Bogie Hearth-ovenverbrandingssystemen: stralingsbuizen, branders en recirculatie
Een bogie-haardoven is een warmtebehandelingsvat, geen verbrandingskamer. De verbranding vindt plaats in stralingsbuizen of achter vuurvaste wanden, en de warmte bereikt het werkstuk door straling, convectie of een combinatie hiervan. De keuze van het verbrandingssysteem bepaalt de atmosfeer in de oven, de temperatuuruniformiteit, het energierendement en de onderhoudskosten. Een verkeerde keuze leidt tot een mislukte warmtebehandeling – ontkoling, aanslag en ongelijkmatige hardheid. Een juiste keuze zorgt voor een betrouwbare werking gedurende tientallen jaren.
Zo werkt het verbrandingssysteem in de praktijk.
Begin met de stralingsbuis.
Een stralingsbuis is een afgesloten metalen of keramische buis waarin het verbrandingsproces plaatsvindt. De brander ontsteekt in de buis, de hete verbrandingsgassen stromen door de buis en de buis straalt warmte uit naar de ovenkamer. Het werkstuk komt nooit direct in contact met de verbrandingsgassen. De atmosfeer in de ovenkamer wordt apart geregeld – meestal door een beschermgas zoals stikstof toe te voeren of door een lichte overdruk te handhaven om lucht buiten te houden.
Stralingsbuizen worden gemaakt van drie hoofdbestanddelen.
Gegoten legeringsbuizen - meestal HK40 (25 procent chroom, 20 procent nikkel, rest ijzer) of HU (18 procent chroom, 38 procent nikkel, rest ijzer) - kunnen temperaturen tot 1050 graden Celsius in continu bedrijf verdragen. Ze zijn zwaar, duur en hebben een beperkte levensduur (doorgaans 5 tot 10 jaar in een goed functionerende oven). Gegoten legeringsbuizen zijn de werkpaarden van de warmtebehandelingsindustrie.
Keramische buizen – meestal van siliciumcarbide (SiC) of aluminiumoxide – zijn bestand tegen hogere temperaturen (tot 1250 °C voor SiC, 1400 °C voor sommige soorten aluminiumoxide). Ze zijn lichter en thermisch efficiënter dan buizen van gegoten legering, maar ze zijn ook kwetsbaarder en duurder. Keramische buizen worden gebruikt in ovens met hoge temperaturen (boven 1050 °C) en in toepassingen waar het gewicht van de buis een probleem vormt (grote buizen, montage aan het plafond).
Metalen buizen - meestal Inconel 600 of 601 - worden gebruikt in ovens met lagere temperaturen (onder 950 graden Celsius) of in toepassingen waar de buis recht is en de bedrijfsomstandigheden mild zijn. Metalen buizen zijn de goedkoopste optie, maar hebben de kortste levensduur bij hoge temperaturen.
De buisgeometrie is afhankelijk van de ovenindeling.
Rechte buizen – doorgaans 1,5 tot 3 meter lang en 100 tot 200 mm in diameter – zijn het eenvoudigste ontwerp. De brander ontsteekt aan het ene uiteinde, de uitlaatgassen verlaten het systeem aan het andere uiteinde en de buis straalt warmte uit over de gehele lengte. Rechte buizen zijn geschikt voor kleine tot middelgrote ovens.
U-vormige of W-vormige buizen – doorgaans 2 tot 4 meter lang, met één of twee bochten – maken het mogelijk om meer buislengte te realiseren in een kleinere ruimte. De brander ontsteekt aan het ene uiteinde, de uitlaatgassen verlaten het systeem aan hetzelfde uiteinde en de buis buigt terug. U-vormige buizen worden veel gebruikt in grotere ovens.
Het ontwerp van de brander is de tweede belangrijke variabele.
Atmosferische branders – de eenvoudigste en goedkoopste optie – mengen lucht en gas bij de brander en ontsteken dit in de buis. De lucht komt van een lagedrukventilator. Het gas is meestal aardgas of propaan. Atmosferische branders zijn eenvoudig, betrouwbaar en gemakkelijk te onderhouden. Ze zijn echter ook het minst efficiënt – met een thermisch rendement van doorgaans 50 tot 60 procent – en ze produceren de meeste NOx.
Krachtbranders – de moderne standaard – gebruiken een ventilator met geforceerde luchtstroom of een gasdruksysteem om de lucht en het gas met een hogere snelheid door de brander te persen. Krachtbranders hebben een rendement van 70 tot 85 procent op de buis en produceren minder NOx. De vlam is stabieler, het regelbereik (het bereik van de verbrandingssnelheden) is groter en de regeling is nauwkeuriger.
Recuperatieve branders – een geavanceerder ontwerp – verwarmen de verbrandingslucht voor met behulp van de restwarmte uit de rookgassen. Een metalen of keramische warmtewisselaar in de branderbehuizing draagt warmte over van de uitlaatgassen naar de aangevoerde lucht. De verbrandingslucht kan worden voorverwarmd tot 400 tot 600 graden Celsius, wat het brandstofverbruik met 20 tot 30 procent verlaagt. Recuperatieve branders zijn duurder dan conventionele branders, maar de brandstofbesparing betaalt de meerprijs binnen 1 tot 3 jaar terug bij een hoogbenuttingsinstallatie.
Regeneratieve branders – het meest geavanceerde ontwerp – maken gebruik van twee branderbedden die afwisselend branden en de uitlaatgassen afvoeren. Elk bed heeft een keramische regenerator die warmte uit de uitlaatgassen absorbeert en deze vervolgens overdraagt aan de inkomende lucht. De verbrandingslucht kan worden voorverwarmd tot 800 tot 1000 graden Celsius, wat een brandstofbesparing van 40 tot 50 procent oplevert. Regeneratieve branders zijn de meest efficiënte optie, maar ook de duurste en meest onderhoudsintensieve. Ze worden gebruikt in grote continue ovens (duwer, loopbalk, roterende haard) maar zelden in bogie-haardovens, omdat de stookcyclus te kort is om de kosten van de regenerator terug te verdienen.
De regelverhouding is belangrijk voor batchverwerking.
Een bogie-haardoven werkt met een breed scala aan stooksnelheden tijdens het stookproces. De brander brandt op een hoge snelheid tijdens het opwarmen (om de lading van koud naar temperatuur te brengen) en schakelt vervolgens over naar een lage snelheid tijdens het vasthouden van de temperatuur (om deze te handhaven). De regelverhouding van de brander is de verhouding tussen de maximale en minimale stooksnelheid. Een regelverhouding van 10:1 is standaard. Een regelverhouding van 20:1 of 30:1 is beter, met name voor dikke secties die een lange periode op een lage stooksnelheid nodig hebben.
Een slechte regelbaarheid dwingt de gebruiker om de brander herhaaldelijk aan en uit te schakelen bij een laag vuur, wat temperatuurschommelingen veroorzaakt, de slijtage van de brander verhoogt en energie verspilt. Een goede regelbaarheid zorgt ervoor dat de brander soepel kan moduleren over het volledige werkingsbereik.
Recirculatie is het derde belangrijke systeem.
Een bogie-haardoven vereist een gelijkmatige temperatuur in de hele verbrandingskamer. De stralingsbuizen verwarmen het gas nabij de wanden en het plafond, maar het gas in het midden van de kamer, waar het werkstuk zich bevindt, kan 30 tot 50 graden Celsius koeler zijn dan in de buurt van de buizen. Recirculatieventilatoren of -jets mengen het hete gas van boven in de kamer met het koelere gas in het midden, waardoor de temperatuur gelijkmatig verdeeld wordt.
Recirculatiesystemen variëren. Sommige ovens gebruiken een grote ventilator in de achterwand die hete gassen van bovenaf aanzuigt en door het midden naar beneden duwt. Andere gebruiken meerdere kleinere ventilatoren die rondom de kamer zijn verdeeld. Weer andere gebruiken hogesnelheidsjets (zonder ventilator) die het omringende gas meevoeren door het venturi-effect. De keuze hangt af van de grootte van de oven, de afmetingen van het werkstuk en de vereiste temperatuuruniformiteit.
Een typische uniformiteitsspecificatie voor een warmtebehandelingsoven is plus of minus 10 graden Celsius bij de temperatuur. Nauwere specificaties (plus of minus 5 graden) zijn haalbaar met een goed recirculatiesysteem. Ruimere specificaties (plus of minus 20 graden) komen vaak voor bij ovens in het lagere segment en kunnen leiden tot variabiliteit in de warmtebehandeling.
De beheersing van de atmosfeer is de laatste variabele.
Een bogie-oven voor spanningsontlasting of gloeien werkt doorgaans met een licht oxiderende atmosfeer – voldoende luchtlekkage om te voorkomen dat het werkstuk koolstof of waterstof opneemt, maar niet zoveel dat de oppervlaktelaag een probleem wordt. De atmosfeer wordt geregeld door een lichte overdruk in de oven te handhaven (doorgaans 0,5 tot 2 mbar) en een kleine hoeveelheid lucht toe te voeren via een gecontroleerde inlaat.
Voor processen die een beschermende atmosfeer vereisen (glanzend gloeien, solderen, carboneren), wordt de oven hermetisch afgesloten en wordt een inert gas (stikstof of argon) toegevoerd om de lucht te verdringen. Sommige ovens hebben een volledige moffel – een binnenkamer die gescheiden is van het gedeelte met de stralingsbuizen – waardoor de verbrandingsgassen en de beschermende atmosfeer volledig van elkaar geïsoleerd zijn. Moffelovens zijn duurder, maar maken een nauwkeurige regeling van de atmosfeer mogelijk.
Auteur: MONTE INTELLIGENCE warmtebehandelingstechniekteam. Voor audits en upgrades van verbrandingssystemen kunt u contact opnemen met helenxu@cnlymonte.com.
