MASCHLER, Frank (Ellernbruch 68, Duisburg, 47279, DE)
WENDT, Peter (Ernst-Barlag-Str. 12, Essen, 45276, DE)
VELTEN, Georg (Godertwende 9, Essen, 45327, DE)
BURYAN, Michal (Baueracker 22, Herne, 44627, DE)
MASCHLER, Frank (Ellernbruch 68, Duisburg, 47279, DE)
WENDT, Peter (Ernst-Barlag-Str. 12, Essen, 45276, DE)
VELTEN, Georg (Godertwende 9, Essen, 45327, DE)
| Patentansprüche 1. Verfahren zum Wärmebehandeln von Blechen, Bändern oder Drähten, in einer Charge in Form von mindestens einem Coil in mindestens einem Ofenraum unter Schutzgas, wobei eine erste Charge (3) in einem ersten Ofenraum (1a) während mindestens einer Heizphase aufgeheizt und während mindestens einer Abkühlphase abgekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abkühlphase der erste Charge (3) in dem ersten Ofenraum (1a) eine zweite Charge (4) in einem zweiten Ofenraum (2a) in mindestens einer Heizphase aufgeheizt wird, dass aus dem ersten und dem zweiten Ofenraum (1a, 2a) je ein Schutzgasstrom abgeführt, einem Schutzgas-Wärmetauscher (14) zugeführt und in einem Kreislauf dem jeweiligen Ofenraum (1a, 2a) wieder zugeführt wird und dass die Schutzgasströme aus dem ersten und dem zweiten Ofenraum in dem Wärmetauscher (14) Wärmeenergie austauschen, um die erste Charge (3) abzukühlen und die zweite Charge (4) mittels der Abwärme der ersten Charge (3) aufzuheizen. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich an die Abkühlphase der ersten Charge (3) im ersten Ofenraum (1a) eine zweite Abkühlphase anschließt, während der der erste Ofenraum (1a) mittels mindestens einer Kühleinrichtung (10) gekühlt und der zweiten Ofenraum (2a) mittels einer Beheizungseinrichtung beheizt werden. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (10) als Schnellkühler ausgebildet ist, dass aus dem ersten Ofenraum (1a) ein Schutzgasstrom abgeführt, in der Kühleinrichtung (10) mittels eines Wärmeträgerfluids gekühlt und in einem Kreislauf dem ersten Ofenraum (1a) wieder zugeführt wird. 4. Anlage zum Wärmebehandeln von Blechen, Bändern oder Drähten, in einer Charge in Form von mindestens einem Coil in einem Ofenraum unter Schutzgas, wobei die Anlage mindestens einen beheizbaren Ofenraum (1a) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen ersten und einen zweiten Ofenraum (1a, 2a) aufweist, dass an jeden Ofenraum (1a, 2a) eine Schutzgasleitung (7) eingangs- und ausgangsseitig derart angeschlossen ist, dass ein Schutzgasstrom abgeführt, einem Schutzgas-Wärmetauscher (14) zugeführt und im Kreislauf in den jeweiligen Ofenraum (1a, 2a) zurück geführt werden kann, dass die Schutzgasströme aus dem ersten und dem zweiten Ofenraum (1 a, 2a) in dem Schutzgas-Wärmetauscher (14) Wärmeenergie austauschen, um die erste Charge (3) abzukühlen und die zweite Charge (4) mittels der Abwärme der ersten Charge (3) aufzuheizen. 5. Anlage nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Ofenraum (1a, 2a) in benachbarten Haubenofen ausgebildet sind, wobei jeder Haubenofen einen Glühsockel (1 , 2) mit einer Schutzhaube aufweist, welche auf dem ersten Glühsockel (1) den ersten Ofenraum (1a) für die erste Charge (3) und auf einem zweiten Glühsockel (2) einen zweiten Ofenraum (2a) für eine zweiten Charge (4) bildet. 6. Anlage nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzgasleitung (7) eingangsseitig und ausgangsseitig mit ersten Absperreinrichtungen (8) versehen ist und einen Ventilator (9) aufweist. 7. Anlage nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, das die Schutzgasleitung (7) zu einem Schnellkühler (10) für das Schutzgas führt und dass von der Schutzgasleitung (7) im Strömungsweg vor dem Schnellkühler (10) eine Bypassleitung (11) abgeht und im Strömungsweg vor dem Ventilators (11) in der Schutzgasleitung (7) endet, dass in die Bypassleitung (11) der Schutzgas-Wärmetauscher (14) eingebunden ist und dass der Schutzgasstrom mittels einer zweiten Absperreinrichtung (12) in der Schutzgasleitung (7) und/oder der Bypassleitung (11) wahlweise über den Schnellkühler (10) oder den Schutzgas-Wärmetauscher (14) geführt werden kann. |
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anlage zum Wärmebehandeln von Blechen, Bändern oder Drähten, in einer Charge in Form von mindestens einem Coil in mindestens einem Ofenraum unter Schutzgas, wobei eine erste Charge in einem ersten Ofenraum während mindestens einer Heizphase aufgeheizt und während mindestens einer Abkühlphase abgekühlt wird.
Viele Wärmebehandlungsprozesse in Industrieöfen erfolgen in einer Schutzgasatmosphäre bzw. unter Schutzgas, welches entsprechend den jeweiligen Anforderungen aus einem oder mehreren unterschiedlichen Gasen bestehen kann. Das Schutzgas kann beispielsweise neutrales Inertgas wie Stickstoff und/oder ein reduzierendes Gas wie Wasserstoff oder ein kohlenstoffhaltiges Gas oder eine Mischung von Gasen sein.
Ein wichtiges Wärmebehandlungsverfahren ist das Glühen zum Rekristallisieren von kaltgewalztem Blech, insbesondere Fein- und Feinstblech in Form von Coils unter Schutzgas in Haubenglühanlagen.
Ein Haubenofen weist in der Regel einen Glühsockel auf, der mit einer Schutzhaube einen Ofenraum bildet. Je nach Anforderung werden während der Wärmebehandlung über die Schutzhaube eine Heizhaube oder eine Kühlhaube gesetzt.
Eine Haubenglühanlage besteht normalerweise aus mehreren Glühsockeln. Die zu glühende Charge wird auf den Glühsockel platziert und mit der Schutzhaube gasdicht verschlossen. Die Heizhaube oder die Kühlhaube umgibt die Schutzhaube konzentrisch unter Bildung eines Zwischenraums. Die Kühlhaube weist in der Regel eine Luftkühlung auf, wobei in dem Zwischenraum eine Kühlluft-Strömung erzeugt wird. Die Heizhaube kann eine elektrische Beheizung oder mindestens einen brennstoffbetriebenen Brenner aufweisen. Der Glühprozess erfolgt unter Schutzgas in Form von Wasserstoff.
Der Glühprozess bzw. ein Glühzyklus beim Rekristallisierungsglühen ist in mindestens zwei Phasen geteilt und zwar in mindestens eine Heizphase und eine Kühlphase. In der Heizphase befindet sich eine Heizhaube auf dem Glühsockel über der Schutzhaube und erwärmt die Charge bzw. das Glühgut auf die entsprechende Glühtemperatur. Nach Beendigung der Heizphase wird die Heizhaube gezogen und eine Kühlhaube auf den Glühsockel aufgesetzt. Die Luftkühlung der Kühlhaube bewirkt zunächst eine langsame Abkühlung der Charge bzw. des Glühgutes (Langsamkühlungs-Phase). Diese Phase kann mehrere Stunden, beispielsweise 4 bis 6 Stunden, dauern. Nach einer vorgegebenen Pro- zesszeit kann in einer zweiten Abkühlphase (Schnellkühlphase) eine Schnellkühleinrichtung mit einem externen Schnellkühler in Form beispielsweise eines Wasser- Wärmetauschers zugeschaltet werden. Anstelle von Wasser kann auch Thermoöl oder ein anderes geeignetes Wärmeträgerfluid verwendet werden.
Aus der Praxis bekannte Schnellkühleinrichtungen weisen eine Schutzgasleitung mit einem Ventilator, einem Wasser-Wärmetauscher und die üblichen zugehörigen Regel- und Messorgane auf. Die Schutzgasleitung ist eingangsseitig und ausgangsseitig an den Glühsockel bzw. den Ofenraum angeschlossen.
Der Ventilator fördert die heiße Schutzgasatmosphäre, z. B. Wasserstoff, aus dem Ofenraum heraus durch den wassergekühlten Wärmetauscher, wo die Prozesswärme bzw. die Abwärme der Charge mittels Kühlwasser abgeführt wird. Die kalte Schutzgasatmosphäre wird im geschlossenen Kreislauf zurück in den Ofenraum geleitet, wo die Schutzgasatmosphäre mit Hilfe einer sockelinternen Gasumwälzungs- einrichtung um die Charge gewälzt wird und die Chargenwärme zur Abkühlung der Charge abführt.
Die Charge wird während der Schnellkühlphase mit Hilfe des Schnellkühlers rasch abgekühlt. Die Schnellkühlphase dauert so lange an, bis eine gewünschte Endtempe- ratur der Charge erreicht wird. Danach wird diese Kühlphase beendet, die Kühlhaube gezogen und die Charge abgepackt. Der Glühsockel ist für die nächste Glühung einer neuen Charge bereit.
Die der Charge zu entziehende Wärmeenergie wird bisher ungenutzt an die Umge- bung abgegeben.
Die Aufgabe der Erfindung besteht demgemäß darin, diese Mängel zu beheben und den Energieverbrauch des Verfahrens und der Anlage zur Wärmebehandlung zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Das Verfahren nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass während der Abkühlphase der erste Charge in dem ersten Ofenraum eine zweite Charge in einem zweiten Ofenraum in mindestens einer Heizphase aufgeheizt wird, dass aus dem ersten und dem zweiten Ofenraum je ein Schutzgasstrom abgeführt, einem Schutzgas-Wärmetauscher zugeführt und in einem Kreislauf dem jeweiligen Ofenraum wieder zugeführt wird und dass die Schutzgasströme aus dem ersten und dem zweiten Ofenraum in dem Wärmetauscher Wärmeenergie austauschen, um die erste Charge abzukühlen und die zweite Charge mittels der Abwärme der ersten Charge aufzuheizen.
Zu Beginn der Abkühlphase der ersten Charge wird die Heizphase der zweiten Charge eingeleitet. Dadurch besteht die Möglichkeit, die Abwärme der ersten Charge bei deren Abkühlung für die Aufheizung der zweiten Charge in dem zweiten Ofenraum zu nutzen.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Abwärme der ersten Chargen, die während der ersten Kühlphase anfällt, für die Vorwärmung der zweiten Charge ge- nutzt werden kann. Damit kann insbesondere der spezifischen Energieverbrauch und der CO ∑ -Ausstoß für das Rekristallisationsglühen von Feinblechen deutlich reduziert werden.
Mit dem Verfahren nach der Erfindung können beachtliche Energieeinsparungen er- zielt werden, weil die externe Kühleinrichtung des ersten Ofenraums während der Kühlphase, die relativ lange dauert, nicht in Betrieb genommen wird. Außerdem muss der zweite Ofenraums während der Phase des Wärmeaustausches der Schutzgasströme nicht mittels einer externen Beheizungseinrichtung beheizt werden.
Es wäre denkbar, die beiden Ofenräume mittels der Schutzgasleitung direkt zu verbinden, um die Abwärme der ersten Charge für die direkte Erwärmung der zweiten Charge zu nutzen. Die direkte Kopplung beider Ofenräume mit direktem Austausch von Schutzgasatmosphäre hätte jedoch folgende Nachteile:
Während des Ladens und Entladens eines der beiden Glühsockel müssen die Absperrorgane in der Schutzrechtsleitung gegenüber der Außenluft-Atmosphäre zuverlässig abdichten. Um beim Einsatz von Wasserstoff als Schutzgas eine sichere Lösung zu erreichen, ist ein hoher technischer Aufwand zu betreiben.
Beim Austausch der Wärmeenergie gibt die erste Charge zu Beginn der Kühlung Wärme an die benachbarte zweite Charge ab, die sich am Beginn der Aufheizung befindet. Zu Beginn der Kühlung ist die Schutzgasatmosphäre sehr sauber, zu Beginn der Aufheizung ist die Atmosphäre im Allgemeinen stark mit Emulsionsdämpfen belastet. Bei der direkten Kopplung würde das Schutzgas um die heiße Charge ver- schmutzt, was in der Regel nicht akzeptabel ist. Diese Nachteile werden aufgrund - A -
des indirekten Wärmeaustausches mit einer Trennung der beiden Schutzgasströme vermieden. Es werden keine aufwändigen dichtschließenden Absperrorgane benötigt und es tritt keine Verschmutzung der Charge ein.
Der Schutzgasstrom aus dem ersten und dem zweiten Ofenraum wird im Gegenstrom durch den Schutzgas-Wärmetauscher geführt. Dadurch wird ein hoher Wirkungsgrad beim Austausch der Wärmeenergie gewährleistet.
Nach einer vorteilhaften Weiterbildung schließt sich an die Abkühlphase der ersten Charge im ersten Ofenraum eine zweite Abkühlphase an, während der der erste Ofenraum mittels mindestens einer Kühleinrichtung gekühlt und der zweiten Ofenraum mittels einer Beheizungseinrichtung beheizt werden.
Vorzugsweise ist die Kühleinrichtung als Schnellkühler ausgebildet. Aus dem ersten Ofenraum wird ein Schutzgasstrom abgeführt, in der Kühleinrichtung in Form eines Schnellkühlers mittels eines Wärmeträgerfluids gekühlt und in einem Kreislauf dem ersten Ofenraum wieder zugeführt.
Die Erfindung beinhaltet ferner eine Anlage zum Wärmebehandeln von Blechen, Bändern oder Drähten, in einer Charge in Form von mindestens einem Coil in einem Ofenraum unter Schutzgas, wobei die Anlage mindestens einen beheizbaren Ofenraum aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Anlage einen ersten und einen zweiten Ofenraum aufweist, dass an jeden Ofenraum eine Schutzgasleitung eingangs- und ausgangsseitig derart angeschlossen ist, dass ein Schutzgasstrom ab- geführt, einem Schutzgas-Wärmetauscher zugeführt und im Kreislauf in den jeweiligen Ofenraum zurück geführt werden kann, dass die Schutzgasströme aus dem ersten und dem zweiten Ofenraum in dem Schutzgas-Wärmetauscher Wärmeenergie austauschen, um die erste Charge abzukühlen und die zweite Charge mittels der Abwärme der ersten Charge aufzuheizen.
Vorzugsweise sind der erste und der zweite Ofenraum in benachbarten Haubenofen ausgebildet, wobei jeder Haubenofen einen Glühsockel mit einer Schutzhaube aufweist, welche auf dem ersten Glühsockel den ersten Ofenraum für die erste Charge und auf einem zweiten Glühsockel einen zweiten Ofenraum für eine zweiten Charge bildet.
Nach einer wesentlichen Weiterbildung ist die Schutzgasleitung eingangsseitig und ausgangsseitig mit ersten Absperreinrichtungen versehen und weist einen Ventilator auf. Die Absperreinrichtungen sind vorzugsweise als motorisch angetriebene Klappen ausgebildet. Die Schutzgasleitung wird durch den Glühsockel geführt. Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anlage sieht vor, dass die Schutzgasleitung zu einem Schnellkühler für das Schutzgas führt und dass von der Schutzgasleitung im Strömungsweg vor dem Schnellkühler eine Bypassleitung ab- geht und im Strömungsweg vor dem Ventilators in der Schutzgasleitung endet, dass in die Bypassleitung der Schutzgas-Wärmetauscher eingebunden ist und dass jeweils der Schutzgasstrom mittels einer zweiten Absperreinrichtung in der Schutzgasleitung und/oder der Zweigleitung wahlweise über den Schnellkühler oder den Schutzgas-Wärmetauscher geführt werden kann. Vorhandene Schnellkühleinrichtun- gen können auf einfache Weise nachträglich mit einem Schutzgas-Wärmetauscher nachgerüstet werden.
Vorhandene Schnellkühleinheiten benachbarte Glühsockel sind über den Wärmetauscher derart verschaltet, dass ein Wärmeaustausch vom Glühsockel mit der wärme- ren Charge auf den Sockel mit der kälteren Charge erfolgt, indem mittels der Ventilatoren eine indirekte Wärmeübertragung zwischen den Schutzgaskreisläufen erfolgt.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels im Zusammenhang mit der Zeichnung erläutert.
Die Zeichnung zeigt in
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anlage.
Fig. 2 eine schematische Darstellung der Führung der Schutzgasströme bzw. der Strömungsführung in einer erfindungsgemäßen Anlage;
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Variante der Schutzgasströmungsfüh- rung in einer erfindungsgemäßen Anlage.
In den Fig. 1 bis 3 ist schematisch eine Haubenofenanlage zum Glühen zwecks Rekristallisieren von Feinblech dargestellt. Als Schutzgas wird Wasserstoff verwendet. Teilweise werden für Bauteile mit gleicher Funktion dieselben Bezugszeichen verwendet.
In Fig. 1 ist ein erster Glühsockel 1 und ein zweiter Glühsockel 2 zum Rekristallsie- rungsglühen von einer ersten Charge 3 und einer zweiten Charge 4 von Stahlband dargestellt. Auf jedem Glühsockel 1 , 2 steht eine nicht dargestellte Schutzhaube und bildet einen ersten Glühraum 1a für die Charge 3 und einen zweiten Glühraum 2a für die Charge 4.
Eine nicht dargestellte Heizhaube kann auf jeden Glühsockel über die Schutzhaube gestellt werden. Die Heizhaube, die beispielsweise mehrere Gasbrenner aufweist, dient dazu in der Heizphase die Charge bzw. das Glühgut auf die entsprechende Glühtemperatur zu erwärmen.
Jeder Glühsockel weist eine Schnellkühleinrichtung 5 bzw. 6 auf. Jede Schnellkühleinrichtungen 5, 6 weist eine Schutzgasleitung 7, einen Ventilator 9 und einen Schnellkühler 10 in Form eines Wasser-Wärmeaustauscher auf, der jeweils mittels der Schutzgasleitung 7 eingangsseitig und ausgangsseitig an den Glühsockel 1 bzw. 2 angeschlossen ist.
Mittels ersten Absperreinrichtung 8 in Form von Absperrklappen, die als motorisch angetriebene Klappen ausgebildet sich, die eingangsseitig und ausgangsseitig in der Schutzgasleitung 7 vorgesehen sind, kann der jeweilige Schutzgasstrom abgesperrt werden.
Von der Schutzgasleitung 7 geht im Strömungsweg vor dem Schnellkühler 10 eine Bypassleitung 11 ab, in welcher sich eine zweite Absperreinrichtung 12 befindet. Die Absperreinrichtung 12, in Form einer Klappe, muss keine besonderen Anforderungen an die Dichtigkeit erfüllen.
Die Bypassleitung mündet in der Schutzgasleitung 7 im Strömungsweg des Schutz- gases vor dem Ventilator 9 und hinter einer dritten Absperreinrichtung 13.
Die Schnellkühleinrichtungen 5 und 6 der benachbarten Glühsockel 1 , 2 werden mitteis einem Schutzgas-Wärmeaustauschers 14 und entsprechenden Bypassleitungen 11 miteinander gekoppelt.
In den Bypassleitung 11 ist ein Schutzgas-Wärmaustauscher 14 eingebunden. Das Schutzgas aus dem Ofenraum mit der zu kühlenden Charge 3 wird in einen Schutzgas-Wärmeaustauscher 14 zum indirekten Vorwärmen des Schutzgases aus dem Ofenraum 2a mit der zu erwärmende Charge 4 auf dem zweiten Glühsockel 2 gelei- tet. Das heiße Schutzgas aus dem ersten Ofenraum 1a mit der ersten Charge 3 auf dem ersten Glühsockel 1 gibt Wärmeenergie an das Schutzgas aus dem zweiten Ofenraum 2a des zweiten Glühsockels 2 ab.
Jeder Glühsockel 1 , 2 weist einen eigenen Schutzgaskreislauf auf, wobei die Schutz- gaskreisläufe beider Glühsockel 1 , 2 getrennt bleiben. Das Wärmebehandlungsverfahren läuft wie folgt ab: Während des Endes der Heizphase und Beginn der Kühlphase am ersten Glühsockel 1 , wird der zweite Glühsockel 2 mit der Charge 4 beladen. Nach dem Chargieren wird die Schutzhaube ge- setzt, entsprechende Dichtigkeitsprüfungen durchgeführt und der Glühprozess gestartet. Bei der zeitlichen Planung der zu glühenden Chargen wird vorgeschrieben oder gesteuert, dass die vorzuwärmende Charge 4 rechtzeitig neben einem Glühsockel mit abzukühlender Charge 3 gesetzt wird.
Nun wird die Kühlphase am ersten Glühsockel 1 begonnen, indem die Ventilatoren 9 beider Schnellkühleinrichtungen 5, 6 anlaufen. Die Führung der Schutzgasströme ist Fig. 2 zu entnehmen. Nach dem Ventilatoranlauf werden die zweiten Absperreinrichtungen 12 in der Bypassleitung 11 geöffnet und der heiße Wasserstoff aus dem ersten Ofenraum 1a im Wärmetauscher 14 in Wärmetausch mit dem Schutzgasstrom mit dem Ofenraum 2a gebracht. Nach dem Erreichen der gewünschten Chargenvor- wärmtemperatur im Ofenraum 2a des zweiten Glühsockels 2 werden die beide zweiten Absperreinrichtungen 12 in der Bypassleitung 11 und die ersten Absperreinrichtungen 8 in der Rohrleitung 7 am zweiten Glühsockel 2 geschlossen.
An die Abkühlphase der ersten Charge 3 im ersten Ofenraum 1 a schließt sich eine zweite Abkühlphase an, während der der erste Ofenraum 1a mittels einer nicht dargestellten Kühleinrichtung in Form einer Kühlhaube gekühlt wird, während die zweite Charge 4 im zweiten Ofenraum 2a mittels einer nicht dargestellten Beheizungseinrichtung beheizt wird.
In Fig. 3. ist dargestellt, dass in der zweiten Abkühlphase zusätzlich der Schutzgasstrom aus dem ersten Ofenraum 1a in der Schnellkühleinrichtung 5 im geschlossenen Kreislauf mittels des Ventilators 9 über einen Schnellkühler 10 gefördert wird, bis die Endtemperatur der erste Charge 3 erreicht wird. Die Absperreinrichtungen 8 in der Rohrleitung 7 am zweiten Glühsockel 2 werden geschlossen. Am zweiten Glühsockel 2 läuft dann der Glühprozess mit Heizen mit einer nicht dargestellten Heizhaube ab.
Im Rahmen der Erfindung sind ohne weiteres Abwandlungen möglich. So können die Absperreinrichtungen 8, 12, 13 auf andere Weise ausgeführt und/oder auf andere geeignete Weise in der Schutzgasleitung 7 und/oder der Bypassleitung 11 angeordnet werden, um die Schutzgasströme abzusperren und/oder über den Schnellkühler 10 oder den Schutzgas-Wärmetauscher 14 zu führen.