DE9313451U1 - Schutzgasofen - Google Patents

Description

Stenger, Watzke & Ring

PATENTANWÄLTE

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DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE DIPL.-ING. HEINZ J. RING

DIPL-ING. ULRICH CHRISTOPHERSEN PATENTANWÄLTE

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Datum 6. August 1993

Schutzgasofen

Die Erfindung betrifft einen Ofen zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, mit wenigstens einer Heizkammer mit wenigstens einer Aufgabeöffnung, wobei in der Heizkammer eine Schutzgasatmosphäre mit einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck aufbaubar ist.

Derartige Atmosphärenöfen, insbesondere Schutzgasatmosphärenöfen sind an sich bekannt. Die durch Wärme zu behandelnden metallischen Werkstücke werden in einer mit Schutzgas beaufschlagten Heizkammer in gewünschter Weise behandelt.

Dabei kann arbeitenden

es sich bei dem Ofen um einen kontinuierlich Ofen handeln, beispielsweise einen Rollenherdoder einen Förderbandofen, oder um einen diskontinuierlich betriebenen Ofen, in welchem ein häufiger Chargenwechsel stattfindet. In beiden Fällen werden zu behandelnde Chargen durch die Aufgabeöffnung in die mit Schutzgas beaufschlagte Heizkammer eingebracht. Im Fall eines kontinuierlich arbeitenden Ofens geschieht dies über einen Ofeneinlauftunnel. Im Falle diskontinuierlich betriebener Öfen werden die Chargen durch die regelmäßig zu öffnende Aufgabeöffnung eingebracht, z.B. bei sogenannten Drehherdofen. Da bei einem Chargenwechsel die Ofenatmosphäre nicht ausgebrannt werden darf, wird diese mit einem leichten inneren Überdruck betrieben, um zu vermeiden, daß bei Ofenöffnung Sauerstoff bzw. Luft in die Ofenatmosphäre eintritt. Aufgrund der in der Heizkammer

herrschenden Temperatur würde ein Lufteintritt ein sofortiges Ausbrennen der Ofenatmosphäre bedeuten. Zur Aufrechterhaltung des Überdrucks im Ofenraum wird ständig frisches Schutzgas zugeführt.

Bei kontinuierlich betriebenen mit Schutzgasatmosphäre

arbeitenden Öfen treten aufgrund des Überdruckes Schutzgasanteile durch die Aufgabeöffnung und, soweit

vorhanden, durch die Auslauföffnung nach außen aus und werden

unmittelbar an den Öffnungen gezündet und abgebrannt. Im

Bereich der Auslauföffnungen sind in der Regel

Fluidabschreckvorrichtungen angeordnet, so daß sich der

Schutzgasaustritt ausschließlich auf die Aufgabeöffnung beschränkt.

Bei diskontinuierlich betriebenen Öfen mit Schutzgasatmosphäre tritt Schutzgas aufgrund des Innendrucks des Ofens aus, wenn die im Bereich der Aufgabeöffnung angeordnete Tür geöffnet wird. Auch in diesem Fall wird das Schutzgas außerhalb des Ofens gezündet und abgebrannt.

In allen genannten Fällen ist der Austritt von Schutzgas an der Aufgabeöffnung des Ofens erwünscht und vorgesehen, da durch die zwangsläufig nach außen gerichtete Strömung der Aufgabequerschnitt gefüllt wird. Dadurch wird eine Beeinflussung der Ofenatmosphäre durch eintretende Außenluft vermieden. Um die Vermeidung von Lufteintritten weiter zu unterstützen, ist es bekannt, an den Ofenöffnungen zusätzliche Vorhänge, Flammenschleier und dgl. anzuordnen. Die Flammenschleier dienen zum einen der Ausfüllung der Austrittsquerschnitte, zum anderen wird durch die Schutzgaszündung die Ausbreitung von Schutzgas im umgebenden Raum verhindert. Zusätzliche Maßnahmen

sind darauf gerichtet, die Öffnungen des Ofenkörpers möglichst klein zu halten und durch Strömungswiderstandvergrößerung einen freien Lufteintritt einzuschränken.

Das Abbrennen des austretenden Schutzgases stellt für das im Bereich des Ofens arbeitende Ofenpersonal aufgrund der Wärmebildung eine erhebliche Unannehmlichkeit, und aufgrund der Flamme eine ständige Gefahrenquelle dar. Darüber hinaus ist offensichtlich, daß sehr viel Schutzgas verbraucht werden muß, da das abgebrannte Schutzgas eine Lufteintrittsverhinderung darstellt. Bei wirtschaftlichem Betrieb kann jedoch dennoch der Eintritt von Luft in den Bereich der Ofenatmosphäre durch diese Maßnahme nicht vollends verhindert werden. Schließlich wird die durch die Schutzgasabbrennung erzeugte Wärmeenergie praktisch verschwendet.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ofen zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke der obengenannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Belästigung und Gefährdung des Ofenpersonals verringert, die durch die Schutzgasverbrennung erzeugte Energie genutzt und der Lufteintritt wirksamer behindert bzw. vermindert wird.

Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird der gattungsgemäße Ofen dadurch weitergebildet, daß außerhalb der Heizkammer vor der Aufgabeöffnung ein diese umfassender, tunnelartiger Kanal angeordnet ist, der an seiner oberen Kanalwandung vor dem vom Ofen wegweisenden Ende eine zum Kanal hin offene Brennkammer aufweist, an welcher wenigstens eine Gaszuführdüse angeordnet ist.

Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung wird ermöglicht, das Abbrennen des Schutzgases in die auf erfindungsgemäße Weise im Kanal angeordnete Brennkammer zu verlagern. Durch die

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Gaszuführdüse wird zweckmäßigerweise Sauerstoff bzw. Luft zugeführt. Aufgrund der aus der Ofenatmosphäre austretenden Schutzgastemperatur findet in der Brennkammer eine Schutgasabbrennung bei Luftzufuhr statt. Es hat sich in überraschender Weise gezeigt, daß aufgrund der sich ausdehnenden Gase im Anschluß an die Brennkammer ein Strömungsquerschnitt erzielt wird, welcher einen gegenläufigen Lufteintritt in Richtung Heizkammer des Ofens nahezu ausschließt. Weiterhin brauchen am offenen Kanalende nur noch warme Gase abgeleitet werden, so daß die Gefährdung für das Ofenpersonal vollends ausgeschlossen ist. Eine Belästigung durch freiwerdende Wärme kann nun wirksamer durch eine entsprechende Gasführung verhindert werden. Schließlich kann die durch die Verbrennung freiwerdende Wärme besser aufgefangen und ausgenutzt werden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird im Bereich der Brennkammer ein Zünder angeordnet, durch welchen eine sichere Schutzgasabbrennung gewährleistet ist. In vorteilhafter Weise wird angegeben, daß der Zünder ein Brenner ist. Die Anordnung eines Brenners wirkt sich besonders bei diskontinuierlich arbeitenden Öfen positiv aus.

In vorteilhafter Weise wird die Brennkammer über die gesamte Kanalbreite angeordnet. Dadurch wird gewährleistet, daß ein unerwünschter Schutzgasbypass und unerwünschte Strömungsverhältnisse bewirkt werden.

In vorteilhafter Weise werden in der Brennkammer mehrere Gaszuführdüsen angeordnet. Diese sind mit besonderem Vorteil derart angeordnet, daß sie von der Heizkammer wegweisen. So kann dem Gas eine bestimmte Strömungsrichtung gegeben werden. Weiterhin ist in vorteilhafter Weise wenigstens eine der Düsen eine Brenngaszuführdüse. Durch diese Maßnahme kann die Schutzgasabbrennung unterstützt werden. Es läßt sich in Kom-

bination mit einer vorgeschlagenen Regeleinrichtung somit in dem Kanal in Strömungsrichtung gesehen hinter der Brennkammer eine hinsichtlich Temperatur und Zusammensetzung nahezu gewünschte Atmosphäre erzeugen. Diese kann, bei entsprechender Kanalausgestaltung, zur Vorbehandlung der metallischen Werkstücke verwendet werden. So ist es durch die Erfindung möglich, die Verbrennungsenergie zur Reinigung oder Vorwärmung der im Kanal zur Aufgabeöffnung geführten, zu behandelnden metallischen Werkstücke zu verwenden.

Mit Vorteil wird angegeben, daß in der Brennkammer ein Flammhalter angeordnet ist. Auf diese Weise kann der Abbrennvorgang örtlich kontrolliert werden. Mit Vorteil ist der Flammhalter eine in gewünschter Weise ausgebildete Platte. Dabei kann es sich beispielsweise um eine vertikal zur Strömungsrichtung angeordnete Lochplatte handeln.

Weiterhin wird mit Vorteil angegeben, daß innerhalb der Brennkammer im Strömungskanal des Schutzgases Profilelemente angeordnet sind. So kann über die gesamte Brennkammerbreite ein Balken mit einer die Strömung führenden oder zumindest beeinflussenden Profilierung angeordnet werden.

Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung eines Schutzgasatmosphärenofens wird neben der Verbesserung der Lufteintrittsbehinderung eine verbesserte Ausnutzung der Schutzgasabbrennung und eine Gefahren- bzw. Belästigungsverminderung bewirkt. Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht eines Teiles

eines Schutzgasatmosphärenofens;

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende schematische

Detailansicht gemäß Fig I, welche die Geschwindigkeitsverteilung der Gase im Zuführkanal zeigt;

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht mit einem

erfindungsgemäQen Zuführkanal;

Fig. 4 eine Darstellung gemäß Fig. 2, welche die

Geschwindigkeitsverteilung der Gase bei einer Anordnung gemäß Fig. 3 zeigt;

Fig. 5 eine Ansicht gemäß Fig. 3, welche eine weitere

Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 6 eine Darstellung gemäß Fig. 3 mit einer weiteren

Ausführungsform der Erfindung; und

Fig. 7 eine Darstellung gemäß Fig. 3 mit einer weiteren

Ausführungsforn der Erfindung.

In den Figuren werden gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Fig. 1 zeigt schematisch den prinzipiellen Aufbau eines gattungsgemäßen Ofens und seiner Anordnung in einer an sich bekannten Förderbandofenanlage. Der Ofen 1 umfaßt im gezeigten Ausführungsbeispiel eine Heizkammer 2, welche von Isolierwandungen 3 im Ofengehäuse umfaßt ist. An der Ofenwandung ist eine Öffnung A angeordnet, mit welcher eine Aufgabeöffnung 5 verschlossen werden kann. Über die Aufgabeöffnung 5 werden wärmezubehandelnde metallische Werkstücke in Richtung des Pfeiles W zugeführt. Im gezeigten Ausführungsbeispiel eines Förderbandofens ist dazu ein Transportband 6 auf Tragrollen 7 angeordnet und von einer äußeren Aufgabe durch einen Kanal 8 bis ins Innere der Heizkammer 2 geführt. Auf diesem Transportband 6 werden die

Werkstücke in Richtung des Pfeiles W in die Heizkammer 2 geführt. In an sich bekannter Weise und in den Figuren nicht gezeigt weist der Ofen 1 eine Ausgangsöffnung auf, die üblicherweise mit einer Fluidabschreckvorrichtung verbunden ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist vor der Aufgabeöffnung 5 ein Kanal 8 angeordnet, welcher zur Abdichtung der Heizkammer 2 gegen die Außenatmosphäre dient. In der Heizkammer 2 ist eine unter Überdruck stehende Schutzgasatmosphäre aufgebaut. Zu diesem Zweck wird durch nicht gezeigte Düse Schutzgas eingeführt. Die den Pfeil W entgegenlaufenden Pfeile zeigen den Schutzgasstrom in Richtung Außenatmosphäre. Der Kanal 8 ist durch eine Tür 9 soweit wie möglich verschlossen, wozu die Tür 9 über ein Hebezeug 10 vertikal beweglich ist. Das Schutzgas, welches infolge des Überdrucks die Heizkammer 2 verläßt und durch den Kanal 8 nach außen drängt, wird über einen Kamin 11 abgeführt. Im Bereich vor der Tür 9 des Kanals 8 wird das Schutzgas im Flammbereich 12 abgebrannt.

Im Fall eines diskontinuierlichen Ofens ist es im Stand der Technik nicht bekannt, einen Aufgabekanal und Transportbänder anzuordnen. Dort wird die Aufgabeöffnung 5 direkt mit einer Tür geöffnet bzw. verschlossen und ggf. Schutzgas außerhalb der Tür abgebrannt.

Fig. 2 zeigt die Geschwindigkeitsverteilung 13 des Gasstromes in der in Fig. 1 gezeigten gattungsgemäßen Vorrichtung. Durch das Abbrennen des Schutzgases im Flammbereich 12 soll ein Lufteintritt in Richtung Heizkammer verhindert werden. Es zeigt sich jedoch, daß beispielsweise im Bereich des Förderbandes oder unterhalb desselben aufgrund der ungünstigen Geschwindigkeitsverteilung des nach außen strömenden Schutzgases immer wieder kleinere Luftmengen eintreten können. Wie bereits beschrieben, kommt es durch die Abbrennung des Schutzgases im Flammbereich 12 zu einer Gefährdung des den Ofen bedienenden Personals. Darüber

hinaus kommt es zu einer erheblichen Wärmebelastung durch das Abbrennen im Flammbereich 12 und das Ableiten der entstehenden Wärme über den Kamin 11. Schließlich zeigt Fig. 2, daß mit herkömmlichen Mitteln ein Lufteintritt nicht vollends verhindert werden kann.

Wie in Fig. 3 gezeigt, ist nun vor den herkömmlichen Ofen 3 ein Kanal 8 angeordnet, der an der Kanaloberseite 17 eine Brennkammer 15 aufweist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Brennkammer eine über die Kanalbreite angeordnete, im wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt aufweisende Ausnehmung. In dieser ist eine Gaszuführdüse 16 angeordnet, über welche Sauerstoff oder Luft zugeführt wird. Die Gaszuführdüse 16 ist mittels nicht gezeigter Mittel mit einem Gasreservoir und Zuleitungen verbunden. Die Gaszuführdüse kann auch mittels Abzweigleitungen mit herkömmlichen Zuleitungen in Verbindung stehen. Weiterhin ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in der Brennkammer 15 ein Zünder 18 angeordnet. Aufgrund der physikalischen Gegebenheiten steigt das warme, aus der Heizkammer 2 infolge des Überdrucks heraustretende Schutzgas im Kanal 8 nach oben und in die Brennkammer 15. Dort wird das heraustretende Schutzgas unter Luftzufuhr über die Gaszuführdüse 16 abgebrannt, wozu zur Sicherheit der Zünder 18 verwendet werden kann. Der Zünder 18 kann auch ein herkömmlicher Brenner sein. Wie Fig. A zeigt ergibt sich nunmehr im Kanal 8 eine andere Geschwindigkeitsverteilung 14 für das Gas, da sich der Gasstrom infolge des Abbrennens in der Brennkammer 15 erheblich ausdehnt. Somit wird, wie gezeigt, ein Lufteintritt über den Kanal 8 nahezu verhindert. Weiterhin ist ein Abflammen im Flammbereich 12 nicht mehr erforderlich, sondern es tritt das abgebrannte, heiße Gas aus dem Kanal 8 aus und in den Kanal 11 hinein.

Es zeigt sich, daß in dem Kanal 8 aufgrund des abgebrannten Schutzgases bei Bedarf auch eine Vorbehandlung der der Heizkammer

zugeführten Werkstücke erfolgen kann. So kann vor jedem Ofendurchlauf eine Vorwärmung, eine Voroxidation oder eine thermische Reinigung des Behandlungsgutes erfolgen.

Wie in Fig. 5 gezeigt, kann die Verbrennung des Schutzgases in der Brennkammer 15 durch die Anordnung entsprechender Vorrichtungen gesteuert werden. So kann beispielsweise eine Flammhalterplatte 19 in der Brennkammer 15 angeordnet werden. Es handelt sich dabei beispielsweise um eine herkömmliche Streckmetallplatte.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei in der Brennkammer 15 ein Profilbalken 20 angeordnet ist. Diese Anordnung beeinflußt den Strömungsverlauf des Gases und kann somit die stromungstechnischen und thermischen Bedingungen beeinflussen.

In entsprechender Weise ist in dem in Fig. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel eine Zusatzgaszufuhr 21 angeordnet. Es kann beispielsweise zusätzliches Brenngas zugeführt werden, um den thermischen Zustand im Kanal zu beeinflussen. Weiterhin können Gaszusätze zugeführt werden, um dem Gas die gewünschte Konfiguration zur Werkstückvorbehandlung zu geben.

Mit der Erfindung wird auf einfache Weise eine Verminderung des unausgebrannten Schutzgasstromes aus dem Ofen an den Offenöffnungen bewirkt. Der Ofenvorbereich wird hinsichtlich Gefährdung und Wärmebelastung entspannt. Weiterhin kann die durch die Schutzgasverbrennung entstehende Wärme und Atmosphäre zur Vorbehandlung des zu behandelnden Gutes verwendet werden.

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Bezugszeichenliste

1	Ofen
2	Heizkammmer
3	Isolationswand
4	Öffnung
5	Aufgabeöffnung
6	Transportband
7	Tragrollen
8	Kanal
9	Tür
10	Hebezeug
11	Kamin
12	Flammbereich
13	Geschwindigkeitsverteilung
14	Geschwindigkeitsverteilung
15	Brennkammer
16	Gaszuführdüse
17	Kanaloberseite
18	Zünder
19	Flammhalterplatte
20	Profil
21	Zusatzgaszufuhr

W Werkstückzuführrichtung

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Claims (12)

Ansprüche

1. Ofen zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke, mit wenigstens einer Heizkammer mit wenigstens einer verschließbaren Aufgabeöffnung, wobei in der Heizkammer eine Schutzgasatmosphäre mit einem gegenüber dem Umgebungsdruck erhöhten Druck aufbaubar ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß außerhalb der Heizkammer (2) vor der Aufgabeöffnung (5) ein diese umfassender, tunnelartiger Kanal (8) angeordnet ist, der an seiner oberen Kanalwandung (17) vor dem vom Ofen wegweisenden Ende (12) eine zum Kanal hin offene Brennkammer

(15) aufweist, an welcher wenigstens eine Gaszuführdüse (16) angeordnet ist.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (15) ein Zünder (18) angeordnet ist.

3. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Zünder (18) ein Brenner ist.

4. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkammer (15) über die gesamte Breite des Kanals (8) angeordnet ist.

5. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (15) mehrere Gaszuführdüsen

(16) angeordnet sind.

6. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführdüsen (16) von der Heizkammer (2) wegweisend angeordnet sind.

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7. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer eine Zusatzgaszufuhrduse (21) angeordnet ist.

8. Ofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusatzgaszufuhrduse (21) eine Brenngaszuführdüse ist.

9. Ofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuführung in die Brennkammer (15) geregelt ist.

10. Ofen nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (15) eine Flammhaltervorrichtung angeordnet ist.

11. Ofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Flammhaltervorrichtung eine Flammhalterplatte (19) ist.

12. Ofen nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Brennkammer (15) Profile (20) angeordnet sind.

R/RS/mg