Klassifizierung und Inventarisierung gängiger Industrieöfen in der Pulverindustrie

Unter Industrieöfen versteht man thermische Anlagen, die die bei der Verbrennung von Brennstoffen oder der Umwandlung elektrischer Energie in der industriellen Produktion erzeugte Wärme nutzen, um Materialien oder Werkstücke zu schmelzen, zu schmelzen, zu backen (kalzinieren), zu erhitzen, zu retortieren, zu vergasen usw. Es gibt viele Arten von Industrieöfen mit unterschiedlichen Einsatzmöglichkeiten. In der Metallurgie, der chemischen Industrie, der Nichteisenmetallindustrie, der Baustoffindustrie, dem Maschinenbau, der Leichtindustrie, der Hochleistungskeramik und anderen Branchen werden unterschiedliche Industrieöfen für unterschiedliche industrielle Zwecke eingesetzt. Normalerweise weist ein bestimmter Ofen mehr als eine Eigenschaft auf. Daher verfügt derselbe Ofen über unterschiedliche Klassifizierungspunkte und mehrere Klassifizierungsmethoden und Benennungsmethoden. Beispielsweise ist ein Durchlaufsinterofen sowohl ein Sinterofen als auch ein Durchlaufofen.

Zu den üblichen Wärmequellen in Industrieöfen gehören feste Brennstoffe, flüssige Brennstoffe, gasförmige Brennstoffe und die Umwandlung elektrischer Energie. Diese Wärmequellen lassen sich während ihrer Entstehung im Allgemeinen in zwei Kategorien einteilen: solche, die in Flammenform vorliegen, und solche, die in Nichtflammenform vorliegen. Basierend auf der Wärmequelle können Öfen daher in zwei Typen eingeteilt werden: Flammöfen und Elektroöfen.

1. Flammenöfen

Ein Ofen, der die Flamme der Brennstoffverbrennung als Wärmequelle nutzt, wird Flammenofen genannt. Die Flamme im Inneren des Ofens kann zum Erhitzen direkt mit dem Material in Kontakt kommen, wobei die Temperaturen im Allgemeinen unter 2000 Grad liegen. Während der Verbrennung strahlt die Ofenwand Wärme ab und reflektiert teilweise die projizierte Wärme, was eine entscheidende Rolle beim Wärmeaustausch spielt. Um jedoch eine Oxidation des Materials (Werkstücks) zu verhindern, muss die Flamme manchmal vom Material getrennt werden, wobei die Wärme der Flamme indirekt über eine Trennwand auf das Material übertragen wird. Flammenöfen können sowohl zum Erhitzen als auch zum Schmelzen von Materialien verwendet werden.

Ein Hochtemperatur-Flammofen ist eine Art Flammenofen, der aus drei Teilen besteht: dem Ofenkörper (rund oder rechteckig), der Verbrennungsausrüstung und der Belüftungsausrüstung. Im Betrieb wird Brennstoff auf den Rost der Brennkammer gegeben, Luft wird in die Aschegrube eingeleitet, strömt durch den Rost und verbrennt mit dem Kohlebett. Die Flamme und die Verbrennungsprodukte werden aus den durch die Feuerleitwand und die Ofenwände gebildeten Düsen zur Oberseite des Ofens ausgestoßen, dann nach unten zum Boden reflektiert und über die Ansauglöcher, die Abzweigkanäle und den Hauptkanal in den Rauchabzug abgegeben. Während die Flamme über die Produkte strömt, wird ihre Wärme durch Konvektion und Strahlung auf die Produkte übertragen.

Flammenöfen zeichnen sich durch schnelles Schmelzen und hohe Leistung aus, weisen jedoch auch einen geringen thermischen Wirkungsgrad und eine Umweltverschmutzung durch Abgase auf.

Daher sollte der Einsatz von Flammöfen Folgendes gewährleisten:

(1) vollständige Verbrennung des Brennstoffs unter bestimmten Wärmelastbedingungen;

(2) stabiler Verbrennungsprozess, der den Ofen kontinuierlich mit Wärme versorgen kann;

Derzeit werden Flammenöfen häufig in der traditionellen Keramik, Industriekeramik, Glasprodukten, feuerfesten Materialien, beim Sintern neuer Materialien und bei der Wärmebehandlung von Metallen eingesetzt.

2. Elektroöfen

Elektroöfen wandeln elektrische Energie im Allgemeinen durch elektrische Heizelemente in Wärmeenergie um. Basierend auf der Methode der Stromerzeugung können sie weiter in fünf Kategorien unterteilt werden: Widerstandsöfen, Induktionsöfen, Lichtbogenöfen, Elektronenstrahlöfen und Ionenöfen. Da es keine Kraftstoffverbrennung gibt, sind keine Lüftungsgeräte wie Zu- und Abluftsysteme erforderlich. Ihre Struktur ist einfach, sie nehmen eine kleine Fläche ein und die Produkte im Ofen werden nicht durch Rauchgas oder Asche beeinträchtigt. Elektroöfen können auch Temperaturen über 2000 Grad erreichen, was mit Flammöfen nur schwer zu erreichen ist. Auch Temperatur und Atmosphäre lassen sich leichter präzise steuern und überwachen, was zu qualitativ hochwertigen gebrannten Produkten führt. Sie werden häufig zur Herstellung und Verarbeitung hochwertiger Spezialmaterialien eingesetzt, beispielsweise künstlicher Graphit-Anodenmaterialien für Lithium-Ionen-Batterien.

Um jedoch eine gleichmäßige Temperaturverteilung über den Ofenquerschnitt zu gewährleisten, ist die Querschnittsgröße normalerweise begrenzt. Daher eignen sich Elektroöfen nicht zum Brennen großer, dickwandiger Produkte und ihre Leistung ist relativ gering. Darüber hinaus ist die elektrische Hilfsausrüstung von Elektroöfen komplexer und der Verbrauch an elektrischen Heizelementen höher, was zu höheren Ausrüstungs- und Betriebskosten führt.

Industrieöfen sind unverzichtbare thermische Geräte in Branchen wie Metallurgie, Chemie, Baustoffe, Keramik, Glas, Elektronik und Lebensmittel. Nach Industrieverfahren klassifiziert, können sie in Sinteröfen, Entbinderöfen, Kalzinierungsöfen, Trockenöfen, Graphitierungsöfen und Vulkanisationsöfen eingeteilt werden. In der Hochleistungskeramikindustrie werden Entbinderöfen und Sinteröfen häufig als thermische Ausrüstung im Produktionsprozess eingesetzt.

1. Entbinderungsofen

Neue Keramiken enthalten beim Formen oft eine erhebliche Menge organischer Bindemittel und Weichmacher, wie Paraffinwachs beim Heißpressguss und Polyvinylalkohol beim Walzen- und Bandguss, was zu einer hohen inneren Porosität führt. Durch das direkte Sintern schmilzt, zersetzt und verflüchtigt sich eine große Menge organischer Stoffe im Keramikkörper, was zu Verformungen, Rissen und Verklebungen des Körpers führt und die Ausbeute und Wärmeleitfähigkeit des Substrats beeinträchtigt. Darüber hinaus wirkt sich der hohe Kohlenstoffgehalt dieser organischen Materialien negativ auf die Sinterqualität aus, wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, um eine reduzierende Atmosphäre zu erzeugen. Daher wird der Keramikkörper vor dem Brennen typischerweise in einen Entbinderungsofen gelegt und bei einer niedrigeren Temperatur als beim Sintern gebrannt, um die organische Substanz zu entfernen und sicherzustellen, dass das Produkt den Anforderungen an Form, Größe und Qualität entspricht.

2. Sinterofen

Der entbinderte Keramikgrünkörper kann in einem Sinterofen gesintert werden. Im Sinterofen kommt es aufgrund der hohen Temperatur zu einer Verbindung der Feststoffpartikel des keramischen Grünkörpers. Die Körner wachsen, die Porosität und die Korngrenzen nehmen allmählich ab, und durch den Stofftransfer schrumpft das Gesamtvolumen, die Dichte nimmt zu und schließlich entsteht ein dichter polykristalliner Sinterkörper mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften.

Während des Sinterprozesses sind Sintertemperatur und Sinterzeit die wichtigsten Faktoren, die das Sintern von Keramik beeinflussen. Sie bestimmen maßgeblich die Größe und Verteilung der Körner in der Keramik. Die Sinteratmosphäre und der Sinterdruck im Ofen können die Anzahl der Poren im Inneren der Keramik und damit den Verdichtungsgrad beeinflussen. Daher sollten diese Parameter im Sinterofen während des Sinterns genau kontrolliert und überwacht werden, um sicherzustellen, dass das Sinterprodukt keine Risse oder Verformungen aufweist.

Zusätzlich zu Öfen, die Entbinderungs- und Sinterprozesse separat durchführen, können häufig integrierte Öfen mit voreingestellten Temperaturprofilen verwendet werden, um den Anforderungen einer integrierten Produktion mehrerer Prozesse gerecht zu werden.

Im Produktherstellungsprozess arbeiten Industrieöfen hauptsächlich in zwei Modi: kontinuierlich und intermittierend (oder periodisch).

1. Intermittierende Öfen
Charakteristisch für intermittierende Öfen ist, dass der Ofenraum nicht in Temperaturzonen unterteilt ist. Materialien werden manuell in Chargen zum Erhitzen oder Schmelzen in den Ofen geladen. Nachdem der Erhitzungs- oder Schmelzvorgang im Ofen abgeschlossen ist, werden die Materialien schubweise manuell entladen. Die Ofenladung bewegt sich nicht innerhalb des Ofens und die Ofentemperatur ändert sich mit der Zeit. Zu den gebräuchlichen Typen gehören Grubenöfen, Kastenöfen, Haubenöfen und Herdwagenöfen.

① Haubenofen
Ein Haubenofen besteht im Allgemeinen aus einer Glasglocke, einem Sockel und einer Hebekonstruktion. Das Heizelement ist an der Innenwand des Ofengefäßes installiert. Seine Besonderheit besteht darin, dass die Glasglocke nach dem Brennen und Abkühlen des Rohlings auf eine bestimmte Temperatur schnell auf einen anderen Sockel übertragen werden kann, um mit dem Brennen des Rohlings in einem anderen Ofen zu beginnen. Daher eignet es sich sehr gut zum Sintern von Bauteilen, die bei Bewegung leicht beschädigt werden. Im Allgemeinen weist es eine gute Dichtungsleistung, eine stabile und gleichmäßige Temperatur und Atmosphäre im Ofen, einen geringen Wärmeverlust und einen hohen thermischen Wirkungsgrad auf.

② Kastenofen

Wie der Name schon sagt, ähnelt ein Kastenofen in seiner Form einem Kasten, wobei die Heizelemente entlang der Innenwand der Ofenkammer verteilt sind. Bei der Herstellung werden die Rohlinge auf eine Auflageplatte gelegt und dann gemeinsam in der Mitte der Ofenkammer gebrannt. Nachdem eine Charge Rohlinge gebrannt ist, werden sie aus dem Ofen entnommen, damit die nächste Charge geladen und gebrannt werden kann. Kastenöfen sind vielseitig einsetzbar und eignen sich für die Wärmebehandlung von Einzelstücken und Kleinserien unterschiedlicher Form. Aufgrund der schlechten Abdichtung der Ofenöffnung und -tür kommt es jedoch zu erheblichen Wärmeverlusten, was zu einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung führt. Die Temperatur in der Nähe der Ofentür ist niedriger als die Temperatur in der Mitte der Ofenkammer, sodass der Ofen normalerweise nicht mit voller Kapazität betrieben werden kann, was zu einer geringen Produktionseffizienz führt. Dies kann durch das Anbringen von Heizelementen an der Ofentür oder den Einbau eines Ventilators behoben werden.

③ Grubenofen

Die meisten Tieföfen haben eine kreisförmige Struktur und Werkstücke werden zum Erhitzen mithilfe von Spezialkränen oder anderen Werkzeugen vertikal in den Ofen geladen. Der Ofenkörper besteht aus feuerfesten Hochtemperaturfasern, was den Wärmeverlust reduziert und Energie spart. Sein thermischer Wirkungsgrad und seine Dichtungsleistung sind höher als bei Kastenöfen, er ist jedoch nicht so bequem zu bedienen und zu warten.

④ Herdwagenofen

Die Struktur des Herdwagenofens ähnelt einer Streichholzschachtel. Während des Betriebs werden die zu brennenden Rohlinge von Ofenwagen in den Ofen geschoben. Nach dem Abfeuern werden sie in die entgegengesetzte Richtung herausgezogen, um die abgefeuerten Rohlinge zu entladen. Da sich die Ofenwagen innerhalb des Ofens wie ein Shuttle hin und her bewegen, wird er Herdeofen genannt. Durch die einzigartige Struktur des Herdwagenofens eignet er sich gut-für die Produktion von Kleinserien- mit mehreren-Sorten und bietet große Flexibilität bei den Produktionsmethoden und der Zeitplanung. Darüber hinaus können das Beladen, Entladen und teilweise Abkühlen der fertigen Produkte außerhalb des Ofens durchgeführt werden, was die Arbeitsbedingungen verbessert und die Durchlaufzeit des Ofens verkürzt. Aufgrund der ständigen Ein- und Ausfahrt der Ofenwagen kommt es jedoch zu erheblichen Wärmespeicher- und -ableitungsverlusten, die zu hohen Rauchgastemperaturen und einem hohen Wärmeverbrauch führen. Dieser Nachteil wird normalerweise durch den Einbau einer Abwärmerückgewinnungseinrichtung gemildert.

2. Durchlauföfen

In einem Durchlaufofen bleibt die Temperatur an verschiedenen Stellen im Ofen über die Zeit relativ konstant. Der Grünkörper durchläuft nacheinander mit kontrollierter Geschwindigkeit die Vorheiz-, Hochtemperatur- und Abkühlabschnitte des Ofens und vervollständigt so den Sinterprozess. Dieser Sinterofentyp ermöglicht ein unterbrechungsfreies kontinuierliches Sintern, ist sehr einfach zu bedienen und verfügt über einen hohen thermischen Wirkungsgrad, was zu großen Produktionsmengen und einer gleichmäßigen Produktqualität führt. Es erfordert jedoch erhebliche Investitionen und sein thermisches Regime lässt sich nicht leicht anpassen, sodass es hauptsächlich für Produkte mit hoher Leistung und einer relativ begrenzten Produktvielfalt verwendet wird. Zu den gängigen Durchlauföfen in der Pulverindustrie gehören Tunnelöfen und Rollenöfen.

① Tunnelofen

Die Struktur eines Tunnelofens ähnelt einem langen, geraden Tunnel, wobei die Wagen auf Schienen laufen, die am Boden des Tunnels verlegt sind. Die Verbrennungsanlage befindet sich in der Mitte des Tunnelofens und bildet die Hochtemperatur-Brennzone. An der Vorderseite des Ofens ist ein Saugzugventilator oder Schornstein installiert, um das Rauchgas mit hoher -Temperatur von der Brennzone zum Ofenkopf zu leiten und den zu brennenden Grünkörper vorzuwärmen, wodurch die Vorwärmzone entsteht. Am Ofenende wird typischerweise kalte Luft eingeblasen, um die gebrannten Produkte abzukühlen und so die Kühlzone zu bilden. Da der Großteil der Abwärme des Hochtemperatur-Rauchgases in der Brennzone genutzt werden kann, ist er energieeffizienter als intermittierende Öfen. Allerdings geht immer noch etwas Wärme verloren, da am Ofenende eine Kühlung erforderlich ist.

② Rollenofen

Bei einem Rollenofen wird das Produkt direkt oder indirekt auf eng beieinander liegende Rollen gelegt. Jede Rolle wird von einer Kette über ein Kettenrad an ihrem Ende angetrieben, wodurch die Rollen kontinuierlich rotieren. Durch die Rotation der Rollen wird das Produkt vom Ofenkopf zum Ofenende transportiert. Da der Temperaturunterschied beim Vorwärmen, Brennen und Abkühlen äußerst gering ist, ist die Produktionszeit sehr kurz. Darüber hinaus weisen Rollenöfen eine wesentlich bessere Luftdichtheit als Tunnelöfen auf, was zu einer besseren Energieeffizienz führt. Allerdings gibt es auch einen Nachteil: Für das Brennen von Produkten mit hoher-Temperaturreduktion sind hochwertige-Walzen erforderlich. Im Allgemeinen werden Siliziumkarbidwalzen verwendet, die das Brennen von Hochtemperatur-Keramikprodukten bis zu 1350 Grad effektiv bewältigen.

③ Schubofen

Der Boden eines Schubofens ist mit präzise verlegten Laufschienen aus stabilen Feuerfeststeinen gepflastert. Ein Schiebemechanismus schiebt feuerfeste Platten mit den Keramikrohlingen in den Ofen und durchläuft dabei nacheinander die Vorheizzone, die Brennzone und die Kühlzone. Um die Reibung zu verringern, können manchmal Keramikkugeln unter die feuerfesten Platten gelegt werden. Da die Prinzipien und Vorteile von Schuböfen denen von Rollenöfen ähneln, sind Schuböfen durch die Schubkapazität der feuerfesten Platten begrenzt und im Allgemeinen nicht sehr lang, sie sind nur wenige bis zwanzig Meter lang. Sie werden im Allgemeinen zum Brennen von Hochtemperaturpulver oder Spezialkeramik verwendet und ihre tägliche Leistung ist nicht groß.

Mit dem technologischen Fortschritt und der kontinuierlichen Umsetzung von Umweltschutzrichtlinien entwickeln sich Industrieöfen von Low-{0}}- zu High-End-Modellen. Sie zeichneten sich von geringer Leistung und Qualität, hohem Brennstoffverbrauch, hoher Arbeitsintensität, niedrigen Brenntemperaturen und der Unfähigkeit, die Atmosphäre zu kontrollieren, bis hin zu höherer Leistung und Qualität, geringerem Brennstoffverbrauch, höheren Brenntemperaturen, kontrollierbarer Atmosphäre sowie Mechanisierung und Automatisierung aus. Neben den oben genannten Klassifizierungen können Öfen auch nach Temperatur (hohe-Temperatur, mittlere-Temperatur und niedrige-Temperatur) und nach Arbeitssystem (radiale, Konvektions- und geschichtete Arbeitssysteme) kategorisiert werden. Produktionsunternehmen können geeignete Industrieöfen basierend auf den spezifischen Anforderungen ihres Produkts hinsichtlich Verarbeitungstechnologie, Atmosphäre und Leistung auswählen, um die Produktionseffizienz und Produktqualität zu verbessern.