AT405190B

AT405190B - Verfahren und vorrichtung zur wärmebehandlung metallischer werkstücke

Info

Publication number: AT405190B
Application number: AT57596A
Authority: AT
Inventors: Gerhard Oberweger
Original assignee: Ald Aichelin Ges M B H
Priority date: 1996-03-29
Filing date: 1996-03-29
Publication date: 1999-06-25
Also published as: ATA57596A; PL319192A1; EP0798391A1

Description

AT 405 190 B

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke durch Aufheizen der Werkstücke und anschließendes Abschrecken in Stickstoffgas, das unter Überdruck von einem motorgetriebenen Ventilator über einen Wärmetauscher umgewälzt wird. Ferner sind Gegenstände der Erfindung Vorrichtungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Zum Härten metallischer Werkstücke werden diese in einem Ofen erhitzt und dann abgeschreckt. Zum Abschrecken sind Bäder aus Wasser, Öl oder geschmolzenen Salzen und Kühlgase in Gebrauch. Aus Kosten- und Sicherheitsgründen wird vielfach Stickstoff als Kühlgas eingesetzt, wobei bisher ein Druck bis zu 1 MPa verwendet wurde. Über einen solchen Druck hinaus war die erforderliche Motorleistung zu hoch, um sinnvolle Abkühlbedingungen zu schaffen, da auch die dabei entstehende Wärme über das Kühlgas und den Wärmetauscher abgeführt werden muß. Eine höhere Gasdichte bedingt eine höhere Viskosität, damit entsteht ein höherer Strömungswiderstand, der wieder eine höhere Motorleistung bedingt, wodurch die abzuführende Wärmemenge steigt.

Die Verwendung von Helium oder Wasserstoff als Kühlgas ermöglicht zwar eine Abkühlung mit hohen Gasdrücken und Gasgeschwindigkeiten bei einer vergleichsweise geringen Motorleistung, jedoch müssen dabei höhere Anlagekosten in Kauf genommen werden. Bei Verwendung von Helium wird nämlich eine Rückgewinnungsanlage benötigt und bei Verwendung von Wasserstoff sind besondere Sicherheitsvorkehrungen für einen gefahrlosen Betrieb mit dem Wasserstoff erforderlich.

Aus der EP 0 562 250 ist es bekannt, das Kühlgas in Form diskreter, aus einem Düsenfeld austretender Prallstrahlen auf die zu kühlende Werkstückoberfläche zur Einwirkung zu bringen, wobei zur Erhöhung der Abschreckitensität der Zusatz von Wasserstoff vorgeschlagen wird.

Die Anordnung einer Mehrzahl von Meßfühlern, deren ermittelte Werte sowie die die Geometrie und den Werkstoff des Werkstückes betreffenden Daten einem Rechner zugeführt werden, der den Abkühlprozeß steuert, ist verhältnismäßig aufwendig (DE 41 35 313 A1).

Die Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, ein Verfahren zu schaffen, mit dem bei Verwendung von Stickstoff als Kühlgas möglichst ähnliche Abkühlraten wie mit Helium erreicht werden. Dieses Verfahren sollte sowohl in Einkammer-Vakuumöfen, als auch in kalten Abschreckkammern in Verbindung mit Mehrkammer-Vakuumanlagen, aber auch in Anbindung an Schutzgasöfen anstelle eines Ölabschreckbades anwendbar sein.

Dieses Ziel wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß ein Überdruck von 0,1 bis 4 MPa erzeugt und der Quotient aus Gasumwälzmenge [Normvolumen in m3/s] und Druckverlust zwischen dem Eintritt in den Wärmetauscher und dem Eintritt in das Ventilatorrad im Bereich von 20 bis 500 [m3/kPas], vorzugsweise 300 bis 500 [m3/kPas] gehalten wird. Dieser Quotient soll fortan als "Leitwert" bezeichnet werden und stellt eine druckunabhängige, charakteristische Größe für den Wärmeübergang dar. Die Einstellung des Leitwertes im vorgegebenen Bereich wird durch Veränderung der Wärmetauschergeometrie ermöglicht, wodurch es zu einer höheren mittleren Temperatur des Kühlgases kommt.

Es zeigt sich jedoch völlig überraschend, daß die Abkühlrate einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitenden Anlage nicht verringert wird. Es wird vielmehr eine Erhöhung des Gasdruckes und der Gasgeschwindigkeit bei unveränderter Motorleistung des Kühlventilators ermöglicht, was in weiterer Folge zu einer Erhöhung der Abkühlleistung mit Stickstoff bis in den Bereich der Helium-Abschreckung führt.

Die nachstehend wiedergegebenen Ergebnisse einer beispielhaften Berechnung bestätigen diesen Effekt. Dabei sind in der linken Spalte die errechneten Werte für eine mit Stickstoff als Kühlgas arbeitende Anlage mit einem Wärmetauscher üblicher Ausführung und in der rechten Spalte die Werte für eine nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitende Anlage wiedergegeben.

Folgende Annahmen wurden getroffen:

Chargennutzraum 500x500x600 mm Charge 75 Stäbe 300x600 mm, 250 kg netto Kühlwassereintrittstemperatur ro o o I I I Kühlwassermenge 45m3/h Abkühldruck 1,5 MPa Geforderte Abkühlrate von 800 auf 500 * C Chargentemperatur: ca. 35 sec (X = 0,35 );Medium: Stickstoff 2

AT 405 190 B

Bekannte Anlage erfindungsgem. Anlage Gasgeschwindigkeit in der Charge 19,8 m/s 30,0 m/s Druckverlust im Kühler 24,9 kPa (bei 1,5 MPa) 6,0 kPa (bei 1,5 MPa) Wassertemperatur bei 800 · C Chargentemp. 50* C 50 *C Wassertemperatur bei 500 ” C Chargentemp. 40* C 40* C mittl. Gastemperatur bei 800 * C Chargentemp. 142' C 254* C mittl. Gastemperatur bei 500 * C Chargentemp. 101' C 180* C Motorleistung 178 kW 92 kW Leitwert 3,0 320

Der Vergleich der Motorleistungen zeigt, daß durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Halbierung der erforderlichen Motorleistung bei gleicher Abkühlleistung erreicht werden kann. Die Kühlwassertemperaturen sind daher auch in beiden Varianten gleich. Insgesamt läßt sich demnach mit einer üblichen Motorleistung von 90 - 110 kW und Stickstoffbetrieb eine Abkühlrate erreichen, die sonst nur unter Verwendung von Helium möglich ist. Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird demnach der Bereich der Stickstoffabschreckung auf Einsatzstähle, Vergütungsstähle geringer Härtbarkeit sowie auf Kaltarbeitsstähle mit großen Bauteilabmessungen erweitert.

Das erfindungsgemäße Verfahren kann in einer Vorrichtung durchgeführt werden, bei der der in an sich bekannter Weise sich über die gesamte Breite des umgewälzten Gasstromes erstreckende Wärmetauscher einen Leitwert von 20 bis 500 [m3/kPas], vorzugsweise 300 bis 500 [m3/kPas] aufweist.

Es ist aber auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, bei der der Wärmetauscher nur von einem Teil des umgewälzten Gasstromes beaufschlagt ist.

Dabei kann durch Veränderung des Teilstromes die Druckdifferenz zwischen dem Teilstrom und unmittelbar hinter dem Wärmetauscher bei unterschiedlichen Systemdrücken und Gastemperaturen minimiert bzw. konstant gehalten werden. Zur Veränderung der Teilstrommenge ist zweckmäßig wenigstens eine Regelklappe angeordnet.

Um die in einer Ebene auftretende Druckdifferenz zwischen dem Teilstrom und unmittelbar hinter dem Wärmetäuscher zu minimieren, kann dem radialen Ventilatorrad ein Axiallüfter vorgeschaltet werden.

Nachstehend ist die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erfindungsgemäßer Vorrichtungen näher beschrieben, ohne jedoch auf diese Beispiele beschränkt zu sein. Dabei ist in den Fig. 1 bis 3 je ein Ausführungsbeispiel teilweise im Längsschnitt dargestellt.

Gemäß Fig. 1 ist auf ein Gehäuse 1 ein Motor 2 aufgesetzt, der ein Ventilatorrad 3 antreibt- Innerhalb des unteren Teiles 4 eines im Gehäuse 1 verlaufenden rund oder eckig ausgeführten Mantels liegt ein metallisches Werkstück 5 auf einer Auflage 6. Der Mantel erweitert sich nach oben hin und innerhalb des erweiterten Teiles 7 ist ein Wärmetauscher 8 angeordnet. Dieser Wärmetauscher 8 nimmt jedoch nicht den gesamten Raum innerhalb des Teiles 7 des Mantels ein, sodaß ein freier Querschnitt 9 gebildet ist.

Das Ventilatorrad 3 fördert Stickstoffgas im Sinne der eingetragenen Pfeile außerhalb des Mantels 4, 7 nach unten, wo es um 90 * umgelenkt wird und nach oben unter Kühlung des Werkstückes 5 an diesem vorbei streicht. Anschließend durchströmt das Kühlgas zum Teil den Wärmetauscher 8, zum Teil den freien Querschnitt 9, wobei sich die beiden Ströme vor dem Eintritt in das Ventilatorrad 3 wieder vereinigen.

Erfindungsgemäß wird nach Aufbringen eines Systemdrucks von max. 4 MPa Stickstoff innerhalb der Vorrichtung durch das Ventilatorrad 3 umgewälzt, wobei sich der auf die Ebenen E1 und E3 bezogene Leitwert von 20 - 500 [m3/kPas] einsteilt und die Druckdifferenz in der Ebene E2 zwischen dem Bypass und knapp hinter dem Wärmetauscher möglichst gering gehalten wird.

Um die beiden Teilströme an unterschiedliche Chargengrößen und Gasdrücke anzupassen, kann im Bypass-System bzw. freien Querschnitt 9 zusätzlich eine Regelklappe 11 installiert werden, die über die Druckdifferenz zwischen Bypass und unmittelbar hinter dem Wärmetauscher in der Ebene 2 solcher Art angesteuert wird, daß die Abkühlrate der Charge minimiert wird. Zur Bestimmung der optimalen Klappenposition kann der Meßwert mit einer Auswerteeinheit (Rechner) verbunden werden.

Gemäß Fig. 2 kann zur Überwindung des durch den Wärmetauscher 8 erzeugten Differenzdrucks ein zusätzlicher Axiallüfter 10 dem Radiallüfter 3 vorgesetzt werden. 3

Claims

AT 405 190 B Bei einer anderen, in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung erstreckt sich der Wärmetauscher 8 auch über den Querschnitt 9. Ein solcher Wärmetauscher ist jedoch ebenfalls so ausgebildet, daß der Leitwert zwischen 20 und 500 (m3/kPas), vorzugsweise zwischen 300 und 500 [m3/kPas] liegt. Patentansprüche 1. Verfahren zur Wärmebehandlung metallischer Werkstücke (5) durch Aufheizen der Werkstücke (5) und anschließendes Abschrecken in Stickstoffgas, das unter Überdruck von einem motorgetriebenen Ventilator (3) über einen Wärmetauscher (8) umgewälzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Überdruck von 0,1 bis 4 MPa erzeugt und der Quotient aus Gasumwälzmenge [Normvolumen in m3/s] und Druckverlust zwischen dem Eintritt in den Wärmetauscher (Ebene E1) und dem Eintritt in das Ventilatorrad (Ebene E3) im Bereich von 20 bis 500 [m3/kPas], vorzugsweise 300 bis 500 [m3/kPas] gehalten wird.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der in an sich bekannter Weise sich über die gesamte Breite des umgewälzten Gasstromes erstreckende Wärmetauscher (8) einen Leitwert von 20 bis 500 [m3/kPas], vorzugsweise 300 bis 500 [m3/kPas] aufweist.
3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (8) nur von einem Teil des umgewälzten Gasstromes beaufschlagt ist.
4. Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Veränderung des Teilstromes die Druckdifferenz zwischen dem Teilstrom und unmittelbar hinter dem Wärmetauscher (Ebene E2) bei unterschiedlichen Systemdrücken und Gastemperaturen minimiert bzw. konstant gehalten wird.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung der Teilstrommenge wenigstens eine Regelklappe (11) angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß dem radialen Ventilatorrad (3) ein Axiallüfter (10) vorgeschaltet ist. Hiezu 3 Blatt Zeichnungen 4