Warmwalzwerk-Wärmebehandlungsöfen: Typen, Funktionen und industrielle Anwendungen

Wärmebehandlungsöfen (Reheating Furnaces) in Warmwalzwerken heizen Stahlvorband (Knüppel, Blöcke, Brammen) auf Walztemperaturen (~1.200 °C) für plastische Verformung. Der Heizprozess ist kontinuierlich: Vorband wird am Ofeneinlauf beschickt, im Ofen erhitzt, am Ofenauslauf ausgetragen. Wärmeübergang erfolgt hauptsächlich durch Konvektion und Strahlung aus Brennergasen und Ofenwänden (Abb. 1).

Beschicktemperatur: Umgebungstemperatur bis 800 °C. Zieltemperatur am Auslauf richtet sich nach Walzanforderungen (Walzgeschwindigkeit, Vorbandabmessung, Stahlzusammensetzung). Stahlqualitätsaspekte begrenzen Temperaturgradient und Oberflächentemperatur. Brennstoffe: fest, flüssig, gasförmig. Abb. 2: Schema Schubofen (Pusher Type).

Ofengröße: Kapazität in t/h (heißes Vorband aus kaltem Vorband). Energieeffizienz: Erhöhung Vorbandwärmeinhalt (10→1.200 °C) geteilt durch Brennstoffenergie (Heizwert + sensible Wärme). Typischer Längsschnitt Abb. 3.

Einflussfaktoren auf Energieeffizienz

Viele Designmerkmale beeinflussen Effizienz: (i) Brennertyp, (ii) Ofenabmessungen, (iii) Ofenzonenzahl, (iv) Wand-/Dachisolierung, (v) Kufendesign, (vi) Brennstoff-/Verbrennungsluftvorwärmung in Rekuperatoren durch heiße Abgase am Ofenauslauf. Effizienter Ofen: In gegebener Zeit Vorband laut Kapazität auf gleichmäßige Temperatur mit minimalem Brennstoff und Personal. Wichtige Designparameter: (i) einzubringende Wärmemenge, (ii) ausreichende Wärmeerzeugung im Ofen für Vorband + Verluste, (iii) Wärmeübergang auf Vorbandoberfläche, (iv) Temperaturausgleich im Vorband, (v) minimale Ofenwärmeverluste.

Betriebspraxis ebenso wichtig. Ideal: Nennlast, eine Stahlsorte, gleiche Zusammensetzung, gleichmäßige Abmessung. Realität: (i) Verschiedene Abmessungen/Zusammensetzungen/Anfangstemperaturen gleichzeitig im Ofen, (ii) Walzverzögerungen verlangsamen/stoppen Vorbandbewegung, (iii) Brennstoffzusammensetzung/Verfügbarkeit schwankt, (iv) Brenner/Ofeninneres degradieren.

Energieeffizienz oft als Sankey-Diagramm dargestellt. Abb. 4: Typisches Sankey-Diagramm für kalte Beschickung.

Klassifikation der Wärmebehandlungsöfen

Vier Klassifikationsweisen: (i) Heizverfahren, (ii) Beschickungsart, (iii) Vorbandbewegung im Ofen, (iv) Wärmerückgewinnung.

• Heizverfahren: Verbrennungsheizung (fest/flüssig/gasförmig) oder Elektrische Heizung
• Beschickung: Chargenofen (Batch) oder Durchlaufofen (Continuous). Chargenofen: Material fest auf Herd bis Zieltemperatur. Durchlaufofen: Material bewegt sich durch Ofen, wird beim Fortschreiten erhitzt.
• Vorbandbewegung (Durchlaufofen): Schubofen (Pusher), Dreherdofen (Rotary Hearth), Schreitbalkenofen (Walking Beam), Schreitherdofen (Walking Hearth), Walzenherdofen (Roller Hearth)
• Wärmerückgewinnung: Regenerativ (regenerative Brenner) oder Rekuperativ (Rekuperatoren für Abgaswärmerückgewinnung)

Ofentypen im Detail

Chargenofen (Batch Furnace)

Ältere Bauart, für alle Sorten/Größen. Be-/Entladung durch Fronttüren per Beschickmaschine. Größe: Herd <1 m² mit Einzeltür bis ~6 m Tiefe, ~15 m Länge, 5–6 Türen. Betriebstemperatur ~1.320 °C besser erreichbar als Durchlaufofen. Als Puffer für heißes Material direkt aus Primärwalzwerk für spätere Endbearbeitung nutzbar.

Nachteile: (i) Hohe Investition pro Produktionseinheit, (ii) Geringe Herdflächenausnutzung, (iii) Hohe Mannstunden pro t Erhitzungsgut, (iv) Praktisch keine Flexibilität, (v) Begrenzung Werkstücklänge.

Schubofen (Pusher Type Furnace)

Kaltes Vorband wird von Schiebern an Beschickseite vorwärts geschoben. Früher für Knüppel/kleinere Blöcke. Kurzer, längs zum Auslauf abfallender Herd für leichten Durchgang. Heute: längere Herde (25–30 m), Oberfeuerung oder Ober-/Unterfeuerung. Normal 3 Zonen: (i) Vorheizzone, (ii) Heizzone, (iii) Ausgleichzone (Soaking). Mehrzonenöfen (z. B. 5-Zonen-Brammenofen) realisiert.

Beschickung: Stirseitig oder Seitentür. Vorwärtsbewegung durch Schieben des zuletzt beschickten Stücks mit Schieber an Beschickseite. Bei jedem Schub wird ein erhitztes Stück am Auslauf ausgetragen: durch Schwerkraft durch Endtür auf Rollenbahn zum Walzwerk, durch Seitentür manuell/mechanisch, oder durch Endtür per mechanischem Extraktor.

Vorteile: (i) Hohe Produktion pro Kapitaleinsatz, (ii) Hohe Herdflächenausnutzung, (iii) Hohe spezifische Produktion pro Raum, (iv) Geringe Wartungskosten, (v) Einfaches Be-/Entladen, (vi) Geringe Temperaturdifferenzen zwischen Stücken, (vii) Gute Heizratensteuerung aller Temperaturniveaus, (viii) Allmählicher Temperaturanstieg erlaubt alle Sorten kalt zu beschicken, (ix) Für längere Werkstücke baubar → höhere Walzwerksausbeute.

Nachteile: (i) Querschnittsbegrenzung (Kontaktfläche muss quadratisch → kein Stapeln), (ii) Kaum Flexibilität für kleine Mengen/Dicken, (iii) Wasserkühlkufen-Wartung schwierig, (iv) Wasserkühlkufen → kältere Streifen auf erhitztem Vorband, (v) Max. Dicke 300–350 mm bei Wasserkühlkufen, (vi) Zunderaufbau auf Herd verursacht Probleme, Ofenentleerung am Schichtende teuer, (vii) Gemischte Größen ungünstig.

Dreherdofen (Rotary Hearth Furnace)

Für runde Knüppel in Rohrwalzwerken, kurze Blöcke/Knüppel in Schmiedereien. Fester Ofendach, feste Ofenwand, drehbarer kreisförmiger Herd (Abb. 5). Überdruck verhindert Kaltlufteintritt. Innen-/Außenwasserdichtung für Druckhaltung. Brenner an Außen-/Innenwand oder Dach. Außenwand: Be-/Entladetüren, Be-/Entladung per Maschinen. Gleichzeitig. Rundknüppel platziert → Herdboden dreht um Winkel. Radiale Bahnen, Einfach- oder Mehrfachreihen. Herd in Vorheiz-, Heiz-, Ausgleichzone. Keine Brenner in Vorheizzone. Rauchöffnung an Seitenwand nah Beladetür. Heißes Abgas strömt gegenläufig durch Dreherd, in Rauchfang/Schornstein, in Atmosphäre. Vorheizzone: Konvektionsheizung. Vorheizlänge ~1/4 Umfang. Ausgleichszone ~3/20 Umfang. Kein Knüppel/Brenner zwischen Be-/Entladetür. Trennwand in Mitte. Türabstand ~1/10 Umfang.

Vorband bewegt sich horizontal oder mäßig geneigt → kein Nachteil übermäßig geneigtem Herd (Schubofen). Bessere Heizratensteuerung aller Niveaus als Chargenofen. Nachteile: (i) Hohe Investition pro Produktion, (ii) Hoher Platzbedarf pro Einheit, (iii) Geringe Herdflächenausnutzung, (iv) Wandfeuerfest/Dichtungen auf Herdniveau wartungsintensiv.

Schreitbalkenofen (Walking Beam Furnace)

Früher: Legierungsstahl-Schreitbalken direkt Ofenhitze ausgesetzt, Hitzekorrosion → Max. 1.065 °C. Nicht für Erhitzung bis 1.320 °C geeignet. Heute: Wasserkühlstahl mit Feuerfestauskleidung (nur Feuerfest berührt Ofenhitze) oder wassergekühlte Rohrprofile mit Noppen (Abstand Heißmaterial zu Rohr). Heute für Knüppel, Blöcke, Brammen.

Zwei Balkensätze: Vorband ruht auf festen Balken. Zum Vorwärtsbewegen: bewegliche Balken heben Vorband, fahren voreingestellte Strecke, setzen auf nächsten Herdschritt. Bewegliche Balken kehren zurück. Abb. 6: Schreitbalkenmechanik.

Meist Stirn- oder Seitenbe-/entladung. Balken hydraulisch/mechanisch angetrieben. Querfeuerung (Seitenwandbrenner über/unter Material). Manche: Strahlungsdachbrenner oder Dach/Unterbrenner.

Vorteile: (i) Material trennbar → Vermeidung Anbacken (Sticker), (ii) Stapeln/Verweilzeit reduziert, (iii) Ofenentleerung von beiden Seiten per Balkenmechanik möglich, (iv) Keine Kufenstreifen (kein Linienkontakt Wasserkühlkufen), (v) Kaum Herdverschleiß/Materialschädigung (kein Reiben Material/Herd), (vi) Bessere Herdausnutzung bei gemischten Größen durch passende Balkenzahl, (vii) Potenzial Ofenverlängerung für bessere Abgasnutzung, geringeren Brennstoffverbrauch.

Nachteile: (i) Systemkomplexität, (ii) Hohe Investition, (iii) Hohe Wartung Herddichtungen/Herfeuerfest, (iv) Probleme durch Zunderabfall während Erhitzung.

Schreitherdofen (Walking Hearth Furnace)

Ähnlich Schreitbalkenofen bzgl. Vorbanddurchgang. Unterschied: Fördermethode. Vorband ruht auf festen Feuerfestpfeilern, die durch Herdöffnungen ragen, Spitzen über Herdoberfläche bei Stillstand. Ofengase zirkulieren zwischen Werkstückboden und Herd.

Vorwärtsbewegung: Herd hebt vertikal an → kontaktiert Material → hebt kurz über Pfeiler → fährt voreingestellte Strecke → stoppt → senkt Material auf neue Position auf Pfeiler → senkt weiter auf Tiefstposition → fährt zurück zur Startposition (Beschickseite). Vor-/Nachteile ähnlich Schreitbalkenofen. Abb. 7: Mechanik.

Walzenherdofen (Roller Hearth Furnace)

Vorteilhaft für sehr lange Knüppel/Blöcke/Brammen, wo Schub-/Schreitbalkenofen unpraktisch. Herd: wassergekühlte angetriebene Rollen, auf denen Vorband vorwärtsbewegt wird. Abb. 8: Querschnitt.

Vorteile: (i) Sehr lange Werkstücke handhabbar, (ii) Zonensteuerung simpler bei Querfeuerung, (iii) Kaum mechanische Materialschädigung, (iv) Keine Kufenstreifen, (v) Selbstentleerend.

Nachteile: (i) Hohe Investition pro Kapazität, (ii) Bei unzureichend isolierten Rollen: erhöhter Wärmeverlust durch Rollenkühlung, (iii) Schmaler/länger als Schub-/Schreitbalkenöfen gleicher Kapazität.

Allgemeine Themen bei Durchlauföfen

Einzonenfeuerung: höhere Zunderverluste. Einzonenfeuerung: höhere Entkarburisierungstendenz bei hochkohlenstoffhaltigem Stahl als Ober-/Unterfeuerung (längere Exposition H₂/H₂O-Gemisch in Ofengasen). Zunderbildung wird manchmal bewusst zur Entfernung entkarburisierter Oberflächenschicht genutzt. Oberfeuerung: längere Herde bei gleicher Produktion als Ober-/Unterfeuerung. Seitenauslauf: weniger Kaltlufteintritt am heißen Ende als Endtürauslauf. Endtürauslauf (Schwerkraft): Kamineffekt zieht Kaltluft am heißen Ende ein. Aber mechanisch simpler. Ebene Herd vermeidet Kamineffekt aufwärts geneigter Herde (zieht Kaltluft am heißen Ende → höherer Brennstoffverbrauch, Zunderverluste).