DE3211247A1

DE3211247A1 - Verfahren zum erniedrigen des sauerstoffgehaltes der atmosphaere eines durchlaufgluehofens sowie gluehofen zur ausfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3211247A1
Application number: DE19823211247
Authority: DE
Inventors: Fritz Ing Grad Petzi
Original assignee: Ludwig Riedhammer GmbH and Co KG
Current assignee: Riedhammer GmbH and Co KG
Priority date: 1982-03-26
Filing date: 1982-03-26
Publication date: 1983-10-06
Also published as: JPS6046357B2; DE3211247C2; JPS58217191A

Description

Verfahren zum Erniedrigen des Sauerstoffgehaltes der
Atmosphäre eines Durchlaufglühofens sowie Glühofen zur Ausführung dieses Verfahrens Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erniedrigen des Sauerstoffgehaltes der Atmosphäre eines Durchlaufglühofens für keramische Werkstoffe, vorzugsweise weichmagnetische Ferrite auf einen vorgegebenen Wert sowie einen Ofen zur Ausführung dieses Verfahrens.
Durchlaufglühöfen zum Glühen keramischer Werkstoffe sind bekannt. Weroen in diesen Öfen Werkstoffe üblicher Zusammensetzung, wie beispielsweise Porzeiiane u.
ähnl. gebrannt, so treten keine nernenswerten Probleme auf, wenn die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre der chemischen Natur des Brenngutes angepaßt werden soll.
Manche dieser Brenngüter müssen in oxidierender Atmosphäre geglüht werden; in diesem Fall wird der Ofenatmosphäre eine gezielte Menge Luft oder Sauerstoff zugesetzt. Andere Brenngüter erfordern neutrale oder reduzierende Atmosphäre und es bereitet keine Schwierigkeit, auch in diesem Fall die Ofenatmosphäre entsprechend einzustellen.
Namentlich für die Verwendung im Elektronikbereich werden in zunehmendem Maße Ferrite, das sind Ferro-Spinelle, verwendet, welche außer Fe2O3 noch andere Metalloxide, beispielsweise Zinkoxid, Nickeloxid, Manganoxid u.dgl. enthalten. Insbesondere die weichmagnetischen Zink-Mangan-Ferrite haben die Eigenschaft, beim Aufheizen Sauerstoff in beträchtlichen Mengen abzugeben und dadurch die Zusammensetzung der Ofenatmosphäre zu verändern. Da andererseits die magnetischen Eigenschaften der Werkstoffe in beträchtlichem Maße von der Zusammensetzung der Glühatmosphäre abhängen, bereitet gerade dieses "Ausgasen" von Sauerstoff aus dem Glühgut erhebliche technische Schwierigkeiten.
Ähnliches Glühverhalten zeigen Körper aus reinem Fe203, die bekanntlich bei erhöhter Temperatur unter Abgabe von Sauerstoff in Fe304, den sogenannten Magnetit übergehen. Auch in diesem Fall wird also die Ofenatmosphäre während des Glühprozesses an Sauerstoff angereichert.
Grundsätzlich wäre es möglich, den aus dem Brenngut ausgasenden Sauerstoff durch erhöhte Stickstoffzufuhr so weit zu verdünnen, daß er sich nicht mehr schädlich bemerkbar macht. Die Menge des hierzu notwendigen Stickstoffs wäre aber so groß, daß sie das Temperaturgleichgewicht des Ofens empfindlich stören würde, so daß zusätzliche Maßnahmen getroffen werden müßten, um die erforderlichen Stickstoffmengen vor dem Einleiten in den Ofen auf die jeweilige Temperatur der Einleitungszone zu erwärmen. Derart ausgerüstete Öfen müßten folglich mit zusätzlichen Brennern und Rekuperativkammern ausgestattet sein und sie erforderten einen deutlich erhöhten Heizstoffbedarf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannten Durchlauföfen, welche grundsätzlich zum Brennen von sauerstoffabgebenden keramischen Werkstoffen, insbesondere Ferriten, geeignet sind, derart zu verbessern, daß mit ihnen der Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre auf einen beliebigen vorgegebenen Wert reduziert werden kann und zwar auch dann, wenn das Brenngut Sauerstoff ausgast.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß an der zu beeinflussenden Ofenstelle der Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre gemessen und in Abhängigkeit des Meßergebnisses ein vorzugsweise wasserstoffhaltiges Brenngas in solchen Mengen in den Ofen eingeleitet wird, daß sich der gewünschte Sauerstoffgehalt einstellt.
Zur Messung, vorzugsweise kontinuierlichen Messung, des Sauerstoffgehaltes werden in den Ofen ein oder mehrere Meßfühler eingebaut, wie diese grundsätzlich bei Durchlauföfen zum Brennen keramischer Massen bekannt sind, beispielsweise aus der DE-PS 30 16 852.
Derartige Meßfühler ragen bis in den Ofenkanal hinein und sie sind außerhalb des Ofens mit entsprechenden Anzeige-, Registrier- und gegebenenfalls Regelgeräten verbunden. Im Bereich der Meßsonden soll nun erfindungsgemäß eine Brenngaszuleitung in den Ofenkanal führen, durch die wenigstens eines der erwähnten Brenngase in den Ofenkanal eingeleitet wird.
Als Brenngase werden vorzugsweise wasserstoffhaltige Gase verwendet, obgleich grundsätzlich auch Kohlenmonoxid geeignet wäre. Bei Kohlenmonoxid ist aber zu bedenken, daß dieses unter Reaktion mit Sauerstoff zu Kohlendioxid verbrennt, ein Gas, welches seinerseits bei den hier in Betracht kommenden Ofentemperaturen schon wieder in beträchtlichem Maße entsprechend dem Boudouard'schen Gleichgewicht in Sauerstoff und Kohlenmonoxid dissoziiert ist. Günstiger ist es, wasserstoffhaltige Gase zu verwenden, bei denen ein derartiges Dissoziationsgleichgewicht des Verbrennungsproduktes "Wasser" zwar ebenfalls existiert, welches Gleichgewicht jedoch in großem Maße auf der Wasser-Seite liegt. Der Wasserstoffgehalt kann dabei entweder in Mischung mit anderen Gasen vorliegen, wie dies in sogenanntem "Leuchtgas" (Mischung aus Kohlenmonoxid und Wasserstoff) der Fall ist oder der Wasserstoffgehalt kann chemisch an andere Stoffe gebunden sein, wie beispielsweise im Methan, Propan, Butan u. ähnlichen bekannten Brenngasen. Das hier vorgeschlagene Einführen eines gesonderten Brenngases ist völlig unabhängig von der Ofenbeheizung und dient ausschließlich dem Zweck durch Reaktion mit dem in der Ofenatmosphäre vorhandenen Sauerstoff diesen chemisch abzubinden. Die vorgeschlagene Maßnahme kann sowohl bei brennstoffbeheizten wie auch bei elektrisch beheizten Öfen durchgeführt werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Glühofens ist die Meßsonde mit einem Regler verbunden, der die Menge des durch die Brenngaszuleitung in den Ofenkanal eingeleiteten Brenngases in Abhängigkeit eines vorzugebenden Sollwertes einstellt.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn der Ofenkanal mittels vertikal angeordneter Schirme in mehrere Kammern unterteilt ist, deren jede wenigstens eine Sauerstoffmeßsonde sowie wenigstens eine Brenngaszuleitung aufweist.
Bei einem derart ausgestatteten Ofen ist es möglich, den Sauerstoffgehalt über die Ofenlänge in jeder durch Vertikalschirme voneinander abgeschirmten Kammern gesondert einzustellen, so daß förmlich eine "Sauerstoffkurve" gefahren werden kann, die sich mit beliebiger Kurvenform über die Länge des Durchlaufofens erstreckt.
Vorteilhaft ist es, wenn die Brenngaszuleitung in der Nähe des Brenngutes, vorzugsweise im unteren Bereich des Ofenkanales in diesen einmündet. Bei der Anordnung der Einmündungsstellen muß bedacht werden, daß der zu eliminierende Sauerstoffgehalt vorzugsweise aus dem Brenngut selbst stammt, so daß es vorteilhaft ist, in dessen Nähe die Brenngaszuleitung anzuordnen. Der oder die Sauerstoffmeßfühler werden dann vorzugsweise etwas darüber angeordnet, so daß der von ihnen erfaßte Wert bereits durch Diffusion innerhalb der Ofenatmosphäre vergleichmäßigt ist.
Vorteilhaft kann es auch sein, wenn über den Ofenquerschnitt verteilt mehrere Sauerstoffmeßfühler angeordnet sind und jedem Meßfühler eine eigene Einmündung in einer Brenngaszuleitung zugeordnet ist. Werden zur automatischen Dosierung des Brenngases Regeleinrichtungen verwendet, so wird in diesem Falle auch jedem Meßfühler und jeder Sauerstoffzuleitung bzw. -einmündung ein eigener Regler oder zumindest ein eigener Reglerkanal zugeordnet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar: Fig. 1 ein schematisches Diagramm, welches die Temperaturverteilung und die Sauerstoffverteilung über die Länge eines Durchlaufofens zeigt; Fig. 2 ein schematischer Längsschnitt durch einen Durchlaufglühofen; Fig. 3 ein schematischer Querschnitt durch einen Ofen gemäß Fig. 2 mit angeschlossenem Regler für die Brenngaszufuhr (gegenüber Fig. 2 vergrößerte Darstellung) Im Diagramm der Fig. 1 ist auf der horizontal gezeichneten Achse zunächst schematisch die Länge eines Durchlaufofens aufgetragen. Die Durchlaufrichtung entspricht dem Pfeil -1.
Auf der linken vertikalen Achse ist die Temperatur des Brennkanales angegeben; die Temperaturkurve ist im Diagramm mit 2 bezeichnet.
Auf der rechten vertikalen Achse ist der Sauerstoffgehalt (02-Gehalt) der Ofen atmosphäre angegeben, wobei der Verlauf dieses Gehaltes in der Ofenatmosphäre durch die Kurve 3 (O2-Kurve) angegeben ist.
In Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch einen Durchlaufglühofen schematisch wiedergegeben. Da die Länge dieses Ofens gleichlang wie die horizontale Achse des Diagramms in Fig. 1 gezeichnet ist, können die beiden Figuren ohne weiteres einander zugeordnet werden.
Zu glühendes Brenngut tritt am Ofeneingang 4 in den Ofenkanal 5 ein. Die Temperaturkurve 2 in Fig. 1 zeigt, wie die Temperatur nach Maßgabe der Wanderung des Gutes durch den Ofen ansteigt. Beim Durchlauf durch den Ofen passiert das Gut zunächst die Aufheizzone 6, gelangt dann in die Sinterzone 7 und schließlich in die Abkühlzone 8. Am Ende verläßt das Gut den Ofen wieder mit einer Temperatur von etwa 1000C oder weniger.
Handelt es sich beim Brenngut beispielsweise um weichmagnetische Zink-Mangan-Ferrite, so tritt bereits in der Aufheizzone 6, insbesondere im letzten Drittel starkes Ausgasen von Sauerstoff aus den Brenngut-Körpern ein. Die magnetischen Eigenschaften des Brenngutes fordern aber gerade in diesem Bereich eine stark reduzierte Sauerstoffkonzentration der Ofenatmosphäre, wie dies Fig. 3 zeigt. Um dies zu ermöglichen, sind im Bereich des Ofenkanales im gegebenen Beispiel mehrere Sauerstoffmeßsonden 9 in den Ofenkanal eingeführt. In den Bereich der Meßsonden führt zudem jeweils eine gesonderte von eventuell vorhandenen Beheizungsgasleitungen unabhängige Brenngaszuleitung 10 (siehe Fig.
3). Die Meßsonden überwachen den tatsächlichen Sauerstoffgehalt der Ofenatmosphäre an der jeweiligen Stelle kontinuierlich und geben den Meßwert an den Regler 11 weiter. Der Regler vergleicht den Meßwert mit dem an ihm eingestellten Sollwert, ermittelt anhand der bekannten chemischen Reaktionsgleichung zwischen Sauerstoff und dem jeweils verwendeten Brenngas die erforderliche Brenngasmenge, welche zusätzlich in den Ofenkanal einzuleiten ist, damit der Sauerstoffgehalt vom gegebenen Wert auf den gewünschten Wert reduziert wird. In Fig. 3 ist zusätzlich in schematischer Weise eine Gasflasche 12 dargestellt, die über eine Leitung 13 in das mit dem Regler 11 integrierte Dosiergerät 14 einführt. Die Darstellung der Gasflasche 2 ist selbstverständlich nur symbolisch gemeint; je nach den örtlichen Gegebenheiten sowie der Menge des zu verwendenden zusätzlichen Gases kann dieses auch einer Gasleitung entnommen werden. Fälle, in denen das zusätzliche Brenngas aus einer Flasche oder einem Tank entnommen wird, sind aber nicht selten, da im Hinblick auf eine genaue Dosierung die Zusammensetzung des zusätzlichen Brenngases genauestens bekannt sein muß.
Fig. 2 zeigt, daß im Bereich der Aufheizzone 6 mehrere vertikal angeordnete Schirme 15 in den Ofenkanal eingebaut sind, die den Ofenkanal über die Länge betrachtet in mehrere Einzelkammern 16 unterteilen. Die Anordnung derartiger Schirme (oft "Diffusionsschirme" genannt) ist bekannt, beispielsweise aus der DE-PS 30 16 852. Die Schirme haben im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung den Zweck, den Ofenkanal in weitgehend abgeschlossene Einzelräume zu unterteilen, in denen eine kontrollierbare Gasströmung herrscht, so daß die gewünschte Sauerstoffkurve recht präzise eingehalten werden kann. An denjenigen Stellen des Ofenkanales, an denen sich der O2-Gehalt besonders stark ändert, sind mehrere Vertikalschirme hintereinander eingebaut, um eine zu starke Vermischung der dort aneinandergrenzenden Abschnitte der Ofen-Atmosphäre zu vermeiden. Auf diese Weise ist es möglich, derart starke Änderungen des O2-Gehaltes zu erzielen, wie sie in Fig. 1 gezeigt sind.
Fig. 1 zeigt weiter, daß die gewünschte Sauerstoffkonzentration im Bereich der Sinterzone 7 wieder höher liegt und über eine längere Strecke konstant bleibt.
In diesem konstanten Abschnitt ist es nicht erforderlich, den Ofen in viele kleine Einzelkammern zu unterteilen. Vorteilhaft ist die Anordnung solcher Kammern aber in denjenigen Streckenabschnitten, in denen sich die Sauerstoffkonzentration ändert, wie beispielsweise am Beginn und am Ende der Sinterzone 7, wo ein verhältnismäßig steiler Anstieg bzw. Abfall der Sauerstoffkonzentrationskurve zu durchlaufen ist.
Fig. 3 zeigt, daß das Brenngut 17 auf Horden 18 angeordnet sein kann, wobei es zur besseren Ausnutzung des Ofenkanales in mehreren Etagen gestapelt ist. In solchen Fällen kann es vorteilhaft sein, wenn die Brenngaszuleitung in der Nähe des Brenngutes, vorzugsweise im unteren Bereich des Ofenkanales in diesen einmündet, um das Brenngas an diejenige Stelle zu bringen, die vorzugsweise mit ausgegastem Sauerstoff beschickt wird. Zudem ist dabei zu bedenken, daß das Einführen des Brenngases in den unteren Ofenbereich zu einer willkommenen Gaskonvektion im Innern des Ofenka- nales bzw. der Ofenkammern führt, wodurch eine schnelle Durchmischung des Gases in diesem Raum eintritt und sichergestellt wird, daß die gewünschte Sauerstoffkonzentration weitgehend homogen über den Querschnitt erzielt wird. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn über den Ofenquerschnitt verteilt mehrere Sauerstoffmeßfühler angeordnet sind, und wenn jedem Meßfühler eine eigene Einmündung einer Brenngaszuleitung angeordnet ist, wie dies schematisch in Fig. 3 angedeutet ist.
Positionszahlenliste 1 Pfeil 2 Temperatur-Kurve 3 O2-Kurve 4 Ofeneingang 5 Ofenkanal 6 Aufheizzone 7 Sinterzone 8 Abkühlzone 9 Oz-Meßsonden 10 Brenngas-Zuleitung 11 Regler 12 Gasflasche 13 Lei.tung 14 Dosiergerät 15 Schirme 16 Einzelkammern 17 Brenngut 18 Horde

Claims

Ansprüche 1. Verfahren zum Erniedrigen des Sauerstoffgehaltes der Atmosphäre eines Durchlaufglühofens für keramische Werkstoffe, vorzugsweise weichmagnetische Ferrite, auf einen vorgegebenen Wert, dadurch gekennzeichnet, daß an der zu beeinflussenden Ofenstelle der 02-Gehalt der Ofenatmosphäre gemessen und in Abhängigkeit des Meßergebnisses ein vorzugsweise wasserstoffhaltiges Brenngas in solchen Mengen in den Ofen eingeleitet wird, daß sich der gewünschte O2 Gehalt einstellt.
2. Glühofen für die Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: 2--1: Der Ofen weist in an sich bekannter Weise im Ofenkanal (5) wenigstens eine Sauerstoffmeßsonde (9) auf; 2-2: Im Bereich der Meßsonde (9) führt eine gesonderte Brenngaszuleitung (10) in den Ofenkanal (5).
3. Glühofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (9) mit einem Regler (11) verbunden ist, der die Menge des durch die Brenngaszuleitung (10) in den Ofenkanal (5) eingeleiteten Brenngases in Abhängigkeit eines vorzugebenden Sollwertes einstellt.
4. Glühofen nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenkanal (5) in an sich bekannter Weise mittels vertikal angeordneter Schirme (5) in mehrere Kammern (16) unterteilt ist, deren jede wenigstens eine Sauerstoffmeßsonde (9) sowie wenigstens eine Brenngaszuleitung (10) aufweist.
5. Glühofen nach Anspruch 2, gegebenenfalls in Verbindung mit einem der Ansprüche 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brenngaszuleitung (10) in der Nähe des Brenngutes, vorzugsweise im unteren Bereich des Ofenkanales (5) in diesen einmündet.
6. Glühofen nach Anspruch 2, gegebenenfalls in Verbindung mit einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, daß über den Ofenquerschnitt verteilt mehrere Sauerstoffmeßfühler (9) angeordnet sind und daß jedem Meßfühler eine eigene Einmündung einer Brenngaszuleitung zugeordnet ist.