D_011-013_Riedhammer.qxp:Layout 1
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Thermo-Prozessanlagen für die<br />
Wärmebehandlung von<br />
technischen Schüttgütern<br />
Allgemeines<br />
Schüttgüter begegnen uns tagtäglich<br />
in mineralischer und nichtmineralischer<br />
Form – von beispielsweise<br />
Bergbau (Erz, Kohle) über Baustoffe<br />
(Zement) bis hin zu Lebensmitteln<br />
(Zucker, Kaffee, Getreide) und chemischen<br />
oder pharmazeutischen<br />
Produkten (Pigmente, Pillen). Die<br />
Eigenschaften von Schüttgut werden<br />
bestimmt und charakterisiert<br />
durch die Korngröße, die Kornverteilung,<br />
die Schüttdichte, den Schüttwinkel,<br />
die Feuchtigkeit und die<br />
Temperatur. Unter anderem diese<br />
Parameter bestimmen das Fließverhalten<br />
und die Rieselfähigkeit von<br />
Schüttgütern, und damit wesentlich<br />
die Prozess- und Verfahrenstechnik<br />
bei der Verarbeitung dieser grob-,<br />
fein- und feinstkörnigen Materialien.<br />
Auch die Auslegung von Thermoprozessanlagen<br />
für die Wärme -<br />
behandlung von Schüttgütern ist<br />
jeweils auf die charakteristischen<br />
Eigenschaften der Materialien abgestimmt.<br />
Typische Ofenanwendungen<br />
kommen dabei aus den Bereichen<br />
der Keramik-, Glas- und Bindemittelindustrie<br />
sowie der chemischen<br />
Industrie und umfassen pulvrige,<br />
körnige sowie stückige und trockene<br />
bzw. feuchte Gemenge.<br />
Entsprechend der Vielzahl unterschiedlicher<br />
Schüttgüter stehen für<br />
deren funktionsgerechte mechanische<br />
und thermische Behandlung<br />
eine große Bandbreite an verschiedenen<br />
Industrieöfen [1] mit unterschiedlicher<br />
Fördertechnik als robuste<br />
Produktionsanlagen zur Verfügung.<br />
Nachfolgend sollen die we -<br />
sentlichen Ofentypen zur Trocknung,<br />
Entbinderung, Kalzinierung<br />
und Sinterung von Schüttgütern bis<br />
zu Anwendungstemperaturen von<br />
1800 °C und unterschiedlichen At -<br />
mosphären näher betrachtet werden.<br />
Grundsätzlich wird dabei zwischen<br />
periodisch und kontinuierlich<br />
fördernden Ofenanlagen unterschieden.<br />
Drehrohr- und Pendelöfen<br />
Drehrohr- und Pendelöfen sind<br />
dadurch gekennzeichnet, dass das<br />
Schüttgut während der Wärmebehandlung<br />
ständig bewegt wird. Die<br />
Öfen werden kontinuierlich betrieben<br />
und erlauben einen direkten<br />
Transport des Schüttguts durch den<br />
Ofen. Beim Drehrohr wird die Neigung<br />
des Rohres in der Längsachse<br />
und die Rotationsgeschwindigkeit<br />
an das zu behandelnde Schüttgut<br />
angepasst. Je nach Art der Beheizung<br />
wird zwischen direkt und indirekt<br />
beheizten Drehrohren unterschieden.<br />
Indirekt beheizte Drehrohre werden<br />
insbesondere eingesetzt, wenn das<br />
zu behandelnde Gut u. a. zu starker<br />
Staubbildung neigt, ein definiertes<br />
Temperaturprofil durchlaufen oder<br />
unter besonderen Prozessbedingungen,<br />
wie z. B. Inert- oder Schutzatmosphäre,<br />
behandelt werden muss.<br />
Die Beheizung des Drehrohres er -<br />
folgt dazu von außen mittels Brennern<br />
oder elektrischen Heizungen.<br />
Entsprechend den Prozessanforderungen<br />
ist die Beheizung in mehrere<br />
Regelgruppen über die Rohrlänge<br />
unterteilt. Als Rohrmaterialien kommen<br />
entsprechend den Prozessanforderungen<br />
hinsichtlich maximaler<br />
Temperaturen, Atmosphäre und<br />
Schüttguteigenschaften metallische<br />
Rohre bis 1150 °C zum Einsatz. Keramische<br />
Drehrohre dienen dem<br />
Schutz des Produktes vor Kontamination<br />
und erlauben deutlich höhere<br />
Temperaturen als metallische Rohre.<br />
Allerdings sind keramische Rohre<br />
in ihrer Geometrie bei der Herstellung<br />
begrenzt. Speziell beim Einsatz<br />
von Schutzgasen als Reaktivgas werden<br />
auch Rohre aus Graphit eingesetzt.<br />
In diesem Fall ist insbesondere<br />
die Abdichtung des Drehrohres von<br />
besonderer Bedeutung, um die Anlage<br />
gegen Leckagen zu sichern und<br />
den notwendigen Prozessgas-Volumenstrom<br />
zu minimieren.<br />
Merkmale von indirekt beheizten<br />
Drehrohröfen sind:<br />
Anwendungstemperatur:<br />
650–1600 °C<br />
Beheizung: elektrisch oder Brennstoff,<br />
indirekt<br />
Rohrwerkstoff: Stahl, Keramik,<br />
Gra phit<br />
Schutzgasbetrieb: oxidierend, in -<br />
ert, reduzierend<br />
Rohrabdichtung: mechanisch<br />
dich tend, Sperrgas<br />
Mechanische Einwirkung auf das<br />
Produkt: hoch<br />
Automatisierungsgrad: hoch, vollautomatische<br />
Materialzu- und<br />
-abfuhr möglich.<br />
Eine weitere Ofenbauform stellen<br />
innenbeheizte Drehrohranlagen dar,<br />
die grundsätzlich ein mit feuerfester<br />
Isolierung ausgekleidetes Drehrohr<br />
bzw. Pendelrohr haben. Die Isolierung<br />
dient zwar primär dem Wärmeschutz,<br />
muss aber vielmehr auch<br />
als Verschleißschutz bzw. als inerte<br />
Schutzschicht zwischen Rohr und<br />
Schüttgut ausgelegt sein. Drehrohre<br />
von diesem Typ werden direkt stirnseitig<br />
mit einem Brenner beheizt. In<br />
der Regel werden die Brennergase<br />
bzw. Rauchgase im Gegenstrom zur<br />
Transportrichtung des Produktes ge -<br />
führt. Beim innenbeheizten Drehrohrofen<br />
gibt es zusätzlich noch eine<br />
Sonderbauform, die durch eine pendelnde<br />
Rohrbewegung charakterisiert<br />
ist und daher als Pendelofen<br />
bezeichnet wird. Die pendelnde<br />
Rohrbewegung ermöglicht, dass<br />
Brenner bzw. elektrische Heizelemente<br />
über die Ofendecke des Pendelofens<br />
in Ofenlängsrichtung angeordnet<br />
werden können. Dadurch<br />
kann eine gezielte Temperaturkurve<br />
über die Ofenlängsachse eingestellt<br />
Hartmut Weber, Andreas Hajduk,<br />
Ralf Fink<br />
<strong>Riedhammer</strong> GmbH, 90411 Nürnberg<br />
E-Mail: mail@riedhammer.de<br />
www.riedhammer.de<br />
Technologie<br />
Bild 1<br />
Drehrohrofen<br />
Typ DRI<br />
(Werksfoto:<br />
<strong>Riedhammer</strong> GmbH)<br />
cfi/Ber. DKG 90 (2<strong>013</strong>) No. 4 D 11
Technologie<br />
Bild 2 Tunnelofen<br />
mit Plateauaufbau<br />
zum Sintern von<br />
Schüttgut<br />
(Werksfoto:<br />
<strong>Riedhammer</strong><br />
GmbH)<br />
Bild 3 Plattenschubofen<br />
(Werksfoto:<br />
<strong>Riedhammer</strong> GmbH)<br />
werden, was bei innenbeheizten<br />
Drehrohren nicht möglich ist. Bild 1<br />
zeigt einen Drehrohrofen vom Typ<br />
DRI mit Brennerbeheizung und Temperaturerfassung<br />
mittels Pyrometern.<br />
Das Drehrohr ist auf einem<br />
Tragrahmen montiert, um es im Neigungswinkel<br />
optimal an das zu<br />
trans portierende Schüttgut anpassen<br />
zu können. Die Abdichtung des<br />
Drehrohres wird beidseitig über<br />
sogenannte Verschlusswagen realisiert,<br />
die auch entsprechende Einrichtungen<br />
zur Materialzu- und -ab -<br />
fuhr aufweisen. Da Brennraum und<br />
Wärmebehandlungsraum im Drehrohr<br />
dieses Ofentyps eine Einheit bilden,<br />
wird das Prozesstemperaturprofil<br />
im Wesentlichen von der<br />
gewählten Brennerkonfiguration<br />
und der Brennerflammenform<br />
bestimmt.<br />
Merkmale von direkt beheizten<br />
Drehrohröfen sind:<br />
Anwendungstemperatur:<br />
650–1600 °C<br />
Beheizung: Brennstoff, direkt<br />
Ofenatmosphäre: über den Brenner<br />
einstellbar, oxidierend, inert,<br />
reduzierend<br />
Rohrabdichtung: mechanisch<br />
dich tend, Sperrluft<br />
Mechanische Einwirkung auf das<br />
Produkt: hoch<br />
Durchsatzleistung: mittel bis hoch,<br />
produktabhängig<br />
Automatisierungsgrad: hoch, op -<br />
tional mit vollautomatischer Ma -<br />
terialzu- und -abfuhr.<br />
Bei Schüttgütern, die beispielsweise<br />
durch die rotierende Fließbewegung<br />
im Drehrohr zu starkem Abrieb neigen<br />
oder während der Wärme -<br />
behandlung zu „kleben“ beginnen,<br />
kommen dann üblicherweise keine<br />
Drehrohröfen zum Einsatz, sondern<br />
Tunnelöfen.<br />
Tunnelöfen<br />
Tunnelöfen für die Thermoprozessbehandlung<br />
von Schüttgütern werden<br />
in unterschiedlichen Bauarten<br />
industriell bis zu Brenntemperaturen<br />
von 1800 °C eingesetzt. Typischerweise<br />
erfolgt die Ofenbezeichnung<br />
nach dem Prinzip der kontinuier -<br />
lichen Förderung, beispielsweise mittels<br />
Schubplatte, angetriebener Rollenbahn<br />
oder Ofenwagen. Tunnelofenwagen<br />
zum Transport von<br />
Schüttgut durch Ofenanlagen kommen<br />
immer dann zum Einsatz, wenn<br />
große Durchsatzleistungen energieeffizient<br />
realisiert werden müssen<br />
und das Produkt Formkörper sind,<br />
die keiner zusätzlichen mechanischen<br />
Beanspruchung ausgesetzt<br />
werden dürfen. Klassisch werden in<br />
dieser Weise u. a. Schüttgutkatalysatoren<br />
und keramische Mahlkugeln<br />
gesintert. Bild 2 zeigt einen typischen<br />
Wagenaufbau mit Plateau.<br />
Dieses ist als „Kassette“ ausgebildet,<br />
in welche die grünen Formkörper<br />
eingefüllt und dann durch den Ofen<br />
gefahren werden. Die seitlich am<br />
Ofen angeordneten Brenner brennen<br />
unter das Plateau und über das<br />
Schüttgut. Dadurch kann das Schüttgut<br />
sehr gezielt und gleichmäßig<br />
wärmebehandelt werden. Insbesondere<br />
wird bei temperaturkritischen<br />
Schüttgütern ein „Totbrennen“ der<br />
äußeren Bereiche vermieden, weil<br />
die Temperaturgradienten in Abhängigkeit<br />
von der Betthöhe gezielt<br />
minimiert werden können. Tunnelöfen<br />
mit Wagenförderung werden<br />
heute überwiegend als automatische<br />
Wärmebehandlungsanlagen mit in<br />
den Wagenumlauf integrierten<br />
Befüll- und Entleerungseinrichtungen<br />
ausgelegt. Merkmale von Tunnelöfen<br />
mit Wagenförderung sind:<br />
Anwendungstemperatur: bis<br />
1800 °C<br />
Beheizung: Brennstoff, direkt<br />
Ofenatmosphäre: über den Brenner<br />
einstellbar, oxidierend, inert,<br />
reduzierend<br />
Mechanische Einwirkung auf das<br />
Produkt: niedrig<br />
Durchsatzleistung: hoch<br />
Automatisierungsgrad: hoch, op -<br />
tional mit vollautomatischer Wa -<br />
gen be- und -entladung.<br />
Tunnelöfen mit Schubplatten-Transport<br />
sind für die Wärmebehandlung<br />
von Schüttgütern immer dann erste<br />
Wahl, wenn insbesondere lange<br />
Ofenzyklen bei geringen Durchsätzen<br />
oder reaktiven Ofenatmosphären<br />
bei der Wärmebehandlung realisiert<br />
werden müssen. Bild 3 zeigt<br />
einen Tunnelofen mit Schubplattenförderung<br />
zum Entbindern, Kalzinieren<br />
und Sintern von keramischen<br />
Pulvern in keramischen Kassetten bis<br />
1650 °C. Die Ofenanlage wird unter<br />
H 2/N 2-Schutzgas betrieben [2].<br />
Durch die eingangs- und ausgangsseitigen<br />
Schleusensysteme wird der<br />
Schutzgasverbrauch minimiert. Die<br />
Ofenatmosphäre wird in der Übergangszone<br />
zwischen Hochtemperatur-Sinterzone<br />
und Kühlzone in den<br />
Ofen eingeleitet und unterstützt<br />
damit sowohl die Kühlung als auch<br />
die gastechnische Trennung beider<br />
Zonen. Das Schüttgut wird in abgedeckten<br />
Kassetten transportiert, die<br />
auf die eigentlichen Schubplatten<br />
aufgestapelt werden. Entsprechende<br />
Befüll-, Reinigungs- und Entleerungseinrichtungen<br />
der Kassetten<br />
werden häufig in den Plattenumlauf<br />
integriert. Plattenschuböfen werden<br />
abhängig vom Wärmebehandlungsprozess<br />
überwiegend mit elektrischer<br />
Beheizung in Verbindung mit<br />
inerten Ofenatmosphären ausgeführt,<br />
wobei dann in der Regel keine<br />
Gasdichtheit bzw. Schleusentechnik<br />
gefordert ist.<br />
Merkmale von Tunnelöfen mit<br />
Schubplattenförderung sind:<br />
Anwendungstemperatur: bis<br />
1650 °C<br />
Beheizung: elektrisch, Brennstoff<br />
direkt<br />
Ofenatmosphäre: Schutzgas, oder<br />
über den Brenner einstellbar, oxidierend,<br />
inert, reduzierend<br />
Mechanische Einwirkung auf das<br />
Produkt: niedrig<br />
Durchsatzleistung: niedrig–mittel<br />
Automatisierungsgrad: hoch, op -<br />
tional mit vollautomatischer Be -<br />
füll-, Entleerungs- und Reinigungseinrichtung.<br />
Wenn Wärmebehandlungsprozess,<br />
Produkt und Atmosphärenführung<br />
es zulassen, dass auf die relativ<br />
schweren Schubplatten verzichtet<br />
werden kann, können Tunnelöfen<br />
mit angetriebener Rollenbahn, sogenannte<br />
Rollenöfen eingesetzt werden.<br />
Diese Ofenbauart wird insbesondere<br />
bei kurzen Brenn- bzw. Sinterzyklen<br />
und großen Durchsatzleistungen<br />
eingesetzt und zeichnet sich<br />
durch sehr hohe Energieeffizienz aus<br />
[3]. Das Schüttgut wird dazu in keramische<br />
Schalen bzw. Tiegel gefüllt,<br />
D 12 cfi/Ber. DKG 90 (2<strong>013</strong>) No. 4
die dann ein- bzw. mehrlagig über<br />
die Rollenbahn durch den Ofen<br />
transportiert werden. Abhängig vom<br />
Schüttgewicht des Produktes und<br />
der Tiegelgröße werden heute in der<br />
Regel Nutzbreiten von mehr als 2 m<br />
realisiert. Durch die einlagige Be -<br />
triebs weise wird eine sehr hohe Temperaturgenauigkeit<br />
über den Nutzquerschnitt<br />
realisiert, was insbesondere<br />
zu einer sehr gleichmäßigen<br />
Produktqualität bei Oxidations- oder<br />
Reduktionsprozessen führt. In gasdichter<br />
Ausführung werden Rollenöfen<br />
vor allem für Metallpulver-<br />
Sinterprozesse unter N 2/H 2-Schutzatmosphären<br />
eingesetzt.<br />
Bild 4 zeigt einen Rollenofen mit<br />
automatischer Umfahranlage für die<br />
keramischen Tiegel bzw. Kassetten.<br />
Durch die Weiterentwicklung der<br />
keramischen Rollenwerkstoffe können<br />
heute Wärmebehandlungsprozesse<br />
bis zu 1650 °C im Rollenofen<br />
realisiert werden. Außerdem können<br />
flexible Fördersysteme durch entsprechende<br />
Antriebsteilung und<br />
Steuerung der Fördergeschwindigkeit<br />
verwirklicht werden, die eine<br />
vollständige verfahrenstechnische<br />
Trennung der einzelnen Prozessschritte<br />
erlauben.<br />
Merkmale von Rollenöfen sind:<br />
Anwendungstemperatur: bis<br />
1650 °C<br />
Beheizung: elektrisch, Brennstoff<br />
direkt/indirekt<br />
Ofenatmosphäre: Schutzgas, oder<br />
über den Brenner einstellbar, oxidierend,<br />
inert, reduzierend<br />
Mechanische Einwirkung auf das<br />
Produkt: niedrig<br />
Durchsatzleistung: mittel–hoch<br />
Automatisierungsgrad: hoch, op -<br />
tional mit vollautomatischer Be -<br />
füll-, Entleerungs- und Reinigungseinrichtung.<br />
Periodische Öfen<br />
Der große Vorteil periodischer Öfen<br />
ist ihre Flexibilität. Der periodische<br />
Ofen als Chargenofen kommt typischerweise<br />
dort zum Einsatz, wo der<br />
Bedarf an wechselnden Brenn- und<br />
Atmosphärenkurven sowie daraus<br />
folgend Brennzyklen infolge unterschiedlicher<br />
Produkte erforderlich<br />
ist. Das Brenngut und der isolierte<br />
Ofenraum erfahren zusammen den<br />
gesamten Wärmebehandlungsprozess.<br />
Üblicherweise handelt es sich<br />
bei diesen Öfen um keine Schutzgasöfen.<br />
Sie werden direkt mit<br />
Brennstoff mittels Brenner beheizt.<br />
Die wichtigsten Ofentypen sind<br />
Haubenofen, Elevatorofen, Kammerofen<br />
und Herd wagenofen. Die Be-<br />
zeichnung richtet sich in der Regel<br />
nach der Art und Weise, wie das<br />
Brenngut dem Ofen zugeführt wird.<br />
Durch die Integra tion von Energierückgewinnungsmaßnahmen,insbesondere<br />
zur Steigerung der Energieeffizienz,<br />
ist es gelungen den traditionellen<br />
Nachteil der periodischen<br />
Ofentechnik gegenüber kontinuierlichen<br />
Ofenanlagen deutlich zu<br />
verringern. Dazu haben wesentlich<br />
die Entwicklung der Brennersteuerung<br />
und Regelungstechnik sowie<br />
die Berechnungsprogramme zur<br />
Simulation von Rauchgasströmungen<br />
im Ofennutzraum beigetragen.<br />
Für die Wärmebehandlung in Herdwagenöfen<br />
stehen heute u. a. folgende<br />
Technologien zur Verfügung:<br />
Brenner mit Impulsfeuerung<br />
Modulierende Brennersteuerung<br />
Einzelbrennersteuerung<br />
Rekuperatorbrenner-Technik<br />
(Reko).<br />
Darüber hinaus sind diese Ofenanlagen<br />
in der Regel mit effizienten Wärmetauschern<br />
zur Verbrennungsluftvorwärmung<br />
und mit thermischer<br />
bzw. katalytischer Nachverbrennungsanlage<br />
ausgerüstet. Bild 5<br />
zeigt einen Herdwagenofen zum<br />
mehrlagigen Entbindern und Sintern<br />
von Schüttgut und Pulvern in Tiegeln<br />
bzw. Kassetten mit Reko-Brennertechnologie<br />
und einem damit<br />
um 40 % verminderten Energieverbrauch<br />
gegenüber konventionell<br />
ausgestatteten Herdwagenöfen.<br />
Merk male von periodischen Öfen<br />
(Herdwagenöfen) sind:<br />
Anwendungstemperatur: bis<br />
1800 °C<br />
Beheizung: Brennstoff direkt<br />
Ofenatmosphäre: über den Brenner<br />
einstellbar, oxidierend, inert,<br />
reduzierend<br />
Mechanische Einwirkung auf das<br />
Produkt: niedrig<br />
Durchsatzleistung: mittel, zyklusabhängig<br />
Automatisierungsgrad: hoch, op -<br />
tional mit vollautomatischer Wagen<br />
chargiereinrichtung.<br />
Zusammenfassung<br />
Für die Wärmebehandlung von<br />
Schüttgütern müssen die Thermoprozessanlagen<br />
auf die Eigenschaften<br />
wie u. a. Fließverhalten, Rieselfähigkeit<br />
und die mechanischen<br />
Eigenschaften der Schüttgüter abgestimmt<br />
werden. Darüber hinaus<br />
bestimmen Temperaturkurve und<br />
Brennzeit sowie Atmosphärenführung<br />
den Prozessablauf. Damit er -<br />
gibt sich ein komplexes und hochtechnisches<br />
Anforderungsprofil.<br />
Dem steht heute eine Vielzahl geeigneter<br />
unterschiedlicher Thermoprozessanlagen<br />
gegenüber. Brennversuche<br />
an bestehenden Anlagen oder<br />
die gezielte Entwicklung von Brenntechnik<br />
im Technikum [3] ha ben sich<br />
bewährt, um aus der Vielzahl möglicher<br />
thermischer Behandlungsmethoden<br />
die passende Thermoprozess-<br />
und Anlagentechnik für die<br />
energieeffiziente Wärmebehandlung<br />
von Schüttgütern auswählen zu<br />
können.<br />
Literatur<br />
[1] Becker, F.: Brennstoffbeheizte Kera -<br />
mik öfen. Praxishandbuch Thermoprozesstechnik,<br />
Bd. II, 2. Aufl., Essen<br />
2<strong>011</strong>, 518 ff.<br />
[2] Weber, H.: Einblicke in <strong>Riedhammer</strong><br />
Application Center (RAC) – Brennpunkte<br />
der Ofen- und Prozessentwicklung<br />
für Technische Keramik. cfi/Ber.<br />
DKG 89 (2012) [3] D8–D10<br />
[3] Weber, H.: Energieeffizienz in der keramischen<br />
Industrie – Technische Entwicklungen<br />
im Ofenbau. Prozesswärme<br />
– Energieeffizienz in der industriellen<br />
Thermoprozesstechnik. Sonderpublikationen<br />
2<strong>011</strong>, 204 ff.<br />
Technologie<br />
Bild 4 Rollenofen zum einlagigen Sintern von Schüttgut und<br />
Pulvern in Tiegeln (Werksfoto: <strong>Riedhammer</strong> GmbH)<br />
Bild 5 Herdwagenofen mit Reko-Brennern<br />
(Werksfoto: <strong>Riedhammer</strong> GmbH)<br />
cfi/Ber. DKG 90 (2<strong>013</strong>) No. 4 D 13