CH652200A5

CH652200A5 - Industrieofen.

Info

Publication number: CH652200A5
Application number: CH5302/80A
Authority: CH
Inventors: Wilmore Sherrick Jun Scott
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1979-07-18
Filing date: 1980-07-10
Publication date: 1985-10-31
Also published as: JPS5630582A; ES8105467A1; IT8023255A0; BE884338A; IT1131911B; FR2461912B1; SE8005211L; ES493248A0; JPS5758592B2; DE3026324A1; US4244686A; DE3026324C2; FR2461912A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Industrieofen gemäss dem Oberbegriff des ersten Patentanspruches.

Derartige Industrieöfen werden z. B. als Industrie-Heizeinrichtungen, wie Wärmebehandlungs- oder Sinteröfen, verwendet, die mit einer gesteuerten Gasatmosphäre arbeiten. Der Ofen sorgt für wesentliche Einsparungen im Energie- oder Leistungsbedarf, um die mit einer gesteuerten Atmosphäre arbeitenden Heizeinrichtungen wirksam zu heizen und zu betreiben.

Wärmebehandlungs-, Sinter- und ähnliche Öfen sind bisher nach einer von zwei festgelegten Kategorien oder Systemen aufgebaut. Der eine Ofentyp arbeitet in der Weise," dass das jeweilige Gas der gesteuerten Atmosphäre innerhalb der Heizkammer sich einfach über den gesamten Querschnitt der vollständigen Einheit erstreckt oder diesen durchdringt einschliesslich irgendwelcher Bereiche jenseits oder aussen von den hoch-warmfesten Wänden, die die heisse Fläche und den Heiz- oder

Sinterkammerbereich bilden und sich zum äusseren Ofengehäuse erstrecken, das im allgemeinen einen im wesentlichen gasdichten Aufbau besitzt.

Der andere Ofentyp für eine gesteuerte Atmosphäre enthält 5 eine gasdichte Muffel- oder Manteleinheit, die das jeweilige atmosphärische Gas innerhalb der B egrenzungen enthält und isoliert, die den Heiz- oder Sinterkammerbereich bilden. Der Raum ausserhalb der Muffel- oder Manteleinheit, der gewöhnlich die Wärmeisolation und Heizmittel oder -elemente enthält, 10 weist eine Gasatmosphäre auf, die mit allen Komponenten kompatibel ist, wie beispielsweise der Isolation und der in den Aussenteilen eines Muffelofens angeordneten Heizmittel, und deshalb kann sie von der Atmosphäre innerhalb des Muffelofens unterschiedlich sein. Öfen dieser letztgenannten Art mit Muffel-15 einrichtungen oder gasdichten Isoliermänteln sind in den US-Patentschriften 1472401 und 2064532 beschrieben.

Muffelöfen sind jedoch relativ teuer herzustellen und bei ihnen treten häufig Schwierigkeiten in bezug auf ihre Betriebssicherheit unter bestimmten Betriebsbedingungen auf, wie beispiels-20 weise die Erreichung und Aufrechterhaltung sehr hoher Temperaturen, die häufig für viele derzeitige Fertigungsverfahren erforderlich sind.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Industrieofens, der nicht die Nachteile bestehender Ausführungen aufweist und zudem leicht und preisgünstig herstellbar ist. Ferner soll der Industrieofen im Betrieb günstig sein. Diese Aufgaben sind durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruches 1 gelöst. Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen umschrieben.

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Der Industrieofen wird für einen Betrieb mit gesteuerter Atmosphäre unter Verwendung eines Gases oder von Gasen mit einem relativ leichten Gewicht, wie beispielsweise Wasserstoff, Helium oder Ammoniakgas, als Atmosphäre eingesetzt, und umfasst Mittel für eine wesentliche Senkung der Wärmeverluste, die mit dem Betrieb dieser Öfen mit leichten Gasen verbunden sind. Die Öfen enthalten zweckmässig eine Zusammensetzung von hitzebeständigen feuerfesten und isolierenden Komponenten bzw. Materialien, die so angeordnet sind, dass sie die Heizkammer oder den Bereich bilden und ummanteln, wobei 40 jede der Komponenten bzw. Materialien in bezug zueinander in einer geschichteten Folge angeordnet sind, die durch ihre relative Gasdurchlässigkeit bestimmt ist. Dadurch wird eine geringe Durchlässigkeit aufweisende Begrenzung für die Gasströmung und die dadurch erfolgende Wärmeübertragung erreicht. Zusätzlich zum normalerweise vorgesehenen Gas zur Zufuhr der gesteuerten Atmosphäre in die Heizkammer oder den Bereich derartiger Öfen wird ein zweites Gas mit einem relativ grösseren Gewicht als das erste Gas der Heizkammeratmosphäre zur kalten oder äusseren Seite der zusammengesetzten Komponenten bzw. Materialien zugeführt.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden B eschreibung und der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Figur 1 zeigt einen schematischen Querschnitt von einem Ofen gemäss der Erfindung.

55 Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel des Ofens gemäss der Erfindung.

Figur 1 zeigt einen Ofen 10 mit einem Gehäuse 12, einer Basis oder einem Fundament 14 aus einer oder mehreren Einheiten aus hohen Temperaturen widerstehenden keramischen hochwarmfe-60 sten Materialien und Wänden 18, wie beispielsweise Seitenwänden 18-18' und einer oberen Wand 18", die die Heizkammer oder den Bereich 16 bilden und deren heisse Fläche darstellen. Das Ofengehäuse 12 ist üblicherweise aus Stahl oder einem anderen wärmebeständigen Metall aufgebaut und besitzt normalerweise 65 einen im wesentlichen gasdichten Aufbau. Die Wände 18, die die Heizkammer 16 bilden und deren heisse Flächen darstellen, sind aus einem geeigneten keramischen hochwarmfesten Material geeigneter Temperaturbeständigkeit für den beabsichtigten

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Zweck aufgebaut, wie beispielsweise aus üblichen feuerbeständigen Ziegel oder Blöcken. Typische hohen Temperaturen widerstehende keramische hochwarmfeste Materialien besitzen eine gewisse Gasdurchlässigkeit.

Eine Ummantelung 20, die wenigstens einen Körper oder eine Schicht aus einem hochwarmfesten oder isolierenden Material aufweist und vorzugsweise einen Verbungkörper aus einer Kombination derartiger Materialien darstellt, umgibt und überdeckt wenigstens einen wesentlichen Teil der äusseren oder kalten Oberfläche der Wände 18, die die Ofenheizkammer 16 bilden. Die Ummantelung 20 oder ihre Komponenten muss wenigstens bis zu einem gewissen Grad eine Gasdurchlässigkeit besitzen, um eine begrenzte Gasübertragung zu gestatten. Es können jedoch auch gasundurchlässige Metalle verwendet werden oder in der Ummantelung 20 vorgesehen sein, vorausgesetzt, dass Fugen, Verbindungsstellen oder andere Öffnungen in der Metallkomponente in einer Weise vorgesehen sind, dass ein Durchtritt von Gas ermöglicht ist.

Trotzdem sollte die Ummantelung 20 oder wenigstens eine Komponente davon eine relativ geringe Gasdurchlässigkeit haben, so dass sie eine wirksame Begrenzung geringer Durchlässigkeit bildet, die jede wesentliche oder schnelle Strömung oder Wanderung des Gases durch die Ummantelung hindurch und dadurch wiederum eine Wärmeübertragung verhindert bzw. erschwert.

Hohen Temperaturen widerstehende hochwarmfeste und isolierende Materialien, die für die Ummantelung 20, entweder alleine oder in Verbindung mit anderen Komponenten oder Materialien, geeignet sind, umfassen übliche oder im Handel erhältliche keramische hochwarmfeste Ziegel oder Platten und isolierende feuerbeständige Ziegel oder Platten, Metalloxide, wie beispielsweise Zirkoniumoxid oder Aluminiumoxid in verschiedenen Raumformen, wie beispielsweise Tafeln oder Blöcke verschiedener Porositäten, und sogar Hochtemperaturmodelle, wie beispielsweise Molybdän- und Chromnickellegierungen. Die verwendeten hochwarmfesten oder isolierenden Materialien, ihre Abmessungen, die verwendete Anzahl und Kombinationen oder Anordnungen werden jeweils durch die Betriebstemperaturen für einen gegebenen Ofen oder Zweck, Raumbegrenzungen und ähnlichen praktischen Überlegungen bestimmt, die für jeden Fall oder jeden Einbau bestimmt sind.

Die durch die Wände 18 gebildete Ofenheizkammer 16 und die die Wände 18 umgebende Ümmantelung 20 sind alle innerhalb des Ofengehäuses 12 angeordnet und zwar im Abstand dazu, um einen Zwischenraum 22 zwischen dem Gehäuse 12 und der die Heizkammerwände 18 umgebenden Ummantelung 20 zu bilden.

Der Zwischenraum oder die Zwischenräume 22 sind mit einer eine sehr geringe Dichte aufweisenden oder einer stark porösen Hochtemperatur-Isolation 24 versehen, wie beispielsweise Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid-Siliziumoxid-Fasern oder -Partikeln. Ein derartiges aus Feststoffen bestehendes und stark poröses Material wie Isolierfasern oder Granulate sorgt für eine sehr hochgradige Gasdurchlässigkeit und einen kleinen Widerstand für die Gasbewegung und die Strömung durch das Material hindurch.

Die Heizeinrichtung für die Heizkammer oder den Bereich 16 kann irgendein bekanntes System oder eine Vorrichtung umfassen und ist deshalb in der Zeichnung nicht dargestellt. Beispielsweise kann die Wärmequelle elektrische Widerstandsheizelemente umfassen, wie beispielsweise übliche Calrod-Einheiten, oder, für höhere Temperaturen, Molybdän-Widerstandsheizeinrichtungen. Die Heizeinheiten oder-elemente können an der oberen oder den Seitenwänden auf der Innenseite der Heizkammer oder des Bereiches 16 oder an jeder anderen geeigneten Stelle angebracht oder montiert sein.

Die Heizkammer oder der Bereich 16 enthält Mittel zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer gesteuerten Atmosphäre eines bestimmten Gases innerhalb der Heizkammer 16,

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wie beispielsweise eine Leitung 26, die die Heizkammer 16 mit einer Quelle eines geeigneten Gases verbindet, wie beispielsweise Wasserstoff oder Helium. Es sind ferner Mittel (nicht gezeigt) vorgesehen zum Abziehen des atmosphärischen Gases oder der Gase und entweder zum Auffangen des Gases für eine Wiederverwendung oder zum Verbrennen, wenn ein brennbares Gas verwendet ist.

Gemäss der Erfindung ist der Zwischenraum oder die Räume 22, die eine stark poröse Isolaton 24 enthalten, mit einer Verbindung, wie beispielsweise einer Leitung 28, mit einer Quelle eines Gases verbunden, das ein relativ höheres Gewicht besitzt als das Gas, das die Atmosphäre innerhalb der Heizkammer 16 bildet und das über die Leitung 26 zugeführt wird. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, wie beispielsweise Druckmesser und Ventile in diesen Leitungen, um das relativ schwerere Gas in den Zwischenraum oder die Räume 22 bei einem Druck zuzuführen, der höher ist als der Druck des relativ leichteren Gases in der Heizkammer 16.

Beim Betreiben eines Ofens mit gesteuerter Atmosphäre, um einen verbesserten Energie-Wirkungsgrad zu erreichen, wird zusätzlich zu der üblichen Erzeugung und Aufrechterhaltung der gesteuerten Atmosphäre innerhalb der Heizkammer durch eine kontinuierliche Zufuhr eines geeigneten Gases zur Heizkammer aus einer Einspeisung über die Leitung 26 ein zweites Gas in den Ofen 10 eingeführt. Das zweite Gas wird dem Ofen 10 zugeführt, indem es über die Leitung 28 in den Zwischenraum oder die Räume 22 eingeführt wird, die sich zwischen dem Ofengehäuse 12 und der Ummantelung 20 auf den Wänden 18 befinden und das stark poröse Isoliermaterial 24 enthalten.

Das zweite Gas muss ein relativ grösseres Gewicht als das erste Gas aufweisen, das über die Leitung 26 in die Heizkammer 16 eingeführt wird. Zusätzlich muss das zweite und schwerere Gas in den Ofen 10 mit einem Druck eingeführt werden, der höher als der Druck des ersten oder in die Heizkammer eingeführten Gases ist.

Figur 2 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Einzelheiten, das einen eine gesteuerte Atmosphäre aufweisenden Sinterofen 10 mit einem Stahlgehäuse 12 und einem hochwarmfesten Blockfundament 14 und hochwarmfesten Ziegelseitenwänden 18-18' und eine Oberwand 18" aufweist, die die Heizkammer 16 und deren heisse Fläche bilden. Der hochwarmfeste Ziegel der Heizkammerwände besteht aus etwa 11 cm dicken Aluminiumoxid-Porenziegel (NORTON AN599).

In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Ummantelung 20, die die äussere oder kalte Oberfläche der Wände 18 umgibt und überdeckt, die die Ofenheizkammer 16 bilden, eine Zusammen- ' setzung aus sehr hohen Temperaturen widerstehenden hochwarmfesten und isolierenden Materialien, die eine gewisse relativ kleine Gasdurchlässigkeit besitzen. Die Ummantelung 20 gemäss diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung enthält eine Schicht 30-30-30", die aus 0,25 mm (0,010 Zoll) dicken Blechen aus Molybdänmetall besteht und an die kalte Aussenfläche der Wände 18 der Heizkammer 16 angrenzt, dann eine Schicht 32-32 -32", die aus einer 25 mm (1 Zoll) dicken faserigen Isolierplatte aus Zirkoniumdioxid (ZIRCAR Products 2YF B3) besteht, und danach folgt eine Schicht 34-34-34" aus einer 25 mm (1 Zoll) dicken Isolierplatte aus Aluminiumdioxid (RIM Products A A20).

Die Räume 22-22 -22" zwischen dem Ofengehäuse 12 und der Ummantelung 20 sind mit einer Isolation aus hochwarmfesten Aluminiumdioxid-Fasern oder «Wolle» (SAFFIL Aluminiumdioxid HT-Fasern) gefüllt und zu einer Dichte von etwa 0,112 g/ cm3 (7 pounds per cubic foot) verdichtet.

Der Ofen war mit elektrischen Molybdän-Widerstands-Heizelementen versehen, die von der oberen Wand 18" der Heizkammer 16 abgehängt waren.

Der vorstehend beschriebene, eine gesteuerte Atmosphäre aufweisende Sinterofen gemäss einem speziellen praktischen

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Ausführungsbeispiel wurde dazu verwendet, die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile festzustellen, wobei Aluminiumoxid-Ziegel als Proben zum Sintern und eine gesteuerte Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniak innerhalb der Heizkammer 16 verwendet wurden, das über die Leitung 16 zugeführt wurde .Der 5 Zusatz eines zweiten und schwereren Gases, in diesem Fall Stickstoff, bei einem leicht höheren Druck als das zugeführte Ammoniak in die Räume 22 zwischen dem Gehäuse und der Ummantelung führte zu einer Senkung um 18 % beim elektrischen Energieverbrauch durch den Ofen im Vergleich zu dessen 10

Betrieb bei identischen Bedingungen, abgesehen von der Verwendung des zweiten Gases, für das hier Stickstoff verwendet wurde.

Als ein geringes Gewicht aufweisende Gase für den Betrieb mit gesteuerter Atmosphäre können Wasserstoff, Helium, Methan und Ammoniakgas verwendet werden, wogegen zu den möglicherweise geeigneten schwereren Gasen für die Durchführung der Erfindung Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon und deren Mischungen gehören.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Industrieofen, mit einer Heizkammer (16) mit Wänden (18, 18', 18") aus gasdurchlässigem, feuerfestem Material, die mindestens einen Teil der Heizfläche der Kammer bilden, wobei eine Ummantelung (20) mindestens einen Teil der kalten Aussenflä-che dieser Wände begrenzt, und ein praktisch gasundurchlässiges Gehäuse mindestens einen Teil der Heizkammer im Abstand von der Ummantelung zur Bildung eines Zwischenraumes (22,22', 22") umschliesst, der ein poröses, thermisches Isoliermaterial (24,24', 24") enthält, dadurch gekennzeichnet, dass der Industrieofen eine erste Vorrichtung (26) zur Zufuhr von relativ leichtem Gas zur Heizkammer (16) sowie eine zweite Vorrichtung (28,28', 28") zur Zufuhr von relativ schwerem Gas zum Zwischenraum (22,22', 22") aufweist, wobei der Druck des schweren Gases grösser ist als derjenige des leichten Gases.
2. Industrieofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung ein Material mit niedrigerer Gasdurchlässigkeit als die des Materials der Wände enthält.
3. Industrieofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das gasdurchlässige, feuerfeste Material der Wände ein keramischer Werkstoff ist, und dass die Ummantelung (20) hitzebeständig ist.
4. Industrieofen nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (20) eine Vielzahl von Schichten (30,30', 30", 32,32', 32", 34,34', 34") aus hitzebeständigen Materialien enthält.
5. Industrieofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (20) ein Metallblech einschliesst.
6. Industrieofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech Molybdän enthält.
7. Industrieofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (20) eine Schicht aus Zirkoniumdioxid enthält.
8. Industrieofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung (20) eine Schicht aus Aluminiumdioxid enthält.
9. Industrieofen nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände gasdurchlässige, feuerfeste, keramische Ziegel aufweisen.
10. Industrieofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizkammer Wände aus gasdurchlässigem, feuerfestem, keramischem Werkstoff aufweist, dass die Ummantelung (20) ein Molybdän enthaltendes Metallblech benachbart zur kalten Aussenfläche der Wände, eine Zirkoniumdioxidschicht, die sich dem Metallblech anschliesst, und eine Aluminiumdioxidschicht, anschliessend an die Zirkoniumdioxidschicht, aufweist.

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