DE3131200C2

DE3131200C2 - Metallheizofen

Info

Publication number: DE3131200C2
Application number: DE3131200A
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yokohama Kanagawa Hasegawa; Susumu Suginami Izumi; Naoki Himeji Otsuki; Osamu Mitaka Takeuchi
Original assignee: IHI Corp; Nippon Steel Corp
Current assignee: IHI Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1980-08-06
Filing date: 1981-08-06
Publication date: 1986-05-07
Also published as: FR2488277B1; FR2488277A1; JPS5732321A; GB2081433B; DE3131200A1; GB2081433A; US4388068A; JPS595646B2

Abstract

Bei einem Heizofen (1) erstrecken sich Strahlungsrohre (3) breitenmäßig so in den Ofen hinein, daß Verbrennungsprodukte in den Ofen hinein entladen werden, wodurch Halbprodukte, wie z.B. Walzplatten, die durch den Ofen transportiert werden, auf die gewünschten Walztemperaturen aufgeheizt werden.

Description

20

Die Erfindung betrifft einen Metallheizofen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Metallheizöfen werden stromaufwärts eines Warmwalzwerkes installiert, wo sie Halbfabrikate (5) wie beispielsweise Walzplatten, Knüppel oder Walzblöcke auf geeignete Walztemperaturen aufheizen.

Bei bekannter. Metallheizöfen werden Brennstoffe direkt in Brennern in dem Ofen verbrannt, so daß die Halbprodukte Huf ihre geeigneten Walztemperaturen aufgeheizt werden, und zwar im wesentlichen durch Energien, die von strahlenden Rosu. 3, Gasen und Ofenwänden abgestrahlt werden.

Bei einem derartigen Heizofen wird die Mischung aus Brennstoffgasen und Verbrennungsluft aus den Brennern in einem Ofenraum verbrannt. Folglich war es bei einem jüngst errichteten Heizofen, der eine beträchtliche Größe hatte (beispielsweise 10 bis 15 m Breite und bis 50 m Länge), äußerst schwierig, gleichförmige Temperaturverteilungen in dem Ofen zu erhalten, insbesondere wegen der nachfolgend beschriebenen Gründe:

(1) Im Falle eines seitlich befeuerten Ofens, bei dem die Brenner durch die Seitenwände des Ofens ragen, muß die Flammentemperaturverteilung beispielsweise über eine Länge von 6 m von jeder Seitenwand her gleichförmig sein, wenn der Ofen 12 m breit ist. Bei dem bekannten direkt befeuerten (6) Heizofen haben die Seitenbrenner eine kurze Länge und sind an den Seitenwänden offen. Selbst wenn die Verbrennungsmischung gezwungen wird, durch die Brenner mit hohen Energien oder Drükken ausgegeben zu werden, so können sich die Flammen im Ergebnis lediglich über 3 bis längstens

4 m ausbreiten. Folglich sind die Temperaturen am Mittelteil des Ofens beträchtlich niedriger, als die in der Nähe der Seitenwände. Folglich erreicht die 60 (7) Temperaturdifferenz 100⁰C oder mehr.

(2) Die von direkt befeuerten Brennern ausgegebenen Brennstoffe und Verbrennungsluft werden gemischt, gezündet und in dem freien Raum des Ofens verbrannt, so daß die Mischungsbedingungen sich in Abhängigkeit von der gewünschten Verbrennungskapazität oder den Verbrennungsforderungen in einem großen Bereich ändern. Hieraus resultiert eine große Temperaturdifferenz der Flammen selbst

Zusätzlich wird die Flammenlänge um so kürzer und die Energie mit der die Luft/Brennstoff-Mischung über Düsen ausgegeben wird, um so geringer, je kleiner die Verbrennungskapazität ist. Folglich werden die Flammen gekrümmt _und »taumeln«. Dies bedeutet, daß die Flammen aarch die Fluß- und Strömungskräfte der Gase in dem Ofen verteilt werden, so daß die Flammenfronten den Mittelteil des Ofens nicht erreichen können. Folglich tritt eine große Temperaturdifferenz in dem Ofen auf.

Bei einem kürzlich konstruierten Heizofen mit beträchtlicher Größe, wie er von Frank J. Vereecke, »Furnace Design Improvements«, industrial heating, 10,1977, Seiten 22 bis 24, beschriebet; ist, muß ein Schwenk- bzw. Hubbalken oder ein Stößer eingebaut werden. In diesem Falle müssen viele wassergekühlte Strukturen in dem unteren Teil des Ofens installiert werden, um die aufheizenden Zwischenprodukte abzustützen und ebenso die Hubbalken selbst Folglich ist die Anordnung von Brennern strukturell begrenzt Zusätzlich fluktuieren die Flammen und ändern ihre Länge, so daß die Temperaturdifferenz in dem Ofen vergrößert wird. Es wurde ein sogenannten Axial-Brenner-System entwickelt und in der Zeitschrift Iron and Steel-Engineer, Mai 1979, Seiten 60 bis 66, beschrieben, bei dem direkt befeuerte Brenner in Längsrichtung oder axial des Ofens angeordnet waren, so daß die oben beschriebenen Probleme gelöst wurden. In diesem Falle können jedoch die Brenner zur Vermeidung einer wechselseitigen Beeinflussung bzw. Störung mit den wassergekühlten Stützstrukturen im unteren Teil des Ofens nicht so angeordnet werden, daß sie eine optimale Bedingung bzw. optimale Umgebung für das Aufheben der Halbfabrikate erreichen. Zusätzlich ist die Anzahl der Brenner begrenzt, so daß die Leitung jedes einzelnen Brenners vergrößert werden muß. Folglich tritt eine Temperaturdifferenz in Breitenrichtung in dem Heizofen auf und ist besonders stark ausgeprägt zwischen den Teilen, an denen die Brenner installiert sind und den Teilen an denen kein Brenner vorhanden ist. Eine derartige Temperaturdifferenz kann nicht vernachlässigt werden, insbesondere im Falle eines Heizofens, der Halbprodukte auf relativ niedrigere Temperaturen aufheizen soll, welche mit relativ niedrigen Temperaturen gewalzt werden sollen. Wenn ein axiales Brenner-System angewandt wird und sofern der Brennstoffverbrauch im Vergleich zu dessen voller Leistung reduziert ist, so werden die Flammen in Längsrichtung oder axialer Richtung des Ofens kürzer, ebenso wie bei einem seitlich befeuerten Ofen. Im Ergebnis tritt eine große Temperaturdifferenz auf; dies bedeutet, daß keine gleichförmige Temperaturverteilung erreicht werden kann.

Im Falle eines axialen Brenner-Systems müssen zur Installation der Brenner Vertiefungen und Erhebungen in den Ofenwänden ausgebildet sein. Eine derartige Anordnung verursacht jedoch unvermeidbare Störungen mit einem Hubbalkensystem, das in dem unteren Teil des Ofens angeordnet ist. Folglich werden die gesamte Konstruktion und der Aufbau des Heizofens sehr komplex. Zusätzlich ist der Raum für andere Einrichtungen und Ausrüstun-

gen in der Nähe des Ofenganges begrenzt Darüber hinaus werden Faktoren der Handhabbarkeit und der Sicherheit negativ beeinflußt (8) Die oben beschriebenen Phänomene treten bei einem Heizofen zum Aufheizen von. Halbprodukten auf relativ niedrige Durchwärmungstemperaturen zwischen 900 und 1050⁰C deutlicher zum Vorschein, im Vergleich mit den bekannten öien zum Aufheizen der Halbfabrikate auf relativ hohe Temperaturen zwischen 1200 und 1300⁰C, so daß lokalisierte überhitzte Stellen oder lokalisierte Hitzekonzentrationen sehr oft auftreten. Diese Tendenz kann leicht aus der Tatsache verifiziert werden, daß, wie in der folgenden Formel gezeigt, der Strahiungswärmeübergang proportional der Differenz zwischen der vierten Potenz der absoluten Temperatur der Oberfläche der Wärmequelle und der vierten Potenz der absoluten Temperatur der Halbfabrikatoberfläche ist:

w- &

wobei

20

25

Q die Wärmeübertragungsrate

(kcal/m²h),

K ■ F eine Konstante,
Tr die absolute Temperatur der Oberfläche

der Wärmequelle und

7s die absolute Temperatur der Oberfläche

des Halbfabrikates sind.

Ein Metallheizofen der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 42 14 869 bekannt Bei diesem bekannten Metallheizofen erstrecken sich die Strahlungsrohre durch den Metallheizofen hindurch. Jedes Strahlungsrohr weist einen Abgasabschnitt auf, der auf der einen Seite außerhiJb des Metallheizofens angeordnet ist Auf der gegenüberliegenden Seite des Metallheizofens ist die Brennereinrichtung vorgesehen, durch weiche in das Strahlungsrohr das Brennstoff/L.uft-Gemisch eingeleitet und im Strahlungsrohr verbrannt wird. Bei diesem bekannten Metallheizofen bilden die Strahlungsrohre zum Ofeninrieren hin geschlossene Systeme, so daß die Verbrennungsprodukte nicht in das Innere des Metallheizofens entladen werden und zur Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung keinen Beitrag leisten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Metallheizofen mit Strahlungsrohren bereitzustellen, bei dem eine gleichmäßige Temperaturverteilung längs der Strahlungsrohre gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Metallheizofen mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 gelöst.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Metallheizofens werden die Vorteile erzielt, daß- entlang der Strahlungsrohre und im Inneren des Metallheizofens eine gleichmäßige Temperaturverteilung gegeben ist und daß Energiekosten eingespart werden.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Qualität des im Metallheizofen erhitzten Materials verbessert wird.

Dabei hat es sich als vorteilhaft erwiesen, daß jedes Strahlungsrohr in axialer Richtung in Abschnitte aufgeteilt ist, und daß benachbarte Abschnitte derart miteinander verbunden sind, daß zwischen ihnen eine ringförmige Ofengas-Saugöffnung gebildet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine obere Wand teilweise abgeschnitten ist,

F i g. 2 eine Seitenansicht der F i g. 1,

Fig.3 eine Schnittansicht längs der Linie III-II1 der Fig. 2,

F i g. 4 eine Ansicht eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Strahlungsrohrs in vergrößertem Maßstab,

Fig.5 ein Beispiel der Temperaturverteilung längs des Strahlungsrohrs und

F i g. 6 eine Schnittansicht eines weiteren Strahlungsrohrs, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Die F i g. 1 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiei der vorliegenden Erfindung. Bei einrrn Heizofen 1 mit einer Breite von beispielsweise 12m ist eine Vielzahl von Seitenbrennern 2 vorgesehen, die sich in Richtung der Breite von jeder der Ofenseitenwände erstrecken und in Längsrichtung des Ofens 1 Ln geeignetem Abstand zueinander entfernt angeordnet sind. Mit jedem Seitenbrenner 2 ist jeweils ein Strahlungsrohr 3 verbunden, das eine solche Länge hat, daß seine Spitze oder sein inneres Ende 4 die Längsmittellinie des Ofens 1 erreicht Die Strahlungsrohre 3, die in. Richtung der Breite aus einer Ofenseitenwand herausragen sind gegenüber denen, die aus der anderen Ofenseitenwand herausragen, versetzt, so daß wechselseitige Beeinflussungen oder Störungen zwischen ihnen vermieden werden können, wie am besten aus F i g. 1 zu erkennen.

Die Strahlungsrohre 3 werden durch Strahlungsrohrstützteile 5 gehalten. Brennstoff und Verbrennungsluft, die von der Seite der Brenner 2 ausgegeben werden, werden in den Strahlungsrohren 3 gemischt unc·- verbrannt, wobei die Verbrennungsprodukte durch die Spitzen 4 zum longitudinalen Mittelteil in den Ofen entlade-·, werden. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet Hubbalken, das Bezugszeichen 7 Halbfabrikate, die erwärmt werden sollen und das Bezugszeichen S obere Brenner bzw. Deckenbrenner.

Während des Betriebes werden die Halbfabrikate 7 auf dem Hubbalken 6 angeordnet, der durch eine (nicht dargestellte) Antriebseinrichtung angetrieben wird, die auf dem Boden des Ofens 1 angeordnet ist, so daß die Halbfabrikate 7 durch den Ofen 1 hindurch in der durch den Pfeil a in F i g. 2 bezeichneten Richtung transportiert werden. Die oberen Flächen der Halbfabrikate 7 werden durch die oberen Brenner 8 gleichförmig aufgeheizt, während ihre unteren Flächen durch die Seitenbrenner 2 geheizt werden.

Wie am besten a^-:s F i g. 4 zu erkennen, erstrecken sich die Strahlungsrohre 3 so in Richtung der Breite (des Ofens), daß ihr offenes inneres Ende 4 am longitudinalen Mittelteil des Ofens angeordnet werden kann. Brennstoff und Verbrennungsluft, die von dem Seitenbrenner 2 ausgegeben werden, werden in dem Strahlungsrohr 3 gemischt und verbrannt, wobei die Verbrennungsprodukte in Richtung der Breite (des Ofens) durch das innere Ende 4 hindurch zu dem Mittelteil des Ofens entladen werden.

Da die Verbrennung innerhalb des Strahlungsrohrs 3 stattfindet, wird die Flammenausbildung durch Turbulenzen der Gase in dem Ofen nicht gestört, so daß unabhängig vom Brennstoffverbrauch eine relativ zufriedenstellende Temperaturverteilune über die Länge des

Strahlungsrohrs 3 erreicht werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Heizbetrieb umgeschaltet werden, so daß Halbprodukte 7 auf 1250⁰C oder auf Temperaturen zwischen 900 und 1000⁰C aufgeheizt werden können.

F i g. 5 zeigt die Temperaturverteilungen, die erreicht werden, wenn Strahlungsrohre 3 mit 300 mm Außendurchmesser und 6 m Länge in einem Abstand von ca. 1,5 m angeordnet werden. Die vollständig ausgezogene Linie A zeigt die Temperaturverteilung bei einem Brennstoffverbrauch von 100%, während die gestrichelte Linie B die Temperaturverteilung bei einem Brennstoffverbrauch von 30% zeigt. Diese Temperaturverteilungen sind sehr zufriedenstellend. Bei dem bekannten Heizofen ist die Temperaturdifferenz größer als 100%, während sie bei der vorliegenden Erfindung in dem Ofen innerhalb von 5O⁰C liegt, so daß die Temperaturdifferenz in dem Halbprodukt 7 auf weniger als 30⁰C reduziert werden kann.

Die Strahlungsrohre 3 können durch Stützteile 5 festgelagert werden, so daß keine externen Kräfte auf sie ausgeübt werden. Im Ergebnis muß bei der Konstruktion und der Herstellung der Strahlungsrohre lediglich ihr Wärmewiderstand berücksichtigt werden. Damit die Strahlungsrohre 3 kontinuierlich verwendet werden können, selbst wenn sich in ihnen Risse ausbreiten, oder wenn sie verbogen sind, sind sie vorzugsweise aus wärmewiderstandfähigem Stahl oder aus Keramik.

Fig.6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dies besteht darin, daß ein Strahlungsrohr 3 aus einem ersten Abschnitt 3a mit einem muffenrohrartigen oder konisch zulaufenden Ende und einem zweiten Abschnitt 3b mit gleichförmigem Durchmesser in Längsrichtung besteht. Die ersten und zweiten Strahlungsrohrabschnitte 3a und 3b sind so verbunden, daß zwischen ihnen eine ringförmige Gas-Ansaug-öffnung gebildet werden kann. Folglich können die Gase, d. h. die Verbrennungsprodukte durch den zweiten Strahlungsrohrabschnitt Zb hindurch rezirkulieren, so daß die Temperaturverteilung über die Länge des Strahlungsrohrs 3 weiter verbessert werden kann, wie durch die strichpunktierte Linie Cin Fig.5 angedeutet

Obwohl eine Kombination von Decken- und Seitenbrennern 8 und 2 beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, daß eine Kombination von Axial-Brennern zum Heizen der oberen Flächen der Halbprodukte mit Axial-Brennern mit Strahlungsrohren zum Heizen der unteren Fläche der Halbprodukte verwendet werden können. Zusätzlich können jegliche weiteren geeigneten Kombinationen von Brennern verwendet werden. Obwohl oben erwähnt wurde, daß die inneren offenen Enden 4 der Strahlungsrohre 3 am longitudinalen Mittellinienteil des Ofens enden, sei darauf hingewiesen, daß sie auch an jeglichen sonstigen geeigneten Positionen angeordnet sein können.

Zusammenfassend kann die vorliegende Erfindung im wesentlichen das Problem lokalisierter überhitzer Stellen oder Hitzekonzentrationen lösen, die bei dem Metallheizofen des Standes der Technik inhärent waren. Zusätzlich sind zur Erreichung eines Ofenbettes mit einem höheren Wirkungsgrad eine Vielzahl von Strahlungsrohren mit offenen inneren Enden vorgesehen, die sich in Richtung der Breite im unteren Teil des Ofens erstrecken, so daß die Verbrennung in einem relativ langgestreckten (begrenzten) Raum stattfindet und die Verbrennungsprodukte in den Ofen hinein durch die offenen inneren Enden der Strahlungsrohre entladen werden. Im Ergebnis erhält man folgende ausgezeichnete und neue Effekte sowie Vorteile:

(I) Da die Verbrennung innerhalb der Strahlungs-

rohre stattfindet, werden die Energien von den

festen Strahlungsflächen abgestrahlt, so daß eine stabilisierte Strahlung sichergestellt ist und folglich die Temperaturdifferenz minimiert ist.

ίο (II) Da die Verbrennung in den Strahlungsrohren stattfindet, werden die Flammen nicht durch Turbulenzen der Gase in dem Ofen gestört und können sich zu jeglichen gewünschten Punkt ausbreiten, so daß unabhängig von dem Brennstoffverbrauch eine relativ gleichförmi

ge Temperaturverteilung erreicht und aufrechterhalten werden kann.

(III) Aufgrund von (II) können Brenner mit kleiner Leistung in größerer Anzahl angewandt werden, ohne daß irgendwelche negativen Störef

fekte auftreten, so daß die effektive Strahlungsfläche für die Wärmeübertragungsrate vergrößert werden kann. Im Ergebnis kann die Wärmeübertragungsrate vergrößert werden und die Halbprodukte können in zufriedenstel

lender Weise auf relativ niedrige Temperaturen aufgeheizt werden. Weiterhin kann aufgrund des verbesserten thermischen Wirkungsgrades ein übermäßiger Brennstoffverbrauch vermieden werden; dies bedeutet, daß

eine Energieeinsparung erhalten wird.

(IV) Unabhängig von dem Brennstoffverbrauch wird bewirkt, daß die Flammen und die Verbrennungsprodukte durch die Strahlungsrohre hindurch »fließen«, so daß die Temperaturdif

ferenz längs des Strahlungsrohrs minimiert werden kann. Dies bedeutet, daß eine gleichförmige Temperaturverteilung aufrechterhalten werden kann, insbesondere kann, wenn der Brennstoffverbrauch auf weniger als ¹Aj (der

Nennleistung) verringert wird, die Möglichkeit verbessert werden, eine gleichförmige Temperaturverteilung zu erhalten im Vergleich zu dem Heizofen des Standes der Technik.

(V) Die inneren Enden der Strahlungsrohre sind

geöffnet, so daß Verbrennungsprodukte zu jeglichen gewünschten Teilen des Ofens verteilt werden können; folglich kann auch ein Wärmeübergang durch Konvektion erhalten

so werden und folglich der thermische Wirkungs

grad weiter verbessert werden.

(VI) Die Strahlungsrohre sind wärmeleitfähig, sind keinen externen Kräften ausgesetzt und brauchen nicht vollständig gasdicht zu sein, so daß sie, selbst wenn sie eingerissen oder verbogen

sind, für eine lange Betriebsdauer verwendet werden können; dies bedeutet, da ihre Lebensdauer vergrößert werden kann.

(VII) Mit den Seitenbrennern kann eine ausreichend gleichförmige Temperaturverteilung erreicht und aufrechterhalten werden. Im Ergebnis kann die Konstruktion eines Heizofens und insbesondere dessen unteren Teiles vereinfacht werden, so daß die Handhabbarkeit verbessert und die Sicherheit erhöht wird. Zusätz

lich kann eine Einsparung der Investitionskosten erhalten werden.

(VIII) Aufgrund der oben beschriebenen Effekte und

Merkmale kann eine gleichförmige Temperaturverteilung innerhalb des Ofens sichergestellt werden, selbst wenn ein Heizofen verwendet wird, dessen Heizbetrieb zum Aufheizen von Halbfabrikaten auf Temperaturen zwischen 1200 und 1300°C und Temperaturen zwischen 900 und 1000°C umgeschaltet werden kann. Dies bedeutet, daß bei einem Heizofen, dessen Heiztemperatur über einen gro-Ben Bereich verändert werden kann, ebenfalls eine gleichförmige Temperatup/erteilung innerhalb des Ofens erreicht werden kann. Im Ergebnis kann die Qualität der aufgeheizten Halbfabrikate verbessert werden.

15 Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

20

25

30

40

35

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Metallheizofen mit Strahlungsrohren durch die eine brennbare Mischung hindurchströmt und innerhalb der Strahlungsrohre verbrennt, unter Ausbildung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung längs des Strahlungsrohres, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Seitenwänden des Ofens horizontal angeordneten Strahlungsrohre (3) sich bis zur Ofenmitte erstrecken und die Verbrennungsprodukte durch die offenen inneren Enden (4) der Strahlungsrohre (3) in das Ofeninnere ausströmen.

2. Metallheizofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strahlungsrohr (3) in axialer Richtung in Abschnitte aufgeteilt ist, und daß benachbarte Abschnitte derart miteinander verbunden sind, daß zwischen ihnen eine ringförmige Ofengas-SaugöffnuEj gebildet ist