Düsen steigern Anlagenkapazität

Technik/Rohrherstellung

Eine neues Verfahren steigert die Effizienz von Rollenherd-Durchlauföfen nachhaltig um mindestens zehn Prozent: Die neu entwickelte Düsentechnologie von Linde ermöglicht die Wärmebehandlung geschweißter und kalt gezogener Stahlrohre bedeutend schneller oder auf einer kürzeren Strecke.

27. November 2012
Bisher wird die Kapazität einer Durchlaufofen-Anlage in der Regel durch die Kühlstrecke begrenzt.
Bild 1: Düsen steigern Anlagenkapazität (Bisher wird die Kapazität einer Durchlaufofen-Anlage in der Regel durch die Kühlstrecke begrenzt. )

Die Innovationen bei der Wärmebehandlung geschweißter oder kalt gezogener Rohre konzentrierten sich in den letzten Jahren vor allem auf die Heizzone. Ein Beispiel dafür ist Carbocat: Dieses patentierte Verfahren zur katalytischen Erzeugung eines Schutzgases innerhalb von Wärmebehandlungsöfen bietet beispielsweise eine leistungsfähige Alternative zum Einsatz von Exogas, Stickstoff-Methanol und Stickstoff-Erdgas beim Erhitzen. Entsprechend sind die Effizienzpotenziale hier aktuell weitgehend ausgereizt.

Bedeutung der Kühlstrecke für die Ofeneffizienz

Anders gesagt: Bisher wird die Kapazität einer Durchlaufofen-Anlage in der Regel durch die Kühlstrecke begrenzt. Um ein kalt verfestigtes Stahlrohr weichzuglühen oder zu normalisieren, muss das Werkstück während seiner Ofenreise auf eine Temperatur von bis zu 960 °C erhitzt werden. Die anschließende Abkühlung erfolgt in einer Kühlzone, die in etwa doppelt so lang wie die Heizzone ist. Die Wärme wird über Strahlung und natürliche Konvektion abgeführt. Kühlwasser in dem Doppelmantel dieser Strecke nimmt die Energie auf und gibt sie über einen externen Kühlturm wieder ab.

Abhängig von der jeweiligen Legierung soll der Übergang von heiß nach kalt allmählich oder eher abrupt sein. Für das leichte Handling der Rohre wird eine Austrittstemperatur von 60 bis 150 °C angestrebt.

Um den erreichten Gefügezustand beizubehalten, darf die Abkühlung wiederum nicht zu schnell erfolgen. Beim Austritt aus dem Ofen haben die Rohre je nach Wärmebehandlung noch eine Temperatur zwischen 800 °C und 930 °C. Entsprechend folgt auf die Erwärmungszone in der Regel die Kühlzone. Dort wird die Wärme über wassergekühlte Wände abgeführt. Bei einer Erwärmungszone von 25 Metern mit anschließender Kühlstrecke von 60 Metern zum Beispiel dauert der komplette Durchlauf je nach Rohrabmessung mehrere Stunden.

Häufig ist von der Auslegung einer Ofenanlage her oder speziell durch Einbau neuer Brennertechnologie die Kühlstrecke der Engpass für die Produktionskapazität. Vor diesem Hintergrund wird ihre enorme Bedeutung für die Ofeneffizienz deutlich. Gleichzeitig sind die Potenziale der Wasserkühlung im wesentlichen ausgereizt.

Andere Möglichkeiten wie der Einsatz von Ventilatoren über den gesamten Kühlstreckenbereich bergen durch Ansaugen von Umgebungsluft gewisse Risiken in Bezug auf Qualität und Sicherheit. Um die Abkühlung der Rohre bei gleichbleibender Qualität dennoch wirkungsvoll zu beschleunigen, setzte Linde deshalb an der Schutzgas-Atmosphäre an. Schutzgase werden im konventionellen Betrieb zur Vermeidung von Oxidationen sowie zur Beeinflussung des Randkohlenstoffgehaltes eingesetzt.

Bisherige Erkenntnisse zur Erhöhung des Kühleffektes

Beim Einsatz des Carbocat-Verfahrens wird das bislang im Ofenbereich eingespeiste Schutzgas im Rahmen eines Zonenbegasungskonzeptes zum größten Teil durch hochreinen Stickstoff ersetzt. Dieser wird hauptsächlich in die Kühlstrecke eingespeist; lediglich etwa 20 Prozent des Gesamtschutzgasbedarfs werden in der Heizzone des Ofens als Endogas mittels Spaltretorten erzeugt. Der Vorteil: Anders als ein herkömmliches Schutzgas braucht der Stickstoff im Ofen nicht energieintensiv erwärmt zu werden. Stattdessen wird er mit Raumtemperatur eingespeist und trägt selbst zur Abkühlung der Rohre bei, was die Leistung der Kühlstrecke verbessert. Das im Ofenraum erzeugte Endogas ist prozessbedingt bereits heiß und braucht nicht abgekühlt und wiedererwärmt zu werden. Im Ergebnis führt dies zur Steigerung der Effizienz des Gesamtsystems.

In einem zweiten Schritt entwickelte Linde ein Verfahren, in dem die Schutzgas-Atmosphäre ausgangs der Kühlstrecke abgesaugt, rückgeführt und über Verdichter wieder in den Prozess eingebracht wird. Der zusätzliche Kühleffekt geht in diesem Fall auf die verstärkte Gasströmung längs der Kühlstrecke zurück. Es gilt: je schneller die Strömung, desto stärker die Kühlwirkung.

Neue Lösung mit Carbojet-Düsen

Bei der Entwicklung der jetzt vorgestellten neuen Lösung standen deshalb vor allem zwei Ziele im Fokus: hohe Strömungsgeschwindigkeiten bei konstanter Atmosphären-Qualität und ein optimales Zirkulationsverhalten. Möglich wird dies durch eine völlig neuartige Anordnung spezieller Düsen: Sie sitzen rechts und links in den Seitenwänden oder den Decken der Kühlstrecke. Die so erzeugten Querströmungen vermeiden einen Wärmestau an der Tunneldecke.

Darüber hinaus entwickelt sich zwischen den gegenüberliegenden Austrittskegeln eine zusätzliche Saugwirkung, die für eine gleichmäßige Gasbewegung im gesamten Raum der Kühlzone sorgt. Einseitige Abkühlung und damit Verzug der Rohre wird so verhindert.

Gegenüber anderen Verfahren bietet diese neue Lösung darüber hinaus den Vorteil, dass keine bewegten Teile mehr nötig sind, was zu weniger Verschleiß und Wartungskosten im gesamten Prozess führt. Im Ofeninneren entstehen zudem durch die weit gefächerte Anordnung der Carbojet-Düsen keine starken Unterdrücke wie bei früher verwendeten, so genannten ›Jetkühlern‹, das heißt: die Gefahr möglicher Leckagen wird minimiert und so ist die Sicherheit und die Qualität der Atmosphäre jederzeit gewährleistet.

Die Technologie kann ohne großen Installationsaufwand und somit auch ohne nennenswerten Produktionsausfall in vorhandene Rollenherd-Durchlauföfen eingebaut werden. Die Herausforderung liegt vielmehr in der komplexen Berechnung der Düsenpositionen. Stehen diese fest, wird an den entsprechenden Stellen für jede einzelne Düse ein Loch in einen unkritischen Bereich der Kühlstrecke gebohrt. Die Lanze mit der Düse wird dann gasdicht eingepasst.

Das System ist universell bei jeder Schutzgasart einsetzbar. Geeignet ist es sowohl für den Betrieb mit reinem Stickstoff als auch mit einer Kombination mit Exo- oder Monogas und Wasserstoff. Auch eine Kombination mit dem Carbocat-Verfahren zur katalytischen Erzeugung von Schutzgas ist möglich.

Deutliche Kapazitätssteigerungen

Die Gasmengen bleiben mit dem neuen System gegenüber dem konventionellen Betrieb unverändert. Durch die wesentlich höhere Kühlwirkung ergeben sich jedoch deutliche Kapazitätssteigerungen. Das bedeutet konkret: Entweder der Kühlprozess bis zum Erreichen der bisherigen Temperatur am Ausgang läuft erheblich schneller ab oder die Austritts-Temperatur der Rohre ist bei gleicher Durchlaufzeit niedriger.

Eine seit knapp zwei Jahren laufende Installation bei dem Kunden ?eleziarne Podbrezová a.s. in der Slowakei hat die hohen Erwartungen laut Linde voll bestätigt.

Nach den bisherigen Erfahrungen von Linde liegen die Effizienzsteigerungen durch das neue Verfahren bei mindestens zehn Prozent. Durch einfache Umbauten lässt sich dieser Wert verdoppeln, vorausgesetzt die Heizkapazität lässt dies zu. Abhängig von den Rohrdimensionen und der Legierung hat Linde in Einzelfällen auch schon 30 Prozent realisiert.

Legt man zur Berechnung der Wirtschaftlichkeit einen Maschinenstundensatz von beispielsweise 500 Euro bei einer Stundenleistung von vier Tonnen zugrunde, ließen sich mit dem neuen Linde-Verfahren in derselben Zeit – und damit zum nahezu unveränderten Stundensatz – mindestens 4,4 Tonnen produzieren. Lediglich die Mehrmenge an Energie zur Erwärmung des Materials wäre zu berücksichtigen. Ein weiterer Effekt dabei: Der CO2-Ausstoß pro Tonne sinkt. Und neue Rollenherd-Durchlauföfen können kleiner – und damit platz- und materialsparender – dimensioniert werden.

Hintergrund

›The Linde Group‹ ist ein weltweit führendes Gase- und Engineeringunternehmen, das mit rund 50500 Mitarbeitern in mehr als 100 Ländern vertreten ist und im Geschäftsjahr 2011 einen Umsatz von 13,787 Mrd. € erzielt hat. Linde entwickelt Technologien und Produkte, die Kundennutzen mit einem Beitrag zur nachhaltigen Entwicklung verbinden sollen.

Erschienen in Ausgabe: 07/2012