DE3855704T2

DE3855704T2 - Heizstrahlrohr.

Info

Publication number: DE3855704T2
Application number: DE3855704T
Authority: DE
Inventors: Jan-Olof Olsson
Original assignee: Kanthal AB
Current assignee: Sandvik Intellectual Property AB
Priority date: 1987-12-04
Filing date: 1988-12-05
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2008-12-06
Also published as: ES2090017T3; SE459524B; DE3855704D1; EP0321427A3; EP0321427B1; SE8704859D0; EP0321427A2; SE8704859L; KR900010344A; KR0126475B1

Description

Die Erfindung betrifft ein Strahlheizrohr für Öfen und dergleichen Beheizungszwecke. Die Wärmequelle kann von elektrischen Widerstandselementen gebildet sein oder von einem beispielsweise mit Gas betriebenem Brenner. Unter "Öfen" sind hauptsächlich Öfen für die Wärmebehandlung in industriellen Prozessen zu verstehen.
Strahlheizrohre finden vorwiegend in Öfen Anwendung, in denen die Ofenatmosphäre eine direkte Beheizung nicht zuläßt. Dies kann darin begründet liegen, daß die Atmosphäre für die zur elektrischen Beheizung verwendeten Elemente schädlich ist oder in dem Wunsch, die Atmosphäre im Ofen kontrollieren zu können, was keine Verbrennungsgase hierin zuläßt. Andere Gründe für die Verwendung von Strahlungsrohren anstelle von direkter Beheizung in den Fällen, in denen letztere möglich sein sollte, könnten beispielsweise in dem Wunsch liegen, eine Reparatur oder einen Austausch der Wärmequelle vornehmen zu können, während der Ofen benutzt wird. Es ist dann einfacher, dies in einem separaten Raum zu tun, z.B. im Inneren des Strahlungsrohres, als in dem Ofenraum selbst.
Ein Strahlheizrohr kann ein zylindrisches Rohr umfassen. Ein Ende des Rohres ist mit einem Boden versehen. Das andere Ende des Rohres ist in der Regel mit einem Flansch zur Befestigung an der Ofenwandung versehen. Das Rohr kann auch andere Anordnungen, vorspringende Teile etc. zur Befestigung im Ofen sowie Abstandshalter und dergleichen aufweisen. Vorwiegend dann, wenn die Beheizung durch Verbrennung erreicht wird, können in dem Rohr Einsätze vorhanden sein, die Strömungskanäle für die Verbrennungsgase bilden. Es gibt auch U-förmige Strahlungsrohre.
Bislang wurden Strahlungsrohre hauptsächlich bei Ofentemperaturen bis circa 1100 ºC eingesetzt. Die Rohre sind häufig aus einer Legierung gefertigt, die in erster Linie Nickel, Chrom und Eisen umfaßt. Die Zusammensetzung der Legierung ist z.B. 40 bis 60 Gew.-% Nickel, 15 bis 20 Gew.-% Chrom und 25 bis 45 Gew.-% Eisen. Diese Strahlungsrohre sind jedoch mit gewissen Nachteilen behaftet, die in der Mehrzahl von Anwendungen von großer Bedeutung sind. Auf den Oberflächen der Rohre bilden sich sowohl außenliegende Oxidschichten wie innenliegende Oxidschichten, welche abplatzen, sobald sie eine gewisse Dicke erreicht haben, die je nach den in der jeweiligen Anwendung vorliegenden Bedingungen variiert. Infolgedessen verleihen die Oxidschichten keinen Schutz gegen fortwährende Angriffe auf die Rohre. Herabfallende Oxidflocken können Probleme verursachen, wenn sie in Berührung mit den im Inneren der Öfen vorhandenen Produkten gelangen. Die größten Probleme entstehen jedoch durch die Oxidflocken im Inneren der Rohre. Wenn diese elektrische Elemente für die Beheizung beinhalten, können die Flocken Kurzschluß zwischen einzelnen Elementen und zwischen einzelnen Teilen eines Elements verursachen, was eine sofortige Unterbrechung der Funktion des Elements oder eine erhebliche Verkürzung der Lebensdauer des Elements mit sich bringt. Beim Austausch eines Elements, was bedeutet, daß Element und Elementhalter aus dem Strahlungsrohr herausgezogen und nach Reparatur oder Austausch wieder hineingeschoben werden, können die Halter wie Schaber wirken und Oxidanhäufungen zumeist am entgegengesetzten Ende des Rohres herbeiführen, was zu Schwierigkeiten bei der Reparaturarbeit und Unzulänglichkeiten in der Funktion führen kann.
Ein aus einer FeCrNi-Legierung gefertigtes und ein Heizelement umfassendes Strahlungsrohr ist in US-A-3 137 486 offenbart. Jedoch ist, wie oben erwähnt, die Oxidschicht bei sehr hohen Temperaturen nicht stabil, was einen schwerwiegenden Nachteil darstellt.
Ferner haben bislang verwendete Strahlungsrohre keine zufriedenstellenden mechanischen Eigenschaften unter hohen Einsatztemperaturen. Infolge ihres Eigengewichts und der internen Belastung neigen die Rohre zum Durchhängen. Um einen Ausgleich hierfür zu schaffen, müssen die Rohre in regelmäßigen Abständen um 180º gedreht werden. Dies läßt sich in den meisten Fällen in Verbindung mit der normalen Wartung oder Instandsetzung durchführen, ist jedoch immer noch ein wesentlicher Nachteil und ein Faktor, der die Einsatzmöglichkeiten beschränkt.
Aufgabe der Erfindung ist es, die vorstehend genannten Nachteile bislang bekannter Strahlungsrohre zu umgehen und eine höhere Einsatztemperatur zu ermöglichen, als bisher möglich war. Dies betrifft in erster Linie eine höhere konstante Temperatur bei Dauereinsatz. Die Erfindung ermöglicht ferner längere Abstände zwischen Stillsetzungen für Wartungsarbeiten. Das stark reduzierte oder gänzlich beseitigte Durchhängen der Rohre ist von großer Bedeutung für die zuverlässige Funktion der Strahlungsrohre sowie für eine einfachere Wartung.
Erfindungsgemäße Strahlungsrohre sind für den Einsatz in Öfen und dergleichen Beheizungszwecke gedacht und sind durch die in Anspruch 1 definierten Merkmale gekennzeichnet. Ein Verfahren zum Herstellen des Rohres ist in Anspruch 3 definiert. Fakultative Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen dargelegt.
Das zylindrische nahtlose Hüllrohr ist aus einer FeCrAl-Legierung gefertigt, wobei eine FeNiCr-Legierung ausgeschlossen ist. Diese Strahlungsrohre weisen im Vergleich zu herkömmlichen Rohren, die durch Gießen oder Schweißen von Platten aus Nickel- Chrom- oder Eisen-Nickel-Chrom-Legierungen hergestellt sind, wesentliche Vorteile auf. Erfindungsgemäße Strahlungsrohre lassen sich bei Temperaturen bis zu 1250 bis 1300 ºC einsetzen.
Bei hohen Temperaturen bilden FeCrAl-Legierungen unter oxidierenden Bedingungen eine stabile und anhaftende Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche des Materials. Dieses Oxid ist auch hitzebeständiger und beständiger gegen chemischen Angriff als die Schichten, die sich auf Nickel-Chrom-Legierungen ausbilden. Besonders deutlich wird dies in schwefelhaltigen Umgebungen, in denen bei Nickel-Chrom-Werkstoffen rasche und schwere Angriffe zustandekommen. Wenn die Oxidschicht unversehrt ist, sind die FeCrAl-Legierungen auch in einer Aufkohlungsatmosphäre besser. In vielen Anwendungen ist ein Bilden der Oxidschicht durch Voroxidation gemäß der vorliegenden Erfindung aus diesem Grund wichtig, selbst wenn die vorgesehene Einsatztemperatur unter 1100 ºC liegt. Eine geeignete Voroxidation ist beispielsweise eine Wärmebehandlung in Luft bei 1100 ºC über mindestens 8 Stunden. Die FeCrAl-Legierung kann auch geringfügige Mengen anderer Legierungskomponenten enthalten, wie Yttrium, Titan und Zirconium, in Mengen bis zu jeweils 0,2 Gew.-%. Diese Zusätze beeinflussen die Oxidschichten sowie die Struktur und Eigenschaften des Materials.
Das zylindrische Rohr, welches einen Hauptbestandteil des Strahlungsrohres darstellt, ist nahtlos und bevorzugt durch Extrusion hergestellt. Der für die Extrusion verwendete Block wird in bekannter Weise durch Gießen oder ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellt. Die Schergeschwindigkeit und andere Bedingungen der Extrusion werden so gewählt, daß den Rohren eine gestreifte Oberfläche verliehen wird, was bedeutet, daß die gesamte äußere Oberfläche der Rohre rauh ist und axial verlaufende unregelmäßige Nuten und Rippen aufweist, deren Größe so gewählt ist, daß die Eigenschaften der Oxidschicht optimiert werden, in der Hauptsache deren Festigkeit und Elastizität, um ein Abplatzen des Oxids bei hohen Temperaturen und Temperaturwechsel zu verhindern.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher beschrieben.
Es zeigen im einzelnen:
Fig. 1 elektrisch beheizte Strahlungsrohre im Inneren eines Ofens. Eines der Strahlungsrohre ist in teilweise geschnittener Ansicht dargestellt, um das Element zu zeigen;
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Strahlungsrohr, welches durch die Verbrennung von Gas beheizt wird;
Fig. 3 die Oberfläche des zylindrischen Rohres eines Strahlungsrohres;
Fig. 4 einen Querschnitt des zylindrischen Rohres.
Fig. 1 zeigt mehrere Strahlungsrohre (1, 2A, 2B), die in einem Ofen installiert sind, von dem eine gemauerte Wandung (3) gezeigt ist. Die Strahlungsrohre weisen eine Hülle auf, die von einem zylindrischen Rohr (9) gebildet ist, welches aus einem FeCrAl-Werkstoff hergestellt ist. Unter "FeCrAl-Werkstoff" sind Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen wie vorstehend beschrieben zu verstehen. Am äußeren Ende des Rohres befindet sich eine Wandung (nicht gezeigt) aus dem gleichen Material. In der Wandung (3) des Ofens ist eine Öffnung ausgebildet, die dem Rohr entspricht und in der das Ende des Rohres gehalten ist. Für das nicht gezeigte Ende des Rohres ist ein entsprechende Halterung vorhanden, beispielsweise eine Ablage oder eine Öffnung in der Ofenwandung. Der Abstand zwischen den Wänden des Ofens kann bis zu 2 Meter betragen, und das Strahlungsrohr hängt unabgestützt dazwischen. Im Inneren des Rohres befindet sich ein elektrisches Widerstandselement (4), welches in dem gezeigten Beispiel aus MoSi&sub2; gefertigt und von der Art ist, wie sie unter der Marke KANTHAL SUPER vertrieben wird. Das Element ruht auf einer keramischen Halterung (5). Die Anschlußteile (7) des Elements sind durch zwei Stopfen (6, 8) geführt, durch welche die heiße Atmosphäre des Strahlungsrohres von der Umgebung getrennt und die Anschlußteile gestützt werden.
Das in Fig. 2 gezeigte Strahlungsrohr ist für einen angedeuteten Gasbrenner (14) konzipiert. Die Verbrennungsgase aus dem Brenner strömen zuerst durch den Einsatz (12), werden an der Wandung (10) umgelenkt und strömen entlang des Strahlungsrohres (9) zurück. Letzteres weist einen Flansch (11) auf, der zur Befestigung an der Ofenwandung auf herkömmliche Weise dient. An den Einsatz sind Halter (13) angeschweißt.
Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Strahlungsrohre haben Abmessungen, die im Hinblick auf den Ofen gewählt sind, in dem sie zum Einsatz kommen sollen. Beispielsweise kann die Länge des Rohres 1800 mm, sein Außendurchmesser 200 mm und seine Wandstärke 8 mm sein.
Die Figuren 3 und 4 zeigen das Aussehen eines erfindungsgemäßen Strahlungsrohres. Fig. 3 ist eine Photographie der Oberfläche des Rohres, und Fig. 4 zeigt einen Querschnitt derselben Oberfläche des Rohres bei circa 50facher Vergrößerung. Die Bilder zeigen das gestreifte Aussehen der Oberfläche. Diese Kristallstreifen werden erhalten, indem eine ausreichend hohe Schergeschwindigkeit beim Extrusionsprozeß angewendet wird und können für die Eigenschaften der Oxidschicht von wesentlicher Bedeutung sein.

Claims

1. Strahlheizrohr für Öfen und dergleichen, welches ein aus einer Legierung mit einer äußeren Oxidschicht gefertigtes zylindrisches Rohr umfaßt und Heizelemente aufweist, dadurch gekennzeichnet,

- daß das zylindrische Rohr ein nahtloses Hüllrohr (9) ist, hergestellt aus einer FeCrAl-Legierung, wobei ein aus einer FeNiCr-Legierung hergestelltes Rohr ausgeschlossen ist; und daß die Oxidschicht auf der äußeren Oberfläche des Hüllrohrs (9) im wesentlichen Aluminiumoxid umfaßt und durch Voroxidation stabil und anhaftend gemacht wurde.

2. Strahlheizrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Oberfläche des Hüllrohrs (9) rauh ist und unregelmäßige sich entlang dem Rohr erstreckende Nuten und Rippen aufweist.

3. Verfahren zum Herstellen eines Strahlheizrohrs für Öfen oder dergleichen, umfassend ein zylindrisches Rohr, welches aus einer Legierung mit einer äußeren Oxidschicht hergestellt ist und welches ein Heizelement aufweist, dadurch gekennzeichnet,

- daß das Strahlheizrohr (1) durch Anordnen des Heizelements (4) im Innern des Hüllrohrs (9) hergestellt wird;

- daß das Hüllrohr (9) durch Extrusion einer FeCrAl-Legierung gefertigt wird, wobei ein aus einer FeNiCr-Legierung gefertigtes Rohr ausgeschlossen ist; und

- daß die äußere Oxidschicht auf der äußeren Oberfläche des Hüllrohrs (9) im wesentlichen Aluminiumoxid umfaßt und mittels Voroxidation stabil und anhaftend gemacht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Extrusion mit einer solchen Schergeschwindigkeit durchgeführt wird, daß die äußere Oberfläche des Hüllrohrs (9) rauh ist und unregelmäßige Nuten und Rippen aufweist, welche sich entlang dem Rohr erstrecken.