AT394673B - Anlage zum waermebehandeln von werkstoffen im vakuum und unter druck - Google Patents
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Description
AT 394 673 B
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Vakuum-Wärmebehandeln und anschließendem heiß-isostatischem Nachbehandeln von Werkstoffen.
Das Grundprinzip einer solchen Anlage wird beispielsweise in der DE-PS 30 14 691 und in der US-PS 4 398 702 beschrieben.
In einem Vakuumofen, der gleichzeitig für Druckanwendung ausgelegt ist, laufen z. B. beim Sintern von Hartmetall nacheinander folgende Verfahrensschritte ab:
Unter Vakuum werden die aus Pulver vorgeformten und durch ein Bindemittel zusammengehaltenen Teile erhitzt, bis das Bindemittel entweicht. Diesen Vorgang nennt man Entwachsen. Im zweiten Verfahrensschritt werden die Teile unter höherer Temperatur gesintert. Anschließend wird durch heißisostatisches Nachverdichten eine weitere Verbesserung der mechanischen Eigenschaften der Sinterkörper erreicht
Solche Verfahren und Anlagen zu ihrer Durchführung sind bekannt und gehören zum Stand der Technik. Sie werden zum Beispiel in den oben angegebenen Patenten beschrieben.
Bei der Durchführung solcher Verfahren ergeben sich jedoch Probleme, die bei den bekannten Anlagen nicht befriedigend gelöst sind. Da z. B. das heiß-isostatische Nachverdichten unter hohem Druck und hoher Temperatur stattfindet, muß besonderer Wert auf die Isolation zwischen dem heißen Nutzraum und der kalten Kesselwand gelegt werden. Diese Isolation spielt im Hinblick auf die Temperaturkonstanz, den Energieverbrauch und die Betriebssicherheit eine wesentliche Rolle. Sie muß außerdem einerseits praktisch gasdicht sein, um Heißgasaustritt zu verhindern, andererseits muß sie für den Vakuumbetrieb gut evakuiert werden können.
Der Wärmeübergang vom Nutzraum auf die Kesselwand erfolgt grundsätzlich durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Im Vakuumbetrieb erfolgt der Wärmeübergang allein durch Strahlung und durch Wärmeleitung von festen Bauteilen. Bei Betrieb mit Schutzgas kommt die Wärmeleitung des Gases und mit steigendem Druck noch ein entsprechender Wärmetransport durch Konvektion hinzu. Das heißt, steigender Druck verursacht einen zunehmenden Wärmetransport zur Kesselwand. Wenn dieser Wärmetransport nicht unter Kontrolle gehalten und reduziert wird, treten nachteilige Wirkungen auf. Dies sind zu hohe Temperaturen der Kesselwand, wodurch die Lebensdauer und die Sicherheit der Anlage negativ beeinflußt werden, zu hoher Energieverlust und unzureichende Temperaturhomogenität im Nutzraum der Anlage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmetransport vom Nutzraum zur Kesselwand zu verringern und deren Temperatur in Grenzen zu halten, um die angegebenen nachteiligen Wirkungen weitestgehend auszuschalten.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Anlage gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch die, im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.
Vorteilhafte weitere Ausgestaltung der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Mit den in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Merkmalen, nämlich der Auskleidung der inneren Kesselwand mit einer Isolation, bestehend vorzugsweise aus metallischen Folien und/oder Blechen, wird erreicht, daß an dieser Stelle ein hoher Temperaturabfall auftritt Damit kann die Temperatur an der Kesselwand niedrig gehalten werden.
Mit den Maßnahmen, die in den Ansprüchen 3 und 4 hervorgehoben sind, wird die Isolation an besonders kritischen Stellen verbessert Diese Stellen befinden sich insbesondere bei Nutzräumen mit eckigem Querschnitt an den Kanten und Fügestellen, dort, wo zwei Wände aneinanderstoßen. An diesen Schnittstellen treten Restspalte auf, die sich im Laufe der Betriebszeit vergrößern können und so eine mangelhafte Isolation verursachen.
Dieser nachteilige Effekt kann durch Abdecken der Spalte verhindert werden. Dabei stößt man jedoch auf Schwierigkeiten. Von der Bearbeitung her gesehen würden sich Metallfolien eignen, um die Ecken und Kanten abzudecken. Da aber die Nutzraum-Isolation aus Graphitfilz besteht, würde eine enganliegende Abdeckung zu chemischen Reaktionen und bei Wärmeausdehnung zu mechanischen Spannungen führen, wodurch die Funktion der beabsichtigten Maßnahme inffage gestellt würde. Diese Schwierigkeiten können vermieden werden, wenn zum Abdecken der gleiche Werkstoff verwendet wird, aus dem auch die Nutzraum-Isolation besteht, nämlich Graphit. Die herkömmlichen Graphitwerkstoffe scheiden aber aus, da sie wegen ihrer Brüchigkeit zum dichten Einfügen in Ecken und Kanten nicht geeignet sind.
In neuerer Zeit stehen jedoch kohlenstoff-faserverstärkte Graphitwerkstoffe zur Verfügung, die mit beliebigem Profil hergestellt werden können. Die Verwendung von Winkelprofilen aus diesem Werkstoff zum Abdecken von Restspalten an Ecken und Kanten stellt eine optimale Lösung der oben beschriebenen Probleme dar. Wenn man diese Teile zwischen den verschiedenen Schichten der Nutzraum-Isolation mehrfach anbringt, erhält man eine Art Labyrinthdichtung und somit eine weitere Verbesserung der Isolation des Nutzraumes. Ähnlich kritische Stellen befinden sich an den Stimkanten der Nutzraum-Isolation, wo durch häufiges Öffnen und Schließen die zur Isolation dienenden Rächen einem hohen Verschleiß ausgesetzt sind. Durch die in Anspruch 5 genannte Maßnahme wird eine dauerhafte und sichere Isolation erreicht
Die in den Ansprüchen 6 und 7 hervorgehobenen Trennwände behindern die Konvektion und reduzieren damit die Wärmeübertragung von der Nutzraum-Isolation zur Kesselwand bzw. zur Kesselwand-Isolation.
In den Ansprüchen 8 und 9 ist eine zusätzliche Kühlung an den Deckelseiten des Kessels gekennzeichnet Dies ist nötig, da wegen der großen Wandstärke im Hansch- und Deckelbereich die übliche Kesselkühlung nicht ausreicht
Anhand der folgenden Abbildungen soll die Erfindung näher erläutert werden. Es zeigen: Fig. 1 ein Diagramm -2-
AT 394 673 B zu Temperaturverlauf und Wärmeübertragung, Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch die erfmdungsge-mäße Anlage und Fig. 3 einen Ausschnitt aus einem schematischen Längsschnitt der Nutzraum-Isolation an einer oberen Stimkante.
Mit dem Diagramm in Fig. 1 soll beispielsweise dargestellt werden, wie Temperaturverlauf und Wärmeübergang vom Nutzraum bis zur Kesselwand unter verschiedenen Betriebsbedingungen (Vakuum (p j), im Bereich einiger bar (p3) und unter hohem Druck (P3)) aussehen können:
Im Nutzraum herrscht unter allen Betriebsbedingungen die konstante Temperatur (Tj). Vom Rande (Sj) des Nutzraumes bis zur Kesselwand (S3) ergeben sich in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand folgende Verhältnisse, wobei grundsätzlich gilt: Im Gleichgewicht sind die abgeführten Wärmemengen (Wj, W2) und (W3) gleich.
Vakuum ((pj> = Unterdruckbereich): Innerhalb der Nutzraum-Isolation wird die Wärmemenge (Wj) durch Wärmeleitung des Isolationsmaterials von (Sj) nach (S2) übertragen. Die Temperatur (T2) nimmt den Wert (A) an. Der weitere Wärmetransport nach (S3) erfolgt im wesentlichen nur durch Strahlung. An der Stelle (S3) nimmt die Temperatur (T3) den Wert (A*) an.
Unter Druck ((p2) = im Bereich einiger bar): Die Wärmeübertragung von (Sj) nach (S2) erfolgt durch Wärmeleitung des Isolationsmaterials und des darin enthaltenen Gases und durch Konvektion. (T2) nimmt den Wert (B) an. Nach (S3) wird die Wärme durch Strahlung, durch Wärmeleitung des Gases und durch Konvektion übertragen.
Die Temperatur (T3) steigt auf (B') an. (B') liegt höher als (A'), da in diesem Falle die von (S2) nach (S3) transportierte Wärmemenge um den Betrag, der durch den Einfluß des Gases bedingt ist, höher ist als im Vergleichsfalle Vakuum. Deshalb liegt auch an der Stelle (S2) der Punkt (B) niedriger als der Punkt (A). Dadurch, daß mehr Wärme von (S2) nach (S3) übertragen wird, sinkt die Temperatur (T2).
Unter hohem Druck (p3 » Ρ2): Die Wärmeübertragung von (Sj) nach (S2) erfolgt wie im vorhergehenden Falle durch Wärmeleitung des Isolationsmaterials und des Gases und durch Konvektion. (T2) nimmt den Wert (C) an. Zwischen (S2) und (S3) wird die Wärme durch Strahlung, durch Wärmeleitung des Gases und durch Konvektion, übertragen. Da die Konvektion bei hohem Druck in diesem Falle eine große Rolle spielt, steigt die Temperatur (T3) bei (S3) auf den Wert (C') beträchtlich an.
In allen drei Fällen ist die Temperatur (T3) zusätzlich abhängig von der Wärmemenge (W3), die aus der Kesselwand nach außen transportiert wird.
Durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2, nämlich die Auskleidung der Kesselinnenwand mit einer Isolation, bestehend vorzugsweise aus metallischen Folien und/oder Blechen, wird erreicht, daß vor der Kesselwand die Konvektion reduziert wird und somit ein hoher Temperaturgradient entsteht, wodurch die Temperatur vor der Kesselwand-Isolation zunächst den Wert (D) annimmt, um dann bis zur Kesselwand hin auf einen Wert (D') abzufallen, welcher deutlich unter dem Wert (C') liegt.
Durch die Maßnahmen, die in den Ansprüchen 3 bis 5 beschrieben sind, wird die vom Nutzraum zum übrigen Kesselvolumen durch Konvektion übertragene Wärmemenge reduziert
Durch die Merkmale der Ansprüche 6 und 7 wird der Anteil der übertragenen Wärmmenge (W2), der durch die Konvektion bedingt ist reduziert. Dies wirkt sich in einer Erniedrigung der Temperatur (C') (ohne Kessel-wand-Isolation) und der Temperaturen (D) und (D') (mit Kesselwand-Isolation) aus.
Durch die Merkmale der Ansprüche 8 und 9 werden im Flansch- und Deckelbereich die Kesseltemperaturen durch die verbesserte Wärmeabfuhr erniedrigt
In Fig. 2 ist der schematische Querschnitt einer erfindungsgemäßen Anlage, die in diesem Beispiel horizontal ausgeführt ist, und in Fig. 3 ein Ausschnitt aus einem schematischen Längsschnitt der Nutzraum-Isolation an einer oberen Stirnkante wiedergegeben. Darin sind bezeichnet mit (1) Nutzraum, (2) Rezipient, (3) Heizung, (4) Nutzraum-Isolation, (5) Konvektions-Trennwände, (6) Kesselwand-Isolation, (7) Zusatzkühlung, (8) Kesselwand, (9) Kesselkühlung, (10) Vakuumanschluß, (11) Druckgasanschluß und (12) Entwachsungs-anschluß, (13) Winkelprofile aus kohlenstoff-faserverstärktem Graphit, (14) Stirnwand der Nutzraum-Isolation, (15) Stimkanten, (17) Profile aus kohlenstoff-faserverstärktem Graphit, (18) Hartfilzplatten, (19) Graphitfolienkaschierung, (20) Seitenwände der Nutzraum-Isolation, (21) obere Deckwand der Nutzraum-Isolation. -3-
Claims (9)
- AT 394 673 B PATENTANSPRÜCHE 1. Anlage zum Wärmebehandeln von Werkstoffen im Vakuum und unter Druck, bestehend aus einem Nutzraum, einem den Nutzraum umschließenden Rezipienten, einer Heizung, einer Nutzraum-Isolation, einem wassergekühlten Kessel mit einem Vakuumanschluß und einem Druckgasanschluß, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Kesselwand eine zusätzliche Kesselwand-Isolation (6) und gegebenenfalls eine Kühlung (7) angeordnet ist.
- 2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kesselwand-Isolation (6) aus metallischem Werkstoff in Form von Folien und/oder Blechen besteht.
- 3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzraum-Isolation (4) aus Hartfilzplatten (18) mit gasundurchlässiger Graphitfolienkaschierung (19) auf Seitenwänden (20), der oberen Deckwand (21) und auf den Stirnwänden besteht und die oberen Kanten und Fügestellen mit Winkelprofilen (13) aus kohlenstoff-faserverstärktem Graphit so abgedeckt werden, daß Dichtheit gegen Gasdurchtritt erzielt wird, während die unteren Kanten zum Evakuieren offen sind.
- 4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelprofile (13) bestehend aus kohlenstoff-faserverstärktem Graphit zwischen den Hartfilzplatten (18) mehrfach abwechselnd angeordnet sind und so eine Art Labyrinthdichtung gebildet wird.
- 5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stimkanten (15) der Nutzraum-Isolation (4) und/oder die Gegenflächen mit Profilen (17) aus kohlenstoff-faserverstärktem Graphit eingefaßt sind.
- 6. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Nutzraum-Isolation (4) und Kesselwand-Isolation (6) Trennwände (5) als Konvektionssperren angeordnet sind.
- 7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände (5) aus metallischem Werkstoff in Form von Folien und/oder Blechen bestehen.
- 8. Anlage nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Wasserkühlung (7) zwischen Kesselwand-Isolation (6) und Kesselwand (8) angeordnet ist.
- 9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wasserkühlung (7) an der oberen Kesselhälfte im Flansch- und Deckelbereich angeordnet ist. Hiezu 2 Blatt Zeichnungen -4-
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