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Thermo-Prozessanlagen für die
Wärmebehandlung von
technischen Schüttgütern
Allgemeines
Schüttgüter begegnen uns tagtäglich
in mineralischer und nichtmineralischer
Form – von beispielsweise
Bergbau (Erz, Kohle) über Baustoffe
(Zement) bis hin zu Lebensmitteln
(Zucker, Kaffee, Getreide) und chemischen
oder pharmazeutischen
Produkten (Pigmente, Pillen). Die
Eigenschaften von Schüttgut werden
bestimmt und charakterisiert
durch die Korngröße, die Kornverteilung,
die Schüttdichte, den Schüttwinkel,
die Feuchtigkeit und die
Temperatur. Unter anderem diese
Parameter bestimmen das Fließverhalten
und die Rieselfähigkeit von
Schüttgütern, und damit wesentlich
die Prozess- und Verfahrenstechnik
bei der Verarbeitung dieser grob-,
fein- und feinstkörnigen Materialien.
Auch die Auslegung von Thermoprozessanlagen
für die Wärme -
behandlung von Schüttgütern ist
jeweils auf die charakteristischen
Eigenschaften der Materialien abgestimmt.
Typische Ofenanwendungen
kommen dabei aus den Bereichen
der Keramik-, Glas- und Bindemittelindustrie
sowie der chemischen
Industrie und umfassen pulvrige,
körnige sowie stückige und trockene
bzw. feuchte Gemenge.
Entsprechend der Vielzahl unterschiedlicher
Schüttgüter stehen für
deren funktionsgerechte mechanische
und thermische Behandlung
eine große Bandbreite an verschiedenen
Industrieöfen [1] mit unterschiedlicher
Fördertechnik als robuste
Produktionsanlagen zur Verfügung.
Nachfolgend sollen die we -
sentlichen Ofentypen zur Trocknung,
Entbinderung, Kalzinierung
und Sinterung von Schüttgütern bis
zu Anwendungstemperaturen von
1800 °C und unterschiedlichen At -
mosphären näher betrachtet werden.
Grundsätzlich wird dabei zwischen
periodisch und kontinuierlich
fördernden Ofenanlagen unterschieden.
Drehrohr- und Pendelöfen
Drehrohr- und Pendelöfen sind
dadurch gekennzeichnet, dass das
Schüttgut während der Wärmebehandlung
ständig bewegt wird. Die
Öfen werden kontinuierlich betrieben
und erlauben einen direkten
Transport des Schüttguts durch den
Ofen. Beim Drehrohr wird die Neigung
des Rohres in der Längsachse
und die Rotationsgeschwindigkeit
an das zu behandelnde Schüttgut
angepasst. Je nach Art der Beheizung
wird zwischen direkt und indirekt
beheizten Drehrohren unterschieden.
Indirekt beheizte Drehrohre werden
insbesondere eingesetzt, wenn das
zu behandelnde Gut u. a. zu starker
Staubbildung neigt, ein definiertes
Temperaturprofil durchlaufen oder
unter besonderen Prozessbedingungen,
wie z. B. Inert- oder Schutzatmosphäre,
behandelt werden muss.
Die Beheizung des Drehrohres er -
folgt dazu von außen mittels Brennern
oder elektrischen Heizungen.
Entsprechend den Prozessanforderungen
ist die Beheizung in mehrere
Regelgruppen über die Rohrlänge
unterteilt. Als Rohrmaterialien kommen
entsprechend den Prozessanforderungen
hinsichtlich maximaler
Temperaturen, Atmosphäre und
Schüttguteigenschaften metallische
Rohre bis 1150 °C zum Einsatz. Keramische
Drehrohre dienen dem
Schutz des Produktes vor Kontamination
und erlauben deutlich höhere
Temperaturen als metallische Rohre.
Allerdings sind keramische Rohre
in ihrer Geometrie bei der Herstellung
begrenzt. Speziell beim Einsatz
von Schutzgasen als Reaktivgas werden
auch Rohre aus Graphit eingesetzt.
In diesem Fall ist insbesondere
die Abdichtung des Drehrohres von
besonderer Bedeutung, um die Anlage
gegen Leckagen zu sichern und
den notwendigen Prozessgas-Volumenstrom
zu minimieren.
Merkmale von indirekt beheizten
Drehrohröfen sind:
Anwendungstemperatur:
650–1600 °C
Beheizung: elektrisch oder Brennstoff,
indirekt
Rohrwerkstoff: Stahl, Keramik,
Gra phit
Schutzgasbetrieb: oxidierend, in -
ert, reduzierend
Rohrabdichtung: mechanisch
dich tend, Sperrgas
Mechanische Einwirkung auf das
Produkt: hoch
Automatisierungsgrad: hoch, vollautomatische
Materialzu- und
-abfuhr möglich.
Eine weitere Ofenbauform stellen
innenbeheizte Drehrohranlagen dar,
die grundsätzlich ein mit feuerfester
Isolierung ausgekleidetes Drehrohr
bzw. Pendelrohr haben. Die Isolierung
dient zwar primär dem Wärmeschutz,
muss aber vielmehr auch
als Verschleißschutz bzw. als inerte
Schutzschicht zwischen Rohr und
Schüttgut ausgelegt sein. Drehrohre
von diesem Typ werden direkt stirnseitig
mit einem Brenner beheizt. In
der Regel werden die Brennergase
bzw. Rauchgase im Gegenstrom zur
Transportrichtung des Produktes ge -
führt. Beim innenbeheizten Drehrohrofen
gibt es zusätzlich noch eine
Sonderbauform, die durch eine pendelnde
Rohrbewegung charakterisiert
ist und daher als Pendelofen
bezeichnet wird. Die pendelnde
Rohrbewegung ermöglicht, dass
Brenner bzw. elektrische Heizelemente
über die Ofendecke des Pendelofens
in Ofenlängsrichtung angeordnet
werden können. Dadurch
kann eine gezielte Temperaturkurve
über die Ofenlängsachse eingestellt
Hartmut Weber, Andreas Hajduk,
Ralf Fink
Riedhammer GmbH, 90411 Nürnberg
E-Mail: mail@riedhammer.de
www.riedhammer.de
Technologie
Bild 1
Drehrohrofen
Typ DRI
(Werksfoto:
Riedhammer GmbH)
cfi/Ber. DKG 90 (2013) No. 4 D 11

Technologie
Bild 2 Tunnelofen
mit Plateauaufbau
zum Sintern von
Schüttgut
(Werksfoto:
Riedhammer
GmbH)
Bild 3 Plattenschubofen
(Werksfoto:
Riedhammer GmbH)
werden, was bei innenbeheizten
Drehrohren nicht möglich ist. Bild 1
zeigt einen Drehrohrofen vom Typ
DRI mit Brennerbeheizung und Temperaturerfassung
mittels Pyrometern.
Das Drehrohr ist auf einem
Tragrahmen montiert, um es im Neigungswinkel
optimal an das zu
trans portierende Schüttgut anpassen
zu können. Die Abdichtung des
Drehrohres wird beidseitig über
sogenannte Verschlusswagen realisiert,
die auch entsprechende Einrichtungen
zur Materialzu- und -ab -
fuhr aufweisen. Da Brennraum und
Wärmebehandlungsraum im Drehrohr
dieses Ofentyps eine Einheit bilden,
wird das Prozesstemperaturprofil
im Wesentlichen von der
gewählten Brennerkonfiguration
und der Brennerflammenform
bestimmt.
Merkmale von direkt beheizten
Drehrohröfen sind:
Anwendungstemperatur:
650–1600 °C
Beheizung: Brennstoff, direkt
Ofenatmosphäre: über den Brenner
einstellbar, oxidierend, inert,
reduzierend
Rohrabdichtung: mechanisch
dich tend, Sperrluft
Mechanische Einwirkung auf das
Produkt: hoch
Durchsatzleistung: mittel bis hoch,
produktabhängig
Automatisierungsgrad: hoch, op -
tional mit vollautomatischer Ma -
terialzu- und -abfuhr.
Bei Schüttgütern, die beispielsweise
durch die rotierende Fließbewegung
im Drehrohr zu starkem Abrieb neigen
oder während der Wärme -
behandlung zu „kleben“ beginnen,
kommen dann üblicherweise keine
Drehrohröfen zum Einsatz, sondern
Tunnelöfen.
Tunnelöfen
Tunnelöfen für die Thermoprozessbehandlung
von Schüttgütern werden
in unterschiedlichen Bauarten
industriell bis zu Brenntemperaturen
von 1800 °C eingesetzt. Typischerweise
erfolgt die Ofenbezeichnung
nach dem Prinzip der kontinuier -
lichen Förderung, beispielsweise mittels
Schubplatte, angetriebener Rollenbahn
oder Ofenwagen. Tunnelofenwagen
zum Transport von
Schüttgut durch Ofenanlagen kommen
immer dann zum Einsatz, wenn
große Durchsatzleistungen energieeffizient
realisiert werden müssen
und das Produkt Formkörper sind,
die keiner zusätzlichen mechanischen
Beanspruchung ausgesetzt
werden dürfen. Klassisch werden in
dieser Weise u. a. Schüttgutkatalysatoren
und keramische Mahlkugeln
gesintert. Bild 2 zeigt einen typischen
Wagenaufbau mit Plateau.
Dieses ist als „Kassette“ ausgebildet,
in welche die grünen Formkörper
eingefüllt und dann durch den Ofen
gefahren werden. Die seitlich am
Ofen angeordneten Brenner brennen
unter das Plateau und über das
Schüttgut. Dadurch kann das Schüttgut
sehr gezielt und gleichmäßig
wärmebehandelt werden. Insbesondere
wird bei temperaturkritischen
Schüttgütern ein „Totbrennen“ der
äußeren Bereiche vermieden, weil
die Temperaturgradienten in Abhängigkeit
von der Betthöhe gezielt
minimiert werden können. Tunnelöfen
mit Wagenförderung werden
heute überwiegend als automatische
Wärmebehandlungsanlagen mit in
den Wagenumlauf integrierten
Befüll- und Entleerungseinrichtungen
ausgelegt. Merkmale von Tunnelöfen
mit Wagenförderung sind:
Anwendungstemperatur: bis
1800 °C
Beheizung: Brennstoff, direkt
Ofenatmosphäre: über den Brenner
einstellbar, oxidierend, inert,
reduzierend
Mechanische Einwirkung auf das
Produkt: niedrig
Durchsatzleistung: hoch
Automatisierungsgrad: hoch, op -
tional mit vollautomatischer Wa -
gen be- und -entladung.
Tunnelöfen mit Schubplatten-Transport
sind für die Wärmebehandlung
von Schüttgütern immer dann erste
Wahl, wenn insbesondere lange
Ofenzyklen bei geringen Durchsätzen
oder reaktiven Ofenatmosphären
bei der Wärmebehandlung realisiert
werden müssen. Bild 3 zeigt
einen Tunnelofen mit Schubplattenförderung
zum Entbindern, Kalzinieren
und Sintern von keramischen
Pulvern in keramischen Kassetten bis
1650 °C. Die Ofenanlage wird unter
H 2/N 2-Schutzgas betrieben [2].
Durch die eingangs- und ausgangsseitigen
Schleusensysteme wird der
Schutzgasverbrauch minimiert. Die
Ofenatmosphäre wird in der Übergangszone
zwischen Hochtemperatur-Sinterzone
und Kühlzone in den
Ofen eingeleitet und unterstützt
damit sowohl die Kühlung als auch
die gastechnische Trennung beider
Zonen. Das Schüttgut wird in abgedeckten
Kassetten transportiert, die
auf die eigentlichen Schubplatten
aufgestapelt werden. Entsprechende
Befüll-, Reinigungs- und Entleerungseinrichtungen
der Kassetten
werden häufig in den Plattenumlauf
integriert. Plattenschuböfen werden
abhängig vom Wärmebehandlungsprozess
überwiegend mit elektrischer
Beheizung in Verbindung mit
inerten Ofenatmosphären ausgeführt,
wobei dann in der Regel keine
Gasdichtheit bzw. Schleusentechnik
gefordert ist.
Merkmale von Tunnelöfen mit
Schubplattenförderung sind:
Anwendungstemperatur: bis
1650 °C
Beheizung: elektrisch, Brennstoff
direkt
Ofenatmosphäre: Schutzgas, oder
über den Brenner einstellbar, oxidierend,
inert, reduzierend
Mechanische Einwirkung auf das
Produkt: niedrig
Durchsatzleistung: niedrig–mittel
Automatisierungsgrad: hoch, op -
tional mit vollautomatischer Be -
füll-, Entleerungs- und Reinigungseinrichtung.
Wenn Wärmebehandlungsprozess,
Produkt und Atmosphärenführung
es zulassen, dass auf die relativ
schweren Schubplatten verzichtet
werden kann, können Tunnelöfen
mit angetriebener Rollenbahn, sogenannte
Rollenöfen eingesetzt werden.
Diese Ofenbauart wird insbesondere
bei kurzen Brenn- bzw. Sinterzyklen
und großen Durchsatzleistungen
eingesetzt und zeichnet sich
durch sehr hohe Energieeffizienz aus
[3]. Das Schüttgut wird dazu in keramische
Schalen bzw. Tiegel gefüllt,
D 12 cfi/Ber. DKG 90 (2013) No. 4

die dann ein- bzw. mehrlagig über
die Rollenbahn durch den Ofen
transportiert werden. Abhängig vom
Schüttgewicht des Produktes und
der Tiegelgröße werden heute in der
Regel Nutzbreiten von mehr als 2 m
realisiert. Durch die einlagige Be -
triebs weise wird eine sehr hohe Temperaturgenauigkeit
über den Nutzquerschnitt
realisiert, was insbesondere
zu einer sehr gleichmäßigen
Produktqualität bei Oxidations- oder
Reduktionsprozessen führt. In gasdichter
Ausführung werden Rollenöfen
vor allem für Metallpulver-
Sinterprozesse unter N 2/H 2-Schutzatmosphären
eingesetzt.
Bild 4 zeigt einen Rollenofen mit
automatischer Umfahranlage für die
keramischen Tiegel bzw. Kassetten.
Durch die Weiterentwicklung der
keramischen Rollenwerkstoffe können
heute Wärmebehandlungsprozesse
bis zu 1650 °C im Rollenofen
realisiert werden. Außerdem können
flexible Fördersysteme durch entsprechende
Antriebsteilung und
Steuerung der Fördergeschwindigkeit
verwirklicht werden, die eine
vollständige verfahrenstechnische
Trennung der einzelnen Prozessschritte
erlauben.
Merkmale von Rollenöfen sind:
Anwendungstemperatur: bis
1650 °C
Beheizung: elektrisch, Brennstoff
direkt/indirekt
Ofenatmosphäre: Schutzgas, oder
über den Brenner einstellbar, oxidierend,
inert, reduzierend
Mechanische Einwirkung auf das
Produkt: niedrig
Durchsatzleistung: mittel–hoch
Automatisierungsgrad: hoch, op -
tional mit vollautomatischer Be -
füll-, Entleerungs- und Reinigungseinrichtung.
Periodische Öfen
Der große Vorteil periodischer Öfen
ist ihre Flexibilität. Der periodische
Ofen als Chargenofen kommt typischerweise
dort zum Einsatz, wo der
Bedarf an wechselnden Brenn- und
Atmosphärenkurven sowie daraus
folgend Brennzyklen infolge unterschiedlicher
Produkte erforderlich
ist. Das Brenngut und der isolierte
Ofenraum erfahren zusammen den
gesamten Wärmebehandlungsprozess.
Üblicherweise handelt es sich
bei diesen Öfen um keine Schutzgasöfen.
Sie werden direkt mit
Brennstoff mittels Brenner beheizt.
Die wichtigsten Ofentypen sind
Haubenofen, Elevatorofen, Kammerofen
und Herd wagenofen. Die Be-
zeichnung richtet sich in der Regel
nach der Art und Weise, wie das
Brenngut dem Ofen zugeführt wird.
Durch die Integra tion von Energierückgewinnungsmaßnahmen,insbesondere
zur Steigerung der Energieeffizienz,
ist es gelungen den traditionellen
Nachteil der periodischen
Ofentechnik gegenüber kontinuierlichen
Ofenanlagen deutlich zu
verringern. Dazu haben wesentlich
die Entwicklung der Brennersteuerung
und Regelungstechnik sowie
die Berechnungsprogramme zur
Simulation von Rauchgasströmungen
im Ofennutzraum beigetragen.
Für die Wärmebehandlung in Herdwagenöfen
stehen heute u. a. folgende
Technologien zur Verfügung:
Brenner mit Impulsfeuerung
Modulierende Brennersteuerung
Einzelbrennersteuerung
Rekuperatorbrenner-Technik
(Reko).
Darüber hinaus sind diese Ofenanlagen
in der Regel mit effizienten Wärmetauschern
zur Verbrennungsluftvorwärmung
und mit thermischer
bzw. katalytischer Nachverbrennungsanlage
ausgerüstet. Bild 5
zeigt einen Herdwagenofen zum
mehrlagigen Entbindern und Sintern
von Schüttgut und Pulvern in Tiegeln
bzw. Kassetten mit Reko-Brennertechnologie
und einem damit
um 40 % verminderten Energieverbrauch
gegenüber konventionell
ausgestatteten Herdwagenöfen.
Merk male von periodischen Öfen
(Herdwagenöfen) sind:
Anwendungstemperatur: bis
1800 °C
Beheizung: Brennstoff direkt
Ofenatmosphäre: über den Brenner
einstellbar, oxidierend, inert,
reduzierend
Mechanische Einwirkung auf das
Produkt: niedrig
Durchsatzleistung: mittel, zyklusabhängig
Automatisierungsgrad: hoch, op -
tional mit vollautomatischer Wagen
chargiereinrichtung.
Zusammenfassung
Für die Wärmebehandlung von
Schüttgütern müssen die Thermoprozessanlagen
auf die Eigenschaften
wie u. a. Fließverhalten, Rieselfähigkeit
und die mechanischen
Eigenschaften der Schüttgüter abgestimmt
werden. Darüber hinaus
bestimmen Temperaturkurve und
Brennzeit sowie Atmosphärenführung
den Prozessablauf. Damit er -
gibt sich ein komplexes und hochtechnisches
Anforderungsprofil.
Dem steht heute eine Vielzahl geeigneter
unterschiedlicher Thermoprozessanlagen
gegenüber. Brennversuche
an bestehenden Anlagen oder
die gezielte Entwicklung von Brenntechnik
im Technikum [3] ha ben sich
bewährt, um aus der Vielzahl möglicher
thermischer Behandlungsmethoden
die passende Thermoprozess-
und Anlagentechnik für die
energieeffiziente Wärmebehandlung
von Schüttgütern auswählen zu
können.
Literatur
[1] Becker, F.: Brennstoffbeheizte Kera -
mik öfen. Praxishandbuch Thermoprozesstechnik,
Bd. II, 2. Aufl., Essen
2011, 518 ff.
[2] Weber, H.: Einblicke in Riedhammer
Application Center (RAC) – Brennpunkte
der Ofen- und Prozessentwicklung
für Technische Keramik. cfi/Ber.
DKG 89 (2012) [3] D8–D10
[3] Weber, H.: Energieeffizienz in der keramischen
Industrie – Technische Entwicklungen
im Ofenbau. Prozesswärme
– Energieeffizienz in der industriellen
Thermoprozesstechnik. Sonderpublikationen
2011, 204 ff.
Technologie
Bild 4 Rollenofen zum einlagigen Sintern von Schüttgut und
Pulvern in Tiegeln (Werksfoto: Riedhammer GmbH)
Bild 5 Herdwagenofen mit Reko-Brennern
(Werksfoto: Riedhammer GmbH)
cfi/Ber. DKG 90 (2013) No. 4 D 13