DE19505401C1 - Strahlrohr für Industrieöfen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches Strahlrohr, insbesondere für Industrieöfen, das endseitig über eine Dichtungseinrichtung an einem Flanschteil abgedichtet gehalten ist.

Für die indirekte Beheizung oder Kühlung von Indu­ strieöfen werden häufig sogenannte Strahlrohre benutzt, die durch Öffnungen in der Ofenwand eingebaut und dort abgedichtet werden. Zur Wärmezufuhr dienen Brenner oder Elektroheizungen, zur Wärmeabfuhr Kühlsysteme, die in das Strahlrohr eingesetzt werden. Als Werkstoff für die Strahlrohre wird vielfach hitzebeständiger Stahl verwen­ det, in zunehmendem Maße aber auch Keramik, wegen der höheren Temperaturgrenze.

Zur Befestigung und Abdichtung keramischer Strahlroh­ re in der Ofenwand wird ein keramischer Flanschansatz am Strahlrohr zwischen zwei metallischen Flanschen einge­ klemmt, wovon einer gasdicht mit dem Ofengehäuse verbunden ist. Bis zu Temperaturen von etwa 250°C sind elastische Dichtungen verfügbar, die die unterschiedliche Ausdehnung der Flansche aus Metall- und Keramik auffangen. Die An­ preßkraft wird häufig durch Federelemente aufgebracht.

Bei Temperaturen über 250°C an den Flanschen müssen Dichtungen aus relativ steifem Material, z. Bsp. Metall­ ringe, eingesetzt werden. Sie erfordern definierte Ober­ flächen am keramischen Flanschansatz, d. h. eine teure Schleifoperation bei dessen Herstellung. Außerdem besteht die Gefahr von Spannungsrissen in der Keramik, weil die Anpreßkräfte bei steifen Dichtungen hoch sein müssen.

Bei der für Strahlrohre besonders geeigneten SIC-Keramik mit einer Wärmeleitfähigkeit von über 50 W/mK steigen die Temperaturen am Flansch in der Regel über 250°C, insbesondere dann, wenn an dieser Stelle heiße Gase vom Brenner oder Kühlsystem vorbeiströmen.

Aus der DE 41 32 236 C1 ist ein Industriebrenner mit einem keramischen Strahlrohr bekannt, bei dem das betref­ fende Rohr mit einem keramischen Flanschansatz unter Zwi­ schenlage eines Dichtungsringes an eine Innenschulter ei­ nes rohrförmigen Gehäuseteiles angedrückt ist. Zur Fixie­ rung und weiteren Abdichtung ist ein zweiter Dichtungsring vorgesehen, der in einem von dem rohrförmigen Gehäuseteil und dem keramischen Strahlrohr begrenzten Ringspalt ange­ ordnet ist. Innerhalb des Brennerkopfes angeordnete Federn drücken das keramische Strahlrohr mit seinem Flanschansatz zur Abdichtung gegen den sich an der Innenschulter abstüt­ zenden Dichtungsring.

Als Dichtungsringe werden bei Wärmebelastung von über 250°C Metallringe verwendet, die einen geschliffenen Flanschansatz erfordern.

Daraus ergibt sich die Aufgabe, ein robustes Strahl­ rohr für Industrieöfen, mit verbesserter und vereinfachter Abdichtung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch ein Strahlrohr mit den Merk­ malen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das keramische Strahlrohr weist einen metallischen Flanschteil auf, der problemlos mit einem an einer Ofen­ wand vorgesehenen Flansch verschraubt werden kann. Die zwischen dem Flanschteil und dem Strahlrohr angeordnete metallische Hülse wirkt sowohl als Dichtungseinrichtung, als auch als Halteeinrichtung in Bezug auf Axialkräfte. Der auf das betreffende Ende des keramischen Strahlrohres aufgeschrumpfte Abschnitt bildet mit dem Strahlrohr eine im wesentlichen gasdichte Verbindung. Die Hülse ist dünn­ wandig, d. h. sie weist eine wesentlich geringere Wanddicke auf als das Strahlrohr. Das Strahlrohr, dessen Wanddicke zwischen 4 und 10 mm liegt, ist demgegenüber steif. Die Hülse paßt sich deshalb beim Aufschrumpfen der äußeren Form des Strahlrohres an, so daß eine Schleifbearbeitung des Strahlrohres entfallen kann. Kleinere Oberflächenunre­ gelmäßigkeiten des Strahlrohres werden toleriert, denn die Hülse paßt sich an diese an. Auch können Durchmessertoleranzen oder Abweichungen von der Rundheit des Strahlrohres bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden. Die beim Schrumpfen entstehenden Druckspannungen verträgt die Keramik bei entsprechender Wanddicke gut.

Die Hülse schafft eine robuste Verbindung zu dem Flanschteil. Die Verbindung ist außerdem bis zu einem ge­ wissen Grade nachgiebig, so daß unterschiedliche thermi­ sche Ausdehnungen des Strahlrohres und des Flanschteiles nicht zu Spannungsrissen oder Undichtigkeiten führen. Ins­ besondere wird das Strahlrohr bei allen auftretenden Tem­ peraturdifferenzen von größeren Zugspannungen frei gehal­ ten.

Die Hülse ist mit ihrem ersten und ihrem zweiten Ab­ schnitt jeweils rohrförmig ausgebildet, wobei sich der zweite Abschnitt ausgehend von dem ersten Abschnitt erwei­ tert. Der zweite Abschnitt stellt mit seinem sich vergrö­ ßernden Durchmesser ein Übergangsglied zu dem Flanschteil mit größerem Innendurchmesser dar. Unterschiede der Aus­ dehnungskoeffizienten des Strahlrohres und des Flanschtei­ les werden von dem zweiten Abschnitt der Hülse besonders gut ausgeglichen, wenn der zweite Abschnitt wenigstens bereichsweise konisch ausgebildet ist.

Eine einfache Anordnung ergibt sich, wenn die Hülse mit ihrem zweiten Abschnitt von dem Flanschteil abliegt. Zur Verkürzung der Baulänge ist es auch möglich, den zwei­ ten, mit dem Flanschteil verbundenen Abschnitt der Hülse um den ersten, auf das Strahlrohr aufgeschrumpften Ab­ schnitt der Hülse zu stülpen. Der zweite Abschnitt liegt dann im wesentlichen konzentrisch zu dem ersten Abschnitt der Hülse.

Für die meisten Anwendungsfälle ist es vorteilhaft, wenn das Strahlrohr aus Siliziumkarbid-Keramik besteht. Diese ist hochgradig wärmefest. Allerdings weist sie eine relativ hohe Wärmeleitfähigkeit auf, so daß sich das in der Hülse gefaßte Ende relativ stark erwärmt. Dieser Er­ wärmung hält die Schrumpfverbindung zwischen der Hülse und dem Strahlrohr jedoch ohne weiteres stand. Das üblicher­ weise einen Durchmesser zwischen 50 und 250 mm aufweisende Strahlrohr hat eine Wanddicke von 4 bis 7 mm. Demgegenüber liegt die Wanddicke der Hülse bei weniger als 1 mm, so daß diese im Vergleich zu dem Strahlrohr elastisch ausgebildet ist und als Federelement wirkt.

Es ist vorteilhaft, wenn die Hülse einen Ausdehnungs­ koeffizienten aufweist, der im betreffenden Temperaturbe­ reich kleiner oder gleich dem der verwendeten Keramik ist. In diesem Fall ist die Schrumpfverbindung bei allen Tempe­ raturen gleich fest, bzw. nimmt in ihrer Festigkeit zu höheren Temperaturen hin noch zu. Besonders vorteilhaft sind Eisen-Nickel-Legierungen mit geringem Ausdehnungsko­ effizienten.

Um die Gasdichtigkeit zwischen der Hülse und dem Strahlrohr noch zu erhöhen, kann ein Dichtmittel zwischen den zweiten Abschnitt und das Strahlrohr eingebracht wer­ den. Dazu eignet sich insbesondere ein Dichtmittel für erhöhte Temperaturen, wie Graphit, oder ein Lötmittel.

Die Hülse fixiert das Strahlrohr in axialer Richtung. Zum Schutz vor Biegebeanspruchungen, die insbesondere bei von der Vertikalen abweichender Anordnung des Strahlrohres auftreten, kann zusätzlich ein Stützrohr vorgesehen sein, das von dem mit der Hülse verschweißten bzw. anderweitig verbundenen Flanschteil ausgeht und koaxial zu dem Stütz­ rohr angeordnet ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Stützrohr mit dem Strahlrohr einen Ringspalt begrenzt, so daß ein gewisses radiales Spiel vorhanden ist. Dieses Spiel verhindert das Einleiten von Spannungen in das Strahlrohr, die zur Zerstörung desselben führen könnten. Dabei ist es vorteilhaft, wenn sich der Ringspalt von der Hülse weg verengt, so daß das Stützrohr einen im Bereich seiner Mündung liegenden Anlagebereich für das Strahlrohr aufweist. Damit wird ein auf das Strahlrohr einwirkendes Biegemoment zwischen der Mündung des Stützrohres und der Hülse abgeleitet. Als Hebelarm steht dann nahezu die ge­ samte Länge des Stützrohres zur Verfügung, wodurch die resultierenden, auf das Strahlrohr einwirkenden Kräfte er­ träglich bleiben. Insbesondere sind sie kleiner als Reak­ tionskräfte, die bei Einspannung des keramischen Strahl­ rohres allein bei seiner Mündung auftreten.

Das Strahlrohr ist vorteilhaft zur Beheizung eines Ofenraumes mit Schutzgasatmosphäre verwendbar. Es dient mir seinem Flanschteil der Trennung zweier Gasräume, dem Ofenraum und der Umgebung. Dazu ist das Strahlrohr mit seinem Flanschteil mit einem Flansch verschraubt, der an einer in einer entsprechenden Ofenwand vorgesehenen, von dem Strahlrohr durchgriffenen Öffnung angeordnet ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Er­ findung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Industrieofen, an dessen Ofenwand ein mittels eines Industriebrenners beheiztes Strahlrohr abge­ dichtet gehalten ist, in einer schematischen und aus­ schnittsweisen Schnittdarstellung, und

Fig. 2 die Ofenwand mit dem Strahlrohr nach Fig. 1 in einer vergrößerten, ausschnittsweisen und schematischen Schnittdarstellung.

In Fig. 1 ist ein Industrieofen 1 dargestellt, dessen Ofenraum 2 durch an seiner Ofenwand 3 in einer entspre­ chenden Öffnung 5 vorgesehene Strahlrohre 7 indirekt be­ heizt ist. Das Strahlrohr 7 durchgreift die in der Ofen­ wand 3 vorgesehene Öffnung 5 und ist an einem an der Ofen­ wand vorgesehenen Flansch 8 befestigt. Das an seinem in den Ofenraum 2 ragenden Ende geschlossene Strahlrohr 7 ist an seinem offenen Ende 9 mit einem Brenner 11 verbunden, der Anschlüsse 13, 15 zur Zuführung von Brenngas und Luft, sowie einen Anschluß 17 zur Ausleitung von Rauchgas auf­ weist. Der Anschluß 17 steht mit einer ringförmigen Abgas­ kammer 19 eines rohrförmigen Gehäuseteils 21 in Verbindung, so daß ein von dem Strahlrohr 7 begrenzter Ab­ gaskanal in die in dem Gehäuseteil 21 befindliche Abgas­ kammer 19 mündet. Erwärmt wird das Strahlrohr 7 durch Ver­ brennung des zugeführten Brenngases bei 22, wodurch heiße, an dem Ende 9 aus dem Strahlrohr 7 austretende Abgase ent­ stehen.

Zur Verbindung des Strahlrohres 7 mit der Ofenwand 3 bzw. dem Flansch 8 ist eine mit einem Flanschteil 23 ver­ sehene dünnwandige Hülse 25 vorgesehen, die im einzelnen aus Fig. 2 ersichtlich ist. Der Flanschteil 23 sitzt kon­ zentrisch zu dem rotationssymmetrisch bezüglich einer Längsmittelachse 27 ausgebildeten Strahlrohr 7. Der Flanschteil 23 weist die Form einer Ringscheibe auf und geht bei 29 in ein sich koaxial zu der Längsmittelachse 27 erstreckendes Stützrohr 30 über. Das Stützrohr 30 ist aus­ gehend von dem Flanschteil 23 zunächst hohlzylindrisch mit einem den Durchmesser des Strahlrohres 7 deutlich über­ steigenden Durchmesser ausgebildet. Es verläuft von dem Ende 9 des Strahlrohres 7 weg, und geht dann über einen konischen Abschnitt 32 in einen engeren hohlzylindrischen Abschnitt 33 über, der mit dem Strahlrohr einen engen Ringspalt 35 begrenzt. Während das aus Keramik bestehende Strahlrohr 7 einen Durchmesser von 50 bis 250 mm und eine Wanddicke von 3 bis 10 mm, meist 4 bis 7 mm, aufweist, weist das aus einem Metall wie bspw. Stahl hergestellte Stützrohr 30 eine vergleichbare Wanddicke, dabei jedoch einen um einige Millimeter größeren Durchmesser auf.

Die zur Verbindung des Strahlrohres 7 mit dem Flanschteil 23 vorgesehene Hülse 25 hingegen weist durch­ gehend eine Wanddicke auf, die kleiner als 1 mm ist. Das Verhältnis der Wanddicke der Hülse 25 zu der des Strahl­ rohres 7 liegt bei 1/10. Deshalb ist die Hülse 25 in Bezug auf das dickwandige, steife Strahlrohr 7 elastisch. Zur Verbindung mit dem Strahlrohr 7 ist die Hülse 25 mit einem ersten, hohlzylindrisch ausgebildeten Abschnitt 40 verse­ hen, der auf das Strahlrohr 7 aufgeschrumpft ist. Dies bedeutet, daß der Innendurchmesser des Abschnittes 40 ge­ ringer ist, als der Außendurchmesser des Strahlrohres 7. An seiner dem Ende 9 des Strahlrohres 7 zugewandten Seite geht der Abschnitt 40 der Hülse 25 in einen konischen Ab­ schnitt 42 über, an den ein hohlzylindrischer Abschnitt 44 und ein weiterer konischer Abschnitt 46 anschließen. Die Hülse 25 ist an ihrem Abschnitt 46 mit dem Flanschteil 23 bei einer Schweißnaht 48 verschweißt. Diese führt entlang des gesamten inneren Umfanges der von dem Flanschteil 23 begrenzten Öffnung, so daß die Hülse 25 das Strahlrohr 7 gasdicht gegen den Flanschteil 23 abdichtet.

Der Flanschteil 23 weist in unmittelbarer Nachbar­ schaft der Schweißnaht 46 eine axiale Ringnut 47 auf, die das Anschweißen der Hülse 25 an den Flanschteil 23 er­ leichtert.

Die im Vergleich zu dem Strahlrohr federnd ausgebil­ dete Hülse 25 besteht aus einer Nickel-Eisen-Legierung, deren Temperaturausdehnungskoeffizient gleich oder kleiner ist als der Temperaturausdehnungskoeffizient des Strahl­ rohres 7. Dadurch bleibt die gasdichte durch Aufschrumpfen hergestellte Verbindung zwischen dem Abschnitt 40 der Hül­ se 25 und dem Strahlrohr 7 auch bei einer Erwärmung des Endes 9 des Strahlrohres 7 auf Temperaturen erhalten, die größer als 300 °C sind. Unabhängig von der Temperatur des Strahlrohres 7 übt der elastisch gedehnte Abschnitt 40 der Hülse 25 eine radial nach innen gerichtete Druckkraft auf das Strahlrohr 7 aus, die von diesem ohne weiteres aufge­ nommen wird.

Zur Verbesserung der Abdichtung zwischen dem Ab­ schnitt 40 der Hülse 25 und dem Strahlrohr 7 kann, insbe­ sondere wenn dieses eine rauhere Oberfläche aufweist, ein zusätzliches Dichtmittel zwischen dem Abschnitt 40 und dem Strahlrohr 7 vorgesehen werden. Als Dichtmittel dient Gra­ phitpulver oder ein Lötmittel.

Der Flanschteil 23 ist zwischen dem ortsfest mit der Ofenwand 3 verbundenen Flansch 8 und einem an dem Gehäu­ seteil 21 vorgesehenen Flansch 52 gehalten. Zur Verbindung des Flanschteiles 23 mit den Flanschen 8, 52 dienen in Fig. 2 lediglich schematisch angedeutete Schrauben 55.

Die Abdichtung des Strahlrohres 7 gegen den Ofenraum 6 wird durch die Hülse 25 auf einfache Weise erbracht, ohne daß das Strahlrohr 7 besonderer Feinbearbeitung be­ dürfte, und ohne daß dieses bruchgefährdet wäre. Die Ab­ dichtung ist zuverlässig und sicher, so daß bei keiner Betriebstemperatur Abgase oder Gase der Ofenatmosphäre nach außen dringen können. Unterschiede der temperaturab­ hängigen Ausdehnungen zwischen dem ringförmigen Flansch­ teil 23 und dem Strahlrohr 7 werden von der Hülse 7 ausge­ glichen. Diese nicht starre Einspannung bietet einen guten Schutz gegen Spannungsrisse des Strahlrohres 7. Das Flanschteil 23 besteht aus Metall, bspw. Stahl, und läßt sich unter Zwischenlage temperaturfester Dichtungen 56, 57 problemlos gegen die benachbarten, ebenfalls aus Metall bestehenden Flansche 56, 57 abdichten.

Während die Hülse 25 das Strahlrohr 7 in axialer und radialer Richtung hält, dient das Stützrohr 30 mit seinem hohlzylindrischen Abschnitt 33 der Aufnahme von Biegemo­ menten. Aufgrund der Bemessung des Abschnittes 33 derart, daß dieser bei jeder Temperatur, für die das Strahlrohr 7 vorgesehen ist, das Strahlrohr 7 mit Spiel hält, erzeugt der Abschnitt 33 keine thermischen Spannungen für das Strahlrohr 7.

Claims (10)

1. Keramisches Strahlrohr (7), insbesondere für Industrieöfen, das endseitig über eine Dichtungseinrichtung an einem Flanschteil abgedichtet gehalten ist, dadurch gekennzeich­ net, daß die Dichtungseinrichtung eine dünnwandige metal­ lische Hülse (25) ist, die einen ersten, auf das kerami­ sche Strahlrohr (7) aufgeschrumpften Abschnitt (40) auf­ weist, der über einen zweiten Abschnitt (42, 44, 46) mit dem Flanschteil (23) größeren Durchmessers abgedichtet verbunden ist.

2. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der zweite Abschnitt (42, 44, 46) wenigstens be­ reichsweise konisch ausgebildet ist.

3. Keramisches Strahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hülse (25) mit dem Flanschteil (23) ver­ schweißt ist.

4. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hülse (25) derart auf das Strahlrohr (7) auf­ geschrumpft ist, daß der erste Abschnitt (40) von dem Flanschteil (23) abliegt.

5. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß das Strahlrohr (7) aus einer Siliziumkarbid-Kera­ mik besteht.

6. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hülse (25) eine Wanddicke aufweist, die klei­ ner als 1 mm ist.

7. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hülse (25) einen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der wenigstens in dem Temperaturintervall von Umgebungstemperatur bis zur Betriebstemperatur kleiner oder gleich dem Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Keramik ist.

8. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen dem ersten Abschnitt (40) und dem Strahlrohr (7) ein Dichtmittel eingebracht ist.

9. Keramisches Stahlrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Hülse (25) mit einem Stützrohr (30) verbunden ist, das mit dem Flanschteil (23) verbunden ist und das sich von der Hülse (25) weg das Strahlrohr (7) umgebend erstreckt.

10. Keramisches Stahlrohr nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlrohr (7) zur Beheizung eines Ofenraumes (6) des Industrieofens (1) ver­ wendet und mit einem Brenner (11) beheizt wird, wobei das Strahlrohr (7) mit seinem Flanschteil (23) mit einem Flansch (8) verschraubt ist, der an einer in einer ent­ sprechenden Ofenwand (3) vorgesehenen, von dem Strahlrohr (7) durchgriffenen Öffnung (5) angeordnet ist.