Verfahren und Vorrichtung zum beschleunigten Brennen von porösen Keramikformteilen Method and device for accelerated burning of porous ceramic moldings
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum beschleunigten Brennen von porösen Keramikformteilen mit einer offenporigen Durchgangsstruktur geringen Durchmessers, in einem mit Gas, Öl oder elektrisch beheizten Brennofen, bei dem die Formteile einem Heißgasstrom vorbestimmter Temperatur und Atmosphäre innerhalb der Brennkammer ausgesetzt werden, wobei die Aufheiz- und Brenntemperatur durch eine Steuerung der Heizleistung eingestellt wird.The invention relates to a method for accelerated burning of porous ceramic moldings having a small diameter open-pore passageway structure, in a gas, oil or electrically heated kiln, wherein the moldings are exposed to a hot gas flow of predetermined temperature and atmosphere within the combustion chamber, wherein the heating and Firing temperature is adjusted by controlling the heating power.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zum beschleunigten Brennen von porösen Keramikformteilen mit einer offenporigen Durchgangsstruktur geringen Durchmessers, mit einer zu einem Keramikofen gehörenden senkrecht
angeordneten Brennkammer, mindestens einer in der Brennkammer fest verankerten Ringauflage zur senkrecht stehenden Auflagerung mindestens eines Keramikformteils, einem mit derThe invention further relates to a device for accelerated burning of porous ceramic moldings having a small diameter open-pore passageway structure, with a perpendicular to a belonging to a ceramic furnace arranged combustion chamber, at least one firmly anchored in the combustion chamber ring support for vertical Auflagerung at least one ceramic molding, one with the
Brennkammer in Strömungsverbindung stehenden Kanal zumCombustion chamber in fluid communication channel to
Zuführen der Heißgase in den mit Keramikformteilen beladenenSupplying the hot gases in the loaded with ceramic moldings
Brennschacht, einem Gas- oder Ölbrenner bzw. elektrischemBurning shaft, a gas or oil burner or electric
Heizregister zum Erzeugen der Heißgase und einem mit der Brennkammer verbundenen Kanal zum Abführen der Heißgase.Heating register for generating the hot gases and a channel connected to the combustion chamber for discharging the hot gases.
Aus der EP 0 362 400 Bl ist ein Verfahren zum Brennen von Keramikkörpern mit Bienenwabenstruktur bei einer vorherbestimmten Temperatur in einer vorherbestimmten Atmosphäre bekannt, bei dem die Temperaturen im Inneren und Äußeren der Bienenwabenkörper aus Keramik durch Temperaturfühlmittel bestimmt werden, wobei die Heizleistung der Brennereinrichtung in Abhängigkeit von den so bestimmten Temperaturen gesteuert wird, um eine Übereinstimmung zwischen Innen- und Außentemperatur zu erreichen.From EP 0 362 400 B1 a method for firing ceramic honeycomb structure bodies at a predetermined temperature in a predetermined atmosphere is known in which the temperatures inside and outside of the ceramic honeycomb bodies are determined by temperature sensing means, the heating power of the burner means being dependent on controlled by the temperatures thus determined to achieve a match between indoor and outdoor temperature.
Die keramischen Formkörper befinden sich auf Regalen, die von einem mobilen Untergestell im Ofen getragen sind. Es werden zwei Thermoelemente in den Formkörper eingebracht, mittels der die Temperatur ermittelt wird. Die Formkörper sind vollkommen von Platten umhaust, auf die die Flammen der Brenner zwecks Erwärmung der Formkörper gerichtet sind. Damit die Heißgase an die Formkörper gelangen, sind Löcher in die Platten sowie Entlüftungsdurchgänge in die Regallagen eingebracht. Mit einem Entlüftungsgebläse am äußeren Ende des Entlüftungsdurchgangs wird erreicht, dass die Brennatmosphäre durch das Innere der Formkörper strömt.The ceramic moldings are on shelves that are carried by a mobile base in the oven. Two thermocouples are introduced into the molded body, by means of which the temperature is determined. The moldings are completely surrounded by plates, on which the flames of the burners are directed for heating the moldings. In order for the hot gases reach the moldings, holes in the plates and vent passages are introduced into the shelves. With a vent fan at the outer end of the vent passage is achieved that the firing atmosphere flows through the interior of the moldings.
Zum Austreiben der organischen Bindemittel und zum Aufheizen der Formteile werden letztere langsam bis auf 600 0C erwärmt. Bedingt durch die isolierenden Eigenschaften poröser
Formteile können bei zu schnellem Aufheizen Wärmespannungen auftreten, die zur Rissbildung in den Formteilen führen. Bei sehr großen Formteilen muss deshalb die Aufheizrate, beispielsweise 1 bis 25 0C, sehr klein gehalten werden, um eine Rissbildung zu vermeiden.To expel the organic binder and to heat the moldings, the latter are slowly heated to 600 0 C. Due to the insulating properties of porous Molded parts can cause thermal stress in the event of too rapid heating, which leads to crack formation in the molded parts. For very large moldings, therefore, the heating rate, for example 1 to 25 0 C, must be kept very small in order to avoid cracking.
Zur Bildung der gewünschten Keramik werden die Formteile sodann auf eine Brenntemperatur von 1300 bis 1600 0C aufgeheizt. Die Brenntemperatur wird anschließend über mehrere Stunden zur Vergleichmäßigung der Temperatur im Formteil und zur Bildung der keramischen Eigenschaften gehalten. Es folgt die Abkühlung des Formteils auf unterhalb 150 0C durch Einbringen von Kaltluft mit einer Abkühlrate von bis zu 300 °C/h. Der gesamte Prozess ist somit äußerst zeit- und energieintensiv als auch von verhältnismäßig geringer Produktivität.To form the desired ceramic moldings are then heated to a firing temperature of 1300 to 1600 0 C. The firing temperature is then maintained for several hours to equalize the temperature in the molding and to form the ceramic properties. This is followed by the cooling of the molding to below 150 0 C by introducing cold air at a cooling rate of up to 300 ° C / h. The entire process is thus extremely time and energy intensive and of relatively low productivity.
Diese bekannte Brennweise ist dadurch charakterisiert, dass die Wärmeübertragung an das Formteil im wesentlichen von außen nach innen erfolgt, so dass der Wärmeübergang auf die äußere Wärmeübertragungsfläche des Formteils beschränkt bleibt und nur geringe Aufheizraten möglich sind.This known method of combustion is characterized in that the heat transfer to the molded part takes place substantially from outside to inside, so that the heat transfer to the outer heat transfer surface of the molded part remains limited and only low heating rates are possible.
Bei diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Brennprozess poröser Keramikformteile durch Erhöhung der Aufheizraten unter Vermeidung von Rißbildung maßgeblich zu verbessern und durch Nutzbarmachung der inneren Wärmeübertragungsfläche der Formteile die Brennzeit deutlich zu verkürzen.In this prior art, the present invention seeks to significantly improve the firing of porous ceramic moldings by increasing the heating rates while avoiding cracking and significantly shorten the burning time by harnessing the internal heat transfer surface of the moldings.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren der eingangs genannten Gattung mit den Merkmalen des Anspruches 1 und durch eine
Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind den Unteransprüchen entnehmbar.This object is achieved by a method of the type mentioned in the introduction with the features of claim 1 and by a Device solved with the features of claim 13. Advantageous embodiments of the method and the device are the dependent claims.
Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass die Heißgase gezwungen werden, die inneren Strörαungswege des Formkörpers zu passieren, wodurch eine Wärmeübertragung vom Inneren in das Äußere des Formkörpers stattfindet und es gelingt, die innere Wärmeübertragungsfläche, die um ein Vielfaches gegenüber der äußeren Wärmeübertragungsfläche größer ist, zu nutzen. Der anlaufende Heißgasstrom wird durch die im Formkörper vorhandene Durchgangsstruktur, insbesondere Wabenkanäle, in eine Vielzahl von Teilströmen aufgeteilt und in die Kanäle geleitet. Die Teilströme verteilen sich gleichmäßig auf den Durchtrittsquerschnitt. Es findet ein konvektiver Wärmeübergang vom Heißgas auf das Material des Formkörpers gleichmäßig verteilt über den Querschnitt statt. Sobald durch Erhöhung der Temperatur des Heißgasstroms der konvektive Wärmeübergang in den Wärmeübergang durch Strahlung übergeht, wird die Zwangsführung des Heißgasstroms aufgehoben. Der Formkörper wird vom Heißgas sowohl innen durchströmt als auch außen umströmt. Es findet eine Wärmeübertragung von außen nach innen sowie von innen nach außen statt. Die äußere und innere Wärmeübertragungsfläche wird genutzt.The solution according to the invention is characterized in that the hot gases are forced to pass through the inner Strörαungswege of the molding, whereby a heat transfer from the interior to the outside of the molding takes place and it succeeds, the inner heat transfer surface, which is many times greater compared to the outer heat transfer surface is to use. The incoming hot gas stream is divided by the passage structure present in the molded body, in particular honeycomb channels, into a multiplicity of partial streams and directed into the channels. The partial flows are distributed evenly over the passage cross section. There is a convective heat transfer from the hot gas to the material of the molding uniformly distributed over the cross section. As soon as the convective heat transfer into the heat transfer by radiation passes by increasing the temperature of the hot gas flow, the positive guidance of the hot gas flow is released. The molding is flowed through by the hot gas both inside and outside flows around. There is a heat transfer from outside to inside and from inside to outside. The outer and inner heat transfer surface is used.
Durch die gezielt gesteuerte Kombination von konvektiver Wärmeübertragung mit der Wärmestrahlung gelingt eine maßgebliche Beschleunigung des Brennprozesses bei gleichzeitiger Ausschaltung der Rißneigung der Formkörper.The targeted controlled combination of convective heat transfer with the thermal radiation achieves a significant acceleration of the firing process with simultaneous elimination of the tendency of the molded bodies to crack.
Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen.
Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.Further advantages and details will become apparent from the following description with reference to the accompanying drawings. The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 eine Brennanordnung nach dem Stand der1 is a combustion arrangement according to the prior
Technik,Technology,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei hauptsächlich konvektivem Wärmeübergang,2 is a schematic diagram of the device according to the invention with mainly convective heat transfer,
Fig. 3 eine Prinzipdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung bei Wärmeübergang im Strahlungsbereich,3 is a schematic diagram of the device according to the invention in heat transfer in the radiation area,
Fig. 4 Schnitt eines porösen Formteils mit inneren und äußeren Strömungswegen,4 shows a section of a porous molding with inner and outer flow paths,
Fig. 5 ein Flussdiagramm zum Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens.5 shows a flow chart for the sequence of the method according to the invention.
Fig. 1 zeigt eine Brennanordnung nach dem Stand der Technik, bei der das Brenngut 1, beispielsweise Katalysatorträger, auf Regale 2 gestellt sind. Die Regale 2 sind von einem mobilen Untergestell 3 getragen. Die mittlere Temperaturanstiegsrate beträgt 50 °C/h, so dass die Brenntemperatur von beispielsweise 1400 0C in 28 Stunden erreicht wird. Die Temperatur wird durch Brenner 4 auf die
gewünschte Temperatur erhöht. Die Brenner sind in den gegenüberliegenden Seitenwänden 5 des Brennofens 6 verlegt. Die Seitenwände der Regale 2 sind mit Flammenunterbrechungsplatten 7 aus feuerfestem Material beplankt und die Ober- und Unterseite des Regals mit Regalbrettern 8 belegt. Damit die Brennatmosphäre in das Innere des Regals gelangen kann, befinden sich Löcher 9 in den Regalbrettern 8 an den den Katalysatorträgern 1 zugewandten Abschnitten. Durch die Löcher 9 gelangen die Heißgase in das Innere der Katalysatorträger 1 und umspülen gleichzeitig die äußere Mantelfläche der Katalysatorträger 1. Mittels einem Entlüftungsdurchgang 10, der im Untergestell 3 und in dem Boden des Ofens 6 ausgebildet ist, und einem am Ende des Entlüftungsdurchganges angeordneten Entlüftungsgebläse 11 wird die Ofenatmosphäre durch die Formteile hindurchgefördert. Nach Erreichen der Brenntemperatur von 1400 0C wird diese für 2 Stunden beibehalten und anschließend mit einer Rate von 150 °C/h abgekühlt. Für den gesamten Brennprozess entsteht somit ein Zeitaufwand von insgesamt ca. 40 Stunden.Fig. 1 shows a combustion arrangement according to the prior art, in which the kiln 1, for example catalyst support, are placed on shelves 2. The shelves 2 are supported by a mobile base 3. The average temperature rise rate is 50 ° C / h, so that the firing temperature of, for example, 1400 0 C is reached in 28 hours. The temperature is passed through burner 4 on the desired temperature increased. The burners are laid in the opposite side walls 5 of the kiln 6. The side walls of the shelves 2 are planked with flame breaker plates 7 made of refractory material and the top and bottom of the shelf with shelves 8 occupied. So that the combustion atmosphere can reach the interior of the shelf, there are holes 9 in the shelves 8 at the catalyst supports 1 facing sections. Through the holes 9, the hot gases enter the interior of the catalyst support 1 and at the same time flush around the outer surface of the catalyst support 1. By means of a vent passage 10 which is formed in the base 3 and in the bottom of the furnace 6, and arranged at the end of the vent passage bleed fan 11, the furnace atmosphere is conveyed through the moldings. After reaching the firing temperature of 1400 0 C, this is maintained for 2 hours and then cooled at a rate of 150 ° C / h. For the entire firing process thus a total time of approximately 40 hours.
Fig. 2 und Fig.3 zeigen den grundsätzlichen Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer schornsteinzugartigen Brennkammer 12 eines nur andeutungsweise dargestellten Brennofens 6. Die vertikal aufsteigend angeordnete Brennkammer 12 ist stromabwärts mit einem horizontal verlaufenden Kanal 13 zum Zuführen der heißen Heißgase in die Brennkammer 12 und stromaufwärts mit einem horizontal verlaufenden Kanal 14 zum Abführen der Heißgase verbunden. In die Wandung 15 der Brennkammer 12 ist eine ringförmige Auflage 16 aus Metall oder einem anderen geeigneten temperaturbeständigen Material fest montiert, deren
Auflageebene senkrecht zur Durchströmrichtung der Heißgase in der Brennkammer 12 angeordnet ist und einen freien Durchtritt der Heißgase ermöglicht. Der Querschnitt der Brennkammer 12 ist so bemessen, dass die Heißgase die Brennkammer 12 mit einer Strömungsgeschwindigkeit von etwa 5 bis 20 m/s durchströmen können.Fig. 2 and Fig.3 show the basic structure of the device according to the invention with a chimney draft-like combustion chamber 12 of a combustion chamber shown only hinted 6. The vertically ascending arranged combustion chamber 12 is downstream with a horizontally extending channel 13 for supplying the hot hot gases into the combustion chamber 12 and upstream connected to a horizontally extending channel 14 for discharging the hot gases. In the wall 15 of the combustion chamber 12, an annular support 16 of metal or other suitable temperature-resistant material is fixedly mounted, the Support plane is arranged perpendicular to the flow direction of the hot gases in the combustion chamber 12 and allows a free passage of the hot gases. The cross-section of the combustion chamber 12 is dimensioned so that the hot gases can flow through the combustion chamber 12 at a flow rate of about 5 to 20 m / s.
Im Fall der Beschickung der Brennkammer 12 mit dem zu brennenden Brenngut 1 wird zunächst auf die ringförmige Auflage 16 eine feuerfeste Wabenscheibe 17 von etwa 25 mm Dicke gesetzt, deren Außendurchmesser gegenüber dem Innendurchmesser der Auflage 16 etwas größer bemessen ist. Auf die Wabenscheibe 17 wird eine grüne Wabenscheibe 18In the case of charging the combustion chamber 12 with the kiln 1 to be burned is first placed on the annular support 16, a refractory honeycomb disc 17 of about 25 mm thickness, the outer diameter of the inner diameter of the support 16 is sized slightly larger. On the honeycomb disk 17 is a green honeycomb disk 18th
(ungebrannt) gesetzt. Die Wabenscheiben 17 und 18 entsprechen dem Material und der Form des zu brennenden Brennguts 1, beispielsweise Aluminiumoxid. Das zu brennende Brenngut 1 wird sodann auf die grüne Wabenscheibe 18 mit ihren Stirnseiten senkrecht aufeinander gestapelt, so dass eine Formteilsäule aus bis zu 5 Brennteilen entsteht, deren innere Strömungswege 19 (Wabenkanäle) in Strömungsrichtung des anlaufenden Volumenstroms der Heißgase liegen (siehe Fig. 4) . In der Brennkammer 12 können mehrere Formteilsäulen etagenartig übereinander angeordnet sein.(unburned) set. The honeycomb discs 17 and 18 correspond to the material and the shape of the burning material 1 to be fired, for example alumina. The kiln 1 to be fired is then vertically stacked onto the green honeycomb disk 18 with its end faces, so that a molding column of up to 5 kiln parts is produced whose internal flow paths 19 (honeycomb channels) lie in the flow direction of the incoming volumetric flow of the hot gases (see FIG. 4) ). In the combustion chamber 12, a plurality of molded part columns may be arranged one above the other like a pile.
Diese Anordnung gewährleistet einerseits die Maßhaltigkeit des zum Brennen gestapelten Brennguts und andererseits den gleichmäßigen Durchtritt der Heißgase durch die inneren Strömungswege 19 des Brennguts 1, ohne Turbulenzen zu erzeugen.This arrangement ensures on the one hand the dimensional stability of the stacked burning material and on the other hand, the uniform passage of the hot gases through the inner flow paths 19 of the combustible material 1, without generating turbulence.
Jeder Auflage 16 sind zwei Absperrmittel 20, beispielsweise Plattenschieber, zugeordnet, die im geschlossenen Zustand den
Durchflußquerschnitt der schonsteinzugartigen Brennkammer 12 ausschließlich auf den freien Durchtrittsquerschnitt DF der inneren Strömungswege 19 in der Stirnseite des Brennguts begrenzen. Die Schieber sitzen strömungsaufwärts unmittelbar hinter der jeweiligen Auflage 16 und liegen in Kassetten 21 ein, die die Wandung 15 der Brennkammer 12 durchdringen. Im geschlossenen Zustand umschließen die vorderen Plattenenden der Schieber den zylindrischen äußeren Mantel des unmittelbar auf der grünen Wabenscheibe 18 stehenden Brennguts 1, so dass nur der stirnseitig freie Durchtrittsquerschnitt DF für den Durchtritt des Heißgasstroms zur Verfügung steht. Die Platten der Schieber bestehen aus einem geeigneten Feuerfestmaterial und werden über ein Schubgestänge 22 jeweils durch separate Antriebe 23 betätigt, die ihrerseits mit einer Steuereinheit 24 verbunden sind und von letzterer gemeinsam angesteuert werden. Zwischen Gestänge 22 und Antrieb 23 befindet sich jeweils ein Weggeber 25, der den Verschiebeweg der Platten feststellt.Each support 16 are two shut-off 20, for example, valve gate, associated with the closed state Flow cross section of the schonsteinzugartigen combustion chamber 12 exclusively on the free passage cross section DF of the inner flow paths 19 in the end face of the combustible limit. The slides sit upstream upstream of the respective support 16 and are in a cassette 21, which penetrate the wall 15 of the combustion chamber 12. In the closed state, the front plate ends of the slide surround the cylindrical outer jacket of the directly on the green honeycomb disc 18 standing Brenngut 1, so that only the frontally free passage cross-section DF is available for the passage of the hot gas stream. The plates of the slide are made of a suitable refractory material and are actuated via a push linkage 22 each by separate drives 23, which in turn are connected to a control unit 24 and are controlled jointly by the latter. Between link 22 and drive 23 is in each case a displacement sensor 25 which detects the displacement of the plates.
Dem Gasbrenner 4 wird über Stellventile 26 eine entsprechende Menge Erdgas, Flüssiggas o. dgl. zum Erzeugen einer entsprechenden Menge an Heißgas zugeführt. Es wird im vorliegenden Beispiel ein sauerstoffarmer Heißgasstrom mit <8% Sauerstoff erzeugt, der über den Kanal 13 in die Brennkammer 12 mit einer Einströmgeschwindigkeit von etwa 5 bis 20 m/s eintritt, dort das Brenngut 1 gleichmäßig durch- und umströmt sowie die Brennkammer 12 durch den Kanal 14 verlässt.The gas burner 4 is supplied via control valves 26, a corresponding amount of natural gas, liquid gas o. The like. For generating a corresponding amount of hot gas. In the present example, an oxygen-poor hot gas stream with <8% oxygen is produced, which enters the combustion chamber 12 via the channel 13 at an inflow velocity of approximately 5 to 20 m / s, where the combustible material 1 flows uniformly through and around the combustion chamber 12 through the channel 14 leaves.
Durch Temperaturfühler 27, die unmittelbar in den erzeugten Heißgastrom eintauchen, wird die Temperatur des Verbrennungsgases festgestellt. Des weiteren wird der
Massestrom des Heißgases und die Sauerstoffkonzentration imBy temperature sensors 27, which dive directly into the hot gas stream generated, the temperature of the combustion gas is detected. Furthermore, the Mass flow of the hot gas and the oxygen concentration in the
Heißgas durch entsprechende Sensoren 28 und 29 ermittelt. Der Fühler 27, der Weggeber 25 und die Sensoren 28 bzw. 29 leiten die Signale an die Steuereinheit 24 weiter, die die Signale nach ihrer Digitalisierung verarbeitet und die StellventileHot gas determined by respective sensors 28 and 29. The sensor 27, the encoder 25 and the sensors 28 and 29, respectively, pass the signals to the control unit 24, which processes the signals after their digitization and the control valves
26 am Brenner 4 zum Einstellen des Massestroms und der26 on the burner 4 for adjusting the mass flow and the
Sauerstoffkonzentration im Heißgas sowie alle Antriebe 23 zum Öffnen und Schließen der Schieber 19 gleichzeitig ansteuert.Oxygen concentration in the hot gas and all actuators 23 for opening and closing the slide 19 simultaneously actuates.
Fig. 5 verdeutlicht das Prinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens, mit dem poröse Formteile mit axial zur Zylinderachse verlaufender Durchgangsstruktur in Wabenform, nachfolgend Wabenkörper bzw. Brenngut genannt, beschleunigt gebrannt werden sollen.Fig. 5 illustrates the principle of the method according to the invention, with the porous moldings with axially extending to the cylinder axis passage structure in honeycomb form, hereinafter called honeycomb body or kiln, are to be accelerated.
Die mit dem Brenner 4 erzeugte und an das Brenngut 1 zu übertragene Wärmemenge ist mit folgender Gleichung beschreibbar:The amount of heat generated with the burner 4 and to be transferred to the kiln 1 can be described with the following equation:
ΔQ = αabs x Aü x Δt x (Tgas -Tmat) , worin bedeuten:ΔQ = α abs × A ü × Δt × (T gas -T mat ), where
Q Wärmemenge, αabs konvektive Wärmeübertragungskoeffizient als Funktion f (αk, αs, a) mit αk konvektiverQ heat quantity, α abs convective heat transfer coefficient as a function f (α k , α s , a) with α k more convective
Wärmeübertragungskoeffizient (freie und erzwungene Konvektion) , αs Wärmeübertragungskoeffizient durch Strahlung, a TemperaturleitwertHeat transfer coefficient (free and forced convection), α s Heat transfer coefficient by radiation, a Temperature coefficient
(Wärmediffusionskoeffizient des eingesetzten Materials) ,
1 O(Heat diffusion coefficient of the material used), 1 O
At) Wärmeübergangsflache aus A0 und Ai mitAt) heat transfer surface from A 0 and Ai with
A0 äußere Übertragungsfläche (Mantelfläche des Brennguts) , Ai innere Übertragsfläche (Wabenfläche der Wabenkanäle) , t Erwärmungszeit Tgas mittlere Temperatur des Gases Tmat mittlere Temperatur des Materials des Brennguts.A 0 outer transfer surface (shell surface of the firing material), Ai inner transfer surface (honeycomb surface of the honeycomb channels), t heating time T gas mean temperature of the gas T mat mean temperature of the material of the firing material.
Aus der vorher genannten Gleichung ergeben sich die Haupteinflussgrößen für ein beschleunigtes Brennen. Die übertragene Wärmemenge hängt demzufolge vorwiegend von der Geometrie des Wabenkörpers und vor allem von der Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Wärmeübertragungsflächen ab.From the above equation, the main parameters for accelerated burning arise. Accordingly, the amount of heat transferred mainly depends on the geometry of the honeycomb body and above all on the utilization of the available heat transfer surfaces.
Der Wabenkörper hat in diesem Beispiel einen Außendurchmesser von 100 mm, eine Höhe von 200 mm und besitzt 950 Wabenkanäle.The honeycomb body in this example has an outer diameter of 100 mm, a height of 200 mm and has 950 honeycomb channels.
Die äußere Wärmeübertragungsfläche eines derartigen Körpers beträgt ca. 785 cm2 und seine innere Wärmeübertragungsfläche etwa das 50fache der äußeren Fläche. Vergrößert sich derThe outer heat transfer surface of such a body is about 785 cm 2 and its inner heat transfer surface about 50 times the outer surface. Does this increase?
Außendurchmesser des Wabenkörpers beispielsweise auf das 3fache, so liegt das Verhältnis der inneren zur äußerenOuter diameter of the honeycomb body, for example, 3 times, so is the ratio of the inner to the outer
Wärmeübertragungsfläche bereits bei 100.Heat transfer surface already at 100.
Der erhitzte Heißgasstrom Vg strömt durch den Kanal 13 in die Brennkammer 12. Alle übereinander angeordneten Schieber 19 sind geschlossen, d.h. es steht nur der Durchtrittsquerschnitt DF des porösen Brennguts 1 zum Durchströmen mit Heißgas zur Verfügung. Der Heißgasstrom wird beim Auftreffen auf der Stirnseite des Brennguts 1 durch die Wabenkanäle der Wabenscheiben in eine Vielzahl von
Einzelströmen A1111An vereinzelt, die in die von den Wabenkanälen gebildeten inneren Strömungswege 19 des Brennguts 1 eintreten. Der Heißgasstrom vergleichmäßigt sich und die Einzelströme strömen je nach Wabengröße mit etwa 0,5 bis 10 m/s durch die Strömungskanäle 18, wobei sie die Wärme in das umliegende Material abgeben. Es findet ein konvektiver Wärmeübergang vom Inneren in das Äußere des Brennguts statt. Dieser Wärmeübergang wird solange aufrechterhalten bis die Temperatur des Heißgases V9 einen Wert erreicht, bei dem der konvektive Wärmeübergang in den Wärmeübergang durch Strahlung übergeht. Im vorliegenden Beispiel beträgt diese Temperatur 700 0C.The heated hot gas stream V g flows through the channel 13 into the combustion chamber 12. All valves 19 arranged one above the other are closed, ie only the passage cross-section DF of the porous combustion material 1 is available for flowing through with hot gas. The hot gas stream is when hitting the front side of the combustible material 1 through the honeycomb channels of the honeycomb discs in a variety of Single streams A 1111 A n separated, which enter the formed by the honeycomb channels inner flow paths 19 of the combustible material 1. The hot gas flow is equalized and the individual streams flow depending on the honeycomb size at about 0.5 to 10 m / s through the flow channels 18, where they release the heat in the surrounding material. There is a convective heat transfer from the inside to the outside of the kiln. This heat transfer is maintained until the temperature of the hot gas V 9 reaches a value at which the convective heat transfer passes into the heat transfer by radiation. In the present example, this temperature is 700 ° C.
Sobald mit den Temperaturfühlern 26 diese Temperatur festgestellt wird, löst die Steuereinheit 24 einen Befehl an die Antriebe 23 aus, die die Platten der Schieber 19 in ihre Offenstellung verfahren. Es wird ein äußerer Strömungsweg S für den anströmenden Heißgasstrom V9 entlang des Umfanges der Mantelfläche des Brennguts 1 freigegeben, so dass das Brenngut von einem zusätzlich abgeteilten Gastrom B umströmt werden kann. Die Durchströmung entlang der inneren Wabenkanäle im Brenngut 1 wird fortgeführt. Gleichzeitig wird die Temperatur des Heißgasstroms mit einer Rate von 250 bis 750 °C/h erhöht bis die für die Bildung der Keramik notwendige Brenntemperatur erreicht wird. Während dieses Schrittes findet eine Wärmeübertragung durch Strahlung vom Heißgas auf den Wabenkörper 1 sowohl von außen nach innen als auch von innen nach außen statt.Once this temperature is detected with the temperature sensors 26, the control unit 24 triggers a command to the drives 23, which move the plates of the slide 19 in its open position. An outer flow path S for the oncoming hot gas flow V 9 along the circumference of the lateral surface of the combustion material 1 is released, so that the combustible material can be flowed around by an additionally divided gas flow B. The flow along the inner honeycomb channels in the kiln 1 is continued. At the same time the temperature of the hot gas stream is increased at a rate of 250 to 750 ° C / h until the firing temperature necessary for the formation of the ceramic is reached. During this step, heat transfer by radiation from the hot gas to the honeycomb body 1 occurs both from outside to inside and from inside to outside.
Nachdem die Brenntemperatur von beispielsweise 1.600 0C erreicht ist, wird diese, je nach Wabenstärke und Materialeigenschaften, für einen Zeitraum von 15 bis 60 min
gehalten. Danach erfolgt ein Abkühlen mit einer Rate von 500 bis 100 °C/h. Der Brennprozeß nach dem erfindungsgemäßen Verfahren benötigt nur noch 4 bis 6 Stunden.After the firing temperature of for example 1.600 0 C is reached, this, depending on honeycomb thickness and material properties, for a period of 15 to 60 min held. Thereafter, cooling takes place at a rate of 500 to 100 ° C / h. The firing process according to the invention requires only 4 to 6 hours.
In der Steuereinheit 24 ist eine speicherprogrammierbare Steuerung SPS vorhanden, in der das gesamte Programm des Brennregimes gespeichert ist und die letztendlich auch den Vorgang steuert. Dazu werden in Abhängigkeit der Keramikart, der Geometrie und der Abmessungen der zu brennenden Formkörper, ständig die Sauerstoffkonzentration im Heißgas, der Massestrom, das Temperaturregime mit Aufheizzeit und Haltezeit, der Temperaturgradient, die Brennzeit und Gastemperatur festgestellt und mit einem in der speicherprogrammierbaren Steuerung SPS abgelegten „Rezept" verglichen. Sobald Abweichungen von den Vorgabewerten festgestellt werden, erfolgt eine Nachregelung des Brenners 4 über das Stellventil 26. Die Rezepte (Sollwert- Funktionskurven) sind durch charakteristische Temperaturen Tl und T2 gekennzeichnet, bei denen der Übergang von Konvektion zur Strahlung stattfindet.In the control unit 24, a programmable logic controller PLC is present, in which the entire program of the combustion regime is stored and ultimately controls the process. For this purpose, depending on the type of ceramic, the geometry and dimensions of the molded body, constantly the oxygen concentration in the hot gas, the mass flow, the temperature regime with heating time and hold time, the temperature gradient, the burning time and gas temperature determined and filed with a stored in the programmable controller PLC As soon as deviations from the preset values are detected, the burner 4 is readjusted via the control valve 26. The prescriptions (setpoint function curves) are characterized by characteristic temperatures T 1 and T 2 at which the transition from convection to radiation takes place.
Im Bereich des konvektiven Wärmeübergangs von innen nach außen wird mit einer Aufheizrate von 250 bis 500 °C/h gearbeitet. Sobald Tl erreicht ist, erfolgt der Übergang zur Wärmestrahlung, indem die Gastemperatur mit der Aufheizrate von bis zu 750 °C/h bis auf Brenntemperatur, je nach keramischer Zusammensetzung, auf 1.400 bis 1.600 0C erhöht und zugleich eine innere Durchströmung und äußere Umströmung des Brennguts 1 durchgeführt wird.
Aufstellung der verwendeten BezugszeichenIn the area of convective heat transfer from inside to outside, a heating rate of 250 to 500 ° C / h is used. As soon as Tl is reached, the transition to thermal radiation takes place by the gas temperature at the heating rate of up to 750 ° C / h up to firing temperature, depending on the ceramic composition, increased to 1,400 to 1,600 0 C and at the same time an internal flow and outer flow of the Brenngut 1 is performed. List of used reference numbers
1 Brenngut/Wabenkörper1 kiln / honeycomb body
2 Regal2 shelf
3 Untergestell3 base frame
4 Brenner4 burners
5 Seitenwand von 25 side wall of 2
6 Brennofen6 kiln
7 Flammenbrechungsplatten7 flame-breaking plates
8 Regalbretter8 shelves
9 Löcher in 89 holes in 8
10 Entlüftungsdurchgang10 bleed passage
11 Entlüftungsgebläse11 exhaust fan
12 Brennkammer12 combustion chamber
13 Kanal zum Zuführen des Heißgases13 channel for supplying the hot gas
14 Kanal zum Abführen des Heißgases14 channel for removing the hot gas
15 Wandung der Brennkammer 1215 wall of the combustion chamber 12
16 Auflage16 edition
17 gebrannte Wabenscheibe17 fired honeycomb disk
18 grüne Wabenscheibe18 green honeycomb disc
19 innere Strömungswege (Wabenkanäle)19 internal flow paths (honeycomb channels)
20 Absperrmittel, Schieber20 shut-off devices, slides
21 Kassette21 cassette
22 Schubgestänge22 push rods
23 Antrieb23 drive
24 Steuereinheit24 control unit
25 Weggeber25 encoders
26 Stellventil26 control valve
27 Temperaturfühler27 temperature sensor
28 Sensor für Massestrom28 Sensor for mass flow
29 Sensor für Sauerstoffkonzentration29 Sensor for oxygen concentration
DF freier DurchtrittsquerschnittDF free passage cross section
Ai-An Teilströme
B TeilstromAi-A n partial flows B partial flow
S äußerer Strömungsweg Tl Grenztemperatur konvektiver WärmeübergangS outer flow path Tl limit temperature convective heat transfer
T2 Temperatur WärmestrahlungT2 temperature heat radiation
V9 Heißgasstrom
V 9 hot gas flow