der Erfindung.

Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel des Ofens gemäß der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen Ofen 10 mit einem Gehäuse 12, einer Basis oder einem Fundament 14 aus einer, oder mehreren Einheiten aus hohen Temperaturen widerstehenden keramischen hochwarmfesten Materialien und Wänden 18, wie beispielsweise Seitenwänden 18-18' und einer oberen Wand 18", die die Heizkammer oder den Bereich 16 bilden und deren heiße Fläche darstellen. Das Ofengehäuse ist üblicherweise aus Stahl oder einem anderen wärmebeständigen Metall aufgebaut und besitzt normalerweise einen im wesentlichen

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gasdichten Aufbau. Die Wände 18, die die Heizkammer 16 bilden und deren heiße Flächen darstellen, sind aus einem geeigneten keramischen hochwarmfesten Material geeigneter Temperaturbeständigkeit für den beabsichtigten Zweck aufgebaut, wie beispielsweise aus üblichen feuerbeständigen. Ziegel oder Blöcken. Typische hohen Temperaturen widerstehende keramische hochwarmfeste Materialien besitzen eine gewisse Gasdurchlässigkeit.

Eine Ummantelung 20, die wenigstens einen Körper oder eine Schicht aus einem hochwarmfesten oder isolierenden Material aufweist und vorzugsweise einen Verbundkörper aus einer Kombination derartiger Materialien darstellt, umgibt und überdeckt wenigstens einen wesentlichen Teil der äußeren oder kalten Oberfläche der Wände 18, die die Ofenheizkammer\6 bilden. Die Ummantelung 20 oder ihre Komponenten muß wenigstens bis zu einem gewissen Grad eine Gasdurchlässigkeit besitzen, um eine begrenzte Gasübertragung zu gestatten. Es können jedoch auch gasundurchlässige Metalle verwendet werden oder in der Ummantelung 20 vorgesehen sein, vorausgesetzt, daß Fugen, Verbindungsstellen oder andere Öffnungen in der Metallkomponente in einer Weise vorgesehen sind, daß ein Durchtritt von Gas ermöglicht ist.

Trotzdem sollte die Ummantelung 20 oder wenigstens eine Komponente davon eine relativ geringe Gasdurchlässigkeit haben, so daß sie eine wirksame Begrenzung geringer Durchlässigkeit bildet, die jede wesentliche oder schnelle Strömung oder Wanderung des Gases durch die Ummantelung hindurch und dadurch wiederum eine Wärmeübertragung verhindert bzw. erschwert.

Hohen Temperaturen widerstehende hochwarmfeste und isolierende Materialien, die für die Ummantelung 20, entweder alleine oder in Verbindung mit anderen Komponenten oder Materialien, geeignet sind, umfassen übliche oder im Handel erhältliche keramische hochwarmfeste Ziegel oder Platten und isolierende feuerbeständige Ziegel oder Platten, Metalloxide, wie beispielsweise

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Zirkonoxid oder Aluminiumoxid in verschiedenen Raumformen, wie beispielsweise Tafeln oder Blöcke verschiedener Porositäten, und sogar Hochtemperaturmetalle,. wie beispielsweise Molybdän- und Chromnickellegierungen. Die verwendeten hochwarmfesten oder isolierenden Materialien, ihre Abmessungen, die verwendete Anzahl und Kombinationen oder Anordnungen werden jeweils durch die Betriebstemperaturen für einen gegebenen Ofen oder Zweck, Raumbegrenzungen und ähnlichen praktischen Überlegungen bestimmt, die für jeden Fall oder jeden Einbau bestimmend sind.

Die durch die Wände 18 gebildete Ofenheizkammer 16 und die die Wände 18 umgebende Ummantelung 20 sind alle innerhalb des Ofengehäuses 12 angeordnet und zwar im Abstand dazu, um einen Zwischenraum 22 zwischen dem Gehäuse 12 und der die Heizkammerwände 18 umgebenden Ummantelung 20 zu bilden.

Der Zwischenraum oder die Zwischenräume 22 sind mit einer eine sehr geringe Dichte aufweisenden oder einer stark porösen Hochtemperatur-Isolation 24 versehen, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid-Siliziumoxid-Fasern oder -Partikeln. Ein derartiges aus Feststoffen bestehendes und stark poröses Material wie Isolierfasern oder Granulate sorgt für eine sehr hochgradige Gasdurchlässigkeit und einen kleinen Widerstand für die Gasbewegung und die Strömung durch das Material hindurch.

Die Heizeinrichtung für die Heizkammer oder den Bereich 16 kann irgendein bekanntes System oder eine Vorrichtung umfassen und ist deshalb in der Zeichnung nicht dargestellt. Beispielsweise kann die Wärmequelle elektrische Widerstandsheizelemente umfassen, wie beispielsweise übliche Calrod-Einheiten, oder, für höhere Temperaturen, Molybdän-Widerstandsheizeinrichtungen.Die Heizeinheiten oder -elemente können an der oberen oder den Seitenwänden auf der Innenseite der Heizkammer oder des Bereiches 16 oder an jederanderen geeigneten Stelle angebracht oder montiert sein.

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Die Heizkammer oder der Bereich 16 enthält Mittel zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer gesteuerten Atmosphäre eines bestimmten Gases innerhalb der Heizkammer 16, wie beispielsweise eine Leitung 26, die die Heizkammer 16 mit einer Quelle eines geeigneten Gases verbindet, wie beispielsweise Wasserstoff oder Helium. Es sind ferner Mittel (nicht gezeigt) vorgesehen zum Abziehen des atmosphärischen Gases oder der Gase und entweder zum Auffangen des Gases für eine Wiederverwendung oder zum Verbrennen, wenn ein brennbares Gas verwendet ist.

Gemäß der Erfindung ist der Zwischenraum oder die Räume 22, die eine stark poröse Isolation 24 enthalten, mit einer Verbindung, wie beispielsweise einer Leitung 28, mit einer Quelle eines Gases verbunden, das ein relativ höheres Gewicht besitzt als das Gas, das die Atmosphäre innerhalb der Heizkammer 16 bildet und das über die Leitung 26 zugeführt wird. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, wie beispielsweise Druckmesser und Ventile in diesen Leitungen, um das relativ schwerere Gas in den Zwischenraum oder die Räume 22 bei einem Druck zuzuführen, der höher ist als der Druck des relativ leichteren Gases in der Heizkammer 16.

Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung zum Betreiben eines Ofens oder einer Heizvorrichtung für einen Betrieb mit gesteuerter Atmosphäre und einem verbesserten Energie-Wirkungsgrad wird zusätzlich zu der üblichen Erzeugung und Aufrechterhaltung der gesteuerten Atmosphäre innerhalb der Heizkammer durch eine kontinuierliche Zufuhr eines geeigneten Gases zur Heizkammer aus einer Einspeisung über die Leitung 26 ein zweites Gas in den Ofen 10 eingeführt. Das zweite Gas wird dem Ofen 10 zugeführt, indem es über die Leitung 28 in den Zwischenraum oder die

wird
Räume 22 eingeführtlf die sich zwischen dem Ofengehäuse 12 und der Ummantelung 20 auf den Wänden 18 befinden und das stark poröse Isoliermaterial 24 enthalten.

Das zweite Gas muß ein relativ größeres Gewicht als das erste Gas aufweisen, das über die Leitung 26 in die Heizkammer 16 einge-

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führt wird. Zusätzlich muß das zweite und schwerere Gas in den Ofen 10 mit einem Druck eingeführt werden, der höher als der Druck des ersten oder in die Heizkammer eingeführten Gases ist.

Figur 2 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel· der Erfindung mit Einzelheiten, das einen eine gesteuerte Atmosphäre aufweisenden Sinterofen 10 mit einem Stahlgehäuse 12 und einem hochwarmfesten Blockfundament 14 und hochwarmfesten Ziegelseitenwänden 18 - 18' und eine Oberwand 18" aufweist, die die Heizkammer 16 und deren heiße Fläche bilden. Der hochwarmfeste Ziegel der Heiζkammerwände besteht aus etwa 11 cm dickem Aluminiumoxid-Porenziegel (NORTON AN599).

In diesem Ausführungsbeispiel· umfaßt die Ummanteiung 20, die die äußere oder kaite Ober^ache der Wände 18 umgibt und überdeckt, die die Ofenheizkammer 16 biiden, eine Zusammensetzung aus sehr hohen Temperaturen widerstehenden hochwarmfesten und isoiierenden Materiaiien, die eine gewisse reiativ kieine Gasdurchiässigkeit besitzen. Die ümmanteiung 20 gemäß diesem Ausführungsbeispiel· der Erfindung enthäit eine Schicht 30-30' 30", die aus 0,25 mm (0,010 Zoil·) dicken Biechen aus Nk^ybdanmetall besteht und an die kalte Außenfläche der Wände 18 der Heizkammer 16 angrenzt, dann eine Schicht 32-32' - 32", die aus einer 25 mm (1 Zoil·) dicken faserigen Isolierpiatte aus Zirkondioxid (ZIRCAR Products 2YF B3) besteht, und danach foigt eine Schicht 34-34' - 34" aus einer 25 mm (1 Zoil·) dicken Isoüerpiatte aus Al·uminiumdioxid (RIM Products A A20) .

Die Räume 22-22" - 22" zwischen dem Ofengehäuse 12 und der Ummantelung 20 sind mit einer Isoiation aus hochwarmfesten Aluminiumdioxid-Fasern oder "Wolle" (SAFFIL Aluminiumdioxid HT-Fasern) gefüllt und zu einer Dichte von etwa 0,112 g/cm> (7 pounds per cubic foot) verdichtet.

Der Ofen war mit elektrischen Molybdän-Widerstands-Heizelementen versehen, die von der oberen Wand 18" der Heizkammer 16 abgehängt waren.

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Der vorstehend beschriebene, eine gesteuerte Atmosphäre aufweisende Sinterofen gemäß einem speziellen praktischen Ausführungsbeispiel wurde dazu verwendet, die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile festzustellen, wobei Aluminiumoxid-Ziegel als Proben zum Sintern und eine gesteuerte Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniak innerhalb der Heizkammer 16 verwendet wurden, das über die Leitung 16 zugeführt wurde. Der Zusatz eines zweiten und schwereren Gases, in diesem Fall Stickstoff, bei einem leicht ho'herem Druck als das zugeführte Ammoniak in die Räume 22 zwischen dem Gehäuse und der Ummantelung führte zu einer Senkung um 18% beim elektrischen Energieverbrauch durch den Ofen im Vergleich zu dessen Betrieb bei identischen Bedingungen, abgesehen von der Verwendung des zweiten Gases, für das hier Stickstoff verwendet wurde.

Als ein geringes Gewicht aufweisende Gase für den Betrieb mit gesteuerter Atmosphäre können Wasserstoff, Helium, Methan und Ammoniakgas verwendet werden, wogegen zu den möglicherweise geeigneten schwereren Gasen für die Durchführung der Erfindung Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon und deren Mischungen gehören.

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Claims (12)

Patentansprüche

1. Ofen für einen Betrieb mit gesteuerter Atmosphäre , gekennzeichnet durch

(a) eine Heizkammer (16) mit Wänden (18) aus einem gasdurchlässigen, hochwarmfesten Material, die wenigstens einen Teil der heißen Fläche der Kammer bilden,

(b) ein im wesentlichen gasundurchlässiges Ofengehäuse (12), das wenigstens einen Teil der Heizkammer (16) im Abstand zu den gasdurchlässigen Wänden (18) umgibt und dazwischen einen Zwischenraum (22) bildet,

(c) ein stark poröses thermisches Isoliermaterial (24), das in dem Raum (22) zwischen dem Ofengehäuse (12) und den gasdurchlässigen Wänden (18) der Heizkammer

(16) angeordnet ist,

(d) Mittel (26) zur Zufuhr eines relativ leichten Gases in die Heizkammer (16), und

(e) Mittel (28) zur Zufuhr eines relativ schweren Gases

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in. den Raum (22) zwischen dem Ofengehäuse (12) und den gasdurchlässigen Wänden (18) der Heizkammer (16) bei einem Druck, der höher ist als der Druck des relativ leichteren Gases innerhalb der Heizkammer (16).

2. Ofen nach Anspruch 1 ,dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich eine Ummantelung (20) aus einem Material relativ niedriger Gasdurchlässigkeit vorgesehen ist, das wenigstens einen Teil der kalten Außenfläche der Wände (18) aus dem gasdurchlässigen hochwarmfesten Material überdeckt, die die Heizkammer (16) bilden.

3. Ofen nach Anspruch 2 ,dadurch gekennzeichnet , daß das gasdurchlässige hochwarmfeste Material ein keramischer Stoff ist und die Ummantelung

(20) hitzebeständig ist.

4. Ofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die aus einem Material mit einer relativ kleinen Gasdurchlässigkeit bestehende Ummantelung (20) mehrere Schichten aus hochwarmfesten Materialien umfaßt.

5. Ofen nach Anspruch 3 oder 4 , dadurch gekennzeichnet , daß die Ummantelung (20) ein dünnes Metallblech enthält.

6. Ofen nach Anspruch 5,dadurch gekennzeichnet, daß das dünne Metallblech in der Ummantelung (20) Molybdän aufweist.

7. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (20) eine Schicht aus Zirkondioxid enthält.

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8. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Ummantelung (20) eine Schicht aus Aluminiumdioxid enthält.

9. Ofen nach einem der Ansprüche 3 bis 8 ,dadurch gekennzeichnet , daß das gasdurchlässige hochwarmfeste Keramikmaterial der Heizkammerwände feuerfeste Ziegel umfaßt.

10. Ofen für einen Betrieb mit gesteuerter Atmosphäre , gekennzeichnet durch

(a) eine Heizkammer (16) mit Wänden (18) aus einem gasdurchlässigen hochwarmfesten Keramikmaterial, die wenigstens einen wesentlichen Teil der heißen Fläche der Heizkammer (16) bilden,

(b) eine ummantelnde Grenzschicht (20), die ein Material mit einer relativ niedrigen Gasdurchlässigkeit aufweist, welches wenigstens einen Teil der kalten Außenfläche der Wände des gasdurchlässigen hochwarmfesten Keramikmaterials überdeckt, das die Heizkammer (16) bildet, wobei die ummantelnde Grenzschicht (20) ein dünnes Blech aus Molybdän, das an der kalten Außenfläche der Wände der Heizkammer angrenzt, eine Schicht aus Zirkondioxid, die an dem Molybdänblech angrenzt, und eine Schicht aus Aluminiumdioxid aufweist, die an dem Molybdänblech angrenzt,

(c) ein im wesentlichen gasundurchlässiges Ofengehäuse (12), das wenigstens einen Teil der Heizkammer im Abstand zu den ummantelten gasdurchlässigen Wänden umgibt zur Bildung eines Zwischenraumes (22) dazwischen,

(d) ein hoch-poröses thermisches Feststoff-Isoliermaterial (24), das in dem Raum (22) zwischen dem Ofen-

. gehäuse (12) und den ummantelten gasdurchlässigen Wänden (18) der Heizkammer (16) angeordnet ist,

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(e) Mittel (26) zur Zufuhr eines relativ leichten. Gases in die Heizkammer (16) zur Bildung einer Gasatmo'sphäre darin, und

(f) Mittel (28) zur Zufuhr eines relativ schweren Gases in den Raum (22) zwischen dem Ofengehäuse (12) und den ummantelten gasdurchlässigen Wänden (18) der Heizkammer (16) bei einem Druck, der höher ist als der Druck des relativ leichteren Gases, welches eine Atmosphäre in der Heizkammer (16) bildet.

11. Verfahren zum Betreiben eines Ofens mit einer gesteuerten Atmosphäre ,dadurch gekennzeichnet, daß

(a) eine Ofenkammer für einen Ofen mit Wänden aus einem gasdurchlässigen hochwarmfesten Material gebildet wird, die wenigstens einen Teil der heißen Fläche der Heizkammer darstellen,

(b) Mittel zur Zufuhr von Wärme zur Heizkammer ausgebildet werden,

(c) ein im wesentlichen gasundurchlässiges Ofengehäuse gebildet wird, das wenigstens einen Teil der Heizkammer im Abstand zu den gasdurchlässigen Wänden umgibt und dadurch einen Zwischenraum dazwischen bildet,

(d) ein stark poröses thermisches Isoliermaterial in dem Raum zwischen dem Ofengehäuse und den gasdurchlässigen Wänden der Heizkammer angeordnet wird,

(e) ein relativ leichtes Gas in die Heizkammer eingeführt wird, und

(f) ein relativ schweres Gas in den Raum zwischen dem Ofengehäuse und den gasdurchlässigen Wänden der Heizkammer bei einem Druck eingeführt wird, der höher als der Druck des relativ leichteren Gases in der Heizkammer ist.

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12. Verfahren nach Anspruch 11 ,dadurch gekennzeichnet , daß das relativ leichte Gas, das in die Heizkammer eingeführt wird, Wasserstoff, Helium, Ammoniakgas oder Mischungen davon ist,und daß das relativ schwere Gas, das in den Raum zwischen dem Ofengehäuse und den gasdurchlässigen Wänden an der Heizkammer eingeführt wird, Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Neon, Argon, Krypton, Xenon, Radon oder Mischungen davon ist.

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