WO2017009020A1 - Vorrichtung und verfahren zum wiedererwärmen metallischer produkte - Google Patents

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WO2017009020A1
WO2017009020A1 PCT/EP2016/064575 EP2016064575W WO2017009020A1 WO 2017009020 A1 WO2017009020 A1 WO 2017009020A1 EP 2016064575 W EP2016064575 W EP 2016064575W WO 2017009020 A1 WO2017009020 A1 WO 2017009020A1
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products
zone
burners
preheating zone
subsequent
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PCT/EP2016/064575
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Michael Potesser
Johannes Rauch
Mathias SWOBODA
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Messer Austria Gmbh
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    • F27D2099/004—Heating elements or systems using burners directed upon the charge, e.g. vertically

Definitions

  • the invention relates to a device for reheating metallic products for subsequent mechanical forming, comprising a furnace chamber having a preheating zone and at least one subsequent zone, a transport device for transporting the products to be heated from the preheating zone into the subsequent zone and one in the region of the preheating zone
  • Discharge device for discharging generated in the subsequent zone
  • the invention further relates to a method for operating a reheating furnace.
  • Such furnaces are also known as “reheating furnaces” or “second-heat furnaces” and are described, for example, in WO 02/097348 A1, US 2004/0259047 A1 or US Pat. No. 6,290,492 B1. They serve for reheating a metallic blank obtained by continuous casting, for example (hereinafter referred to as "product” or “thermal material”) after solidification from the melt and before a subsequent mechanical deformation, such as forging or rolling; In the reheating furnaces no heat treatment of the products takes place.
  • the thermal material which is usually present at a temperature of less than 400 ° C. passes successively through several zones in which it is brought to its final temperature of, for example, 750.degree. C. to 1500.degree. C. required for forming. From a furnace entrance from the Wärmgut is thereby first transported through a so-called preheating or convection zone in which it comes into hot contact with hot flue gas in the, from
  • Combustion processes in one or more subsequent zones are Combustion processes in one or more subsequent zones.
  • heating zone or as a “compensation zone”, wherein in each case a plurality of heating zones and / or
  • Balancing zones can be present.
  • the heating zone in the known reheating furnaces, the greatest energy input is used to heat the products, while in the preheating zone the high temperature of the flue gases generated in the heating zone is used to preheat the products.
  • the compensation zone is used in particular to ensure that the heat from the surface The products are evenly and homogeneously distributed inside the products before the products leave the kiln at the exit of the kiln for subsequent forming.
  • Both heating and compensation zones are equipped with a number of burners, which are usually operated with air as the oxidant and as
  • Ceiling burners are installed in the loft or as front burners in the side walls of the furnace. These burners are designed in such a way that the flames they emit do not touch the surface of the products to be heated, because if the heat is too high, there is a risk that the surface of the material will be oxidised, thereby reducing the quality of the products. Instead, these burners fuel the furnace atmosphere above the Wärmguts with a in the
  • Preheating zone is installed in the area of the furnace inlet and at the same time controls the furnace pressure.
  • Reheating furnaces have a high energy consumption and sometimes significant emissions of pollutants, especially nitrogen oxides on.
  • WO 02/097348 A1 it is proposed in WO 02/097348 A1 to install several burners in the region of the preheating zone of a reheating furnace which use an oxidizing agent with a higher oxygen content than air.
  • WO 2002/021061 A1 it is also proposed in WO 2002/021061 A1 to install at least one additional burner, which is operated with an oxygen-rich oxidizing agent, to increase the thermal output.
  • This burner can be mounted in a zone in which no burner was previously available, so for example, the preheating zone, or it replaces a fuel-air burner in the heating zone.
  • the invention is therefore based on the object, a furnace for the
  • the preheating zone is at least partially equipped with fuel-oxygen burners, which are designed so that during operation of the device, the fuel gases flowing out of them form a flame that reaches the surface of the products.
  • so-called “direct flame impingement” are thus installed in at least one section of the preheating zone, by means of which the products passing through this region are directly exposed to the burner flame.
  • direct application of flame there is a high efficiency in the heat transfer, which makes it possible to supply a large part of the total heat to be supplied to the heat already in the preheating area.
  • the performance of the burners in the subsequent zone or the subsequent zones can be set, so that a total of
  • the preheating zone in the transport direction of the products downstream zones are considered, in particular one or more heating and / or one or more balancing zone / n. Since the installed in the preheating zone burners are designed as oxyfuel burner, which with a oxygen-rich oxidant with, for example, 40% by volume of oxygen, preferably greater than 90% by volume of oxygen and more are operated, there is only a small amount of additional
  • Flue gas which is then withdrawn together with the flue gas from the following zones on the trigger device.
  • the very early and intensive heating of the heat in the preheating zone further leads to the task of the subsequent zone (s) consists primarily of producing a very homogeneous temperature distribution in the products. Consequently, the burners of the subsequent zones are designed as a fuel-air burner, the hot flue gas with his due to his
  • the rapid heating of the products already in the preheating zone and the early onset of the temperature equalization phase also allows faster passage of the products through the oven compared to prior art furnaces, thereby reducing the risk of scaling of the product surface.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that the installed in the preheating, directly acting oxygen-fuel burner are designed as flameless burner.
  • Flameless burners are to be understood here as meaning those burners in which flameless operation, ie conversion of the fuel gases, is possible without the formation of a visible flame front Flameless operation of the burners in the preheating zone leads to a uniform application of thermal energy to the surface of the thermal material.
  • due to the strong current of the combustion gases leaving the burner in flameless operation the flow of fuel passed through the preheating zone, from combustion to subsequent combustion Zone-derived flue gases is strongly deflected towards the products.
  • the direct acting oxygen-fuel burner are designed as flameless burner.
  • Reheating ovens due to the thermal contact of the products with the flue gases in the preheating zone is recorded.
  • Flameless operation in particular, allows heat transfer to the products that is so efficient that the temperature of the flue gases as the preheat zone passes during flameless operation of the burners decreases, thus giving the flue gases more heat to the products than they do from the flame of the burners receive.
  • a preferred development of the invention provides that the burners of at least the preheating zone are at least partially installed in the area of the furnace roof and substantially perpendicular, ie between 80 ° and 100 °, preferably 90 ° to
  • the burners preferably recessed in the furnace roof are designed in such a way that the flame generated by them overcomes the distance between the furnace roof and the surface of the material to be heated, which in some furnaces may well be between 1 m and 2 m, and the products directly
  • oxygen-fuel burners may also be installed in the sidewalls and / or in the floor area of the preheat zone, which directly apply the heat.
  • the burners installed in the preheating zone form a field of a plurality of burners distributed uniformly over the furnace roof.
  • the burners arranged in this way allow very uniform heating of the thermal material, especially in flameless operation.
  • the burner can be controlled individually to allow a targeted exposure of the Wärmguts.
  • the burners are in the preheating zone and / or in the
  • a control unit individually or In groups controlled by a control unit.
  • the burners can be switched on or off as required individually or in groups, or their performance can be regulated.
  • the control unit regulates in particular the heat input via the individual burners after one
  • pre-installed program and / or depending on measured values, for example, the temperature of the Wärmguts and / or a
  • Pollutant concentration in the flue gas and / or the path of a product to be heated through the furnace chamber By means of a control unit and the process temperature, for example, regulated between 750 ° C and 1500 ° C and the combustion ratio of the burner in the preheating zone and / or in the
  • Reheating furnace in which products to be heated successively pass through a preheating zone and at least one subsequent zone of a furnace chamber of the reheating furnace and thereby in thermal contact with in the
  • the burners are operated flameless in the preheating zone.
  • the surface of the heat is heated evenly and without the risk of local overheating.
  • Fig. 1 A reheating furnace according to the invention in longitudinal section
  • the furnace 1 shown in Fig. 1 comprises a furnace chamber 2, in which metallic
  • the furnace chamber 2 comprises an inlet 3, through which the products 4 to be heated are transported into the interior of the furnace chamber 2, and an outlet 5, through which the heated products 4 leave the furnace chamber 2.
  • the products 4 are transported by means of a transport device 6 through the furnace chamber 2 and pass through several zones 8, 9, 10, 1 1, namely a preheating zone 8, a first heating zone 9, a second heating zone 10 and a balancing zone 1 1.
  • Reheating furnace is to be understood merely as an example, in particular, only one or three or more heating zones can be provided.
  • Transport direction 12 of the products 4 through the furnace chamber 2 is indicated in Fig. 1 by an arrow.
  • the two heating zones 9, 10 and the balancing zone 1 1 are with - in
  • each of the zones 9, 10, 1 1 is a field of a plurality of in the respective ceiling region of the zone 9, 10, 1 1 uniformly, ie at equal distances from each other, distributed burners 14 are provided.
  • the number and spacing of the burners can be the same or different in all zones.
  • Furnace room 2 regulated.
  • the burners 14, which are preferably constructed substantially identically in the heating zones 9, 10 and in the equalization zone 11, are preferably burners, by means of which a gaseous, liquid or solid fuel,
  • coal dust, oil or natural gas is burned with air as the oxidant. They are built so that the flames emanating from them are so wide and short shaped that the area of the furnace chamber 2 before the respective
  • Burners of this type are described, for example, in WO 02/0973348 A1.
  • a field of a plurality of burners 18 arranged in the region of the furnace roof 17 of the preheating zone 8 is installed.
  • the burners 18 are oxy-fuel burners in which a liquid or gaseous fuel with oxygen or an oxygen-rich gas with at least 40 vol .-% oxygen, preferably greater than 90 vol .-% oxygen is burned.
  • the burner 18 are directed with their outlets 19 vertically downwards, ie at an angle of approximately 90 ° to the transport direction 6 of the products 4.
  • the burners 18 are designed so that the flame emanating from them is sufficiently long to touch the surface of the products, so they are so-called "DFI burners", and they are also suitable for flameless operation are described, for example, in WO 2008/092763 Al.Other burners 18 of the type mentioned can-not shown here-be arranged in the side walls of the preheating zone 8 and permit lateral direct application of the products 4. Also, burners 18 below the transport level of the products 4 are arranged, and heat the products 4 from below, are conceivable within the scope of the invention, as long as the products 4 can be heated directly with them.
  • the products 4 are transported by means of the transport device 6 from the inlet 3 of the furnace chamber 2 to the outlet 5.
  • a solid, gaseous or liquid fuel is burned with air, without the flame generated thereby touching the surface of the products.
  • the resulting from combustion mainly of carbon dioxide, water vapor and nitrogen hot flue gases are in the
  • Preheating zone 8 out come here with the respective zone passing through products in contact and heat them on. Subsequently, the flue gases are deducted from the discharge device 1 6.
  • the nitrogen serves the air supplied to the burners 14 as the oxidant as
  • the products 4 are additionally by direct
  • a reaction zone 20 is formed, which extends from the outlets 19 of the burners 18 to the surface of the products 4 and within which the combustion reaction takes place. Due to the strong flow of ejected from the burners 18 Fuel gases during flameless operation, the flowing out of the zones 9, 10, 1 1 flue gases are deflected towards the products 4, as indicated by the arrow 22, resulting in improved heat transfer from these flue gases to the products 4.
  • Reheating furnace according to the prior art can be shortened.
  • the operation of the burners 14, 18 is monitored by a control unit, not shown here, which in particular the supply of fuel and oxidizing agent to each burner 14, 18 in response to a predetermined
  • Burner 18 are switched on or off individually or in groups, depending on whether there is a product below them or not. Likewise, the power of the burners 14, 18 and the distribution of the heat energy to be transmitted to the burners 14, 18 can be controlled, for example, as a function of a measured temperature, and / or material parameters that are downstream of the furnace 1, for example before or during a mechanical deformation process of the products heated in the furnace 1 4 measured and used as a control parameter for controlling the burner 14, 18.

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Abstract

Bei Wiedererwärmungsöfen nach dem Stande der Technik durchlaufen die zu erwärmenden Produkte nacheinander eine Vorwärmzone sowie eine oder mehrere Heiz- oder Ausgleichzonen, in denen die Produkte stufenweise auf ihrer zur Weiterverarbeitung bestimmten Endtemperatur gebracht werden. Um die Aufenthaltsdauer der Produkte im Ofenraum zu verkürzen und damit die Gefahr einer Verzunderung der Produktoberfläche zu vermindern ist die Vorwärmzone erfindungsgemäß zumindest abschnittsweise mit Brennstoff-Sauerstoff-Brennern ausgerüstet, die so ausgebildet sind, dass die ihnen entströmenden Brenngase eine Flamme ausbilden, die im Betreib der Vorrichtung die Oberfläche der Produkte erreicht. Durch die direkte Flammenbeaufschlagung wird die Effektivität der Wärmeübertragung erhöht und dadurch eine Verkürzung der Aufenthaltsdauer der Produkte erreicht.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Wiedererwärmen metallischer Produkte
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Wiedererwärmen metallischer Produkte für eine nachfolgende mechanische Umformung, mit einem Ofenraum, der eine Vorwärmzone und mindestens eine nachfolgende Zone, eine Transporteinrichtung zum Transportieren der zu erwärmenden Produkte von der Vorwärmzone in die nachfolgende Zone und eine im Bereich der Vorwärmzone angeordnete
Abzugseinrichtung zum Abführen von in der nachfolgenden Zone erzeugten
Rauchgasen aufweist, und mit in der nachfolgenden Zone installierten Brennstoff- Luft-Brennern, die derart ausgebildet sind, dass eine von ihnen ausgehende Flamme die Oberfläche der Produkte nicht berührt. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines Wiedererwärmungsofens.
Derartige Öfen sind auch unter der Bezeichnung„Wiedererwärmungsöfen" oder „Ofen Zweiter Hitze" bekannt und werden beispielsweise in der WO 02/097348 A1 , der US 2004/0259047 A1 oder der US 6 290 492 B1 beschrieben. Sie dienen zum Wiedererwärmen eines beispielsweise durch Strangguss gewonnenen metallischen Rohlings (nachfolgend:„Produkt" oder„Wärmgut" genannt) nach dem Erstarren aus der Schmelze und vor einer nachfolgenden mechanischen Umformung, wie beispielsweise Schmieden oder Walzen; in den Wiedererwärmungsöfen erfolgt keine Wärmebehandlung der Produkte. Das üblicherweise auf einer Temperatur von unter 400°C vorliegende Wärmgut durchläuft nacheinander mehrere Zonen, in denen es auf seine zur Umformung erforderliche Endtemperatur von beispielsweise 750°C bis 1500°C gebracht wird. Von einem Ofeneingang aus wird das Wärmgut dabei zunächst durch eine sogenannte Vorwärm- oder Konvektionszone transportiert, in der es mit heißem Rauchgas in thermischen Kontakt kommt, das aus
Verbrennungsprozessen in einer oder mehreren nachfolgenden Zonen stammt.
Diese nachfolgenden Zonen werden entsprechend ihrer Aufgabe als„Heizzone" oder als„Ausgleichszone" bezeichnet, wobei jeweils mehrere Heizzonen und/oder
Ausgleichszonen vorhanden sein können. In der Heizzone (oder den Heizzonen) erfolgt bei den bekannten Wiedererwärmungsöfen die größte Energiezufuhr zur Erwärmung der Produkte, während in der Vorwärmzone die hohe Temperatur der in der Heizzone erzeugten Rauchgase zur Vorwärmung der Produkte genutzt wird. Die Ausgleichszone dient insbesondere dazu, dass sich die Wärme von der Oberfläche der Produkte gleichmäßig und homogen im Innern der Produkte verteilt, bevor die Produkte zur nachfolgenden Umformung den Ofen an einem Ofenausgang verlassen.
Sowohl Heiz- als auch Ausgleichzone sind mit einer Anzahl von Brennern bestückt, die in der Regel mit Luft als Oxidationsmittel betrieben werden und als
Deckenbrenner im Dachraum oder als Stirnbrenner in den Seitenwänden des Ofens installiert sind. Diese Brenner sind so ausgebildet, dass die von ihnen emittierten Flammen die Oberfläche der zu erwärmenden Produkte nicht berühren, da bei einer zu großen Hitzeeinwirkung die Gefahr besteht, dass die Oberfläche des Wärmguts oxidiert und dadurch die Qualität der Produkte gemindert wird. Stattdessen befeuern diese Brenner die Ofenatmosphäre oberhalb des Wärmguts mit einer im
Wesentlichen parallel zur Transportebene des Wärmguts verlaufenden Flamme oder weisen eine kurze und breite Flamme auf, die deutlich vor der Produktoberfläche endet. Die Erwärmung der Produkte in der Heizzone erfolgt somit durch Konvektion der von den Brennern erzeugten Rauchgase sowie durch die von den Flammen der Brenner emittierte Strahlung. Die überwiegend aus CO2, H2O, N2 und O2
bestehenden Rauchgase werden anschließend im Gegenstrom zum Wärmgut durch den Ofenraum geführt und über ein Abgassystem abgezogen, das in der
Vorwärmzone im Bereich des Ofeneingangs installiert ist und das zugleich den Ofendruck regelt.
Wiedererwärmungsöfen weisen einen hohen Energieverbrauch und mitunter erhebliche Emissionen an Schadstoffen, insbesondere Stickoxide, auf. Um den Anfall an Stickoxiden zu reduzieren wird in der WO 02/097348 A1 vorgeschlagen, im Bereich der Vorwärmzone eines Wiedererwärmungsofens mehrere Brenner zu installieren, die ein Oxidationsmittel mit einem höheren Sauerstoffgehalt als Luft einsetzen. Auch in der WO 2002/021061 A1 wird vorgeschlagen, zur Erhöhung der Wärmeleistung wenigstens einen zusätzlichen Brenner zu installieren, der mit einem sauerstoffreichen Oxidationsmittel betrieben wird. Dieser Brenner kann in einer Zone montiert werden, in der bislang kein Brenner vorhanden war, also beispielsweise der Vorwärmzone, oder er ersetzt einen Brennstoff-Luft-Brenner in der Heizzone.
Ein Nachteil der vorbekannten Öfen ist, dass es während des Durchlaufs häufig zu Qualitätseinbußen durch Verzunderung an der Oberfläche des Wärmguts kommt. Eine wesentliche Ursache der Verzunderung wird insbesondere in der langen
Aufenthaltsdauer gesehen, in der das erhitze Wärmgut den Rauchgasen beim Durchlauf durch den Ofenraum ausgesetzt sind.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Ofen für die
Wiedererwärmung metallischer Produkte zu schaffen, der eine hohe Wärmeleistung erbringt und bei dem die Gefahr einer Verzunderung während der Aufwärmung vermindert ist.
Gelöst ist diese Aufgabe bei einem Ofen der eingangs genannten Art und
Zweckbestimmung dadurch, dass die Vorwärmzone zumindest abschnittsweise mit Brennstoff-Sauerstoff-Brennern ausgerüstet ist, die so ausgebildet sind, dass im Betrieb der Vorrichtung die ihnen entströmenden Brenngase eine Flamme ausbilden, die die Oberfläche der Produkte erreicht.
Erfindungsgemäß sind also in zumindest einem Abschnitt der Vorwärmzone sogenannten„DFI-Brenner" („direct flame impingement") installiert, mittels denen die diesen Bereich durchlaufenden Produkte direkt mit der Brennerflamme beaufschlagt werden. Durch die direkte Flammenbeaufschlagung besteht eine hohe Effizienz in der Wärmeübertragung, die es ermöglicht, einen großen Teil der insgesamt dem Wärmgut zuzuführenden Wärme bereits im Bereich der Vorwärmzone zuzuführen. Entsprechend geringer kann die Leistung der Brenner in der nachfolgenden Zone oder den nachfolgenden Zonen eingestellt werden, sodass insgesamt eine
Einsparung an Heizenergie erzielt werden kann. Als„nachfolgende Zonen" werden hier der Vorwärmzone in Transportrichtung der Produkte nachgeschaltete Zonen aufgefasst, insbesondere eine oder mehrere Heiz- und/oder eine oder mehrere Ausgleichszone/n. Da die in der Vorwärmzone installierten Brenner als Oxyfuel- Brenner konzipiert sind, die mit einem sauerstoffreichem Oxidationsmittel mit beispielsweise 40 Vol.-% Sauerstoff, bevorzugt größer 90 Vol.-% Sauerstoff und mehr betrieben werden, entsteht dort nur in geringem Umfang zusätzliches
Rauchgas, das anschließend gemeinsam mit dem Rauchgas aus den nachfolgenden Zonen über die Abzugseinrichtung abgezogen wird. Die sehr frühe und intensive Beheizung des Wärmguts in der Vorwärmzone führt weiterhin dazu, dass die Aufgabe der nachfolgenden Zone(n) vorwiegend darin besteht, eine möglichst homogene Temperaturverteilung in den Produkten herzustellen. Demzufolge sind die Brenner der nachfolgenden Zonen als Brennstoff- Luft-Brenner konzipiert, deren heißes Rauchgas mit seinem aufgrund seines
Stickstoffanteils vergleichsweise großem Massestrom eine gute konvektive
Beheizung des Wärmguts ermöglicht und dadurch insbesondere eine gleichmäßige Erwärmung der Oberfläche der Produkte begünstigt.
Die rasche Beheizung der Produkte bereits in der Vorwärmzone und der frühe Beginn der Temperaturausgleichsphase ermöglicht zudem einen im Vergleich zu Ofenanlagen nach dem Stande der Technik schnelleren Durchlauf der Produkte durch den Ofen, wodurch die Gefahr einer Verzunderung der Produktoberfläche reduziert wird.
Eine Installation von Oxyfuel-Brennern im Bereich der Vorwärmzone eines
Wiedererwärmungsofens wurde zwar bereits in der WO 2002/021061 A1 und der WO 02/097348 A1 vorgeschlagen; die dort beschriebenen Brenner dienen jedoch ausschließlich dazu, die durch die Vorwärmzone geführten Rauchgase zu erwärmen und dadurch die Verhältnisse bei der konvektiven Erwärmung der den Ofenraum durchlaufenden Produkte zu optimieren. Eine direkte Flammenbeaufschlagung der Produkte wird in diesen Dokumenten nicht beschrieben.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die in der Vorwärmzone installierten, direkt beaufschlagenden Sauerstoff-Brennstoff-Brenner als flammenlose Brenner ausgebildet sind. Als„flammenlose Brenner" sollen hier solche Brenner verstanden werden, bei denen eine flammenloser Betrieb, also eine Umsetzung der Brenngase ohne Ausbildung einer sichtbaren Flammenfront möglich ist. Der flammenlose Betrieb der Brenner in der Vorwärmzone führt zu einer gleichmäßigen Beaufschlagung der Oberfläche des Wärmguts mit Wärmeenergie, sowie zu niedrigen Emissionen an Stickoxiden im Abgas der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Überraschend hat sich zudem gezeigt, dass durch den starken Strom der aus dem Brenner im flammenlosen Betrieb austretenden Brenngase der Strom der durch die Vorwärmzone geführten, aus der Verbrennung in den nachfolgenden Zonen herrührenden Rauchgase stark in Richtung auf die Produkte abgelenkt wird. Zusätzlich zur Zuführung von Wärmeenergie durch die direkte
Flammenbeaufschlagung findet also aufgrund der flammenlosen Fahrweise der Brenner in der Vorwärmzone eine intensive konvektive Beheizung der Produkte statt, die deutlich über die Aufwärmleistung hinausgeht, die in konventionellen
Wiedererwärmungsöfen aufgrund des thermischen Kontakts der Produkte mit den Rauchgasen in der Vorwärmzone zu verzeichnen ist. Der flammenlose Betrieb ermöglicht insbesondere eine Wärmeübertragung auf die Produkte, die so effizient ist, dass die Temperatur der Rauchgase beim Durchlaufen der Vorwärmzone während des flammenlosen Betriebs der Brenner sinkt, die Rauchgase also mehr Wärme an die Produkte abgeben, als sie von der Flamme der Brenner erhalten.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Brenner wenigstens der Vorwärmzone zumindest teilweise im Bereich der Ofendecke installiert sind und im wesentlichen senkrecht, also zwischen 80° und 100°, bevorzugt 90° zur
Transportrichtung der Produkte, auf die Oberfläche der durchlaufenden Produkte gerichtet ist. Die in der Ofendecke vorzugsweise versenkt installierten Brenner sind dabei so konzipiert, dass die von ihnen erzeugte Flamme die Distanz zwischen Ofendecke und der Oberfläche des Wärmguts, die bei einigen Öfen durchaus zwischen 1 m und 2 m betragen kann, überwindet und die Produkte direkt
beaufschlagt. Zusätzlich zu den Deckenbrennern können Sauerstoff-Brennstoff- Brenner auch in den Seitenwänden und/oder im Bodenbereich der Vorwärmzone installiert sein, die das Wärmgut direkt beaufschlagen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung bilden die in der Vorwärmzone installierten Brenner ein Feld aus einer Vielzahl von gleichmäßig über die Ofendecke verteilten Brennern aus. Die so angeordneten Brenner ermöglichen insbesondere im flammenlosen Betrieb eine sehr gleichmäßige Beheizung des Wärmguts.
Insbesondere bei stückigen Produkten ist es darüber hinaus vorteilhaft, dass die Brenner einzeln ansteuerbar sind, um eine zielgerichtete Beaufschlagung des Wärmguts zu ermöglichen.
Zweckmäßigerweise sind die Brenner in der Vorwärmzone und/oder in den
nachfolgenden Zonen der erfindungsgemäßen Vorrichtung einzeln oder gruppenweise durch eine Steuer- und Regeleinheit ansteuerbar. Die Brenner können so dem Bedarf entsprechend einzeln oder in Gruppen zu- oder abgeschaltet werden oder in ihrer Leistung geregelt werden. Die Steuer- und Regeleinheit regelt insbesondere den Wärmeeintrag über die einzelnen Brenner nach einem
vorinstallierten Programm und/oder in Abhängigkeit von gemessenen Werten, beispielsweise der Temperatur des Wärmguts und/oder einer
Schadstoffkonzentration im Rauchgas und/oder dem Weg eines zu erwärmenden Produkts durch den Ofenraum. Mittels einer Steuer- und Regeleinheit kann auch die Prozesstemperatur, beispielsweise zwischen 750°C und 1500°C geregelt und das Verbrennungsverhältnis der Brenner in der Vorwärmzone und/oder in den
nachfolgenden Zonen an die spezifischen Ofendaten angepasst werden.
Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Beheizen von Produkten in einem
Wiedererwärmungsofen, in dem zu erwärmende Produkte nacheinander eine Vorwärmzone und mindestens eine nachfolgende Zone eines Ofenraums des Wiedererwärmungsofens durchlaufen und dabei in Wärmekontakt mit im
Gegenstrom zu den Produkten geführten, von Brennern in der nachfolgenden Zone erzeugten Rauchgasen gebracht werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Produkte in der Vorwärmzone mittels dort installierter Brenner durch direkte
Flammenbeaufschlagung und in zumindest einer der nachfolgenden Zonen konvektiv, durch Beheizung von anschließend die Produkte anströmenden
Rauchgasen beheizt werden.
Durch die direkte Flammenbeaufschlagung wird ein wesentlicher Teil der insgesamt zu übertragenden Wärme bereits in der Vorwämzone auf die Produkte übertragen. In den nachfolgenden Zonen erfolgt eine indirekte Beheizung der Produkte durch die Beheizung des Ofenraums im Bereich oberhalb der diese Zonen durchlaufenden Produkte mittels Brennern und nachfolgendes Kontaktieren des Wärmguts mit den dabei erzeugten Rauchgasen bzw. der dabei beheizten Atmosphäre. Diese konvektive Beheizung begünstigt insbesondere die Herstellung eines homogenen Temperaturprofils in den Produkten. Die Produkte verlassen den erfindungsgemäßen Wiedererwärmungsofen somit mit einem sehr homogenen Temperaturprofil und weisen keine oder nur eine nur geringe Verzunderung an der Oberfläche auf.
Bevorzugt werden die Brenner in der Vorwärmzone dabei flammenlos betrieben. Dadurch wird die Oberfläche des Wärmguts gleichmäßig und ohne die Gefahr lokaler Überhitzungen erwärmt. Im Rahmen der Erfindung ist es allerdings auch möglich, die Brenner in der Vorwärmzone zumindest zeitweise mit sichtbarer Flamme zu betreiben.
Um einen effizienten Wärmeübergang und eine möglichst kurze Aufenthaltsdauer der Produkte im Wiedererwärmungsofen zu gewährleisten sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vor, dass zumindest 25%, bevorzugt über 50% der den Produkten im Ofenraum insgesamt zuzuführenden Heizenergie den Produkten bereits über die direkt beaufschlagenden und bevorzugt flammenlos betriebenen Sauerstoff-Brennstoff-Brennern in der Vorwärmzone zugeführt wird.
Anhand der Zeichnung soll ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert werden.
In schematischen Ansichten zeigen:
Fig. 1 : Einen erfindungsgemäßen Wiedererwärmungsofen im Längsschnitt
Fig. 2: Die Wärmezonen des Ofens aus Fig. 1
Der in Fig. 1 gezeigte Ofen 1 umfasst einen Ofenraum 2, in dem metallische
Produkte, beispielsweise Knüppel oder Brammen aus Stahl oder Kupfer, zwecks anschließender mechanischer Umformung durch beispielsweise Schmieden, Walzen oder Biegen auf eine vorgegebene Bearbeitungstemperatur von beispielsweise zwischen 1000°C und 1500°C gebracht werden. Der Ofenraum 2 umfasst einen Eingang 3, durch den die zu erwärmenden Produkte 4 in das Innere des Ofenraums 2 transportiert werden, und einen Ausgang 5, durch den die erwärmten Produkte 4 den Ofenraum 2 verlassen. Die Produkte 4 werden mittels einer Transporteinrichtung 6 durch den Ofenraum 2 transportiert und durchlaufen dabei mehrere Zonen 8, 9, 10, 1 1 , nämlich eine Vorwärmzone 8, eine erste Heizzone 9, eine zweite Heizzone 10 und eine Ausgleichszone 1 1 . Die hier dargestellte Zoneneinteilung eines
Wiedererwärmungsofens ist dabei lediglich beispielhaft zu verstehen, insbesondere kann lediglich eine oder drei oder mehr Heizzonen vorgesehen sein. Die
Transportrichtung 12 der Produkte 4 durch den Ofenraum 2 ist in Fig. 1 durch einen Pfeil angedeutet.
Die beiden Heizzonen 9, 10 sowie die Ausgleichszone 1 1 sind mit - im
Ausführungsbeispiel als Deckenbrenner konzipierten - Brennern 14 ausgerüstet, von denen in Fig. 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur jeweils ein Brenner mit einem Bezugszeichen versehen ist. In jeder der Zonen 9, 10, 1 1 ist dabei ein Feld aus einer Mehrzahl von im jeweiligen Deckenbereich der Zone 9, 10, 1 1 gleichmäßig, also in gleichen Abständen zueinander, verteilten Brennern 14 vorgesehen. Die Anzahl und die Abstände der Brenner kann dabei in allen Zonen gleich oder aber ungleich sein. Die bei den unten näher beschriebenen Verbrennungsprozessen im Ofenraum 2 entstehenden Rauchgase werden an einer Abzugseinrichtung 15 im Bereich der Vorwärmzone 8 abgezogen, wie durch den gestrichelten Pfeil 1 6 angedeutet. Über die hier nicht näher erläuterte Abzugseinrichtung 15 wird zudem der Druck im
Ofenraum 2 geregelt.
Bei den Brennern 14, die in den Heizzonen 9, 10 und in der Ausgleichszone 1 1 bevorzugt im wesentlichen baugleich ausgeführt sind, handelt es sich bevorzugt um Brenner, mittels denen ein gasförmiger, flüssiger oder fester Brennstoff,
beispielsweise Kohlenstaub, Öl oder Erdgas, mit Luft als Oxidationsmittel verbrannt wird. Sie sind so gebaut, dass die aus ihnen austretenden Flammen derart breit und kurz geformt sind, dass der Bereich des Ofenraums 2 vor der jeweiligen
Ausmündung des Brenners 14 und oberhalb der Produkte 4 gleichmäßig beheizt, die Oberfläche der Produkte 4 jedoch von der Flamme nicht berührt wird. Brenner dieser Art werden beispielsweise in der WO 02/0973348 A1 beschrieben.
Im Bereich der Vorwärmzone 8 ist ein Feld aus einer Vielzahl von im Bereich der Ofendecke 17 der Vorwärmzone 8 angeordneten Brennern 18 installiert. Im
Unterschied zu den Brennern 14 handelt es sich bei den Brennern 18 um Oxyfuel- Brenner, bei denen ein flüssiger oder gasförmiger Brennstoff mit Sauerstoff oder einem sauerstoffreichen Gas mit mindestens 40 Vol.-% Sauerstoff, bevorzugt größer 90 Vol.-% Sauerstoff verbrannt wird. Die Brenner 18 sind mit ihren Ausmündungen 19 senkrecht nach unten, also im Winkel von etwa 90° zur Transportrichtung 6 der Produkte 4 gerichtet. Die Brenner 18 sind derart ausgebildet, dass die aus ihnen austretende Flamme hinreichend lang ist, um die Oberfläche der Produkte zu berühren, es handelt sich also um sogenannte„DFI-Brenner"; zudem sind sie für einen flammenlosen Betrieb geeignet. Brenner 18 dieser Art werden beispielsweise in der WO 2008/092763 A1 beschrieben. Weitere Brenner 18 der genannten Art können - hier nicht gezeigt - in den Seitenwänden der Vorwärmzone 8 angeordnet sein und eine seitliche Direktbeaufschlagung der Produkte 4 ermöglichen. Auch Brenner 18, die unterhalb der Transportebene der Produkte 4 angeordnet sind, und die Produkte 4 von unten beheizen, sind im Rahmen der Erfindung vorstellbar, sofern die Produkte 4 mit diesen direkt beheizt werden können.
Im Betrieb der Vorrichtung 1 werden die Produkte 4 mittels der Transporteinrichtung 6 vom Eingang 3 des Ofenraums 2 zum Ausgang 5 transportiert. In den Brennern 14 der Zonen 9, 10, 1 1 wird ein fester, gasförmiger oder flüssiger Brennstoff mit Luft verbrannt, ohne dass die dabei erzeugte Flamme die Oberfläche der Produkte berührt. Die bei der Verbrennung entstehenden überwiegend aus Kohlendioxid, Wasserdampf und Stickstoff bestehenden heißen Rauchgase werden im
Gegenstrom zu den Produkten 4 durch den Ofenraum 2 in Richtung zur
Vorwärmzone 8 geführt, kommen dabei mit den die jeweilige Zone durchlaufenden Produkten in Kontakt und heizen diese dadurch auf. Anschließend werden die Rauchgase von der Abzugseinrichtung 1 6 abgezogen. Insbesondere dient dabei der Stickstoff der den Brennern 14 als Oxidationsmittel zugeführten Luft als
Wärmeübertagungsmedium, um eine möglichst intensive, konvektive Beheizung der Produkte 4 zu erreichen.
In der Vorwärmzone 8 werden die Produkte 4 zusätzlich durch direkte
Flammenbeaufschlagung aus den Oxyfuel-Brennern 18 erwärmt. Die Brenner 18 werden dabei im flammenlosen Modus betrieben, in der Vorwärmzone 8 bildet sich also eine Reaktionszone 20 aus, die von den Ausmündungen 19 der Brenner 18 bis zur Oberfläche der Produkte 4 reicht und innerhalb der die Verbrennungsreaktion erfolgt. Durch die starke Strömung der aus den Brennern 18 ausgestoßenen Brenngase während des flammenlosen Betriebs werden die aus den Zonen 9, 10, 1 1 nachströmenden Rauchgase in Richtung auf die Produkte 4 abgelenkt, wie durch den Pfeil 22 angedeutet, wodurch sich eine verbesserte Wärmeübertragung von diesen Rauchgasen auf die Produkte 4 ergibt.
Durch die direkte Beaufschlagung der Produkte 4 und den flammenlosen Betrieb der Brenner 18 in der Vorwärmzone wird eine besonders effiziente Wärmeübertragung erreicht. Dadurch werden über 25%, bevorzugt über 50% der auf die Produkte 4 insgesamt zu übertragenden Heizenergie von den Brennern 18 bereitgestellt.
Während des Durchlaufs durch die Zonen 9, 10, 1 1 kommt es daher bereits zu einem intensiven Temperaturausgleich innerhalb der Produkte 4, sodass die
Aufenthaltsdauer der Produkte 4 in diesen Zonen gegenüber
Wiedererwärmungsöfen nach dem Stande der Technik verkürzt werden kann.
Dadurch sinkt auf die Gefahr der Verzunderung der Produkte 4.
Der Betrieb der Brenner 14, 18 wird von einer hier nicht gezeigten Steuereinheit überwacht, die insbesondere die Zufuhr von Brennstoff und Oxidationsmittel an jedem einzelnen Brenner 14, 18 in Abhängigkeit von einem vorgegebenen
Programm und/oder von gemessenen Werten steuert. Insbesondere können
Brenner 18 einzeln oder in Gruppen zu- oder abgeschaltet werden, je nachdem, ob sich unterhalb von ihnen ein Produkt befindet oder nicht. Ebenso kann die Leistung der Brenner 14, 18 und die Verteilung der zu übertragenden Heizenergie auf die Brenner 14, 18 beispielsweise in Abhängigkeit von einer gemessenen Temperatur geregelt werden, und/oder es werden Werkstoffparameter, die stromab zum Ofen 1 , beispielsweise vor oder während eines mechanischen Umformvorgangs der im Ofen 1 erwärmten Produkte 4 gemessen und als Regelparameter zur Steuerung der Brenner 14, 18 eingesetzt.
Es ist im Übrigen auch möglich, vorhandene Ofenanlagen erfindungsgemäß nachzurüsten. Dazu ist es erforderlich, im Deckenbereich oder in den Seitenwänden der jeweiligen Vorwärmzone DFI-Brenner zu installieren, deren Flammen in der Lage sind, den Abstand zwischen Decke/Seitenwand und Produktoberfläche zu
überbrücken, der bis zu 1 m und mehr aufweisen kann. Bezugszeichenliste
1 Ofen
2 Ofen räum
3 Eingang
4 Produkt
5 Ausgang
6 Transporteinrichtung
7 -
8 Vorwärmzone
9 Erste Heizzone
10 Zweite Heizzone
1 1 Ausgleichszone
12 Transportrichtung
13 -
14 Brenner
15 Abzugaeinrichtung
16 Pfeil
17 Ofendecke
18 Brenner
19 Ausmündung
20 Reaktionszone
21 -
22 Pfeil

Claims

Patentansprüche
1 . Vorrichtung zum Wiedererwärmen metallischer Produkte für eine nachfolgende mechanische Umformung, mit einem Ofenraum (2), der eine Vorwärmzone (8) und mindestens eine nachfolgende Zone (9, 10, 1 1 ), eine Transporteinrichtung zum Transportieren der zu erwärmenden Produkte (4) von der Vorwärmzone (8) in die nachfolgende Zone (9, 10, 1 1 ) und eine im Bereich der Vorwärmzone (8) angeordnete Abzugseinrichtung (15) zum Abführen von in der
nachfolgenden Zone (9, 10, 1 1 ) erzeugten Rauchgasen aufweist, und mit in der nachfolgenden Zone (9, 10, 1 1 ) installierten Brennstoff-Luft-Brennern (14), die derart ausgebildet sind, dass eine von ihnen ausgehende Flamme die
Oberfläche der Produkte (4) nicht berührt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorwärmzone (8) zumindest abschnittsweise mit Sauerstoff-Luft- Brennern (18) ausgerüstet ist, die so ausgebildet sind, dass im Betrieb der Vorrichtung die ihnen entströmenden Brenngase eine Flamme ausbilden, die die Oberfläche der Produkte (4) erreicht.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die in der
Vorwärmzone installierten Brenner (18) als flammenlose oder als nicht flammenlose Brenner ausgebildet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die
Brenner (14, 18) wenigstens der Vorwärmzone (8) zumindest teilweise im Bereich der Ofendecke (17) installiert sind und im wesentlichen senkrecht auf die Oberfläche der durchlaufenden Produkte (4) gerichtet ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, dass in der Vorwärmzone (8) ein Feld aus einer Vielzahl von gleichmäßig über die Ofendecke (17) verteilten Brennern (18) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Steuer- und Regeleinheit, mit der die Brenner (18) in der Vorwärmzone (8) und/oder die Brenner (14) in der nachfolgenden Zone (9, 10, 1 1 ) einzeln oder gruppenweise ansteuerbar sind.
6. Verfahren zum Beheizen von Produkten in einem Wiedererwärmungsofen, in dem zu erwärmende Produkte (4) nacheinander eine Vorwärmzone (8) und mindestens eine nachfolgende Zone (9, 10, 1 1 ) eines Ofenraums (2) des Wiedererwärmungsofens (1 ) durchlaufen und dabei in Wärmekontakt mit im Gegenstrom zu den Produkten (4) geführten, von Brennern in der
nachfolgenden Zone (9, 10, 1 1 ) erzeugten Rauchgasen gebracht werden, dadurch gekennzeichnet,
dass die Produkte (4) in der Vorwärmzone (8) durch direkte
Flammenbeaufschlagung mittels in der Vorwärmzone installierter Sauerstoff- Brennstoff-Brenner (18) und in der nachfolgenden Zone (9, 10, 1 1 ) konvektiv, durch Beheizung von anschließend die Produkte (4) anströmenden
Rauchgasen, beheizt werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Brenner (18) in der Vorwärmzone (8) flammenlos oder nicht flammenlos betrieben werden.
8. Verfahren nah Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest 25%, bevorzugt über 50% der den Produkten (4) im Ofenraum (2) zugeführten Heizenergie den Produkten (4) in der Vorwärmzone (8) zugeführt wird.
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