Thermo-Prozessanlagen für die Wärmebehandlung von ... · Schüttgüter begegnen uns tagtäg-lich...

AllgemeinesSchüttgüter begegnen uns tagtäg-lich in mineralischer und nichtmine-ralischer Form – von beispielsweiseBergbau (Erz, Kohle) über Baustoffe(Zement) bis hin zu Lebensmitteln(Zucker, Kaffee, Getreide) und che-mischen oder pharmazeutischenProdukten (Pigmente, Pillen). DieEigenschaften von Schüttgut wer-den bestimmt und charakterisiertdurch die Korngröße, die Kornvertei-lung, die Schüttdichte, den Schütt-winkel, die Feuchtigkeit und dieTemperatur. Unter anderem dieseParameter bestimmen das Fließver-halten und die Rieselfähigkeit vonSchüttgütern, und damit wesentlichdie Prozess- und Verfahrenstechnikbei der Verarbeitung dieser grob-,fein- und feinstkörnigen Materialien.Auch die Auslegung von Thermo-prozessanlagen für die Wärme -behandlung von Schüttgütern istjeweils auf die charakteristischenEigenschaften der Materialien abge-stimmt. Typische Ofenanwendun-gen kommen dabei aus den Berei-chen der Keramik-, Glas- und Binde-mittelindustrie sowie der chemi-schen Industrie und umfassen pulvri-ge, körnige sowie stückige und tro-ckene bzw. feuchte Gemenge.Entsprechend der Vielzahl unter-schiedlicher Schüttgüter stehen fürderen funktionsgerechte mechani-sche und thermische Behandlungeine große Bandbreite an verschie-denen Industrieöfen [1] mit unter-schiedlicher Fördertechnik als robus-te Produktionsanlagen zur Verfü-gung. Nachfolgend sollen die we -sentlichen Ofentypen zur Trock-nung, Entbinderung, Kalzinierungund Sinterung von Schüttgütern biszu Anwendungstemperaturen von1800 °C und unterschiedlichen At -mosphären näher betrachtet wer-den. Grundsätzlich wird dabei zwi-schen periodisch und kontinuierlichfördernden Ofenanlagen unterschie-den.

Drehrohr- und Pendelöfen

Drehrohr- und Pendelöfen sinddadurch gekennzeichnet, dass das

Schüttgut während der Wärmebe-handlung ständig bewegt wird. DieÖfen werden kontinuierlich betrie-ben und erlauben einen direktenTransport des Schüttguts durch denOfen. Beim Drehrohr wird die Nei-gung des Rohres in der Längsachseund die Rotationsgeschwindigkeitan das zu behandelnde Schüttgutangepasst. Je nach Art der Behei-zung wird zwischen direkt und indi-rekt beheizten Drehrohren unter-schieden. Indirekt beheizte Drehrohre werdeninsbesondere eingesetzt, wenn daszu behandelnde Gut u. a. zu starkerStaubbildung neigt, ein definiertesTemperaturprofil durchlaufen oderunter besonderen Prozessbedingun-gen, wie z. B. Inert- oder Schutzat-mosphäre, behandelt werden muss.Die Beheizung des Drehrohres er -folgt dazu von außen mittels Bren-nern oder elektrischen Heizungen. Entsprechend den Prozessanforde-rungen ist die Beheizung in mehrereRegelgruppen über die Rohrlängeunterteilt. Als Rohrmaterialien kom-men entsprechend den Prozessan-forderungen hinsichtlich maximalerTemperaturen, Atmosphäre undSchüttguteigenschaften metallischeRohre bis 1150 °C zum Einsatz. Kera-mische Drehrohre dienen demSchutz des Produktes vor Kontami-nation und erlauben deutlich höhe-re Temperaturen als metallische Roh-re. Allerdings sind keramische Rohrein ihrer Geometrie bei der Herstel-lung begrenzt. Speziell beim Einsatzvon Schutzgasen als Reaktivgas wer-den auch Rohre aus Graphit einge-setzt. In diesem Fall ist insbesonderedie Abdichtung des Drehrohres vonbesonderer Bedeutung, um die Anla-ge gegen Leckagen zu sichern undden notwendigen Prozessgas-Volu-menstrom zu minimieren.Merkmale von indirekt beheiztenDrehrohröfen sind:• Anwendungstemperatur:

650–1600 °C • Beheizung: elektrisch oder Brenn-

stoff, indirekt • Rohrwerkstoff: Stahl, Keramik,

Gra phit• Schutzgasbetrieb: oxidierend, in -

ert, reduzierend

Technologie

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Thermo-Prozessanlagen für dieWärmebehandlung vontechnischen Schüttgütern

• Rohrabdichtung: mechanischdich tend, Sperrgas

• Mechanische Einwirkung auf dasProdukt: hoch

• Automatisierungsgrad: hoch, voll-automatische Materialzu- und -abfuhr möglich.

Eine weitere Ofenbauform stelleninnenbeheizte Drehrohranlagen dar,die grundsätzlich ein mit feuerfesterIsolierung ausgekleidetes Drehrohrbzw. Pendelrohr haben. Die Isolie-rung dient zwar primär dem Wär-meschutz, muss aber vielmehr auchals Verschleißschutz bzw. als inerteSchutzschicht zwischen Rohr undSchüttgut ausgelegt sein. Drehrohrevon diesem Typ werden direkt stirn-seitig mit einem Brenner beheizt. Inder Regel werden die Brennergasebzw. Rauchgase im Gegenstrom zurTransportrichtung des Produktes ge -führt. Beim innenbeheizten Dreh-rohrofen gibt es zusätzlich noch eineSonderbauform, die durch eine pen-delnde Rohrbewegung charakteri-siert ist und daher als Pendelofenbezeichnet wird. Die pendelndeRohrbewegung ermöglicht, dassBrenner bzw. elektrische Heizele-mente über die Ofendecke des Pen-delofens in Ofenlängsrichtung ange-ordnet werden können. Dadurchkann eine gezielte Temperaturkurveüber die Ofenlängsachse eingestellt

Hartmut Weber, Andreas Hajduk,Ralf FinkRiedhammer GmbH, 90411 Nürnberg

E-Mail: mail@riedhammer.de www.riedhammer.de

Bild 1Drehrohrofen Typ DRI (Werksfoto: Riedhammer GmbH)

Bei Schüttgütern, die beispielsweisedurch die rotierende Fließbewegungim Drehrohr zu starkem Abrieb nei-gen oder während der Wärme -behandlung zu „kleben“ beginnen,kommen dann üblicherweise keineDrehrohröfen zum Einsatz, sondernTunnelöfen.

TunnelöfenTunnelöfen für die Thermoprozess-behandlung von Schüttgütern wer-den in unterschiedlichen Bauartenindustriell bis zu Brenntemperaturenvon 1800 °C eingesetzt. Typischer-weise erfolgt die Ofenbezeichnungnach dem Prinzip der kontinuier -lichen Förderung, beispielsweise mit-tels Schubplatte, angetriebener Rol-lenbahn oder Ofenwagen. Tunnel-ofenwagen zum Transport vonSchüttgut durch Ofenanlagen kom-men immer dann zum Einsatz, wenngroße Durchsatzleistungen energie-effizient realisiert werden müssenund das Produkt Formkörper sind,die keiner zusätzlichen mechani-schen Beanspruchung ausgesetztwerden dürfen. Klassisch werden indieser Weise u. a. Schüttgutkatalysa-toren und keramische Mahlkugelngesintert. Bild 2 zeigt einen typi-schen Wagenaufbau mit Plateau.Dieses ist als „Kassette“ ausgebildet,in welche die grünen Formkörpereingefüllt und dann durch den Ofengefahren werden. Die seitlich amOfen angeordneten Brenner bren-nen unter das Plateau und über dasSchüttgut. Dadurch kann das Schütt-gut sehr gezielt und gleichmäßigwärmebehandelt werden. Insbeson-dere wird bei temperaturkritischenSchüttgütern ein „Totbrennen“ deräußeren Bereiche vermieden, weildie Temperaturgradienten in Abhän-gigkeit von der Betthöhe gezieltminimiert werden können. Tunnelö-fen mit Wagenförderung werdenheute überwiegend als automatischeWärmebehandlungsanlagen mit inden Wagenumlauf integriertenBefüll- und Entleerungseinrichtun-gen ausgelegt. Merkmale von Tun-nelöfen mit Wagenförderung sind:• Anwendungstemperatur: bis

1800 °C • Beheizung: Brennstoff, direkt • Ofenatmosphäre: über den Bren-

ner einstellbar, oxidierend, inert,reduzierend

• Mechanische Einwirkung auf dasProdukt: niedrig

• Durchsatzleistung: hoch• Automatisierungsgrad: hoch, op -

tional mit vollautomatischer Wa -gen be- und -entladung.

Tunnelöfen mit Schubplatten-Trans-port sind für die Wärmebehandlungvon Schüttgütern immer dann ersteWahl, wenn insbesondere langeOfenzyklen bei geringen Durchsät-zen oder reaktiven Ofenatmosphä-ren bei der Wärmebehandlung reali-siert werden müssen. Bild 3 zeigteinen Tunnelofen mit Schubplatten-förderung zum Entbindern, Kalzinie-ren und Sintern von keramischenPulvern in keramischen Kassetten bis1650 °C. Die Ofenanlage wird unterH2/N2-Schutzgas betrieben [2].Durch die eingangs- und ausgangs-seitigen Schleusensysteme wird derSchutzgasverbrauch minimiert. DieOfenatmosphäre wird in der Über-gangszone zwischen Hochtempera-tur-Sinterzone und Kühlzone in denOfen eingeleitet und unterstütztdamit sowohl die Kühlung als auchdie gastechnische Trennung beiderZonen. Das Schüttgut wird in abge-deckten Kassetten transportiert, dieauf die eigentlichen Schubplattenaufgestapelt werden. EntsprechendeBefüll-, Reinigungs- und Entlee-rungseinrichtungen der Kassettenwerden häufig in den Plattenumlaufintegriert. Plattenschuböfen werdenabhängig vom Wärmebehandlungs-prozess überwiegend mit elektri-scher Beheizung in Verbindung mitinerten Ofenatmosphären ausge-führt, wobei dann in der Regel keineGasdichtheit bzw. Schleusentechnikgefordert ist.Merkmale von Tunnelöfen mitSchubplattenförderung sind:• Anwendungstemperatur: bis

1650 °C • Beheizung: elektrisch, Brennstoff

direkt • Ofenatmosphäre: Schutzgas, oder

über den Brenner einstellbar, oxi-dierend, inert, reduzierend

• Mechanische Einwirkung auf dasProdukt: niedrig

• Durchsatzleistung: niedrig–mittel• Automatisierungsgrad: hoch, op -

tional mit vollautomatischer Be -füll-, Entleerungs- und Reinigungs-einrichtung.

Wenn Wärmebehandlungsprozess,Produkt und Atmosphärenführunges zulassen, dass auf die relativschweren Schubplatten verzichtetwerden kann, können Tunnelöfenmit angetriebener Rollenbahn, soge-nannte Rollenöfen eingesetzt wer-den. Diese Ofenbauart wird insbe-sondere bei kurzen Brenn- bzw. Sin-terzyklen und großen Durchsatzleis-tungen eingesetzt und zeichnet sichdurch sehr hohe Energieeffizienz aus[3]. Das Schüttgut wird dazu in kera-mische Schalen bzw. Tiegel gefüllt,

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werden, was bei innenbeheiztenDrehrohren nicht möglich ist. Bild 1zeigt einen Drehrohrofen vom TypDRI mit Brennerbeheizung und Tem-peraturerfassung mittels Pyrome-tern. Das Drehrohr ist auf einemTragrahmen montiert, um es im Nei-gungswinkel optimal an das zutrans portierende Schüttgut anpas-sen zu können. Die Abdichtung desDrehrohres wird beidseitig übersogenannte Verschlusswagen reali-siert, die auch entsprechende Ein-richtungen zur Materialzu- und -ab -fuhr aufweisen. Da Brennraum undWärmebehandlungsraum im Dreh-rohr dieses Ofentyps eine Einheit bil-den, wird das Prozesstemperatur-profil im Wesentlichen von dergewählten Brennerkonfigurationund der Brennerflammenformbestimmt.Merkmale von direkt beheiztenDrehrohröfen sind: • Anwendungstemperatur:

650–1600 °C • Beheizung: Brennstoff, direkt • Ofenatmosphäre: über den Bren-

ner einstellbar, oxidierend, inert,reduzierend

• Rohrabdichtung: mechanischdich tend, Sperrluft

• Mechanische Einwirkung auf dasProdukt: hoch

• Durchsatzleistung: mittel bis hoch,produktabhängig

• Automatisierungsgrad: hoch, op -tional mit vollautomatischer Ma -terialzu- und -abfuhr.

Technologie

Bild 2 Tunnelofenmit Plateauaufbauzum Sintern vonSchüttgut(Werksfoto:RiedhammerGmbH)

Bild 3 Platten-schubofen(Werksfoto:Riedhammer GmbH)

die dann ein- bzw. mehrlagig überdie Rollenbahn durch den Ofentransportiert werden. Abhängig vomSchüttgewicht des Produktes undder Tiegelgröße werden heute in derRegel Nutzbreiten von mehr als 2 mrealisiert. Durch die einlagige Be -triebs weise wird eine sehr hohe Tem-peraturgenauigkeit über den Nutz-querschnitt realisiert, was insbeson-dere zu einer sehr gleichmäßigenProduktqualität bei Oxidations- oderReduktionsprozessen führt. In gas-dichter Ausführung werden Rollen-öfen vor allem für Metallpulver-Sinterprozesse unter N2/H2-Schutz-atmosphären eingesetzt.Bild 4 zeigt einen Rollenofen mitautomatischer Umfahranlage für diekeramischen Tiegel bzw. Kassetten.Durch die Weiterentwicklung derkeramischen Rollenwerkstoffe kön-nen heute Wärmebehandlungspro-zesse bis zu 1650 °C im Rollenofenrealisiert werden. Außerdem könnenflexible Fördersysteme durch ent-sprechende Antriebsteilung undSteuerung der Fördergeschwindig-keit verwirklicht werden, die einevollständige verfahrenstechnischeTrennung der einzelnen Prozess-schritte erlauben. Merkmale von Rollenöfen sind:• Anwendungstemperatur: bis

1650 °C • Beheizung: elektrisch, Brennstoff

direkt/indirekt• Ofenatmosphäre: Schutzgas, oder

über den Brenner einstellbar, oxi-dierend, inert, reduzierend

• Mechanische Einwirkung auf dasProdukt: niedrig

• Durchsatzleistung: mittel–hoch• Automatisierungsgrad: hoch, op -

tional mit vollautomatischer Be -füll-, Entleerungs- und Reinigungs-einrichtung.

Periodische ÖfenDer große Vorteil periodischer Öfenist ihre Flexibilität. Der periodischeOfen als Chargenofen kommt typi-scherweise dort zum Einsatz, wo derBedarf an wechselnden Brenn- undAtmosphärenkurven sowie darausfolgend Brennzyklen infolge unter-schiedlicher Produkte erforderlichist. Das Brenngut und der isolierteOfenraum erfahren zusammen dengesamten Wärmebehandlungspro-zess. Üblicherweise handelt es sichbei diesen Öfen um keine Schutz-gasöfen. Sie werden direkt mitBrennstoff mittels Brenner beheizt.Die wichtigsten Ofentypen sindHaubenofen, Elevatorofen, Kammer-ofen und Herd wagenofen. Die Be-

zeichnung richtet sich in der Regelnach der Art und Weise, wie dasBrenngut dem Ofen zugeführt wird.Durch die Integra tion von Energie-rückgewinnungsmaßnahmen, ins-besondere zur Steigerung der Ener-gieeffizienz, ist es gelungen den tra-ditionellen Nachteil der periodi-schen Ofentechnik gegenüber konti-nuierlichen Ofenanlagen deutlich zuverringern. Dazu haben wesentlichdie Entwicklung der Brennersteue-rung und Regelungstechnik sowiedie Berechnungsprogramme zurSimulation von Rauchgasströmun-gen im Ofennutzraum beigetragen.Für die Wärmebehandlung in Herd-wagenöfen stehen heute u. a. fol-gende Technologien zur Verfügung:• Brenner mit Impulsfeuerung• Modulierende Brennersteuerung • Einzelbrennersteuerung• Rekuperatorbrenner-Technik

(Reko).Darüber hinaus sind diese Ofenanla-gen in der Regel mit effizienten Wär-metauschern zur Verbrennungsluft-vorwärmung und mit thermischerbzw. katalytischer Nachverbren-nungsanlage ausgerüstet. Bild 5zeigt einen Herdwagenofen zummehrlagigen Entbindern und Sinternvon Schüttgut und Pulvern in Tie-geln bzw. Kassetten mit Reko-Bren-nertechnologie und einem damitum 40 % verminderten Energiever-brauch gegenüber konventionellausgestatteten Herdwagenöfen.Merk male von periodischen Öfen(Herdwagenöfen) sind:• Anwendungstemperatur: bis

1800 °C • Beheizung: Brennstoff direkt • Ofenatmosphäre: über den Bren-

ner einstellbar, oxidierend, inert,reduzierend

• Mechanische Einwirkung auf dasProdukt: niedrig

• Durchsatzleistung: mittel, zyklus-abhängig

• Automatisierungsgrad: hoch, op -tional mit vollautomatischer Wa-gen chargiereinrichtung.

ZusammenfassungFür die Wärmebehandlung vonSchüttgütern müssen die Thermo-prozessanlagen auf die Eigenschaf-ten wie u. a. Fließverhalten, Rieselfä-higkeit und die mechanischenEigenschaften der Schüttgüter abge-stimmt werden. Darüber hinausbestimmen Temperaturkurve undBrennzeit sowie Atmosphärenfüh-rung den Prozessablauf. Damit er -gibt sich ein komplexes und hoch-technisches Anforderungsprofil.

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Dem steht heute eine Vielzahl geeig-neter unterschiedlicher Thermopro-zessanlagen gegenüber. Brennversu-che an bestehenden Anlagen oderdie gezielte Entwicklung von Brenn-technik im Technikum [3] ha ben sichbewährt, um aus der Vielzahl mögli-cher thermischer Behandlungsme-thoden die passende Thermopro-zess- und Anlagentechnik für dieenergieeffiziente Wärmebehand-lung von Schüttgütern auswählen zukönnen.

Literatur[1] Becker, F.: Brennstoffbeheizte Kera -

mik öfen. Praxishandbuch Thermopro-zesstechnik, Bd. II, 2. Aufl., Essen2011, 518 ff.

[2] Weber, H.: Einblicke in RiedhammerApplication Center (RAC) – Brenn-punkte der Ofen- und Prozessentwick-lung für Technische Keramik. cfi/Ber.DKG 89 (2012) [3] D8–D10

[3] Weber, H.: Energieeffizienz in der kera-mischen Industrie – Technische Ent-wicklungen im Ofenbau. Prozesswär-me – Energieeffizienz in der industriel-len Thermoprozesstechnik. Sonderpu-blikationen 2011, 204 ff.

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Bild 4 Rollenofen zum einlagigen Sintern von Schüttgut und Pulvern in Tiegeln (Werksfoto: Riedhammer GmbH)

Bild 5 Herdwagenofen mit Reko-Brennern (Werksfoto: Riedhammer GmbH)