Die Art und Weise, wie ein Gasofen die Wärme von der Flamme auf das Werkstück überträgt, bestimmt die Produktqualität, die Energieeffizienz und den Anwendungsbereich. Die drei grundlegenden Verfahren – Direktbefeuerung, indirekte Befeuerung mit Muffelofen und Strahlungsrohrofen – haben jeweils ihre Berechtigung. Die Wahl des falschen Verfahrens kann zu Qualitätsproblemen, überhöhten Energiekosten oder beidem führen.
MONTE INTELLIGENCE liefert gasbetriebene Öfen in allen drei Bauformen. Dieser Artikel vergleicht die Ausführungen anhand der für Wärmebehandlungsprozesse relevanten Kriterien.
Direktbefeuerte Öfen verbrennen Erdgas (oder ein anderes Brenngas) direkt im Brennraum. Die Verbrennungsprodukte – Flamme und heißes Abgas – kommen direkt mit dem Werkstück in Kontakt. Die Brenner zünden in den Brennraum, die heißen Gase zirkulieren um das Werkstück (durch natürliche Konvektion oder Umluftventilatoren), und die Abgase werden über einen Schornstein abgeleitet. Dies ist die einfachste und energieeffizienteste Bauweise, da keine Barriere zwischen Wärmequelle und Werkstück besteht – die gesamte Verbrennungsenergie steht zum Erhitzen des Werkstücks zur Verfügung, abgesehen von der im Abgas enthaltenen fühlbaren Wärme.
Die Einschränkung der direkten Erwärmung besteht darin, dass das Werkstück der Verbrennungsatmosphäre ausgesetzt ist. Die Verbrennungsprodukte enthalten Kohlendioxid (CO₂) und Wasserdampf (H₂O) – beides oxidierende Stoffe für Stahl bei Wärmebehandlungstemperaturen. Stahl, der in einem direkten Ofen erhitzt wird, bildet eine Oxidschicht (Walzzunder) auf der Oberfläche. Für viele Anwendungen – Schmiedevorwärmen, Normalglühen, Spannungsarmglühen, Glühen vor der Bearbeitung – ist dies akzeptabel, da der Zunder in nachfolgenden Bearbeitungsprozessen entfernt wird oder dem Produkt nicht schadet.
Direkte Beheizung ist dann nicht geeignet, wenn die Oberflächenqualität entscheidend ist. Aufkohlen, Carbonitrieren, Blankhärten und alle Prozesse, die ein bestimmtes Kohlenstoffpotenzial erfordern, vertragen die unkontrollierte Atmosphäre der Verbrennungsprodukte nicht. Für diese Anwendungen müssen die Verbrennungsprodukte vom Werkstück getrennt werden, was zu indirekt befeuerten Konfigurationen führt.
Indirekt befeuerte Öfen verwenden eine Muffel – eine hitzebeständige Hülle aus Legierung oder Keramik, die den Brennraum vom Werkstückraum trennt. Die Brenner feuern außerhalb der Muffel und erhitzen deren Wand, die wiederum Wärme an das Werkstück im Inneren abstrahlt. In der Muffel wird eine kontrollierte Atmosphäre – beispielsweise ein endothermes Gas oder ein Stickstoff-Wasserstoff-Gemisch – aufrechterhalten, um das Werkstück zu schützen. Die Verbrennungsprodukte kommen nicht mit dem Werkstück in Berührung.
Die Muffel ist das charakteristische Bauteil dieses Ofentyps. Für Temperaturen bis ca. 950 °C kann die Muffel aus hitzebeständiger Legierung – typischerweise RA330, Incoloy 800HT oder einer gegossenen Nickellegierung – mit einer Lebensdauer von 3–5 Jahren gefertigt werden. Für höhere Temperaturen bis 1150 °C werden Siliciumcarbid-Muffeln verwendet, diese sind jedoch spröde und teurer. Die Muffel stellt einen erheblichen Investitionskostenfaktor dar – typischerweise 15–25 % der gesamten Ofenkosten – und ihr Austausch verursacht einen hohen Wartungsaufwand.
Der Energieverlust der Muffel entsteht durch den Temperaturabfall an der Muffelwand. Um den Arbeitsraum auf 850 °C zu erhitzen, muss die Temperatur im Brennraum höher sein – typischerweise 950–1050 °C –, um die nötige Wärmeübertragung durch die Muffel zu gewährleisten. Die höhere Temperatur im Brennraum führt zu einer höheren Abgastemperatur und größeren Wärmeverlusten, wodurch der thermische Wirkungsgrad des Ofens im Vergleich zu einem gleichwertigen direkt befeuerten Ofen um 10–20 % sinkt.
Die Strahlungsrohrheizung ist eine Variante des indirekten Heizprinzips und hat sich bei Durchlauföfen, einschließlich Bandöfen, als Standard etabliert. Anstelle eines einzelnen großen Muffelofens verwendet der Ofen mehrere Strahlungsrohre – abgedichtete Legierungsrohre, die durch den Ofenraum verlaufen. Der Brenner zündet im Inneren des Rohrs, die Verbrennungsgase strömen durch das Rohr (oft mit interner Rezirkulation zur Verbesserung der Wärmeverteilung) und werden am gegenüberliegenden Ende abgeführt. Die Außenfläche des Rohrs strahlt Wärme an das Werkstück ab.
Strahlungsrohre bieten gegenüber einer einzelnen Muffel mehrere Vorteile. Die Rohre lassen sich so anordnen, dass sie eine gleichmäßigere Erwärmung gewährleisten – typischerweise in Reihen ober- und unterhalb des Werkstücks – als eine Muffel, die hauptsächlich von den Seiten und von oben erhitzt. Einzelne Rohre können entnommen und ausgetauscht werden, ohne den Ofenraum zu öffnen, wodurch Wartungsstillstandszeiten reduziert werden. Der Rohrdurchmesser ist klein genug (typischerweise 100–200 mm), sodass die Wandstärke moderat (5–8 mm) sein kann und dennoch ausreichende mechanische Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit gewährleistet sind.
Die gebräuchlichste Bauform für Strahlungswärmetauscher ist das U-Rohr: Der Brenner zündet in einen Schenkel des U, die Verbrennungsgase strömen zum geschlossenen Ende und kehren durch den anderen Schenkel zum Abgaskanal zurück. Diese Bauform bietet eine gute Wärmeübertragung, da sich die Hochtemperaturflamme in einem Schenkel und die kühleren Abgase im anderen befinden. Dadurch wird eine gleichmäßigere Rohroberflächentemperatur als bei einer geraden Durchgangskonstruktion erzielt. W-Rohre und einseitig wirkende Wärmerückgewinnungsrohre (SER-Rohre) werden für Anwendungen eingesetzt, die eine höhere Wärmeabgabe pro Rohr erfordern.
Die Wahl des Rohrmaterials hängt von der Ofentemperatur ab. Bis zu Temperaturen von 950 °C bieten gegossene Rohre aus der Legierung HK-40 (25 % Cr, 20 % Ni) oder HP (25 % Cr, 35 % Ni) eine ausreichende Lebensdauer. Bei höheren Temperaturen oder in Atmosphären mit aufkohlenden Gasen, die zu Metallstaubbildung führen können, sind höherlegierte Nickellegierungen oder Keramikrohre (Siliciumcarbid) erforderlich. Die typische Lebensdauer von Rohren unter Wärmebehandlungsbedingungen beträgt 2–5 Jahre. Zu den Ausfallursachen zählen Kriechbruch (durch langfristige Einwirkung hoher Temperaturen unter dem Eigengewicht des Rohrs), Oxidation (Wanddickenreduzierung von der Verbrennungsseite her) und Aufkohlung (Kohlenstoffaufnahme, die das Rohr versprödet).
MONTE INTELLIGENCE empfiehlt die Heizkonfiguration basierend auf Prozesstemperatur, Atmosphärenanforderungen, Produktionsvolumen und Investitionsbudget. Für Schmiedevorwärm- und Normalisierungsanwendungen bietet die Direktbefeuerung das beste Kosten-Nutzen-Verhältnis. Für die Wärmebehandlung unter kontrollierter Atmosphäre werden Strahlungsrohr- oder Muffelöfen je nach Ofengeometrie und Betriebstemperatur ausgewählt.
Für spezifische Konfigurationsempfehlungen für Ihren Gasofen, die auf Ihren Prozess zugeschnitten sind, wenden Sie sich bitte an helenxu@cnlymonte.com.
