DE3536155A1 - Kammerofen mit gasumwaelzung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Kammerofen mit Gasumwälzung zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Für Wärmebehandlungen von Metallen werden Öfen mit Zwangs­ konvektion eingesetzt, wenn die Behandlungstemperaturen kleiner als etwa 750°C sind. Handelt es sich hierbei um Stabmaterial mit Fertigungslängen von 6 m, 12 m oder länger, so werden entweder horizontale Durchlauföfen oder horizon­ tale Kammeröfen eingesetzt. Kammeröfen sind vor allem dann vorteilhafter, wenn starke Produktionsschwankungen zu er­ warten sind oder eine zu große Anzahl unterschiedlicher Wärmebehandlungen in ein und demselben Ofen durchzuführen sind. Bei einem Kammerofen wird mit Hilfe von Gebläsen im Behandlungsraum eine Gasströmung erzeugt, die außerhalb des Behandlungsraums auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird. Um Temperaturunterschiede zwischen den Enden des Behand­ lungsraumes und damit des Behandlungsgutes nach Möglichkeit zu vermeiden, ist es bekannt, den Gasstrom von Zeit zu Zeit umzukehren. Die Umsteuerung kann hierbei sowohl zeitabhängig als auch temperaturabhängig vorgenommen werden.

Bei bekannten Kammeröfen dieser Art wird das Umkehren der Strömungsrichtung in einem Fall durch Änderung der Drehrich­ tung eines Axialgebläses und in einem anderen Fall durch Ein- und Ausschalten verschiedener Radialgebläse bewirkt. Eine solche Umschaltung bzw. Ein- und Ausschaltung ist wegen der Größe der Antriebsmotore mit einer entsprechenden Träg­ heit verbunden. Auch wird hierdurch die Größe der Gebläse von vornherein beschränkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Kammerofen mit Gasumwälzung so zu gestalten, daß auch bei größeren Gebläseleistungen eine schnellere Umkehrung des Gasstromes im Behandlungsraum möglich ist und überdies die Strömungs­ geschwindigkeiten auf einfache Weise regelbar sind. Weiter­ hin soll der Kammerofen geeignet sein, daß er außer mit atmosphärischer Luft auch mit Schutz- oder Reaktionsgas betrieben werden kann, um so eine Metalloxidation am Be­ handlungsgut zu vermeiden. Schließlich soll es möglich sein, von Zeit zu Zeit eventuelle Ablagerungen von Verun­ reinigungen, die mit dem Behandlungsgut in das Ofeninnere gelangen, leicht aus dem Kammerofen entfernen zu können.

Ausgehend von einem Kammerofen mit Gasumwälzung der ein­ gangs beschriebenen Art wird die gestellte Aufgabe erfin­ dungsgemäß dadurch gelöst, daß der Behandlungsraum lang­ gestreckt ausgebildet ist und an seinen Enden durch Leit- und Verbindungselemente mit einem neben dem Behandlungsraum verlaufenden, nach außen geschlossenen Gaskanal verbunden ist, daß in der Nähe der Enden des Gaskanals in je einer Öffnung seiner Wandung die Saugseite wenigstens je eines nur in einer Richtung rotierenden Gebläses, z.B. ein Radial­ gebläse, die einander gegenläufige Ströme erzeugen, ange­ schlossen ist, von denen jeweils die Druckseite der Gebläse an je eine Bypass-Leitung anschließt, deren anderes Ende in den Gaskanal mündet, und daß zum einen in jeder Bypass- Leitung ein Absperr- und Regelorgan und zum anderen im Gas­ kanal in bezug auf die Strömungsrichtung der zugehörigen Bypass-Leitung vor deren Einmündung in den Gaskanal ein Ab­ sperrorgan angeordnet ist.

Als Absperr- und Regelorgane eignen sich Schieber oder Dreh­ klappen, wobei beide Arten in der Bypass-Leitung sowohl zum vollständigen Absperren als auch zum stufenlosen Regeln des Gasstromes eingesetzt werden.

Um den Gasstrom auch über den Querschnitt des Behandlungs­ raumes möglichst mit gleicher Intensität zu verteilen, ist es vorteilhaft, an den Enden des Behandlungsraumes Leit- bzw. Umlenkbleche unterschiedlicher Größe bzw. Gestaltung anzubringen, die einen von der Seite der kürzeren Strömungs­ bahn bis zur Seite der längeren Strömungsbahn entsprechend abfallenden Strömungswiderstand verursachen.

Das Ofengehäuse ist vorteilhafterweise so ausgebildet, daß es sowohl für Vakuumbehandlungen als auch Überdruckbehand­ lungen geeignet ist.

Das entscheidende Problem, eine schnellere Umschaltung des Gasstromes zu erreichen, hat die Erfindung dadurch gelöst, daß sie zwei ständig laufende Gebläse einsetzt, die über Bypass-Leitungen und entsprechende Regelorgane hinsicht­ lich des erzeugten Gasstromes so schaltbar sind, daß nur jeweils eines der beiden Gebläse für die Erzeugung des Gas­ stromes innerhalb des Nutzraumes im Einsatz ist. Das andere, vom Gasstromkreislauf abgetrennte Gebläse läuft weiter, ist aber nicht belastet, d.h. es arbeitet im Leerlauf. Die Um­ kehrung des Gasstromes im Behandlungsraum wird allein durch entsprechende Einstellung der Absperr- und Regelorgane be­ wirkt. Das Absperr- und Regelorgan, welches in der jeweils in Betrieb befindlichen Bypass-Leitung sitzt, dient hierbei zugleich als Regelorgan zur Steuerung der Strömungsgeschwin­ digkeit.

Nach der weiter vorgesehenen Ausgestaltung des Ofengehäuses als druckdichtes Gehäuse kann der Kammerofen zum einen für Vakuum- und zum anderen auch für Überdruckbehandlungen ein­ gesetzt werden.

Um Ablagerungen möglichst leicht und schnell entfernen zu können, sind nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfin­ dung Behandlungsraum, endseitige Leit- und Verbindungsele­ mente, Gaskanal und eine alles umschließende Wärmedämmung in einem separaten, aus dem Ofengehäuse herausziehbaren Innengehäuse eingebaut. Ablagerungen sind in erster Linie die Folge von Verunreinigungen auf der Oberfläche des Be­ handlungsgutes, welche während des Behandlungsvorganges ab­ dampfen und außerhalb der Wärmedämmung kondensieren.

Ein Kammerofen mit den Merkmalen der Erfindung eignet sich überdies in besonderer Weise für eine automatische Steue­ rung. Bei einer solchen Steuerung kann durch Berücksichti­ gung der entsprechenden Parameter auch erreicht werden, daß leichte und schwere Chargen mit praktisch gleichem Temperatur-Zeit-Verlauf gefahren werden können.

Ein Ausführungsbeispiel eines Kammerofens nach der Erfin­ dung ist in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt des Kammerofens,

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene der Linie I-I der Fig. 1 und

Fig. 3 einen weiteren Axialschnitt des Kammerofens in einem anderen Betriebszustand der Gebläse.

Der Kammerofen ist außen von einem langgestreckten, zylin­ drischen Druckbehälter 1 umschlossen, der in herkömmlicher Weise mit Wasser gekühlt wird. An seinen Enden befinden sich abnehmbare Türen 2, die als flacher Topf ausgebildet sind und an ihren Rändern an einen Ringrand 3 des Druckbe­ hälters 1 unter Zwischenschaltung einer geeigneten Dichtung druckdicht anliegen. An der Unterseite des Druckbehälters 1 befindet sich ein Sockel, mit dem der Kammerofen auf dem Boden oder einem Fundament ruht.

Im Innern des Druckbehälters 1 befindet sich ein herausnehm­ barer Einsatz 4 mit etwa rechteckigem Querschnitt. An der Wandung dieses Einsatzes ist eine geeignete Wärmedämmschicht 5 angebracht. Der Innenraum des Einsatzes ist durch eine Trennwand 6 in einen unteren Nutzraum 7 für die Aufnahme des Behandlungsgutes und einen darüberliegenden Gaskanal 8 unterteilt. An den Stirnenden des Nutzraumes 7, der sich nicht über die ganze axiale Länge des Einsatzes 4 er­ streckt, sind Gasleit- und Verbindungsbleche 9 vorgesehen, die eine Verbindung zu dem auf der anderen Seite der Trenn­ wand 6 befindlichen Gaskanal 8 herstellen. Der Gaskanal 8 enthält einen mittleren Abschnitt und zwei Endabschnitte 10 mit geringerer Höhe als der mittlere Abschnitt.

Neben jedem Endabschnitt 10 befindet sich in dem Zwischen­ raum zwischen dem Endabschnitt und der Wandung des Ein­ satzes 4 eine Bypass-Leitung 11, die am inneren Ende des Endabschnittes 10 in den mittleren Abschnitt des Gaskanals 8 mündet. An eine Öffnung in der Zwischenwand zwischen dem Endabschnitt 10 und der Bypass-Leitung 11 ist die Saugseite eines Radialgebläses 12 angeschlossen, dessen Antriebsmotor 13 außerhalb des Druckbehälters 1 sich befindet und hier von einer Motorhaube 14 umschlossen ist.

Für das Absperren oder Verändern des Durchtrittsquerschnit­ tes der Bypass-Leitung 11 ist ein Schieber 15 vorgesehen, dessen Absperrelement in der Ruhestellung in den Endab­ schnitt 10 des Gaskanals hineinragt. Die Betätigungsstange des Schiebers 15 ist aus dem Druckbehälter 1 nach außen ge­ führt und hier mit einem geeigneten Antrieb verbunden. Da­ neben befindet sich ein weiterer Absperrschieber 16, der dazu dient, den Endabschnitt 10 des Gaskanals abzusperren oder freizugeben.

Für die Kühlung des Gasstromes ist im mittleren Abschnitt des Gaskanals 8 ein ein- und ausfahrbarer Wärmetauscher 17 vorgesehen, der aus der in Fig. 1 am linken Ende des Kammer­ ofens dargestellten Betriebsstellung in eine außerhalb des Gaskanals 8 liegende Ruhestellung (und umgekehrt) bewegbar ist, in der er sich im Innern eines Gehäuses 18 befindet. Die Betätigung des Wärmetauschers 17 erfolgt mit einem Be­ tätigungszylinder 19. Dieser Wärmetauscher kann beispiels­ weise aus wassergekühlten Rippenrohren zusammengesetzt sein.

Die bislang beschriebenen Elemente, die bei dem Ausführungs­ beispiel in bezug auf die zeichnerische Darstellung am lin­ ken Ende des Kammerofens sich befinden, sind in gleicher Weise in spiegelbildlicher Anordnung am rechten Ende des Kammerofens vorgesehen. Sie sind hier mit den gleichen Be­ zugszahlen mit dem Zusatz "a" bezeichnet. Anders als das Radialgebläse 12 erzeugt das Radialgebläse 12 a im Gaskanal eine Gasströmung in entgegengesetzter Richtung, d.h. - be­ zogen auf die Darstellung in Fig. 1 - von rechts nach links. Bei beiden Gebläsen ist das Flügelrad von einem Spiralge­ häuse umgeben, welches den erzeugten Gasstrom auf der Druck­ seite in die gewünschte Richtung lenkt.

Für das Erwärmen des Gasstromes sind im mittleren Abschnitt des Gaskanals 8 quer zur Strömungsrichtung verlaufende Heiz­ elemente 20 vorgesehen, bei denen es sich vorzugsweise um gasbeheizte Strahlrohre handelt, die von außen durch Ein­ baustutzen 21 (Fig. 2) in das Innere einsetzbar sind und in den Stutzen auch gehalten sind. Es können aber auch elektrisch beheizte Stäbe hierfür eingesetzt werden.

Um eine gleichmäßige Verteilung des Gasstromes über den Quer­ schnitt des Nutzraumes 7 in senkrechter Richtung zu er­ reichen, sind an den Stirnenden des Nutzraumes 7 Leit- bzw. Umlenkbleche 22 unterschiedlicher Größe bzw. Gestaltung und/oder Anordnung angebracht.

Der Kammerofen ist wie folgt benutzbar:

Bei einer Wärmebehandlung des Behandlungsgutes wird die Wärme dem umgewälzten Gasstrom über die Heizelemente 20 zugeführt. Die Wärmetauscher 17 und 17 a nehmen die Ruhestellung außer­ halb des Gaskanals ein (vgl. Fig. 1, Wärmetauscher 17 a).

Vor Beginn einer Wärmebehandlung werden beide Gebläsemo­ tore 13, 13 a eingeschaltet. Für eine Gasströmung ent­ sprechend der Darstellung in Fig. 1 nehmen die Absperr- und Regelschieber 15, 16 und 15 a, 16 a die in Fig. 1 darge­ stellten Stellungen ein. In diesem Fall wird die Umwälz­ strömung durch das Gebläse 12 bewirkt. Soll das Gas in der Gegenrichtung strömen, brauchen lediglich die Absperr- und Regelschieber 15 und 16 a geschlossen und zugleich die Ab­ sperr- und Regelschieber 15 a und 16 geöffnet zu werden.

Fig. 3 zeigt den Betriebszustand mit einer Gasströmung vom linken zum rechten Ende des Behandlungsraumes 7, jedoch mit verminderter Umwälzmenge. Erreicht wird dies durch ein teilweises Schließen des Absperr- und Regelschiebers 15 a, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Die gleiche Möglichkeit der Mengenregulierung besteht bei umgekehrter Strömung mit Hilfe des Absperr- und Regelschiebers 15.

Bei einer solchen Verringerung der umgewälzten Menge des Gasstromes paßt sich der Gebläsemotor 13 bzw. 13 a in seiner Leistung selbsttätig der verringerten Umwälzmenge an. Eine Verminderung der Umwälzmenge hat im Behandlungsraum 7 eine Verringerung der Strömungsgeschwindigkeit zur Folge. Auf diese Weise ist die Strömungsgeschwindigkeit im Behand­ lungsraum 7 mit Hilfe der Absperr- und Regelschieber 15 bzw. 15 a veränderbar, und zwar in einem Bereich unterhalb einer vorgegebenen maximalen Strömungsgeschwindigkeit.

Soll das Behandlungsgut mit einem Kühl-Gasstrom beaufschlagt werden, kann dies auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß entweder nur ein Wärmetauscher 17 bzw. 17 a oder auch beide in die Betriebsstellung eingefahren werden. Auch bei dieser Betriebsweise ist die Strömungsgeschwindigkeit des Gasstromes durch Einstellung des entsprechenden Absperr- und Regelschiebers 15 bzw. 15 a veränderbar.

Claims (9)

1. Kammerofen mit Gasumwälzung zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken mittels Konvektion, bei dem mit Gebläsen im Innern eines Behandlungsraumes abwechselnd Gas­ ströme in entgegengesetzten Längsrichtungen des Behandlungs­ raumes erzeugbar sind, wobei in der außerhalb des Behand­ lungsraumes verlaufenden Gasströmung Einrichtungen zur thermischen Beeinflussung des Gasstromes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Be­ handlungsraum (7) langgestreckt ausgebildet ist und an seinen Enden durch Leit- und Verbindungselemente (9) mit einem neben dem Behandlungsraum (7) verlaufenden, nach außen geschlossenen Gaskanal (8, 10, 10 a) verbunden ist, daß in der Nähe der Enden des Gaskanals in je einer Öffnung seiner Wandung die Saugseite wenigstens je eines nur in einer Richtung rotierenden Gebläses (12, 12 a), z.B. ein Radialgebläse, die einander gegenläufige Ströme erzeugen, angeschlossen ist, von denen jeweils die Druckseite der Ge­ bläse (12, 12 a) an je eine Bypass-Leitung (11, 11 a) an­ schließt, deren anderes Ende in den Gaskanal (8) mündet, und daß zum einen in jeder Bypass-Leitung (11 bzw. 11 a) ein Absperr- und Regelorgan (15 bzw. 15 a) und zum anderen im Gaskanal (10 bzw. 10 a) in bezug auf die Strömungsrichtung der zugehörigen Bypass-Leitung (11 bzw. 11 a) vor deren Ein­ mündung in den Gaskanal (8) ein Absperrorgan (16 bzw. 16 a) angeordnet ist.

2. Kammerofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Absperr- und Regelorgane Schieber oder Drehklappen für eine stufenlose Regelung des Gasstromes eingesetzt sind.

3. Kammerofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jede Bypass-Leitung (11 bzw. 11 a) parallel zum Gaskanal (10 bzw. 10 a) verläuft und an ihrem Ende geradlinig in einen entsprechend erweiterten mittleren Ab­ schnitt des Gaskanals (8) mündet.

4. Kammerofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an den Enden des Behandlungsraumes (7) Leit- bzw. Umlenkbleche (22) unterschiedlicher Größe bzw. Gestaltung angebracht sind, die einen von der Seite der kürzeren Strömungsbahn bis zur Seite der längeren Strö­ mungsbahn abfallenden Strömungswiderstand verursachen.

5. Kammerofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ofengehäuse (1) als druckdichtes Gehäuse für Vakuum- und Überdruckbehandlungen ausgebildet ist.

6. Kammerofen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des Gaskanals (8) wenig­ stens je ein zwischen einer Arbeitsstellung innerhalb des Gaskanals (8) und einer außerhalb desselben liegenden Ruhe­ stellung hin- und herbewegbarer Wärmetauscher (17 bzw. 17 a) angeordnet ist.

7. Kammerofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Gaskanal (8) Heizelemente (20) an­ geordnet sind.

8. Kammerofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Behandlungsraum (7), die Leit- und Verbindungselemente (9), der Gaskanal (8) und eine alles umschließende Wärmedämmung (5) in einem separaten, aus dem Ofengehäuse (1) herausziehbaren Innengehäuse eingebaut sind.

9. Kammerofen nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Ofendruck, Strömungsgeschwindigkeit und Heizleistung über separate Steuerwege eines Programm­ gebers so verändert werden können, daß leichte und schwere Chargen mit praktisch gleichem Temperatur-Zeit-Verlauf ge­ fahren werden können.