DE4327975A1

DE4327975A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Austauschen der Atmosphäre in einem Haubenglühofen

Info

Publication number: DE4327975A1
Application number: DE4327975A
Authority: DE
Inventors: Georg Velten; Friedhelm Dr Ing Kuehn; Walter Dr Scheiermann
Original assignee: LOI IND OFENANLAGEN
Current assignee: LOI Thermprocess GmbH
Priority date: 1993-08-19
Filing date: 1993-08-19
Publication date: 1995-02-23
Also published as: RU2127325C1; CN1043058C; EP0714452B1; EP0714452A1; WO1995005487A1; ATE175725T1; US5730930A; CN1138352A; DE59407661D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Austauschen der Atmosphäre in einem Haubenglühofen, wobei das frische Gas unten in den Ofen eingeblasen und das sich bildende Gasgemisch unten aus dem Ofen abgeführt wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Haubenglühofen zur Durchführung dieses Verfahrens, mit einem Sockel, einer auf dem Sockel angeordneten Glühgutplatte zum Tragen des Glühgutes, einem unterhalb einer Zentralöffnung der Glühgutplatte angeordneten Gebläse, einer das Glühgut und die Glühgutplatte mit Abstand umgebenden Haube und je minde stens einem am Sockel angeordneten Gaseinlaß und Gasauslaß.

Haubenglühöfen dienen insbesondere zur Wärmebehandlung von Blechen, die zu Coils gewickelt sind. Letztere werden überein ander auf der Glühgutplatte gestapelt, wobei ihr zentrales "Auge" einen Kanal in Fortsetzung der Zentralöffnung der Glüh gutplatte bildet. Nach dem Aufsetzen der Haube auf eine frische Charge wird die im Ofen befindliche Luft gegen Schutzgas ausge tauscht. Sodann beginnt die Glühbehandlung, wobei das Gebläse das Gas zentral von oben nach unten ansaugt und seitlich in den Ringraum zwischen dem Glühgut und der Haube fördert.

Für jede Charge ist also mindestens ein Austausch der Atmo sphäre des Haubenglühofens erforderlich. Wird mit Wasserstoff gearbeitet, so vervielfachen sich diese Vorgänge. Vor Beginn des Aufheizens muß die Luft aus dem Ofen ausgetrieben werden. Dies geschieht durch Einblasen von Stickstoff. Anschließend er folgt die Füllung mit Wasserstoff, wobei der Stickstoff ausge trieben wird. Nach Beendigung der Glühbehandlung muß erst der Wasserstoff durch Einblasen von Stickstoff ausgetrieben werden, bevor die Haube abgenommen werden kann.

Beim Austausch der Atmosphäre wird das frische Gas unter halb des Gebläses in den Ofen eingeblasen und vom Gebläse in den Ringraum zwischen dem Glühgut und der Haube gefördert. Gleichzeitig wird das entstehende Gasgemisch durch den Gasaus laß abgeführt.

Der Gaseintrag beim Austausch der Atmosphäre ist ganz er heblich. Der Volumenstrom beträgt 100 bis 180 m³/h, und zwar im Normalfall für eine Dauer von 20 bis 40 Minuten. Dies setzt al lerdings die volle Funktionsfähigkeit des Gebläses voraus. Fällt das Gebläse aus, so beträgt die Spülzeit ca. 24 Stunden. Dieser Verlust an Betriebszeit fällt schwer ins Gewicht. Hinzu kommt ein nicht unerheblicher Gasverbrauch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier Abhilfe zu schaffen und einen wirtschaftlicheren, vor allem rascheren Aus tausch der Atmosphäre zu ermöglichen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren nach der Erfin dung dadurch gekennzeichnet, daß das frische Gas als nach oben gerichteter Hochgeschwindigkeitsstrahl in einen nach oben führenden Strömungsweg eingeblasen wird und daß für die Geschwindigkeit des Strahls folgende Beziehung gilt:

wobei
V_f = freies Ofenraumvolumen in Liter
M_A = Molgewicht des auszuspülenden Gases in g/mol
ρ_s = Dichte des frischen Gases in g/m³
(die Daten gelten für den Normzustand)
A = Eintrittsquerschnitt des frischen Gases in m²
K = Faktor mit dem Wert 1, vorzugsweise 6.

Dabei kann es u. U. vorteilhaft sein, den Hochgeschwindigkeitsstrahl pulsierend zu erzeugen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kennzeichnet sich dadurch, daß der Gaseinlaß als nach oben gerichtete Düse ausgebildet ist, die in einem nach oben führenden Strömungsweg mündet.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, daß die Geschwindigkeit des eintretenden Strahls den Austauschvorgang maßgeblich beeinflußt und für die Optimierung der Geschwindigkeit, die Dichte des auszuspülenden Gases und die Dichte des frischen Gases zu berücksichtigen sind, und zwar entsprechend der obigen Beziehung.

Überraschenderweise ist es mit den erfindungsgemäßen Maß nahmen möglich, den Atmosphärenwechsel in nicht vorhersehbarem Maße zu beschleunigen. Bereits nach ca. 3 bis 10 Minuten ist der angestrebte Restgehalt des zu ersetzenden Gases von ca. 4% erreicht. Ein ganz besonderer Überraschungseffekt liegt darin, daß das erzielte Ergebnis praktisch unabhängig davon ist, ob das Gebläse mitläuft oder nicht. Dies bedeutet, daß beim Aus fall des Gebläses eine Verkürzung der Zeit von 24 Stunden auf ca. 5 Minuten zu verzeichnen ist.

Neben dieser wahrhaft immensen Zeitersparnis ergibt sich auch eine entsprechende Einsparung an Spülgas, da der Volumen strom nicht erhöht werden muß. Nach wie vor kann im Mittel mit ca. 140 m³/h gearbeitet werden.

Hervorzuheben ist ferner eine nicht unerhebliche Steigerung der Arbeitssicherheit. Beim Ausfall des Gebläses während des Betriebes war es häufig nicht möglich (oder erschien zumindest als nicht möglich), den Spülvorgang für das Austreiben des Was serstoffs 24 Stunden lang laufen zu lassen. Die Folge war, daß die Haube vorzeitig abgehoben wurde mit dem Risiko einer Zün dung des Restgemisches.

Der Erfolg der Erfindung dürfte vor allen Dingen darauf zu rückzuführen sein, daß der in den nach oben führenden Strö mungsweg eingeblasene Hochgeschwindigkeitsstrahl bei entspre chender gegenseitiger Abstimmung von Geschwindigkeit und Ka nalabmaßen zu einer äußerst raschen und gleichmäßigen Gemisch bildung führt. Der Strahl tritt in das auszutauschende Gas ein und bewirkt gleichzeitig einen Ansaugeffekt. Außerdem wird der Strahl weit bis in die Kuppel der Haube hinein wirksam. Diese Effekte können u. U. durch das pulsieren des Strahls gesteigert werden. Schließlich verhindert die Strahlführung, deren Beginn auf der Höhe der Glühgutplatte liegt, in wirksamer Weise eine Kurzschlußströmung zum Gasauslaß.

Sehr gute Ergebnisse wurden mit einer Glattstrahldüse von konstantem Durchmesser erzielt. Denkbar sind allerdings auch Düsen mit Einschnürungen.

Der Hochgeschwindigkeitsstrahl kann durch die Zentralöff nung der Glühplatte hindurch in den von den "Augen" der Coils gebildeten zentralen Kanal hineingerichtet werden. Dabei bietet es sich an, die Welle des Gebläses hohl auszubilden und, ggf. unter entsprechender Verlängerung, als Düse einzusetzen.

Vorteilhafter kann es sein, die Düse in dem Ringraum zwi schen dem Glühgut und der Haube münden zu lassen, da hier be sonders günstige Zuström- und Ansaugverhältnisse herrschen. Dies gilt insbesondere dann, wenn, wie es in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen wird, das Verhältnis von Abstand zwi schen der Düsenmitte und der Haube zu Düsenaustrittsdurchmesser zwischen 2,5 und 8 liegt. Handelt es sich beispielsweise darum, H₂ gegen N₂ auszutauschen, so ist das Verhältnis vorzugsweise < 7,5.

Vorteilhafterweise mündet die Düse in Höhe der Glühgutplat te, wobei der Düsenmündung eine Anströmlänge mit konstantem Durchmesser vorgeschaltet ist, die etwa dem 5fachen des Düsen austrittsdurchmessers entspricht. Es wurde gefunden, daß auf diese Weise sehr günstige Strömungsverhältnisse erzielt werden können.

Vorzugsweise beträgt die Düsenaustrittsfläche ca. 10% der Fläche des Gasauslasses. Auch diese Maßnahme ist geeignet, den Spülvorgang zu fördern.

Dabei wird der Gasauslaß vorzugsweise in dem Ringraum zwi schen dem Glühgut und der Haube diametral gegenüber der Düse angeordnet. Sind mehrere Gasauslässe und Düsen vorgesehen, so werden diese jeweils auf einem gemeinsamen Sektor angeordnet, wobei die Sektoren einander gegenüber liegen. In jedem Falle wird eine Strömung erzwungen, die im wesentlichen großflächig der Haubenkontur folgt.

Vorzugsweise ist der Gasauslaß von einem dem Gebläse zuge ordneten Leitblech abgeschirmt, so daß er vor allen Dingen die haubennahe Strömung erfaßt, wobei quergerichtete, kurzschlußar tige Strömungen weitgehend abgewiesen werden.

Als erfindungswesentlich offenbart gelten auch solche Kom binationen der erfindungsgemäßen Merkmale, die von den vorste hend diskutierten Verknüpfungen abweichen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt einen schemati schen Vertikalschnitt durch einen Haubenglühofen nach der Er findung.

Der Haubenglühofen weist einen Sockel 1 mit einer Glühgut platte 2 auf. Letztere trägt übereinander gestapelte Coils 3, im vorliegenden Falle vier an der Zahl. Deren "Augen" bilden einen zentralen Kanal 4, der sich an eine Zentralöffnung 5 der Glühglutplatte 2 anschließt. Unterhalb der Zentralöffnung 5 ar beitet ein Gebläse 6. Die Coils 3 und die Glühgutplatte 2 wer den unter Bildung eines Ringraums 7 von einer Haube 8 abge deckt.

Der Haubenglühofen weist einen Gaseinlaß in Form einer nach oben gerichteten Düse 9 auf, die in den Ringraum 7 mündet. Sie erzeugt einen gepulsten, nach oben gerichteten Hochgeschwindig keitsstrahl, dessen Geschwindigkeit 75 m/s beträgt, und zwar bei einem Volumenstrom von 130 m³/h. Es handelt sich um eine Glattstrahldüse mit einem Durchmesser von 25 mm, wobei die Düse auf der Höhe der Glühgutplatte 2 mündet. Das Verhältnis von Ab stand zwischen der Düsenmitte und der Haube zu Düsendurchmesser beträgt 5.

Diametral gegenüber der Düse 9 und ebenfalls im Bereich des Ringraums 7 ist ein Gasauslaß 10 vorgesehen, dessen Durchmesser 80 mm beträgt. Der Gasauslaß wird von einem dem Gebläse 6 zuge ordneten Leitblech 11 abgeschirmt.

Mit dieser Anordnung ist es möglich, die H₂-Atmosphäre des Ofens mit N₂ bis auf einen Restgehalt von 4% in 6 Minuten zu spülen, wobei es keine wesentliche Rolle spielt, ob das Gebläse mitläuft oder nicht.

Im Rahmen der Erfindung sind durchaus Abwandlungsmöglich keiten gegeben. So können die Abmaß- und Verfahrensparameter in Grenzen variiert werden, so lange ein nach oben gerichteter Hochgeschwindigkeitsstrahl mit den gewünschten Ansaug-, Misch- und Spüleigenschaften erzeugt werden kann, dessen Geschwindig keit der erfindungsgemäßen Beziehung entspricht. Dieser Strahl kann auch beispielsweise durch die Welle des Gebläses 6 hin durch in den zentralen Kanal 4 gerichtet werden. Ferner besteht die Möglichkeit, mit mehreren Gaseinlässen und ggf. auch mehre ren Gasauslässen zu arbeiten, wobei allerdings die diametrale Anordnung erhalten bleiben sollte.

Claims

1. Verfahren zum Austauschen der Atmosphäre in einem Haubenglühofen, wobei das frische Gas unten in den Ofen eingeblasen und das sich bildende Gasgemisch unten aus dem Ofen abgeführt wird,
dadurch gekennzeichnet ,
daß das frische Gas als nach oben gerichteter Hochgeschwindigkeitsstrahl in einen nach oben führenden Strömungsweg eingeblasen wird und daß für die Geschwindigkeit des Strahls folgende Beziehung gilt: wobei
V_f = freies Ofenraumvolumen in Liter
M_A = Molgewicht des auszuspülenden Gases in g/mol
ρ_s = Dichte des frischen Gases in g/m³
(die Daten gelten für den Normzustand)
A = Eintrittsquerschnitt des frischen Gases in m²
K = Faktor mit dem Wert 1, vorzugsweise 6.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochgeschwindigkeitsstrahl pulsierend erzeugt wird.

3. Haubenglühofen mit einem Sockel (1),
einer auf dem Sockel angeordneten Glühgutplatte (2) zum Tragen des Glühgutes (3),
einem unterhalb einer Zentralöffnung (5) der Glühgutplatte angeordneten Gebläse (6),
einer das Glühgut und die Glühgutplatte mit Abstand umgebenden Haube (8) und
je mindestens einem am Sockel angeordneten Gaseinlaß und Gasauslaß (10),
dadurch gekennzeichnet ,
daß der Gaseinlaß als nach oben gerichtete Düse (9) ausge bildet ist, die in einem nach oben führenden Strömungsweg mün det.

4. Haubenglühofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (9) in dem Ringraum (7) zwischen dem Glühgut (3) und der Haube (8) mündet.

5. Haubenglühofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Abstand zwischen der Düsenmitte und der Haube (8) zu Düsenaustrittsdurchmesser zwischen 2,5 und 8 liegt.

6. Haubenglühofen nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (9) in Höhe der Glühgutplatte (2) mündet, wobei der Düsenmündung eine Anströmlänge mit konstantem Durchmesser vorgeschaltet ist, die etwa dem Fünffachen des Düsenaustrittsdurchmessers entspricht.

7. Haubenglühofen nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenaustrittsfläche ca. 10% der Fläche des Gasauslasses (10) beträgt.

8. Haubenglühofen nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasauslaß (10) im Bereich des Ringraums (7) zwischen dem Glühgut (3) und der Haube (8) diametral gegenüber der Düse (9) angeordnet ist.

9. Haubenglühofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasauslaß (10) von einem dem Gebläse (6) zugeordneten Leitblech (11) abgeschirmt ist.