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Die Erfindung betrifft eine Gaszerstäuberdüse zur Verwendung in
einem Fließbettofen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Gaszerstäuberdüsen zur Verwendung in Fließbettöfen müssen
verschiedene Anforderungen erfüllen.
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(1) Sie müssen hitzebeständig und haltbar sein.
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(2) Sie sind dazu geeignet, ein Wirbelbett gleichmäßig
aufrechtzuerhalten, wobei das Wirbelbett feuerfeste
Teilchen in einer Retorte bei jeder Temperatur
enthält, und
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(3) sie sind dazu geeignet, einen Wärmefluß von einem
unteren Abschnitt der Retorte zu minimieren.
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Eine Gaszerstäuberdüse, die bis zum heutigen Tage verwendet
wird, weist eine Verteilerplatte aus einer porösen Keramik
auf, die durch ein Klebemittel fest unterhalb einer inneren
Unterseite einer Retorte in einer solchen Weise befestigt ist, daß
sie sich im wesentlichen parallel zur inneren Unterseite der
Retorte erstreckt, wobei ein Freiraum gebildet ist. Die
Gaszerstäuberdüse weist einen Düsenteil zur Injektion von Luft oder
einem Arbeitsgas auf, die in den zwischen der unteren Seite der
Gasverteilerplatte und der inneren Unterseite der Retorte
gebildeten Raum angeordnet ist.
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Nachteilig bei der vorbekannten Gaszerstäuberdüse ist, daß diese
bruchanfällig ist oder Sprünge aufweist, da sie aus einer
Keramik gebildet ist. Weiterhin ist von Nachteil, daß zur
Befestigung der Gasverteilerplatte an einer inneren Seitenwandfläche
der Retorte, es notwendig ist, die Retorte von außen zu kühlen,
um ein Schmelzen des Klebemittels durch Wärme zu verhindern.
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Dies führt zu Wärmeverlusten. Schließlich ist von Nachteil, daß
zum Schutz des verwendeten Klebemittels die Innentemperatur der
Retorte auf weniger als 700ºC gesenkt werden muß, bevor das
Wirbelbett abgebaut wird, was zu einer geringeren Betriebszeit
und Verlusten von Wärme und dergleichen führt.
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Eine weitere bekannte Gaszerstäuberdüse, die die oben
genannten Nachteile beheben sollte, weist eine Gasverteilerplatte auf,
die fest unterhalb der inneren Seitenwandfläche einer Retorte
parallel zu deren innerer Bodenfläche angeordnet ist, um ein
Schmelzen des verwendeten Klebemittels durch Wärme zu
verhindern, und welche eine Vielzahl von entsprechend in einer
Vielzahl von longitudinal ausgerichteten Durchgangsbohrungen
angeordnete Düsenrohre aufweist, wobei die Durchgangslöcher in der
Gasverteilungsplatte gebildet sind. Jedes der Düsenrohre weist
eine Vielzahl von horizontalen Düseneinrichtungen oberhalb der
Verteilungsplatte auf.
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Bei dem letztgenannten Stand der Technik ergeben sich ebenfalls
eine Anzahl von Nachteilen.
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(1) Viele aufwendige Arbeitsschritte sind notwendig,
um die Düsenrohre herzustellen, wodurch die
Kosten der Gaszerstäuberdüse hoch sind.
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(2) Aufgrund der hohen Druckverluste in den
Düsenrohren ist ein Gebläse mit einer großen
Kapazität erforderlich, wobei die Zirkulationseffizienz
gering ist, wenn es bei einem Wirbelbett vom
Wärmezirkulationstyp verwendet wird.
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(3) Da die Injektionsdüsen horizontal angeordnet
sind, können die verwirbelten Teilchen in die
Düsen eindringen, was oft zu einem Verstopfen
der Düsen durch diese Teilchen führt.
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(4) Da die Gasverteilerplatte eine Vielzahl von
Düsenrohren aufweist, die in
Durchgangsbohrungen in der Platte angeordnet sind, und
das Gewicht der aufgewirbelten Teilchen trägt,
ist die maximal zulässige innere Temperatur
der Retorte auf 1.100ºC begrenzt. Folglich
ist diese Vorrichtung bei höheren Temperaturen
nicht verwendbar.
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In der JP-U1-61-1003796 ist eine Gasdüse offenbart. Alle
Düsenrohre sind radial zu einem Gaszufuhrrohr angeordnet. Dabei ist
es nicht möglich, die Flußrate des verwirbelnden Gases in der
Retorte individuell in der äußeren und entsprechend in der
mittleren Zone zu steuern. Die Fläche unterhalb der sich radial
erstreckenden Düsenrohre und des ringförmigen Rohres, das
benachbart zu einer Innenwand einer Retorte angeordnet ist, werden mit
einer erwünschten Rate des verwirbelnden Gases versorgt. Diese
Flußrate ist steuerbar. Allerdings ist die Flußrate für die
gesamte Fläche unterhalb der Rohre konstant.
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In der JP-A-57-41573 ist ein Verfahren zur Messung einer
Temperatur innerhalb einer Gaszerstäuberdüsenvorrichtung zur
Verwendung in einem Fließbettofen offenbart. In der JP-B1-48-3750 ist
ein Fließbettofen offenbart, in dem eine Gaszufuhreinrichtung
außerhalb einer Retorte angeordnet ist. Weiterhin sind eine
Vielzahl von Düsenrohren mit der Gaszufuhreinrichtung verbunden
und erstrecken sich durch eine Wand der Retorte, wobei die
Düsenrohre zueinander parallel angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Gaszerstäuberdüseneinrichtung dahingehend zu verbessern, daß eine Flußrate
des verwirbelnden Gases in der Retorte in jeder gewünschten
Weise steuerbar ist und individuell für eine äußere und eine
mittlere Zone einstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des
Anspruchs 1 gelöst.
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Im folgenden werden anhand der in der Zeichnung beigefügten
Figuren vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher
erläutert und beschrieben.
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Es zeigen:
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Fig. 1 einen schematischen, vorderen Längsschnitt eines
Fließbettofens mit einer Ausführungsform einer
Gaszerstäuberdüseneinrichtung gemäß des Standes
der Technik nach JP-Ul-61-133796;
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Fig. 2 einen schematischen Querschnitt des
Fließbettofens nach Fig. 1;
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Fig. 3 eine schematische, vergrößerte, teilweise
geschnittene Vorderansicht eines
Ausführungsbeispiels der Gaszerstäuberdüseneinrichtung nach
Fig. 1;
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Fig. 4 einen vergrößerten Querschnitt entlang der
Linie IV-IV aus Fig. 3;
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Fig. 5 u. 6 entsprechend eine schematische Draufsicht
und eine schematische, teilweise
geschnittene Vorderansicht weiterer Modifikationen;
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Fig. 7 eine schematische Draufsicht einer weiteren
Ausführungsform der
Gaszerstäuberdüseneinrichtung;
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Fig. 8 eine schematische, teilweise geschnittene
Vorderansicht eines Fließbettofens mit
einer Ausführungsform der
Gaszerstäuberdüseneinrichtung gemäß der Erfindung;
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Fig. 9 eine schematische, vergrößerte und
teilweise geschnittene Vorderansicht der
Gaszerstäuberdüseneinrichtung nach Fig. 8,
und
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Fig. 10 eine schematische, teilweise
geschnittene Draufsicht auf die Ausführungsform nach
Fig. 9.
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Ein erstes Ausführungsbeispiel einer
Gaszerstäuberdüseneinrichtung gemäß des Standes der Technik wird zuerst unter
Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 4 beschrieben.
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Eine Retorte 1 ist von einem wärmeisolierdenden Material 2
umgeben und getragen. Eine Verbrennungskammer 3 ist in einem unteren
Bereich der Retorte 1 mit einem Brenner 3a angeordnet. Die
Retorte 1 enthält nich dargestellte, verwirbelte Teilchen in
erforderlicher Menge. Im Bodenbereich der Retorte 1 ist ein
Abschnitt eines Gaszerstäuberrahres 4 dargestellt. Dieser
Abschnitt 4 enthält ein mittleres Gaszufuhrrohr 5, das in einem
Zentralteil des Bodens der Retorte 1 angeordnet ist, und eine
Vielzahl von sich radial erstreckenden Düsenrohren 6, die an dem
mittleren Gaszufuhrrohr 5 befestigt sind. Dieses erstreckt sich
durch die Retorte 1, wobei sein oberes Ende geschlossen ist und
sein unteres Ende mit einer außerhalb des Fließbettofens
vorgesehenen Leitung verbunden ist. Das Düsenrohr 6 ist an dem
mittleren Gaszufuhrrohr 5 an einer etwas von der Bodenfläche der
Retorte 1 beabstandeten Stelle befestigt. Jedes der Düsenrohre 6
weist eine Vielzahl von nach unten gerichteten Düsenöffnungen 7
auf, die in einer unteren Wand des Rohrs in einem angemessenen
Abstandsintervall ausgebildet sind. Dieses Abstandsintervall
beträgt beispielsweise 30 mm in Längsrichtung des Rohres, siehe
Fig. 4.
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Bei der obenstehenden Anordnung wird das Wirbelgas, das in das
mittlere Gaszufuhrrohr 5 fließt, von diesem durch die
Düsenöffnungen 7 in jedem der Düsenrohre 5 in Richtung der
Bodenfläche der Retorte 1 abgegeben. Das auf diese Weise
abgegebene Wirbelgas trifft auf die innere Bodenfläche der Retorte 1
auf, wird dort umgelenkt und bewegt sich aufwärts, wodurch bei
der Aufwärtsbewegung die entsprechenden Teilchen verwirbelt
werden.
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Ist der Durchmesser der Retorte 1 groß, kann eine
ausreichende Verwirbelung in Wandoberflächenbereichen nicht durch die
radial sich erstreckenden Düsenrohre 6 allein erzielt werden.
Daher ist in Fig. 5 ein modifiziertes Ausführungsbeispiel
dargestellt, das effizient verwendbar ist. Bei diesem sind die
äußeren Enden eines jeden sich radial erstreckenden Düsenrohres 6
durch ein ringförmiges Rohr 8 miteinander verbunden. Dieses
weist eine Vielzahl von nach unten gerichteten Düsenöffnungen
auf, die in einem unteren Bereich angeordnet sind und einen
angemessenen Abstand entlang des Umfangs aufweisen.
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Ist weiterhin der Durchmesser der Retorte 1 größer als in dem
oben erwähnten Fall, kann ein weiteres, modifiziertes
Ausführungsbeispiel effizient eingesetzt werden, bei dem gerade
Dtisenrohre 6a und stufenförmige Düsenrohre 6b miteinander
verbunden sind, um die Anzahl der Düsenrohre 6 zu erhöhen, wobei
diese abwechselnd in Horizontalrichtung angeordnet sind und
voneinander in vertikaler Richtung entsprechend zu Fig. 6
abweichen, wodurch eine gegenseitige Beeinflussung vermieden wird.
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Eine weitere Modifikation des vorstehenden Ausführungsbeispiels
ist in Fig. 7 dargestellt.
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Gemäß dieses Ausführungsbeispiels weist ein
Gaszerstäuberdüsenabschnitt 4 ein Verbindungsrohr 8 mit einem großen Durchmesser
auf, welches sich durch die Mitte der Retorte 1 erstreckt und
mit einem zentralen Gaszufuhrrohr 5 verbunden ist. Eine
Vielzahl
von Düsenrohren 6 ist am Verbindungsrohr 8 angeschlossen
und steht mit diesem in Verbindung. Die Düsenrohre 6 sind
unter rechten Winkeln zum Verbindungsrohr 8 und parallel
zueinander angeordnet. Jedes Düsenrohr 6 weist eine Anzahl von nach
unten gerichteten Düsenöffnungen 7 auf, die in einer unteren
Wandung gebildet sind. Weiterhin ist ein Düsenbett 9 auf der
inneren Bodenfläche der Retorte 1 angeordnet, auf dem sich die
Düsenrohre 6 abstützen.
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Da die oben erwähnte Gaszerstäuberdüseneinrichtung gemäß des
ersten Ausführungsbeispiels das Wirbelgas gleichmäßig in die
Retorte 1 injizieren kann, um ein gleichmäßiges Wirbelbett zu
bilden, kann es problemlos zum Erwärmen von Metallen, zur Härtung
bei mittleren und niedrigen Temperaturen und zur Nitrierung
dieser Metalle durch eine ausreichende Verwirbelung eingesetzt
werden.
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Allerdings kann diese Gaszerstäuberdüseneinrichtung
beispielsweise bei einer Wärmebehandlung und einer
Zementierungsbehandlung bei hohen Temperaturen, wie beispielsweise zum Härten von
Schnelldrehstahl, nicht eingesetzt werden.
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Im Falle einer Zementierungsbehandlung wird Propan, Butan oder
Alkohol dem Wirbelgas zugemischt, um eine
Zementierungsatmosphäre zu erzeugen. Allerdings zersetzen sich die
Zementierungsgase sofort nach ihrem Durchtritt durch die Düsenrohre und ihrem
Austritt aus den Düsenöffnungen. Da weiterhin die Retorte durch
eine nichtdargestellte Heizeinrichtung von ihrer äußeren
Peripherie aufgeheizt wird, ist die Temperatur der inneren
Seitenwandbereiche der Retorte im allgemeinen höher als die
Temperatur im Zentralbereich. Deshalb erfolgt die Zersetzung des
Gases in der Nachbarschaft der Düsenöffnungen der Düsenrohre
nahe der inneren Seitenwandoberfläche der Retorte stärker als im
mittleren Bereich. Als Ergebnis lagert sich Kohlenstoff auf der
inneren Seitenwandfläche der Retorte in der Nachbarschaft der
Düsenöffnungen ab, wenn die Zementierung oder
Hochkohlenstoffzementierung
für eine längere Zeit erfolgt ist. Da durch den
abgelagerten Kohlenstoff eine schlechtere Verwirbelung verursacht
wird, ist es notwehdig, den Verwirbelungsgasstrom zu verstärken
oder mehrfach nach Beendigung der Behandlung ein Ausbrennen
durchzuführen, um das Auftreten einer schlechten Verwirbelung zu
verhindern. Dies führt zu einer ansich störungsanfälligen
Behandlungsoperation.
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Da ein Härten von Schnellschneidestahl bei einer Temperatur von
mehr als 1.200ºC durchgeführt werden muß, ist eine Erwärmung
der Retorte durch eine außerhalb dieser angeordnete
Heizeinrichtung notwendigerweise sorgfältig durchzuführen, damit die innere
Seitenwand der Retorte nicht schmilzt oder beschädigt wird.
Beispielsweise wird der Wirbelgasfluß etwas verstärkt, um einen
besseren Wärmeübergang von der Retorte an die verwirbelten
Teilchen zu erhalten. Wird dies allerdings durchgeführt, erhöht sich
die Menge des verwendeten Stickstoffgases, wodurch die
Unterhaltskosten anwachsen.
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Aus diesem Grund kann bei einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung die Flußrate des Wirbelgases in der Retorte in jeder
erwünschten Weise gesteuert werden und individuell entsprechend in
der äußeren und in der mittleren Zone eingestellt werden.
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Das zweite Ausführungsbeispiel der Erfindung zur Lösung der oben
erwähnten Aufgabe wird im folgenden anhand der Fig. 8 bis 10
ausführlich beschrieben.
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Nach Fig. 8 ist ein oberes Ende einer zylindrischen Retorte 11
offen, wobei die Retorte einen Fließbettofen 10 aufweist. Die
Retorte 11 weist eine Heizeinrichtung 12 an ihrem Außenumfang
auf. Eine Gaszerstäuberdüseneinrichtung 13 ist an der inneren
Bodenfläche der Retorte angeordnet.
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Die Gaszerstäuberdüseneinrichtung 13 weist nach Fig. 9 und l0
einen ringförmigen Gaszerstäuberdüsenabschnitt 14 für eine
äußere,
periphere Zone und einen Gaszerstäuberdüsenabschnitt 15 für
eine Zentralzone auf. Beide sind parallel zur inneren
Bodenfläche der Retorte angeordnet. Der Gaszerstäuberdüsenabschnitt
14 für die äußere Zone weist wenigstens ein ringförmiges
Düsenrohr 16a auf, das in seiner Unterseite eine Vielzahl von nach
unten gerichteten Düsenöffnungen 17 enthält. Weiterhin weist es
ein Verbindungsrohr 16b zur Verbindung des ringförmigen
Düsenrohrs 16a mit einem Rohr 19 auf, welches sich durch einen
Bodenbereich der Retorte in diese zur Zufuhr eines Wirbelgases
erstreckt. Ein solches Wirbelgas kann beispielsweise Luft oder ein
atmosphärisches Zementierungsgas sein, das dem
Gaszerstäuberdüsenbereich 14 in der äußeren Zone über das Verbindungsrohr 16b
zuführbar ist. Der Gaszerstäuberdüsenbereich 14 der äußeren Zone
ist in einem höheren Abschnitt 18a eines Düsenbetts 18 auf einer
inneren Bodenfläche 11a der Retorte 11 angeordnet.
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Weiterhin weist der Gaszerstäuberdüsenbereich 15 der Zentralzone
ein Verbindungsrohr 20 vom großen Durchmesser auf, das sich
durch die Mitte der Retorte parallel zu deren innerer
Bodenfläche erstreckt. Mit diesem Verbindungsrohr 20 ist ein
ringförmiges Düsenrohr 21 verbunden, das eine Vielzahl von in einer
Unterseite gebildeten, nach unten gerichteten, in Umfangsrichtung
angeordneten Düsenöffnungen aufweist. Weiterhin sind eine
Vielzahl von Düsenrohren 22, von denen jede in ihrer Unterseite eine
Vielzahl von nach unten gerichteten Düsenöffnungen aufweist,
parallel zueinander angeordnet und mit dem Rohr 20 von großem
Durchmesser unter rechten Winkeln verbunden. Ein Gaszufuhrrohr
für die Zentralzone erstreckt sich vertikal durch den
Bodenbereich der Retorte in diese hinein und ist mit dem Rohr 20 von
großem Durchmesser mittig verbunden, um über dieses ein
Wirbelgas an den Gaszerstäuberdüsenbereich 15 für die Zentralzone
abzugeben. Der Gaszerstäuberdüsenbereich 15 für die Zentralzone
ist auf einem unteren Bereich 18b des Düsenbetts durch das
ringförmige Düsenrohr 21 abgestützt. Der Gaszerstäuberdüsenabschnitt
15 der Zentralzone ist gegenüber dem Gaszerstäuberdüsenbereich
14 für die äußere Zone niedriger angeordnet, um eine
gegenseitige
Störung zu vermeiden. Dabei ist es selbstverständlich, daß
auch eine umgekehrte, vertikale Anordnung von
Gaszerstäuberdüsenbereich 14 für die äußere Zone und
Gaszerstäuberdüsenbereich 15 für die Zentralzone möglich ist.
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Durch die obige Anordnung wird ein Wirbelgas von dem
Gaszerstäuberdüsenbereich 14 für die äußere Zone in Richtung zur inneren
Bodenfläche 11a der Retorte 11 benachbart zur inneren
Seitenwandoberfläche injiziert. Entsprechend injiziert der
Gaszerstäuberdüsenbereich 15 für die Zentralzone ein Wirbelgas in
Richtung der Zentralzone der inneren Bodenfläche 11a der
Retorte 11. Die Injektion des Wirbelgases von dem
Gaszerstäuberdüsenbereich 14 für die äußere Zone und dem
Gaszerstäuberdüsenbereich 15 für die Zentralzone kann entsprechend unabhängig
durch eine im folgenden beschriebene Steuereinrichtung für
eine Wirbelgasflußrate gesteuert werden.
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Kurz gesagt, kann die Flußrate des von dem
Gaszerstäuberdüsenbereich 14 der äußeren Zone injizierten Wirbelgases und die
Flußrate des von dem Gaszerstäuberdüsenbereich 15 der
Zentralzone injizierten Wirbelgases durch Erfassen der inneren Temperatur
der Retorte 11 durch einen Wärmekoppler 25 gesteuert werden,
welcher nach Fig. 8 in der Retorte 11 angeordnet ist, wobei die
Steuerung durch Flußsteuerventile 28 und 29 auf Grundlage der
erfaßten Temperatur erfolgt. Diese Flußsteuerventile sind in den
Gaszufuhrfaden 26 und 27 der Gaszufunrrohre 19 und 24
entsprechend angeordnet.
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Weiterhin sind nach Fig. 8 ein Gebläse 30 und ein
Wirbelgasvorrat 31, wie beispielsweise ein unter Druck stehender
Gasbehälter oder Tank, angeordnet. Durch Steuerung der Flußrate des
Wirbelgases können die Innentemperatur und die
Seitenwandtemperatur der Retorte 11 immer im wesentlichen konstant gehalten
werden.
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Bei dem geschilderten Stand der Technik lagert sich Kohlenstoff
auf der Innenfläche der Retorte 11 in Nachbarschaft der
Düsenöffnungen im Falle einer Zementierungsbehandlung oder bei einer
Zementierungsbehandlung mit einem hohen Kohlenstoffanteil ab,
wenn diese Behandlungen für eine längere Zeit durchgeführt
werden. Durch die Anordnung nach Fig. 8, bei der ein
Wirbelgasfluß in der Außenzone größer als in der Zentralzone ist, ist
eine solche Ablagerung von Kohlenstoff vermindert, so daß auch
die Anzahl der Ausbrennungen geringer ist. Auch dort, wo eine
geringe Menge von Kohlenstoff sich auf der Innenfläche der
Retorte ablagert, kann ein Auftreten einer schlechten
Verwirbelung durch Vergrößerung der Flußrate des Wirbelgases in der
äußeren Zone verhindert werden.
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Weiterhin kann bei einer Hochtemperaturbehandlung ein Schmelzen
der Retorte 11 durch Erhöhen der Flußrate des Wirbelgases in der
Außenzone in der gleichen Weise verhindert werden, um dadurch
einen Wärmeübergang zwischen der Retorte 11 und dem Wirbelbett,
das Aluminiumoxidteilchen enthält, zu unterstützen. Auf diese
Weise, da die Flußrate des Wirbelgases in der Zentralzone
reduziert oder gering abgeschwächt wird, kann die Menge des
Stickstoffgases, das als Wirbelgas verwendet wird, im Vergleich zu
dem Fall vermindert werden, in dem die Flußraten des der äußeren
Zone und entsprechend der inneren Zone zugeführten Gases nicht
individuell steuerbar sind. Daher ist es wichtig, daß der
gesamte Wirbelgasfluß durch sowohl die äußere Zone als auch die
Zentralzone steuerbar ist.
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In dem Fall, in dem der Wirbelgasfluß in der Zentralzone abnimmt
abhängig vom Beschickungsverfahren von Materialien, die in dem
Fließbettofen behandelt werden sollen (beispielsweise in dem
Fall, wenn eine große Menge in der Zentralzone zugeführt wird),
ist es möglich, die Flußrate des Wirbelgases nur in der
Zentralzone umgekehrt zu dem oben beschriebenen Fall zu erhöhen. Auf
diese Weise wird ein Auftreten eines ungleichmäßigen Stroms von
Wirbelgas vermieden und ein Anwachsen der Temperatur der der
Hitzebehandlung zu unterziehenden Bestandteile erhöht.