De manier waarop een gasoven warmte van de vlam naar het werkstuk overdraagt, bepaalt de productkwaliteit, de energie-efficiëntie en het scala aan processen dat de oven kan uitvoeren. De drie fundamentele benaderingen – direct gestookt, indirect gestookt met moffel en stralingsbuis – hebben elk hun eigen nut, en de keuze voor de verkeerde benadering leidt tot kwaliteitsproblemen, te hoge energiekosten of beide.
MONTE INTELLIGENCE levert gasgestookte ovens in alle drie de configuraties. Dit artikel vergelijkt de ontwerpen aan de hand van de criteria die van belang zijn voor warmtebehandelingsprocessen.
Direct gestookte ovens verbranden aardgas (of een ander brandstofgas) rechtstreeks in de verbrandingskamer, waarbij de verbrandingsproducten – de vlam en de hete rookgassen – direct in contact komen met het werkstuk. De branders ontsteken de vlam in de kamer, de hete gassen circuleren rond het werkstuk (aangedreven door natuurlijke convectie of recirculatieventilatoren) en de uitlaatgassen verlaten de oven via een rookkanaal. Dit is de eenvoudigste en meest energiezuinige configuratie, omdat er geen barrière is tussen de warmtebron en het werkstuk – alle verbrandingsenergie is beschikbaar om het werkstuk te verwarmen, met uitzondering van de voelbare warmte die via de rookgassen wordt afgevoerd.
De beperking van directe verhitting is dat het werkstuk wordt blootgesteld aan de verbrandingsatmosfeer. De verbrandingsproducten bevatten kooldioxide (CO2) en waterdamp (H2O), die beide oxiderend zijn voor staal bij warmtebehandelingstemperaturen. Staal dat in een directe oven wordt verhit, ontwikkelt een oxidehuid (walshuid) op het oppervlak. Voor veel toepassingen – voorverwarmen bij smeden, normaliseren, spanningsarm maken, gloeien voorafgaand aan bewerking – is dit acceptabel, omdat de huid tijdens de daaropvolgende bewerking wordt verwijderd of niet schadelijk is voor het product.
Directe verwarming is niet geschikt wanneer de oppervlaktekwaliteit cruciaal is. Carburatie, carbonitratie, glansharding en elk ander proces dat een specifiek koolstofpotentieel vereist, kunnen de ongecontroleerde atmosfeer van verbrandingsproducten niet verdragen. Voor deze toepassingen moeten de verbrandingsproducten van het werkstuk worden gescheiden, wat leidt tot indirecte verwarming.
Indirect gestookte ovens gebruiken een moffel — een hittebestendige omhulling van legering of keramiek die de verbrandingskamer scheidt van de werkruimte. De branders branden buiten de moffel en verwarmen de moffelwand, die op zijn beurt warmte afgeeft aan het werkstuk binnenin. Binnen de moffel wordt een gecontroleerde atmosfeer — endotherm gas, stikstof-waterstof, enz. — gehandhaafd om het werkstuk te beschermen. De verbrandingsproducten komen nooit in contact met het werkstuk.
De moffel is het bepalende onderdeel van dit type oven. Voor temperaturen tot ongeveer 950 °C kan de moffel worden vervaardigd uit een hittebestendige legering – doorgaans RA330, Incoloy 800HT of een gegoten nikkellegering – met een verwachte levensduur van 3-5 jaar. Voor hogere temperaturen, tot 1150 °C, worden moffels van siliciumcarbide gebruikt, maar deze zijn bros en duurder. De moffel vertegenwoordigt een aanzienlijke investeringskostenpost – doorgaans 15-25% van de totale ovenkosten – en de uiteindelijke vervanging ervan brengt grote onderhoudskosten met zich mee.
Het energieverlies van de moffel zit hem in het temperatuurverschil over de moffelwand. Om de werkkamer tot 850 °C te verwarmen, moet de temperatuur in de verbrandingskamer hoger zijn – doorgaans 950-1050 °C – om de warmteoverdracht door de moffel mogelijk te maken. Een hogere temperatuur in de verbrandingskamer betekent een hogere rookgastemperatuur en een groter warmteverlies, waardoor het thermisch rendement van de oven met 10-20% daalt ten opzichte van een vergelijkbare direct gestookte oven.
Verwarming met stralingsbuizen is een variant op het indirect gestookte concept dat standaard is geworden voor continuovens, waaronder bandovens. In plaats van één grote moffel gebruikt de oven meerdere stralingsbuizen – afgedichte buizen van legering die door de ovenkamer lopen. De brander ontsteekt in de buis, de verbrandingsproducten stromen door de buis (vaak met interne recirculatie om de warmteoverdracht gelijkmatiger te maken) en worden aan het andere uiteinde afgevoerd. Het buitenoppervlak van de buis straalt warmte uit naar het werkstuk.
Stralingsbuizen bieden verschillende voordelen ten opzichte van een enkele moffel. De buizen kunnen zo worden geplaatst dat ze gelijkmatiger verwarmen – meestal in rijen boven en onder het werkstuk – dan een moffel, die voornamelijk vanaf de zijkanten en bovenkant verwarmt. Individuele buizen kunnen worden verwijderd en vervangen zonder de ovenkamer te openen, waardoor de onderhoudstijd wordt verkort. De buisdiameter is klein genoeg (doorgaans 100-200 mm) om een matige wanddikte (5-8 mm) te kunnen hanteren, terwijl toch voldoende mechanische sterkte en corrosiebestendigheid worden geboden.
Het meest voorkomende ontwerp voor stralingsbuizen is de U-buis: de brander ontsteekt de vlam in één poot van de U, de verbrandingsgassen stromen naar het gesloten uiteinde en keren via de andere poot terug naar de uitlaat. Dit ontwerp zorgt voor een goede warmteoverdracht omdat de vlam met hoge temperatuur zich in de ene poot bevindt en de koelere uitlaatgassen in de andere, waardoor de temperatuur van het buisoppervlak gelijkmatiger is dan bij een rechte buis. W-buizen en enkelzijdige recuperatieve buizen (SER-buizen) worden gebruikt voor toepassingen die een hogere warmteafgifte per buis vereisen.
De materiaalkeuze voor de buizen hangt af van de oventemperatuur. Voor temperaturen tot 950 °C bieden gegoten HK-40 (25% Cr, 20% Ni) of HP (25% Cr, 35% Ni) legeringsbuizen een voldoende lange levensduur. Voor hogere temperaturen of atmosferen met carburerende gassen die metaalstofvorming kunnen veroorzaken, zijn buizen van hogere nikkellegeringen of keramische buizen (siliciumcarbide) vereist. De levensduur van buizen bij een typische warmtebehandeling varieert van 2 tot 5 jaar, waarbij breukmechanismen onder andere kruipbreuk (door langdurige blootstelling aan hoge temperaturen onder het eigen gewicht van de buis), oxidatie (verdunning van de buiswand aan de verbrandingszijde) en carburisatie (koolstofabsorptie die de buis broos maakt) omvatten.
MONTE INTELLIGENCE adviseert de verwarmingsconfiguratie op basis van de procestemperatuur, de atmosfeereisen, het productievolume en het investeringsbudget. Voor voorverwarmings- en normalisatieprocessen bij smeden biedt directe verbranding de beste prijs-prestatieverhouding. Voor warmtebehandeling onder gecontroleerde atmosfeer worden stralingsbuis- of moffelovens gespecificeerd op basis van de ovengeometrie en de bedrijfstemperatuur.
Voor aanbevelingen over de configuratie van uw gasoven, specifiek afgestemd op uw proces, kunt u contact opnemen met helenxu@cnlymonte.com.
