Thermoprozess- BandI:Grundlagen–Prozesse–Verfahren technik€¦ · Industrieofenbaus bzw. der...
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Herbert Pfeifer, Bernard Nacke Franz Beneke (Hrsg.) Praxishandbuch Thermoprozess- technik Band I: Grundlagen Prozesse Verfahren 2. Auflage inkl. Datenträger
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I:Grund
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Herbert Pfeifer, Bernard NackeFranz Beneke (Hrsg.)
PraxishandbuchThermoprozess-technikBand I:GrundlagenProzesseVerfahren
2. Auflage
inkl. Datenträger
PraxishandbuchThermoprozesstechnik
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Herbert Pfeifer, Bernard Nacke, Franz Beneke(Hrsg.)
PraxishandbuchThermoprozesstechnik
Band I: Grundlagen – Prozesse – Verfahren
2. Auflage
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Bibliografische Information Der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der DeutschenNationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über
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ISBN 978-3-8027-2947-8 (+ CD)
ISBN 978-3-8027-2949-2 (+ DVD)
© 2010 Vulkan-Verlag GmbH Huyssenallee 52-56, D-45128 EssenTelefon: (02 01) 8 20 02-0, Internet: http://www.vulkan-verlag.de
Titelbild (Quelle): SMS Elotherm GmbH
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Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Herausgeber und Verlagfür die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie für eventuelle Druckfehler keine Haftung.
Lektorat/Projektmanagement: Stephan SchalmE-Mail: [email protected]
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Das Praxishandbuch Thermoprozesstechnik Band I erscheint nun in einer 2., vollständig überar-beiteten Auflage. Damit wird die Tradition des Vulkan-Verlags, Fachbücher auf dem Gebiet des Industrieofenbaus bzw. der Thermoprozesstechnik zu publizieren, fortgesetzt.
Der vorliegende Band I beinhaltet Grundlagen, Prozesse und Verfahren. Dieser vermittelt dieGrundlagen der Wärmebehandlung, des Wärme- und Impulstransports, der Verbrennung und derElektrowärmeverfahren. Darüber hinaus ist die Vakuum- und Schutzgastechnik für die Thermo-prozesstechnik abgehandelt. Letztlich wird auch eine Übersicht über wichtige Hochtemperatur-werkstoffe des Industrieofenbaus gegeben.
Dieser erste Band zeigt eindrücklich, dass das Gebiet der Thermoprozesstechnik einen sehr großen Bereich der Technik abdeckt. Dies ist nur durch eine größere Anzahl von Autoren zu leisten.
Unser Dank gilt deshalb in ganz besonderem Maße diesen Autoren und den sie beschäftigendenUnternehmen. Dieser Dank gilt auch den Mitarbeitern des Vulkan-Verlags, hier sei stellvertretendfür alle Herr Dipl.-Ing. Stephan Schalm genannt, die durch Ihren Einsatz ebenfalls am Gelingen dieses Buches maßgeblich beigetragen haben.
Vorwort VII
Vorwort
Prof. Dr.-Ing. Herbert Pfeifer
Prof. Dr.-Ing. Bernard Nacke
Dr.-Ing. Franz Beneke
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Tageslastgang der Schmelzöfen einer Giesserei
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Prof. Dr.-Ing. B. NackeTel.: +49 511 762 [email protected]
Prof. Dr.-Ing. E. BaakeTel.: +49 511 762 [email protected]
Kontakt
Info
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Forschung, Entwicklung, Beratungund Service
Entwicklung und Optimierung von elektro-thermischen Prozessen und Anlagen:�
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Induktive Schmelztechnik- Schmelzen im Kaltwand-Induktionsofen- Schmelztechniken für Keramiken und Gläser- Stoff- und Wärmetransport im Induktionsofen
Induktive Erwärmung von Metallen- Induktive Banderwärmung- Hybridverfahren mit Gas, Laser, ...- Randschichthärten komplexer Geometrien- Innovative Lösungen zur Durcherwärmung
Herstellung neuer Werkstoffe
Züchtung von Halbleiter-Einkristallen
Thermische Behandlung von Werkstoffen
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Energienutzung:�
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Experimentelle Untersuchungen an Versuchs- und Industrie-anlagen
Entwicklung neuer Messsysteme
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Geleitwort IX
Die Thermoprozesstechnikbranche, deren Kern der Industrieofenbauist, kümmert sich sowohl um die Erzeugung von Stoffen als auch umdie Einstellung von gewünschten Qualitätseigenschaften und be-stimmter Gestaltungsformen der behandelten Materialien durchWärme. Die Bandbreite reicht von
• der thermischen Gewinnung,
• dem Schmelzen,
• der Pulvermetallurgie,
• dem Wärmen und Wärmebehandeln,
• dem Trocknen und Oberflächenbehandeln bis hin zum Recyceln mit thermischen Prozessen.
Die Thermoprozesstechnik findet Anwendung in nahezu allen Branchen der Investitionsgüter-industrie, wie der Eisen- und Stahlindustrie, der Automobil- und Automobilzulieferindustrie, demMaschinenbau, den Gießereien, der Keramik- und Glasindustrie etc.
Angesichts der Fülle der in der Praxis eingesetzten Anlagen und Verfahren einerseits sowie derVielzahl kleinerer und mittlerer, hoch spezialisierter und innovativer Unternehmen andererseits istdie Branche äußerst vielfältig.
Die gute Zusammenarbeit von Herstellern, Forschungsstellen und Anwendern sowie die enge Verbindung von Forschung und Entwicklung, Konstruktion, Bau und Vertrieb ist ein wesentlichesKennzeichen der Branche. Dies spiegelt sich auch in den Aktivitäten des Fachverbandes Thermo-prozess- und Abfalltechnik im VDMA wider, in dem die Branchenunternehmen organisiert sind. Es verwundert deshalb nicht, dass die Autoren dieses Handbuchs insbesondere durch die indus-trielle Gemeinschaftsforschung mit dem Fachverband eng verbunden sind.
Der Fachverband begrüßt und unterstützt deshalb die Initiative des Vulkan-Verlags, das Hand-buch, das erstmalig 2002 erschien, neu aufzulegen und zu überarbeiten.
Wir danken dem Vulkan-Verlag, den Herausgebern und Autoren für den erheblichen Einsatz zurRealisierung dieses umfangreichen Werks und wünschen den auf diesem Gebiet tätigen Studie-renden und Ingenieuren einen regen Gebrauch dieses Praxishandbuchs.
Dr. Gutmann HabigGeschäftsführer des FachverbandesThermoprozess- und Abfalltechnik im VDMA
Geleitwort
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Prof. Dr.-Ing. Egbert BaakeLeibniz Universität HannoverInstitut für ElektroprozesstechnikWilhelm-Busch-Straße 4D-30167 Hannover
Dipl.-Ing. Friedherz H. BeckerRiedhammer GmbHKlingenhofstraße 72D-90411 Nürnberg
Dr.-Ing. Franz BenekeVDMAFachverband TPTLyoner Straße 18D-60528 Frankfurt am Main
Prof. Dr.-Ing. Wolfgang BleckRWTH Aachen UniversityInstitut für EisenhüttenkundeIntzestraße 1D-52072 Aachen
Dipl.-Ing. Johann DaimerSGL CARBON GmbHWerner-von-Siemens-Straße 1886405 Meitingen
Dr.-Ing. Erwin DötschABP Induction Systems GmbHKanalstraße 25D-44147 Dortmund
Dipl.-Ing. Peter HaaseWilh. Schulz GmbH – SpezialglühbetriebHülser Straße 764 AD-47803 Krefeld
X Autorenverzeichnis
Dr. rer. nat. Heike HattendorfThyssenKrupp VDM GmbHKleffstraße 23D-58762 Altena
Dr.-Ing. Hartmut HegelerNikolaus Sorg GmbH & Co. KGStoltestraße 2397816 Lohr am Main
Dr.-Ing. Volker HeuerALD Vacuum Technologies GmbHWilhelm-Rohn-Straße 35D-63450 Hanau
Dr. Hubert JägerSGL CARBON GmbHWerner-von-Siemens-Straße 1886405 Meitingen
Dipl.-Ing. Dirk JoritzIpsen International GmbHFlutstraße 78D-47533 Kleve
Prof. Dr.-Ing. Carl KramerWSP GmbHAn der Glashütte 10D-52074 Aachen
Dr.-Ing. Jutta KlöwerThyssenKrupp VDM GmbHKleffstraße 23D-58762 Altena
Dr.-Ing. Klaus LöserALD Vacuum Technologies GmbHWilhelm-Rohn-Straße 35D-63450 Hanau
Autorenverzeichnis
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Prof. Dr.-Ing. Bernard NackeLeibniz Universität HannoverInstitut für ElektroprozesstechnikWilhelm-Busch-Straße 4D-30167 Hannover
Prof. Dr.-Ing. Herbert PfeiferRWTH Aachen UniversityInstitut für Industrieofenbau u. WärmetechnikKopernikusstraße 16D-52074 Aachen
Dipl.-Ing. Michael SpringerFBB Engineering GmbHPuechhaimgasse 43A-3580 Horn
Autorenverzeichnis XI
Dr.-Ing. Volker UhligTechnische Universität Bergakademie FreibergInstitut für Wärmetechnik und ThermodynamikGustav-Zeuner-Straße 7D-09596 Freiberg
Dipl.-Ing. Heinz WimmerRATH GmbHKrefelderstraße 680-682D-41066 Mönchengladbach
Termin:Dienstag, 02.06.2009,Veranstaltung (10:00 – 17:00 Uhr)Gemeinsame Abendveranstaltung ab 19:00 Uhr
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Zielgruppe: Hersteller und Betreiber von industriellen Thermoprozessanlagen
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Vorwort ................................................................................................................ VII
Geleitwort ............................................................................................................ IX
Autorenverzeichnis ............................................................................................ X
1. Einleitung .......................................................................................................... 1
1.1 Definition des Begriffs Thermoprozesstechnik .............................................. 2
1.2 Systematik und Klassifikation der Thermoprozessanlagen .......................... 31.2.2 Ofenart .................................................................................................................. 41.2.3 Gutlagerung .......................................................................................................... 91.2.4 Erwärmungsprinzip .............................................................................................. 141.2.5 Hüllmittel .............................................................................................................. 251.2.6 Produktionsbereich .............................................................................................. 26
2. Werkstofftechnische Grundlagen .......................................................... 31
2.1 Schmelzen .......................................................................................................... 322.1.1 Eisenwerkstoffe .................................................................................................... 322.1.1.1 Stahlherstellung .................................................................................................... 352.1.1.2 Sekundärmetallurgie der Stahlherstellung .......................................................... 372.1.1.3 Schmelzen von Eisenguss .................................................................................. 372.1.2 Aluminium ............................................................................................................ 412.1.2.1 Primär- und Sekundäraluminium .......................................................................... 412.1.2.2 Guss- und Knetlegierungen ................................................................................ 422.1.2.3 Qualität der Aluminiumschmelze .......................................................................... 422.1.2.4 Schmelzebehandlung .......................................................................................... 442.1.3 Kupferwerkstoffe .................................................................................................. 452.1.3.1 Kupfergewinnung ................................................................................................ 452.1.3.2 Kupfersorten und -legierungen ............................................................................ 452.1.3.3 Oxidierendes und reduzierendes Schmelzen ...................................................... 462.1.4 Glas ...................................................................................................................... 482.1.4.1 Glasarten und -rohstoffe ...................................................................................... 482.1.4.2 Herstellung von Glas ............................................................................................ 502.1.4.3 Glasschmelzanlagen ............................................................................................ 52
2.2 Grundlagen der technischen Wärmebehandlung metallischer Werkstoffe .. 572.2.1 Härten .................................................................................................................. 602.2.1.1 Begriffsbestimmung ............................................................................................ 602.2.1.2 Vergüten (Härten und Anlassen) .......................................................................... 612.2.1.3 Prüfung der Härtbarkeit ........................................................................................ 722.2.1.4 Berechnung der Härtbarkeit ................................................................................ 752.2.1.5 Einsatzhärten ........................................................................................................ 762.2.1.6 Eigenschaften gehärteter Werkstücke ................................................................ 772.2.2 Glühbehandlungen .............................................................................................. 812.2.2.1 Diffusionsglühen .................................................................................................. 81
Inhalt XIII
Inhalt
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2.2.2.2 Grobkornglühen .................................................................................................... 842.2.2.3 Normalglühen ...................................................................................................... 862.2.2.4 Weichglühen ........................................................................................................ 882.2.2.5 Rekristallisationsglühen ........................................................................................ 922.2.2.6 Spannungsarmglühen .......................................................................................... 982.2.2.7 Kombinierte Glühverfahren .................................................................................. 992.2.2.8 Patentieren von Drähten ...................................................................................... 992.2.3 Beschreibung der Austenitumwandlung für technische Anwendungen .............. 1002.2.3.1 Ermittlung der Ungleichgewichtsschaubilder ...................................................... 100
2.3 Grundlagen der technischen Wärmebehandlung von nichtmetallisch- anorganischen Werkstoffen .............................................................................. 103
2.3.1 Einteilung von nichtmetallisch-anorganischen Werkstoffen ................................ 1032.3.2 Natursteine .......................................................................................................... 1042.3.2.1 Magmatite ............................................................................................................ 1042.3.2.2 Sedimente ............................................................................................................ 1042.3.2.3 Metamorphite ...................................................................................................... 1052.3.3 Glas ...................................................................................................................... 1052.3.3.1 Rohstoffe und Herstellung .................................................................................... 1052.3.3.2 Wärmebehandlung von Glas ................................................................................ 1062.3.3.3 Formgebung von Glas .......................................................................................... 1062.3.3.4 Eigenschaften von Glas und ihre Beeinflussung .................................................. 1072.3.4 Keramik ................................................................................................................ 1092.3.4.1 Einteilung keramischer Werkstoffe ...................................................................... 1102.3.4.2 Sintern keramischer Werkstoffe .......................................................................... 1132.3.4.2.1 Anfangsstadium .................................................................................................... 1152.3.4.2.2 Zwischenstadium ................................................................................................ 1162.3.4.2.3 Endstadium .......................................................................................................... 1182.3.4.2.4 Sintern von Hartporzellan .................................................................................... 1192.3.5 Nichtmetallisch-anorganische Bindemittel .......................................................... 1202.3.5.1 Zement ................................................................................................................ 1202.3.5.1.1 Zementarten ........................................................................................................ 1212.3.5.1.2 Sintern zum Zementklinker .................................................................................. 1222.3.5.2 Kalk ...................................................................................................................... 1232.3.5.2.1 Enstehung von Calciumcarbonat ........................................................................ 1232.3.5.2.2 Kalzinieren von Calciumcarbonat ........................................................................ 1232.3.5.3 Gips ...................................................................................................................... 1242.3.5.3.1 System CaSO4 - H2O .......................................................................................... 1252.3.5.3.2 Dehydratisierung des Gipses .............................................................................. 125
3. Wärmeübertragung ...................................................................................... 129
3.1 Grundgleichungen der Wärmeübertragung .................................................... 130
3.2 Wärmeleitung ...................................................................................................... 1313.2.1 Fouriersches Gesetz ............................................................................................ 1313.2.2 Fouriersche Wärmeleitungsgleichung .................................................................. 1313.2.3 Eindimensionale, stationäre Wärmeleitung .......................................................... 1333.2.4 Wärmeübertragung an Rippen ............................................................................ 1373.2.4.1 Wärmeübertragung an Rippen mit konstanten Querschnitten ............................ 138
XIV Inhalt
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3.2.4.2 Rippenwirkungsgrad ............................................................................................ 1393.2.5 Instationäre Wärmeleitung .................................................................................... 1453.2.5.1 Körper mit hoher Wärmeleitfähigkeit .................................................................. 1463.2.5.2 Ebene Wand mit Konvektion ................................................................................ 1483.2.5.3 Unendlich langer Zylinder mit Konvektion .......................................................... 1533.2.5.4 Kugel mit Konvektion .......................................................................................... 1543.2.5.5 Der einseitig unendlich ausgedehnte Körper ...................................................... 1573.2.6 Numerische Lösung von Wärmeleitungsproblemen ............................................ 1573.2.6.1 Numerische Lösung stationärer Wärmeleitungsprobleme .................................. 1593.2.6.2 Numerische Lösung instationärer Wärmeleitungsprobleme ................................ 167
3.3 Wärmestrahlung ................................................................................................ 1723.3.1 Schwarze Strahlung ............................................................................................ 1743.3.1.1 Plancksches Verteilungsgesetz ............................................................................ 1753.3.1.2 Wiensches Verschiebungsgesetz ........................................................................ 1763.3.1.3 Stefan-Boltzmannsches Gesetz .......................................................................... 1773.3.2 Oberflächenemission - Reflektion, Absorption, Transmission ............................ 1773.3.3 Strahlungsaustausch zwischen diffusen, grauen Flächen .................................. 1833.3.3.1 Einstrahlzahlen (view factors) .............................................................................. 1833.3.3.2 Berechnete Einstrahlzahlen .................................................................................. 1853.3.3.3 Strahlungsaustausch zwischen schwarzen Oberflächen .................................... 1853.3.3.4 Strahlungsaustausch zwischen grauen Oberflächen in einem geschlossenen
Raum .................................................................................................................... 1883.3.4 Gasstrahlung; Strahlung von Gasgemischen ...................................................... 1913.3.4.1 Absorption und Strahlung in Gasen mit konstanten Temperaturen .................... 1913.3.4.2 Emissionsgrade von Gasen bei einem Gesamtdruck von p = 1 bar .................. 1953.3.4.3 Strahlungsaustausch zwischen Gas und Wand .................................................. 200
3.4 Konvektion .......................................................................................................... 2023.4.1 Bestimmung von Wärmeübergangskoeffizienten mittels dimensionsloser
Kennzahlen .......................................................................................................... 204
4. Brennstoffe und Verbrennung .................................................................. 209
4.1 Einteilung der Brennstoffe ................................................................................ 210
4.2 Zusammensetzungen gasförmiger Brennstoffe .............................................. 211
4.3 Eigenschaften und Kenndaten von Gasen und gasförmigen Brennstoffen 2114.3.1 Zusammensetzung eines Gasgemisches ............................................................ 2124.3.2 Molare Masse eines Gasgemisches .................................................................... 2124.3.3 Molares Volumen eines Gasgemisches .............................................................. 2154.3.4 Dichte .................................................................................................................. 2154.3.5 Relative Dichte .................................................................................................... 2154.3.6 Bezugszustand .................................................................................................... 2154.3.7 Brennwert Ho,n ...................................................................................................... 2154.3.8 Heizwert Hu,n ........................................................................................................ 2164.3.9 Wobbe-Index eines gasförmigen Brennstoffs ...................................................... 2174.3.10 Zündtemperatur eines gasförmigen Brennstoffs ................................................ 2174.3.11 Zündgrenzen eines gasförmigen Brennstoffs ...................................................... 2184.3.12 Spezifische Wärmekapazität und Enthalpie ........................................................ 221
XVI Inhalt
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4.4 Verbrennung ........................................................................................................ 2234.4.1 Grundgleichungen der Verbrennung .................................................................... 2234.4.1.1 Reaktionsgleichungen .......................................................................................... 2254.4.1.2 Sauerstoff- und Luftbedarf der Verbrennung ...................................................... 2284.4.1.3 Abgase bei der Verbrennung ................................................................................ 2294.4.2 Energetik der Verbrennungsprozesse .................................................................. 2364.4.2.1 Verbrennungstemperatur ...................................................................................... 2384.4.2.2 Abgasverluste ...................................................................................................... 2454.2.2.3 Feuerungstechnischer Wirkungsgrad .................................................................. 246
5. Elektrothermische Verfahren .................................................................... 251
5.1 Übersicht der Elektrothermischen Verfahren und deren Anwendungs gebiete in der Industrie .................................................................................................... 252
5.2 Direkte Erwärmungsverfahren .......................................................................... 2565.2.1 Mathematische Grundlagen und Berechnung direkter Erwärmungsverfahren .... 2575.2.1.1 Elektromagnetisches Feld .................................................................................... 2575.2.1.2 Temperaturfeld ...................................................................................................... 2645.2.1.3 Kopplung von elektromagnetischem und thermischem Feld .............................. 2655.2.1.4 Fluiddynamisches Feld ........................................................................................ 2665.2.1.5 Methoden zur numerischen Berechnung ............................................................ 2685.2.2 Induktive Erwärmung ............................................................................................ 2735.2.2.1 Physikalische und technische Grundlagen .......................................................... 2735.2.2.2 Induktives Schmelzen .......................................................................................... 2765.2.2.3 Induktive Erwärmung zum Wärmebehandeln, Umformen sowie zum Fügen
und Trennen .......................................................................................................... 2825.2.3 Konduktive Erwärmung ........................................................................................ 2905.2.3.1 Physikalische und technische Grundlagen .......................................................... 2905.2.3.2 Anwendungsbereiche und Anlagentechniken ...................................................... 2925.2.3.3 Energieversorgung und Energiebedarf ................................................................ 2935.2.4 Dielektrische Erwärmung .................................................................................... 2945.2.4.1 Physikalische und technische Grundlagen .......................................................... 2945.2.4.2 Hochfrequenzerwärmung .................................................................................... 2965.2.4.3 Mikrowellenerwärmung ........................................................................................ 299
5.3 Indirekte Erwärmungsverfahren ...................................................................... 3025.3.1 Widerstandserwärmung ...................................................................................... 3025.3.1.1 Physikalische und technische Grundlagen .......................................................... 3035.3.1.2 Anlagentechniken und Anwendungsbereiche ...................................................... 3055.3.2 Infraroterwärmung ................................................................................................ 3065.3.2.1 Physikalische und technische Grundlagen .......................................................... 3065.3.2.2 Anlagentechniken und Auslegungskriterien ........................................................ 3075.3.2.3 Anwendungsbereiche .......................................................................................... 3085.3.3 Lichtbogenerwärmung ........................................................................................ 3095.3.3.1 Physikalische und technische Grundlagen .......................................................... 3095.3.3.2 Anwendungen ...................................................................................................... 3105.3.4 Plasmaerwärmung ................................................................................................ 3135.3.4.1 Physikalische und technische Grundlagen .......................................................... 3135.3.4.2 Anwendungsbereiche der Plasmastrahlverfahren ................................................ 314
XVIII Inhalt
00_HB_Thermo_Vorsp_2947:0001 Vorspann Seite I-XXVIII 04.01.2010 12:44 Uhr Seite XVIII
Inhalt XIX
5.3.4.3 Anwendungsbereiche der Plasmawärmebehandlung und Plasmaoberflächen-techniken .............................................................................................................. 315
5.3.5 Laserstrahlerwärmung .......................................................................................... 3185.3.5.1 Physikalische und technische Grundlagen .......................................................... 3185.3.5.2 Anwendungsbereiche .......................................................................................... 3195.3.6 Elektronenstrahlerwärmung .................................................................................. 3225.3.6.1 Physikalische und technische Grundlagen .......................................................... 3225.3.6.2 Anlagentechniken und Anwendungsbereiche ...................................................... 3245.3.7 Funkenerosion ...................................................................................................... 3255.3.7.1 Physikalische und technische Grundlagen .......................................................... 3255.3.7.2 Anwendungstechniken ........................................................................................ 3265.3.7.3 Anlagenaufbau ...................................................................................................... 3275.3.7.4 Anwendungsbereiche .......................................................................................... 327
6. Energiebilanz von Industrieöfen und Energieeffizienz .................. 331
6.1 Massenbilanz ...................................................................................................... 332
6.2 Energiebilanz ...................................................................................................... 3326.2.1 Erster Hauptsatz der Thermodynamik ................................................................ 3336.2.2 Arbeit .................................................................................................................... 3356.2.3 System und Systemgrenze .................................................................................. 3366.2.4 Enthalpie, innere Energie ...................................................................................... 339
6.3 Bewertung von Bilanzen .................................................................................... 3426.3.1 Nutzungsgrad ...................................................................................................... 3436.3.2 Wirkungsgrad ...................................................................................................... 3446.3.3 Definition von Wirkungsgraden ............................................................................ 345
6.4 Wirkungsgrade eines Ofens ohne Luftvorwärmung ...................................... 349
6.5 Wirkungsgrade eines Ofens mit Luftvorwärmung .......................................... 354
6.6 Wirkungsgrade und Energiebilanzen von elektrothermischen Verfahren .... 3576.6.1 Wirkungsgradketten ............................................................................................ 3596.6.2 Wirkungsgrade für die elektrothermische Energiewandlung bei direkten
elektrothermischen Erwärmungsverfahren .......................................................... 3626.6.3 Beispiele für Energiebilanzen elektrothermischer Verfahren ................................ 363
6.7 Energieeffizienz von Industrieöfen .................................................................. 3656.7.1 Methodik zur Verbesserung der Energieeffizienz von Industrieöfen .................... 3656.7.2 Energieeffizienz von elektrothermischen Verfahren .............................................. 3666.7.2.1 Optimierung vorhandener Prozesse und Anlagen .............................................. 3686.7.2.2 Substitution oder Ergänzung konventioneller thermischer Prozesse und
Anlagen ................................................................................................................ 3696.7.2.3 Entwicklung und Einführung neuer hocheffizienter Verfahren ............................ 369
6.8 Beispiele für Energiebilanzen brennstoffbeheizter Industrieöfen ................ 371
7. Thermoprozessanlagen mit Gasumwälzung ...................................... 379
7.1 Anwendungsgebiete .......................................................................................... 380
7.2 Die Thermoprozessanlage mit Gasumwälzung als Strömungskreislauf ...... 381
00_HB_Thermo_Vorsp_2947:0001 Vorspann Seite I-XXVIII 04.01.2010 12:44 Uhr Seite XIX
7.3 Grundzüge der Strömungstechnik .................................................................. 3827.3.1 Stoffeigenschaften ................................................................................................ 3827.3.1.1 Dichte .................................................................................................................. 3827.3.1.2 Dynamische Viskosität ........................................................................................ 3837.3.1.3 Kinematische Viskosität ...................................................................................... 3847.3.1.4 Wärmeleitfähigkeit ................................................................................................ 3847.3.2 Grundgleichungen ................................................................................................ 3857.3.2.1 Ruhende Gase ...................................................................................................... 3857.3.2.2 Fluidbewegung .................................................................................................... 3867.3.3 Innere und äußere Strömung .............................................................................. 3967.3.4 Strömungsformen ................................................................................................ 3997.3.5 Ähnlichkeit ............................................................................................................ 4027.3.6 Modellversuche .................................................................................................... 404
7.4 Gestaltung der Strömungsführung von Thermoprozessanlagen mit Gasumwälzung .................................................................................................. 407
7.5 Gasströmung und Wärmeübertragung ............................................................ 4127.5.1 Physikalische Grundlagen für optimale konvektive Wärmeübertragung ............ 4127.5.2 Entwurfsüberlegungen für Systeme zur konvektiven Wärmeübertragung .......... 4177.5.3 Gebrauchsformeln zur Berechnung des Wärmeüberganges von
Düsenfeldern ........................................................................................................ 4207.5.3.1 Düsenrippen mit Runddüsen ................................................................................ 4207.5.3.2 Düsenrippen mit Schlitzdüsen ............................................................................ 4227.5.3.3 Düsensysteme für gleichmäßige Wärmeübergangsverteilung ............................ 422
8. Ofenatmosphären ........................................................................................ 425
8.1 Grundlagen der Vakuumtechnik ...................................................................... 4268.1.1 Allgemeines .......................................................................................................... 4268.1.2 Merkmale der Druckbereiche und Auswirkungen in der Thermoprozess-
technik .................................................................................................................. 4278.1.3 Vakuumerzeugung ................................................................................................ 4288.1.4 Druckmessung .................................................................................................... 4358.1.4.1 Totaldruckmessung .............................................................................................. 4358.1.4.2 Partialdruckmessung ............................................................................................ 4378.1.5 Vakuum in der Thermoprozesstechnik ................................................................ 439
8.2 Grundlagen der Vakuumwärmebehandlung .................................................... 4408.2.1 Glühen .................................................................................................................. 4428.2.2 Vergüten .............................................................................................................. 4428.2.3 Einsatzhärten im Vakuum .................................................................................... 4458.2.3.1 Niederdruckaufkohlung ........................................................................................ 4468.2.3.2 Plasmaaufkohlen .................................................................................................. 4528.2.4 Gasabschrecken .................................................................................................. 4548.2.4.1 Physikalische Grundlagen .................................................................................... 4558.2.4.2 Reversieren .......................................................................................................... 4608.2.4.3 Düsenkühlung ...................................................................................................... 4618.2.4.4 Härtbarkeit ............................................................................................................ 4638.2.5 Vakuumnitrieren .................................................................................................... 4658.2.5.1 Niederdruck-Nitrieren .......................................................................................... 465
XX Inhalt
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Gasanwendung in Industrie und Gewerbe
Fundierte Berichterstattung zur Optimierung des Energie-verbrauchs, zur Verbesse-rung des Wirkungsgrads und zur Verminderung von Schadstoffemissionen bei Verbrennungsprozessen sowie technisches Sicher-heits- und Energiemanage-ment.
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8.2.5.2 Plasmanitrieren .................................................................................................... 4658.2.6 Löten .................................................................................................................... 4668.2.7 Trockenes Bainitisieren ........................................................................................ 4688.2.8 Verzug .................................................................................................................. 469
8.3 Grundlagen der Schutz- und Reaktionsgastechnik ........................................ 4758.3.1 Schutz- und Reaktionsgas .................................................................................. 4758.3.1.1 Aufgaben von Schutz- und Reaktionsgasen ........................................................ 4758.3.1.2 Herstellung/Erzeugung durch Verbrennung ........................................................ 4768.3.1.3 Herstellung/Erzeugung durch thermische Spaltung ............................................ 4798.3.1.4 Herstellung/Erzeugung durch Mischung .............................................................. 4808.3.2 Schutzgase für thermische Prozesse .................................................................. 4808.3.2.1 Glühprozesse ........................................................................................................ 4808.3.2.2 Neutralhärten ........................................................................................................ 4818.3.3 Schutz- und Reaktionsgase für thermochemische Prozesse .............................. 4828.3.3.1 Aufkohlen/Einsatzhärten ...................................................................................... 4828.3.3.1.1 C-Pegel-Regelung ................................................................................................ 4838.3.3.1.2 Partielle Aufkohlung durch Kohlenmonoxid und Wasserstoff
(heterogenes Wassergasgleichgewicht) .............................................................. 4838.3.3.1.3 Partielle Aufkohlung durch Kohlenmonoxid (Boudouard-Gleichgewicht) ............ 4848.3.3.1.4 Partielle Aufkohlung durch Kohlenmonoxid unter Bildung von Sauerstoff .......... 4868.3.3.1.5 Regelung der Aufkohlungsatmosphäre mit CH4-Überschuss ............................ 4888.3.3.1.6 Kohlenstoffaktivität aC .......................................................................................... 4888.3.3.1.7 Legierungsfaktor f ................................................................................................ 4898.3.4 Schutzgasatmosphäre .......................................................................................... 4908.3.4.1 Stöchiometrische Berechnungen ........................................................................ 4908.3.4.2 Berechnung der Schutzgaszusammenstellung .................................................... 4918.3.4.3 Homogene Wassergasreaktion ............................................................................ 4918.3.4.4 Homogene Methanbildungsreaktion .................................................................... 4918.3.4.5 Boudouardsche Reaktion .................................................................................... 4928.3.4.6 Heterogene Wassergasreaktion .......................................................................... 4938.3.4.7 Heterogene Methanbildungsreaktion .................................................................. 4948.3.4.8 Berechnung der Schutzgaszusammensetzung .................................................... 4948.3.4.9 Rußgrenze ............................................................................................................ 5008.3.5 Carbonitrieren ...................................................................................................... 5008.3.6 Vergüten .............................................................................................................. 5018.3.7 Nitrieren und Nitrocarburieren .............................................................................. 502
9. Werkstoffe im Ofenbau .............................................................................. 519
9.1 Metallische Hochtemperaturwerkstoffe .......................................................... 520
9.1.1 Einleitung .............................................................................................................. 5209.1.1.1 Grundlagen hitzebeständiger Stähle .................................................................... 5209.1.1.2 Grundlagen hochwarmfester Werkstoffe .............................................................. 5229.1.2 Ofenbauwerkstoffe - Anwendungsbeispiele ........................................................ 5269.1.2.1 Werkstoffe für die Wärmebehandlung an Luft .................................................... 5269.1.2.2 Blankglühanlagen und Nitrieröfen ........................................................................ 5289.1.2.3 Ofenbauwerkstoffe für den Einsatz unter aufkohlenden Bedingungen .............. 5299.1.2.4 Ofenbauwerkstoffe für den Einsatz unter komplexen Korrosionsbedingungen .. 531
XXII Inhalt
00_HB_Thermo_Vorsp_2947:0001 Vorspann Seite I-XXVIII 04.01.2010 12:44 Uhr Seite XXII
Inhalt XXIII
9.1.3 Heizleiterwerkstoffe .............................................................................................. 5329.1.3.1 Eisen-Chrom-Aluminium-Legierungen ................................................................ 5329.1.3.2 Nickel-Chrom-(Eisen)-Legierungen ...................................................................... 535
9.2 Keramische Werkstoffe .................................................................................... 5389.2.1 Dichte geformte feuerfeste Erzeugnisse .............................................................. 5429.2.1.1 Basische geformte Erzeugnisse .......................................................................... 5429.2.1.2 Nichtbasische geformte Erzeugnisse .................................................................. 5449.2.2 Ungeformte feuerfeste Werkstoffe ...................................................................... 5519.2.2.1 Feuerbetone (C) .................................................................................................... 5519.2.2.2 Formbare feuerfeste Massen (M) ........................................................................ 5539.2.2.3 Spritzmassen (G) .................................................................................................. 5539.2.2.4 Feuerfeste Mörtel (J) ............................................................................................ 5549.2.2.5 Sonstige ungeformte feuerfeste Erzeugnisse (O) ................................................ 5549.2.3 Wärmedämmende Werkstoffe .............................................................................. 5549.2.3.1 Wärmedämm- und Feuerleichtsteine .................................................................. 5559.2.3.2 Hochtemperaturwolle .......................................................................................... 5569.2.4 Sonstige wärmedämmende Werkstoffe .............................................................. 564
9.3 Kohlenstoff und Graphit im Ofenbau .............................................................. 5659.3.1 Feinkorngraphit .................................................................................................... 5659.3.1.1 Elektrische Heizelemente und Heizsysteme aus Feinkorngraphit ...................... 5659.3.1.2 Elektrische Anschlusskontakte aus Spezialgraphiten mit hoher elektrischer
Leitfähigkeit .......................................................................................................... 5689.3.2 Carbonfaserverstärkter Kohlenstoff (CFC) .......................................................... 5729.3.2.1 Elektrische Heizelemente und Heizsysteme aus carbonfaserverstärktem
Kohlenstoff (CFC) ................................................................................................ 5729.3.2.2 Komponenten aus CFC-Verbundwerkstoffen für den Ofenbau .......................... 5779.3.3 Isolationswerkstoffe aus Kohlenstoffen .............................................................. 5789.3.3.1 Weichfilze .............................................................................................................. 5789.3.3.2 Kohlenstoff-Weichfilze .......................................................................................... 5789.3.3.3 Graphit-Weichfilz .................................................................................................. 5799.3.4 Hartfilze ................................................................................................................ 5809.3.5 Kohlenstoffschaum .............................................................................................. 582
Stichwortverzeichnis .......................................................................................... 587
Alphabetisches Firmenverzeichnis .................................................................. 597
Inserentenverzeichnis ........................................................................................ 605
CD bzw. DVD zum Buch ............................................................................ 3. UmschlagseiteE-Book des kompletten Buches als PDF (nur DVD)Tabellenanhang zum BuchFirmenporträtsGWI-ArbeitsblätterFachzeitschriften Jahrgänge 2008
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Informationen „Energieeffizienz von Thermoprozessanlagen”
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Mit dem vorliegenden Buch wird dem Leser ein umfassender Überblick über den Aufbau und die Eigenschaften der ver-schiedenen keramischen Werkstoffe, die Möglichkeiten der unterschiedlichen Herstellungsverfahren und das Spektrum technischer Anwendungen gegeben. Mit dieser Gesamtdarstel-lung und einem starken Bezug zur Praxis richtet sich das Buch an Studierende, Ingenieure und Konstrukteure. Wer berufl ich in irgendeiner Form mit technischen Keramiken zu tun hat, für den ist dieses kompakte Buch, mit seiner Fülle von Informationen, ein unersetzliches Nachschlagewerk.
Zum Inhalt: Struktur und Gefüge keramischer Werkstoffe; Eigenschaften und Prüfverfahren; Gefügecharakterisierung, Mechanische, thermische, elektrische und magnetische Eigenschaften, Keramische Werkstoffe; Silicatische, Oxidische und Nichtoxidische Technische Keramik, Keramische Fasern, Glas keramik, Herstellverfahren der Keramik; Pulverherstellung, Organische Additive, Aufbereitung, Formgebungsverfahren, Sintern, Bearbeitung, Anwendung keramischer Werkstoffe in der Technik; Feuerfeste Werkstoffe, Anwendungen im Maschinen- und Anlagenbau, Elektronik, Luft- und Raumfahrt
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Herausgeben von Wolfgang Kollenberg2. Aufl age 2010, soeben erschienen 656 Seiten, gebunden, € 135,00ISBN: 978-3-8027-2953-9
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Topaktuelle
NEUERSCHEINUNG
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1. Einleitung 1
1. Einleitung
1. Einleitung
Die Verfahrens- und Anlagentechnik der Thermoprozesstechnik spannt einen weiten Bogen überdie unterschiedlichsten Materialien und Werkstoffe, die in ihrer Gesamtheit den gesamten tech-nisch wirtschaftlich nutzbaren Temperaturbereich von niedrigen bis insbesondere hohen Tempe-raturen abdecken. Das Bild 1.1 ordnet die wichtigsten Branchen der Roh- und Grundstoffindus-trie hinsichtlich des Energieeinsatzes und der Prozesstemperaturen. Dabei liegen Maxima im Tem-peraturbereich bis 400 °C und von 900 °C bis 1500 °C vor. Im unteren Temperaturbereich liegeninsbesondere die Industriezweige Chemie, Textil und Zucker. Im Temperaturbereich T ≥ 600 °C findet man die energieintensiven Sparten NE-Metalle, Eisen und Stahl, Glas, Feinkeramik sowieSteine und Erden. Allen diesen Branchen ist gemeinsam, dass die thermische Behandlung derMaterialien die exakte Einstellung von Prozessparametern (Temperatur, Zeit, Prozessatmosphäre
u. a.) erfordert, damit die Produkte optimale Eigenschaften aufweisen.
Für die Auslegung und Optimierung von Anlagen der Thermoprozesstechnik sind umfangreicheKenntnisse der Werkstofftechnik, des Wärme-, Stoff- und Impulstransports (Strömungsmechanik),der Brenn- und Prozessgastechnik, der Elektrotechnik und Magnetohydrodynamik, der Mess- undRegelungstechnik u. a. Bereiche erforderlich. Für komplexe Fragestellungen werden deshalb zu-nehmend moderne Berechnungsverfahren wie FEM (Finite Elemente Methode) und CFD (Compu-tational Fluid Dynamics) eingesetzt.
1.1 Definition des Begriffs ThermoprozesstechnikIn Brunklaus [1.2] wird in Anlehnung an das VDMA-Einheitsblatt 24202 [1.3] definiert:
„Die Bezeichnung Industrieöfen umfasst als Sammelbegriff alle in industriellen und gewerblichenBereichen verwendeten Einrichtungen, deren wesentliches Merkmal es ist, dass in einem von
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Bild 1.1: Energieeinsatz und Prozesstemperaturen nach Branchen, nach [1.1]
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Wänden umschlossenen Raum, dem Ofenraum, einem Gut, Energie im allgemeinen in Form vonWärme zugeführt (von einem Gut abgeführt) wird, um bestimmte Vorgänge, deren einfachste Artdas Erwärmen ist, im Gut oder an seiner Oberfläche ablaufen zu lassen.
Fehlt der Ofenraum bei sonst gleichen Voraussetzungen, so handelt es sich nicht um einen Industrieofen, sondern um eine Industrielle Erwärmungseinrichtung.“
Von Trinks [1.4] lautet die Definition für den Industrieofen kurz und bündig: „Industrial process hea-ting furnaces are insulated enclosures designed to deliver heat to loads for many forms of heatprocessing.“
Für den verallgemeinerten Begriff der Thermoprozesstechnik könnte eine allgemeine Definitionlauten: „Prozess- und Anlagentechnik zur thermochemischen und thermophysikalischen Behand-lung von Materialien und Werkstoffen derart, dass die optimalen Produkteigenschaften durch diegezielte Einstellung und Regelung der Guttemperatur und der Prozessatmosphäre wirtschaftlicheingestellt werden.“
1.2 Systematik und Klassifikation der ThermoprozessanlagenDie Vielfalt der Anlagentechnik im Bereich der Thermoprozesstechnik führt letztendlich dazu, dassdie Industrieöfen nach unterschiedlichen Merkmalen benannt bzw. klassifiziert werden. Nach [1.3]ist eine Klassifizierung möglich nach:
• Ofenart
• Gutlagerung
• Beheizung
• Hüllmittel
• Thermisches Verfahren
• Produktionsbereich
Aus der generellen Sichtweise ist das „Thermische Verfahren“ das wichtigste Klassifizierungskri-terium, da dies für den jeweiligen Werkstoff bzw. Material die Prozesstemperatur, die Zeit und daserforderliche Hüllmittel (Ofenatmosphäre) bestimmt. Die dazu notwendige Ofenart, Gutlagerung,Beheizungsart u. a. ergeben sich dann aus den Anforderungen an den Prozess.
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1.2.1 Thermische Verfahren
Die wichtigsten thermischen Verfahren für Materialien und Werkstoffe sind in der Tabelle 1.1 auf-gelistet und kurz erläutert. Die einzelnen dort angeführten thermischen Verfahren können in denverschiedenen Werkstoffsparten aber auch in ähnlichen Bereichen (Herstellung von unlegiertenbzw. niedriglegierten Stählen und hochlegierten Stählen) in zum Teil sehr unterschiedlichen Anla-gen durchgeführt werden.
Unterschiedliche Prozesse erfordern sehr unterschiedliche Prozesstemperaturen, die wiederumvom Material bzw. dem Werkstoff abhängen, Tabelle 1.2. Diese können in Bereichen von 150 °Cfür die Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen bis 1600 °C für die Zement-, Glas- undStahlindustrie liegen. In Spezialanwendungen sind auch noch höhere Temperaturen erforderlich.Auf Grund dieser hohen Temperaturen sind mit feuerfesten Werkstoffen, Hochtemperaturmetallenbzw. Graphit zugestellte Ofenräume für die Aufnahme der Chargen erforderlich oder es werden gekühlte Behältnisse (z. B. wassergekühlte Tiegel) verwendet.
Im Anhang sind für verschiedene Werkstofffamilien genauere Temperaturen für wichtige Prozesseaufgelistet.
1.2.2 Ofenart
Aus den Anforderungen des Prozesses (Temperatur, Hüllmittel, Produktivität) ergibt sich im Wesentlichen die Ofenart. Bei den Betriebsweisen von Öfen wird unterschieden zwischen
• satzweise chargierten Öfen (Chargen- oder Batchöfen) und
• kontinuierlich chargierten Öfen.
Bei satzweise chargierten Öfen (Chargen- oder Batchöfen) ist die Position des Gutes im Ofenmeist während des thermischen Prozesses gleich, Bild 1.2. Die Art des Ofengefäßes und die Char-gierung der Ofenkammer hängt von den Randbedingungen des Prozesses und der Infrastrukturdes Produktionsstandortes ab. So können Schmiedeöfen zur Erwärmung von Schmiedeblöckensowohl als Wagenherdöfen oder Festherdöfen (Kammeröfen) ausgelegt werden, wobei sich je-doch unterschiedliche Anforderungen an die Chargiervorrichtungen für den Ofen ergeben.
Bei satzweise chargierten Öfen sind die Temperaturen von der Zeit abhängig, Bild 1.3. Insbeson-dere bei dickwandigen Bauteilen liegt eine nicht zu vernachlässigende Temperaturdifferenz zwi-schen Gutoberfläche und -kern vor. Die genaue Kenntnis der Guttemperatur in Abhängigkeit vonOrt und Zeit ist dringend erforderlich, damit kurze Prozesszeiten, hohe Produktionsleistungen undeine gleichmäßige Produktqualität realisiert werden können. Mit den numerischen Lösungsverfah-ren (Differenzenverfahren, FEM, CFD) und den vorhandenen Rechnerkapazitäten stehen leis-tungsfähige Methoden zur Bestimmung instationärer Temperaturfelder in komplexen Bauteilen zurVerfügung.
In einigen Anlagentypen, z. B. Schmiedeöfen, wird der Einsatz für nachfolgende Prozesse erwärmtund auch warm gehalten, Bild 1.4a. Weitere Beispiele für satzweise chargierte Öfen sind Hauben-öfen für die Rekristallisationsglühung von Stahlcoils oder Drahtbunden unter H2-Atmosphäre oderVakuumöfen für die Wärmebehandlung von Bauteilen, Bild 1.4b. Die in den letztgenannten Öfenablaufenden Prozesse setzen sich aus den Teilschritten Erwärmen, Ausgleichen (Halten) und Ab-kühlen zusammen.
In kontinuierlich betriebenen Öfen wird das Gut mit konstanter Geschwindigkeit oder schrittweisedurch den Ofen transportiert (Bild 1.5), dabei aufgeheizt und vielfach auch wieder abgekühlt. Kon-tinuierlich chargierte Öfen werden z. B. für die Wiedererwärmung von Halbzeugen (Brammen, Vor-blöcken und Knüppeln) mit nachfolgender Warmumformung oder für die Wärmebehandlung, z. B.die Rekristallisationsglühung von kaltgewalztem Stahlband, mit den Teilschritten Aufheizung, Tem-peratur halten und Abkühlung, eingesetzt. Im Gegensatz zu Haubenöfen können in Banddurch-lauföfen schnelle Aufheiz- und Abkühlgeschwindigkeiten realisiert werden. Dadurch können Stäh-
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Tabelle 1.1: Klassifikation von Industrieöfen nach Thermischen Verfahren
