DE3131200A1

DE3131200A1 - Metallheizofen

Info

Publication number: DE3131200A1
Application number: DE19813131200
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yokohama Kanagawa Hasegawa; Susumu Suginami Izumi; Naoki Himeji Otsuki; Osamu Mitaka Takeuchi
Original assignee: IHI Corp; Nippon Steel Corp
Current assignee: IHI Corp; Nippon Steel Corp
Priority date: 1980-08-06
Filing date: 1981-08-06
Publication date: 1982-03-11
Also published as: FR2488277B1; US4388068A; FR2488277A1; JPS595646B2; DE3131200C2; JPS5732321A; GB2081433B; GB2081433A

Description

Metallheizofen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Metallheizofen. Derartige Metallheizöfen sind stromaufwärts eines Warinwälzwerkes installiert, wo sie Halbfabrikate w»z.B. Walzplatten, Knüppel oder Walzblöcke auf geeignete Walztemperaturen aufheizen.

Bei bekannten Metallheizöfen werden Brennstoffe direkt in Brennern in dem Ofen verbrannt, so daß die Halbprodukte auf ihre geeigneten Walztemperaturen aufgeheizt werden, und zwar im wesentlichen durch Energien, die von strahlenden Rosten, Gasen und Ofenwänden abgestrahlt werden.

Bei einem derartigen Heizofen wird die Mischung aus Brennstoffgasen und Verbrennungsluft aus den Brennern, in einem Ofenraum verbrannt. Folglich war es bei einem jüngst errichteten Heizofen, der eine beträehöAch© Größe hatte (beispielsweise 10 bis 15 m Breite und JO bis 50 m Länge), äußerst schwierig gleichförmige Temperaturverteilungen in dem Ofen zu erhalten, insbesondere wegen der nachfolgend beschriebenen Gründe s

(1) Im Falle eines seitlich befeuerten Ofens, bei dem die Brenner durch die Seitenwände des Ofens ragen, muß die Flammei«- temperaturverteilung beispielsweise über eine Länge von 6 m von jeder Seitenwand her gleichförmig ¹SeIn₉ wenn der Ofen 12 m breit ist«, Bei dem bekannten direkt befeuerten Heisofen haben de Seitenbrenner eine kurze Länge und sind an den Seitenwänden offen₀ Selbst wenn die ferbrennungsmischung gezwungen, wird, durch die Brenner mit hohen Energien oder Drücken ausgegeben zu werden, so können sich die Flammen im Ergebnis lediglich über 3 bis längstens 4 m ausbreiten Folglich sind die Tem-

peraturen am Mittelteil des Ofens beträchtlich, niedriger, als die in der Nähe· der Seitenwände. Folglich erreicht die Temperaturdiffereiiz 100° C oder mehr. '

(2) Die von direkt befeuerten Brennern ausgegebenen Brennstoffe und Verbrennungsluft werden gemischt, gezündet und in dem freien Saum des Ofens verbrannt, so daß die' Mischungsbedingungen sich in Abhängigkeit von der gewünschten Verbrennungskapazität oder den Verbrennungsanforderungen in einem großen Bereich ändern. Hieraus resultiert 'eine große Temperaturdifferenz der Flammen selbst.

(3) Zusätzlich wird die Flammenlänge" umso kürzer und die Energie mit der die Luft/Brennstoff-Misehung über Düsen ausgegeben wird, umso geringer, je kleiner die Verbrennungskapazität ist. Folglich werden die Flammen gekrümmt und "taumeln". Dies bedeutet, daß die Flammen durch die Fluß- und Strömungskräfte der Gase in dem Ofen verteilt v/erden, so daß die Flammenfron-, ten den Mittelteil des Ofens nicht erreichen können. Folglich tritt eine große Temperaturdifferenz in dem Ofen auf·

(4-) Bei einem kürzlich konstruierten Heizofen mit beträchtlicher Größe nuß ein Schwing- bzw..Hubbalken oder ein Stößer eingebaut werden. In diesem Falle müssen viele wassergekühlte ,Strukturen in dem unteren Teil des Ofens installiert werden, um die aufzuheizenden Zwischenprodukte abzustützen und ebenso die Hübbalken selbst. Folglich ist die Anordnung von Brennern strukturell begrenzt. Zusätzlich fluktuieren die Flammen und ändern ihre Länge, so daß die Temperaturdifferenz in dem Ofen vergrößert wird. "" ". >

(5) Es wurde ein sogenanntes Axial-Brenner-System entwickelt und vorgeführt, bei dem direkt befeuerte Brenner in Längs-

richtung oder axial des Ofens angeordnet waren, so daß die oben beschriebenen Probleme gelöst wurden* In diesem Falle können jedoch die Brenner zur Vermeidung einer wechselseitigen Beeinflussung bzw., Störung mit den wassergekühlten Stützstrukturen in unteren Teil des Ofens nicht so angeordnet werden, daß sie eine optimale Bedingung bzw» optimale Umgebung für das Aufheizen der Halbfabrikate erreichen* Zusätzlich ist die Anzahl der Brenner begrenzt, so daß die Leistung jedes einzelnen Brenners vergrößert v/erden muß» Folglich tritt eine Temperaturdifferenz in Breitenrichtung in dem Heizofen auf und ist besonders stark ausgeprägt zwischen den Teilen, an denen die Brenner installiert sind und den Teilen an denen k,ein Brenner vorhanden ist_o Eine derartige Temperaturdifferenz kann nicht vernachlässigt werden, insbesondere im Falle eines Heiz= ofens, der Halbprodukte auf relativ niedrige Temperaturen aufheizen soll, welche mit relativ niedrigen Temperaturen gewalzt werden sollen_o

(6) Wenn ein axiales Brenner-System angewandt wird und sofern der Brennstoffverbrauch im Vergleich zu dessen voller Leistung reduziert ist, so v/erden die Flammen in Längsrichtung oder axialer Richtung des Ofens kurzer, ebenso wie bei einem seitlich befeuerten 0fen_o Im Ergebnis tritt eine große Temperaturdifferenz auf; dies bedeutet, daß keine gleichförmige Tempera= turverteilung erreicht werden kannο

(7) Im Falle eines axialen Brenner-Systems müssen zur In= stallation der Brenner Vertiefungen und Erhebungen in den Ofenwänden ausgebildet sein_o Eine derartige Anordnung verursacht jedoch unvermeidbare Störungen mit einem Hubbalken= system, das in dem unteren Teil des Ofens angeordnet isto Folglich werden die gesamte Konstruktion und der Aufbau des

Heizofens sehr komplex. Zusätzlich ist der Saum für andere Einrichtungen und Ausrüstungen in der Nähe des Ofenganges begrenzt. Darüber hinaus werden Faktoren der Handhabbarkeit und der Sicherheit negativ beeinflußt.

(8) Die oben beschriebenen Phänomene treten bei einem Heizofen zum Aufheizen von Halbprodukten auf relativ niedrige Durchwarmungstemperaturen zwischen 900 und 1050° C deutlicher zum Vorschein, im Vergleich mit den bekannten öfen zum Aufheizen der Halbfabrikate auf relativ hohe Temperaturen zwischen 1200 und 1300° C, so daß lokalisierte überhitzte Stellen oder lokalisierte Hitzekonzentrationen sehr oft auftreten. Diese Tendenz kann leicht aus der Tatsache verifiziert werden, daß, wie in der folgenden Formel gezeigt, der Strahlungswärmeübergang proportional der Differenz zwischen der vierten Potenz der absoluten Temperatur der Oberfläche der Wärmequelle und der vierten Pot enz der absoluten Temperatur der Halbfabrikatoberfläche ist:

Q = K- 3? C(ToO") - <T5ö ) J

wobei Q die Wärmeübertragungsrate (kcal/m h), K* 3? eine konstante,

Tr die absolute Temperatur der Oberfläche der Wärmequelle, und Ts die absolute Temperatur der Oberfläche des Halbfabrikates

Gemäß obigen Ausführungen ist es wesentliches Ziel der vorliegenden Erfindung die oben geschilderten und weiteren Probleme, die bei dem bekannten Ketallheizofen auftreten, zu überwinden. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Metallheizofen zu schaffen, bei dem gleichförmige Temperaturverteilungen in dem Ofen auftreten, bei dem Energie gespart wird, die Betriebskosten verringert werden und die Qualität der StahlVorräte verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen»

Im folgenden wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit d^en Figuren ausführlicher erläuterte Es zeigt;

Figo 1 eine Draufsicht auf ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei dem eine obere Wand teilweise abgeschnitten ist;
Figo 2 eine Seitenansicht der Figo 15

Fig_e 3 eine Schnittansicht längs der Linie III-III der Fig. 2; Figo 4- eine Ansicht eines bei der vorliegenden Erfindung verwendeten Strahlungsrohres in vergrößertem Maßstab 5 Fig* 5 ein Beispiel der Temperaturverteilung längs des Strahlungsrohres; und

Fig. 6 eine Schnittansicht eines weiteren Strahlungsrohres, das bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird_e

Die'Figa 1 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung«. Bei einem Heizofen 1 mit einer Breite von beispielsweise 12 m ist eine Vielzahl von Seitenbrennern vorgesehen,, die sich in Richtung der Breite von jeder der Qfenseitenwände erstrecken und in Längsrichtung des Of<sns in geeignetem Abstand zueinander entfernt angeordnet sind« Mit jedem Seitenbrenner 2 ist jeweils ein Strahluagsrohr 5 verbunden2 das eine solche Länge hat₉ da£ seine Spitze oder sein inneres Ende 4· die Längsmittellinie des Ofens 1 erreicht. Die Strahlungsrohre 3? die in Richtung der Breite aus @iner Ofenseitenwand herausragen sind gegenüber d©nen₉ die aus der

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anderen Ofenseitenwand herausragen versetzt, so daß wechselseitige Beeinflussungen oder Störungen zwischen ihnen vermieden werden können, wie am besten aus Fig. i zu erkennen.

Die Strahlungsrohre 3 werden durch Strahlungsrohrstutzteile 5 gehalten. Brennstoff und Verbrennungsluft, die von der Seite der Brenner 2 ausgegeben werden, werden in den Strahlungs-· rohren 3 gemischt und verbrannt, wobei die Verbrennungsprodulcte durch die Spitzen 4- zum longitudinal en Hittelteil in den Ofen entladen werden. Das Bezugszeichen 6 bezeichnet Hubbalken, das Bezugszeichen 7 Halbfabrikate, die erwärmt werden sollen, und das Bezugszeichen δ obere Brenner bzw. Deckenbrenner.

Während des Betriebes werden die Halbfabrikate 7 auf dem Hubbalken 6 angeordnet, der durch eine (nicht dargestellte) Antriebseinrichtung angetrieben wird, die auf dem Boden des Ofens 1 angeordnet ist, so daß die Halbfabrikate 7 durch den Ofen 1 hindurch in der durch den Pfeil a in Fig. 2 bezeichneten Richtung transportiert werden. Die oberen Flächen der Halbfabrikate 7 werden durch die oberen Brenner 8 gleichförmig aufgeheizt, während ihre unteren Flächen durch die Sei-tenbrenner 2 geheizt werden. ·

Wie am besten aus Fig. 4- zu erkennen, erstrecken sich die Strahlungsrohre 3 so in Richtung der Breite (des Ofens), daß ihr offenes inneres Ende 4 am longitudinalen Mittelteil des Ofens angeordnet werden kann. Brennstoff und Verbrennungsluft, die von dem Seitenbrenner 2 ausgegeben werden, werden in dem Strahlungsrohr 3 gemischt und verbrannt, wobei die Veöareamungsprodukte in Richtung der Breite (des Ofens) durch das innere Ende £ hindurch zu dem Mittelteil des Ofens entladen werden.

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Da die Verbrennung innerhalb des Strahlungsrohres 3 stattfindet, wird die Flammenausbreitung durch Turbulenzen der Gase in dem Ofen nicht gestört, so daß unabhängig vom Brennstoffverbrauch eine relativ zufriedenstellende Temperaturverteilung über die Länge des Strahlungsrohres 3 erreicht werden kann.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Heizbetrieb umgeschaltet werden, so daß Halbprodukte 7 auf 125O⁰C oder auf Temperaturen zwischen 900 und 100O⁰C aufgeheizt werden können,,

Figo 5 zeigt die T-emperaturverteilungen, die erreicht werden, wenn Strahlungsrohre 3 mit 300 mm Außendurchmesser und 6 m Länge in einem Abstand von ca«, 1,5 m angeordnet werden» Die vollständig ausgezogene Linie A zeigt die Temperaturver~ teilung bei einem Brennstoffverbrauch von 100 ^, während die gestrichelte Linie B die Temperaturverteilung bei einem Brennstoffverbrauch von 30 % zeigt« Diese Temperaturverteilungen sind sehr zufriedenstellende Bei d@m bekannten Heizofen ist die Temperaturdifferens größer als 100 ^₉ während sie bei der vorliegenden Erfindung in dem Ofen innerhalb von 50⁰C liegt, so daß die Temperaturdifferenz in dem Halbprodukt 7 auf weniger als 30⁰C reduziert werden kann«

Die Strahlungsrohre 3 können durch Stützteile 5' festgelagert werden j so daß keine externen Kräfte auf sie^! ausgeübt werden«. Im Ergebnis muß bei der Konstruktion uad der Herstellung der Strahlungsrohre lediglich ihr Wärmewiderstand berücksichtigt werden. Damit die Strahlungsrohre 3 kontinuierlich verwendet werden können^ selbst wenn sich in ihnen Risse ausbreiten«, oder wenn sie verbogen sind₉ sind sie vorzugsweise aus wärme= widerstandfähigem Stahl oder aus Keramik,,

Pig. 6 zeigt ein weiteres Ausführunjjsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dies besteht darin, laß ein Strahlungsrohr J aus einem ersten Abschnitt 5a mit einem muffenrohrartigen oder leonisch zulaufenden Ende und einem zweiten Abschnitt 3b mit gleichförmigen Durchmesser in Längsrichtung besteht. Die ersten und zweiten Strahlungsrohr ab .schnitte 5a und 5b sind so verbunden, daß zwischen ihnen eine ringförmige Gas-Ansaugüffnung gebildet werden kann. Folglich können die Gase, d.h. die Verbrennungsprodukte durch den zweiten Strahlungsrohrabschnitt 5h hindurch rezirkulieren, so daß die Temperaturverteilung über die Länge des Strahlun^srohres J weiter verbessert werden kann, wie durch die strichpunktierte Linie C in j?ig. 5 angedeutet.

Obwohl eine Kombination von Decken- und Seitenbrennern 8 und 2 beschrieben wurde, sei darauf hingewiesen, daß eine Kombination von Axial-Breimern zum Heizen der oberen Flächen der Halbprodukte mit Axial-Brennern mit Strahlungsrohren zum .' Heizen der unteren Flache der Halbprodukte verwendet werden können. Zusätzlich können jegliche weiteren geeigneten Kombinationen von Brennern verwendet v/erden. Obwohl oben erwähnt wurde, daß die inneren offenen Enden 4- der Strahlungsrohre 3 am longitudinalen Mittellinienteil des Ofens enden, sei darauf hingewiesen, daß sie auch an jeglichen sonstigen geeigneten Positionen angeordnet sein können.

Zusammenfassend kann die vorliegende Erfindung im wesentlichen, das Problem lokalisierter überhitzter Stellen oder Hitzekonzentrationen lösen, die bei dem Metallheizofen des Standes der Technik inhärent waren. Zusätzlich sind zur Erreichung eines Ofenbettes mit einem höheren Wirkungsgrad eine Vielzahl von Strahlungsrohren mit offenen inneren Enden vorgesehen,

die sich in Richtung der Breite im unteren Teil des Ofens erstrecken, so daß die Verbrennung in einem relativ langgestreckten (begrenzten) Raum stattfindet und die Verbrennungsprodukte in den Ofen hinein durch die offenen i Enden der Strahlungsrohre entladen werden. Im Ergebnis erhält man folgende ausgezeichnete und neue Effekte sowie Vorteile:

(I) Da die Verbrennung innerhalb der Strahlungsrohre stattfindet, werden die Energien von den festen Strahlungsflächen abgestrahlt, so daß eine stabilisierte Strahlung sichergestellt ist und folglich die Temperaturdifferenz minimiert ist.

(II) Da die Verbrennung in den Strahlungsrohren stattfindet, werden die Flammen nicht durch Turbulenzen der Gase in dem Ofen gestört und können sich zu jeglichen gewünschten Punkt ausbreiten, so daß unabhängig von dem Brennstoffverbrauch eine relativ gleichförmige Temperaturverteilung erreicht und aufrechterhalten werdenkann.

(III) Aufgrund von (II) können Brenner mit kleiner Leistung in größerer Anzahl angewandt werden, ohne daß irgendwelche negativen Störeffekte auftreten, so daß die effektive■Strahlungsfläche für die Wärmeübertragungsrate vergrößert werden kann. Im Ergebnis kann die Wärmeübertragungsrate vergrößert werden und die Halbprodukte können in zufriedenstellender V/eise auf relativ niedrige Temperaturen aufgeheizt werden« Weiterhin kann aufgrund des verbesserten thermischen Wirkungsgrades ein übermäßiger Brennstoffverbrauch vermieden werden; dies bedeutet, daß eine Energieeinsparung erhalten wird.

(IV) Unabhängig von dem Brennstoffverbrauch wird bewirkt₉ daß die Flammen und die Verbrennungsprodukte durch die Strahlungs-= rohre hindurch "fließen", so daß die Temperaturdifferenz

längs des Strahlungsrohres minimiert werden kann. Dies bedeutet, daß eine gleichförmige "Temperaturverteilung aufrechterhalten werden kann. Insbesondere kann, wenn der Brennstoffverbrauch auf weniger als 1/3 (der Nennleistung) ver—

Werden ringert wird, die Möglichkeit verbessert, eine gleichförmige Temperaturverteüung zu erhalten im Vergleich zu dem. Heizofen des Standes der.Technik.

(V) Die inneren Enden der Strahlungsrohre sind geöffnet, so daß Verbrennungsprodukte zu jeglichen gewünschten Teilen des Ofens verteilt werden können; folglich kann auch ein Wärmeübergang durch Konvektion erhalten werden und folglich der thermische Wirkungsgrad weiter verbessert werden.

(VT) Die Strahlungsrohre sind wärmeleitfähig, sind keinen externen Kräften ausgesetzt und brauchen nicht vollständig gasdicht zu sein, so daß sie, selbst wenn sie eingerissen oder verbogen sind, für eine lange Betriebsdauer verwendet werden können^ dies bedeutet, daß ihre Lebensdauer vergrößert werden kann.

(VII) Mit den Seitenbrennern kann eine ausrsichend gleich- ' förmige/Temperaturverteilung erreicht und aufrechterhalten werden. Im Ergebnis kann die Konstruktion eines Heizofens und insbesondere dessen unteren Teiles vereinfacht werden, so daß die Handhabbarkeit verbessert und die Sicherheit erhöht wird. Zusätzlich kann eine Einsparung der Investitionskosten erhalten werden.

(VIII) Aufgrund der oben beschriebenen Effekte und Merkmale kann eine gleichförmige Temperaturverteilung innerhalb des Ofens sichergestellt werden, selbst wenn ein Heizofen verwendet wird, dessen Heizbetrieb zum Äufheiz.en von Halbfabri-

katen auf Temperaturen zwischen 1200 und 1JOO⁰G und Temperaturen zwischen 900 und 1OQO⁰C umgeschaltet werden kann» Dies bedeutet, daß bei einem Heizofen, dessen Heiztemperatur über einen großen Bereich verändert werden kann, ebenfalls eine gleichförmige Temperaturverteilung innerhalb des Ofens erreicht werden, kann. Im Ergebnis kann die Qualität der aufgeheizten Halbfabrikate verbessert werden.

Leerseite

Claims

TELEFON; 108151) 6548 . _ , . , . . TT · -r , „ . ^, . , ,,TELEGRAMME: BUROPATENT STARNBERG

Anm. s Ishxkawaoima Harima Jukogyo Habushiki Kaiana No. 2-1, 2-chome, Ote-machi,
Chiyoda-ku - Tokio-to, Japan
und

Nippon Steel Corporation, No. 6-3» 2-chome, Ote-machi, Chiyoda-ku Tokio-to-Japan

Antwort nach Nflrnberg erbeSea.

ch.: 2126Vba

(bei Antwort stets angeben)

,Metallheizofen

Patentansprüche

Λ) Metallheizofen gekennzeichnet durch eine Vielsah! von Strahlungsrohren (3) mit vorbestimmter Länge und offenen inneren Enden (4), wobei die Rohre sich vom Äußeren des Ofens (1) breitenmäßig in dessen Inneres erstrecken und horizontal verlaufen, und durch Verbrennungseinrichtungen (2), die an der Außenseite des Ofens (1) angebracht sind und mit ent» sprechenden Strahlungsrohren (3) in Verbindung stehen, um eine brennbare Mischung zu zwingen, durch die Strahlungsrohre (3) hindurchzufließen und dort zu verbrennen und um Verbrennungsprodukte durch die offenen inneren' Enden (4) der Strahlungsrohre (3) in den Ofen hinein zu entladen»
2) Metallheizofen nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,'daß die Strahlungsrohre (5) an einem unteren Abschnitt des Ofens (1) angeordnet sind*
3) 'Metallheizofen nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strahlungsrohr (5) in . axialer Richtung in Abschnitte aufgeteilt ist und daß benachbarte Abschnitte so miteinander verbunden sind, daß zwischen ihnen eine ringförmige OfengasSäugöffnung gebildet ist.