Bogie-Herdofen-Verbrennungssysteme: Strahlungsrohre, Brenner und Umluft
Ein Herdofen ist ein Wärmebehandlungsbehälter, keine Brennkammer. Die Verbrennung findet in Strahlungsrohren oder hinter feuerfesten Wänden statt, und die Wärme erreicht das Werkstück durch Strahlung, Konvektion oder eine Kombination aus beidem. Die Wahl des Verbrennungssystems beeinflusst die Ofenatmosphäre, die Temperaturhomogenität, die Energieeffizienz und die Wartungskosten. Wird das System falsch gewählt, schlägt die Wärmebehandlung fehl – Entkohlung, Zunderbildung, ungleichmäßige Härte. Wird es richtig gewählt, ist der Betrieb über Jahrzehnte zuverlässig.
So funktioniert das Verbrennungssystem in der Praxis.
Beginnen wir mit dem Strahlungsrohr.
Ein Strahlungsrohr ist ein geschlossenes Metall- oder Keramikrohr, in dem der Verbrennungsprozess stattfindet. Der Brenner zündet im Inneren des Rohrs, die heißen Verbrennungsgase strömen durch das Rohr, und dieses gibt die Wärme an den Ofenraum ab. Das Werkstück kommt nicht direkt mit den Verbrennungsgasen in Berührung. Die Atmosphäre im Ofenraum wird separat geregelt – typischerweise durch Einleiten eines Schutzgases wie Stickstoff oder durch Aufrechterhaltung eines leichten Überdrucks, um Luft fernzuhalten.
Strahlungsrohre bestehen aus drei Hauptmaterialien.
Gusslegierungsrohre – typischerweise HK40 (25 % Cr, 20 % Ni, Rest Fe) oder HU (18 % Cr, 38 % Ni, Rest Fe) – halten Temperaturen bis zu 1050 °C im Dauerbetrieb stand. Sie sind schwer, teuer und haben eine begrenzte Lebensdauer (typischerweise 5 bis 10 Jahre in einem optimal betriebenen Ofen). Gusslegierungsrohre sind die Arbeitspferde der Wärmebehandlungsindustrie.
Keramische Rohre – typischerweise aus Siliziumkarbid (SiC) oder Aluminiumoxid – sind für höhere Temperaturen geeignet (bis zu 1250 °C für SiC, 1400 °C für bestimmte Aluminiumoxid-Sorten). Sie sind leichter und thermisch effizienter als Gusslegierungen, jedoch auch spröder und teurer. Keramische Rohre werden in Hochtemperaturöfen (über 1050 °C) und in Anwendungen eingesetzt, bei denen das Gewicht der Rohre eine Rolle spielt (große Rohre, Überkopfmontage).
Metallrohre – typischerweise aus Inconel 600 oder 601 – werden in Niedertemperaturöfen (unter 950 °C) oder in Anwendungen eingesetzt, bei denen das Rohr gerade ist und die Betriebsbedingungen schonend sind. Metallrohre sind die kostengünstigste Option, weisen jedoch bei hohen Temperaturen die kürzeste Lebensdauer auf.
Die Geometrie der Rohre hängt von der Ofenkonstruktion ab.
Gerade Rohre – typischerweise 1,5 bis 3 Meter lang und 100 bis 200 mm im Durchmesser – stellen die einfachste Bauart dar. Der Brenner zündet an einem Ende, die Abgase treten am anderen Ende aus, und die Wärme strahlt entlang der gesamten Rohrlänge ab. Gerade Rohre eignen sich für kleine bis mittelgroße Öfen.
U- oder W-Rohre – typischerweise 2 bis 4 Meter lang, mit einem oder zwei Rücklaufbögen – ermöglichen eine größere Rohrlänge auf kleinerem Raum. Der Brenner zündet an einem Ende, die Abgase treten am selben Ende aus, und das Rohr ist in sich selbst gefaltet. U-Rohre werden häufig in größeren Öfen eingesetzt.
Die Brennerkonstruktion ist die zweite wichtige Variable.
Atmosphärische Brenner – die einfachste und kostengünstigste Option – mischen Luft und Gas am Brenner und zünden das Gemisch im Brennrohr. Die Luft wird von einem Niederdruckgebläse zugeführt. Als Gas wird üblicherweise Erdgas oder Propan verwendet. Atmosphärische Brenner sind einfach, zuverlässig und wartungsarm. Sie weisen jedoch den geringsten Wirkungsgrad auf – typischerweise 50 bis 60 Prozent des thermischen Wirkungsgrades am Brennrohr – und produzieren die meisten Stickoxide (NOx).
Hochleistungsbrenner – der moderne Standard – nutzen einen Gebläsemotor oder ein Überdruckgassystem, um Luft und Gas mit höherer Geschwindigkeit durch den Brenner zu befördern. Sie erreichen einen Wirkungsgrad von 70 bis 85 Prozent und produzieren weniger Stickoxide (NOx). Die Flamme ist stabiler, der Regelbereich (die Bandbreite der Leistungsaufnahme) größer und die Steuerung präziser.
Rekuperative Brenner – eine fortschrittlichere Bauart – erwärmen die Verbrennungsluft mithilfe der Abwärme des Abgases. Ein Wärmetauscher aus Metall oder Keramik im Brennergehäuse überträgt die Wärme vom Abgas auf die einströmende Luft. Die Verbrennungsluft kann auf 400 bis 600 °C vorgewärmt werden, wodurch der Brennstoffverbrauch um 20 bis 30 Prozent sinkt. Rekuperative Brenner sind zwar teurer als Hochleistungsbrenner, die Brennstoffeinsparungen amortisieren den höheren Preis jedoch bei einer stark ausgelasteten Heizungsanlage innerhalb von ein bis drei Jahren.
Regenerative Brenner – die fortschrittlichste Bauart – verwenden zwei Brennerbetten, die abwechselnd befeuern und abführen. Jedes Bett verfügt über einen Keramikregenerator, der die Wärme aus dem Abgas aufnimmt und an die Zuluft abgibt. Die Verbrennungsluft kann auf 800 bis 1000 °C vorgewärmt werden, wodurch sich der Brennstoffverbrauch um 40 bis 50 Prozent reduziert. Regenerative Brenner bieten den höchsten Wirkungsgrad, sind aber auch die teuerste und wartungsintensivste Option. Sie werden in großen Durchlauföfen (Schub-, Hubbalken- und Drehherdöfen) eingesetzt, jedoch selten in Drehherdöfen, da der Feuerungszyklus zu kurz ist, um die Kosten für den Regenerator zu amortisieren.
Das Regelverhältnis ist für den Batchbetrieb von Bedeutung.
Ein Herdofen mit Drehgestell arbeitet während des Brennvorgangs mit unterschiedlichen Brennleistungen. Beim Aufheizen (um das Brenngut von kalt auf Temperatur zu bringen) läuft der Brenner mit hoher Leistung, während der Haltephase (um die Temperatur zu halten) wird die Leistung reduziert. Das Regelverhältnis des Brenners ist das Verhältnis von maximaler zu minimaler Brennleistung. Ein Regelverhältnis von 10:1 ist üblich. Ein Regelverhältnis von 20:1 oder 30:1 ist besser, insbesondere für dickere Bauteile, die eine lange Haltephase bei niedriger Brennleistung benötigen.
Eine unzureichende Regelbarkeit zwingt den Bediener, den Brenner bei niedriger Leistung ständig ein- und auszuschalten. Dies führt zu Temperaturschwankungen, erhöhtem Verschleiß des Brenners und Energieverschwendung. Eine gute Regelbarkeit ermöglicht hingegen eine gleichmäßige Leistungsmodulation des Brenners über den gesamten Betriebsbereich.
Die Rezirkulation ist das dritte Hauptsystem.
Ein Herdofen benötigt eine gleichmäßige Temperaturverteilung im gesamten Brennraum. Die Strahlungsrohre erhitzen das Gas in Wand- und Deckennähe, jedoch kann das Gas in der Brennraummitte, wo sich das Werkstück befindet, 30 bis 50 °C kühler sein als in der Nähe der Rohre. Umwälzventilatoren oder -düsen vermischen das heiße Gas von oben mit dem kühleren Gas in der Mitte und gleichen so die Temperatur aus.
Die Bauweise von Umluftöfen variiert. Manche Öfen verwenden einen einzelnen großen Ventilator an der Rückwand, der heißes Gas von oben ansaugt und durch die Mitte nach unten drückt. Andere Öfen nutzen mehrere kleinere Ventilatoren, die im Brennraum verteilt sind. Wieder andere verwenden Hochgeschwindigkeitsdüsen (ohne Ventilator), die das umgebende Gas durch den Venturi-Effekt mitreißen. Die Wahl der Bauweise hängt von der Ofengröße, der Werkstückgröße und den Anforderungen an die Temperaturhomogenität ab.
Die typische Temperaturhomogenitätsvorgabe für einen Ofen mit Drehgestell für die Wärmebehandlung liegt bei ± 10 °C. Engere Toleranzen (± 5 °C) lassen sich mit einer guten Rezirkulationskonstruktion erreichen. Größere Toleranzen (± 20 °C) sind bei Öfen der unteren Leistungsklasse üblich und können zu Schwankungen in der Wärmebehandlung führen.
Die Kontrolle der Atmosphäre ist die letzte Variable.
Ein Herdofen für Spannungsarmglühen oder Warmglühen arbeitet typischerweise mit einer leicht oxidierenden Atmosphäre – ausreichend Luftdurchsatz, um die Aufnahme von Kohlenstoff oder Wasserstoff durch das Werkstück zu verhindern, aber nicht so viel, dass sich Zunder bildet. Die Atmosphäre wird durch einen leichten Überdruck im Ofen (typischerweise 0,5 bis 2 mbar) und die Zufuhr einer geringen Luftmenge über einen kontrollierten Einlass gesteuert.
Bei Prozessen, die eine Schutzgasatmosphäre erfordern (z. B. Blankglühen, Hartlöten, Aufkohlen), wird der Ofen dichter abgedichtet und ein Inertgas (Stickstoff oder Argon) eingeleitet, um die Luft zu verdrängen. Einige Öfen verfügen über eine Vollmuffelkammer – eine vom Strahlungsrohrbereich getrennte Innenkammer –, sodass die Verbrennungsgase und die Schutzgasatmosphäre vollständig voneinander isoliert sind. Muffelöfen sind zwar teurer, ermöglichen aber eine präzise Steuerung der Atmosphäre.
Autor: Das Team für Wärmebehandlungstechnik von MONTE INTELLIGENCE. Für Audits und Modernisierungen von Verbrennungsanlagen kontaktieren Sie bitte helenxu@cnlymonte.com.
