CN101347837B - 热等静压机快速冷却方法以及热等静压机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热等静压机快速冷却方法，所述热等静压机由一个压力容器(1)构成，压力容器内部有炉料区(19)以及布置于其间的隔热体(8)，且在隔热体(8)范围内有加热元件(4)以及炉料(18)布置于炉料托板(6)上，该方法的特征在于：在压力容器(1)的炉料区(19)内部通过至少一个喷嘴(13)喷入流体形成旋流(23)，流体在旋流(23)经过隔热体(8)附近的过程中与炉料(18)附近的流体混合，且从喷嘴(13)流出的流体其温度低于炉料区(19)中的流体或者炉料(18)。在本发明所推荐的热等静压机中，在压力容器(1)之内至少有一个导管(12)与炉料区(19)内的至少一个喷嘴(13)相连，并且给导管(12)供应低温流体。

Description

热等静压机快速冷却方法以及热等静压机

技术领域

本发明涉及一种热等静压机的快速冷却方法，以及一种热等静压机。

背景技术

热等静压机(HIP)或者高压釜在当今的应用领或十分广泛。在高温高压条件下，在型模中对固体工件或者粉末构成的模压材料进行致密化处理。可以将同类材料以及不同材料结合在一起。通常将工件置于被一个高压容器包围的加热炉中。在加热过程中或者在加热之后，通过一种流体或者惰性气体(通常是氩气)从各个方向施加压力，实施彻底的等静压处理，直至工件达到最佳致密度。这种方法也被用来对构件进行再致密化处理，例如陶瓷材料制成的构件，例如用于髋关节假体、汽车或者发动机制造用的铝铸件、轿车发动机的汽缸盖或者钛合金精密铸件，例如涡轮机叶片。在高温高压条件下进行再致密化处理，可封闭前道生产工序中产生的微孔、愈合缺陷部位、改善结构特性。另一个应用领域是制造粉末材料近终成形构件，在工艺过程中对其进行致密化和烧结处理。

HIP周期通常要持续非常长的时间，从几小时到几天不等。周期成本的主要部分是占压资金的机器小时率所引起的。尤其是从工作温度降低到能够安全打开压机的允许温度所需的冷却时间相当长，通常占到周期时间的三分之一以上，且在工艺过程中无法加以利用。现在已经知道：冷却过程对于生产零件的材料特性有着至关重要的作用。许多材料均需要严格遵守一定的最大冷却速度，以便保证材料质量。此外，在冷却过程中还要注意：应当使工件整体均匀冷却，不得不均匀地有不同的温度区。在制造大型构件时，温度差异所引起的内应力可能会导致翘曲、切口应力集中开裂或者导致彻底毁坏。即使是通常放在加热炉内的支架上的小型构件，也有可能出现此类问题。

已知现有技术水准下的高压釜均采用热气体循环方式，配有或者没有机械式辅助设备，例如风机。在没有机械式辅助设备的应用中，通过现有的或者强制的温度差(加热或冷却外壁)在高压釜中实现气体的自然对流和重新分布。较冷的流体下降，较热的流体则上升。可以使用导流机构以有控制的方式对这种流体的流动加以利用，从而在高压釜内实现均匀的加热或者冷却循环。现有技术所使用的就是由一根上、下开口的管子构成的导流套或对流套。在加热过程中，加热炉中的热源提供驱动力，并且根据热源的布置情况开始流动。在冷却模式下，低温流体在对流套和起冷却作用的外壁之间下降，并且推动套管内部较热的流体向上流过工件。在HIP设备的顶盖上，从下而上的流动推动流体朝向外侧部分运动，使得流体在外壁和套管之间又重新下降。这时又重新形成相应的冷却作用，从而维持连续的冷却过程。

例如，编号为DE 38 33 337A1的公开说明书就公开了一种使HIP设备快速冷却的实施型式。根据这种解决方案所述，通过底层空间内的阀门打开循环回路，在隔热罩内的高温区与隔热罩外的低温区之间形成气体循环，从而形成快速冷却作用。在隔热罩的上盖中有一些始终常开的孔，高温流体可以通过这些孔流出。这种实施型式的缺点在于：温度非常低的流体会从下方回流到高温区之中，并且与加热炉中的工件发生直接接触，这样就会使低温气体从下而上充满高温区。其不足之处在于：可能会出现参数过于不确定的骤然冷却，无法使得整个炉料区实现均匀的冷却速度。对于大型构件而言，这种不均匀冷却可能会引起上述问题，如翘曲、开裂或毁坏。

编号为WO 2003/070402A1的申请说明书公开了一种热等静压机冷却方法以及一种热等静压机。根据该方法所述，从装料区放出高温流体，将其与装料区外下降的低温流体混合，然后将混合流体重新送入装料区。该方法所要求的条件复杂，因此也需要使用构造复杂、具有若干管道的热等静压机。如果炉料的侧凹部分或者炉料的支撑结构妨碍炉料区的正常流通，则重新送入的混合流体可能会以无法控制的方式回流到炉料区之中，且有时会导致不同的冷却速度，这也是一个缺点。此外，将冷却到混合温度的气体从下方送入炉料区，必然会导致炉料区的下端与上端之间出现温度梯度，因此不可能实现均匀的冷却速度。

发明内容

本发明的任务在于阐述一种热等静压机快速冷却方法，以及用来实施该方法的一种能够使得炉料区或者炉料均匀冷却的热等静压机；根据本发明所述，将温度较低的流体与热等静压机炉料区内的高温流体均匀混合，同时在整个压力容器内，尤其是在炉料区内使得流体充分迅速且可靠地循环，从而实现均匀冷却全部炉料的效果。

针对该方法提出的任务可根据本发明加以解决，即在压力容器的炉料区内部通过至少一个喷嘴喷入流体形成旋流，在旋流经过隔热体附近的过程中，流体与来自炉料附近的流体相互混合，且从喷嘴流出的流体具有比炉料区内流体和/或炉料更低的温度。

具体地说，根据本发明的一种热等静压机快速冷却方法，热等静压机由一个压力容器构成，压力容器内部有炉料区以及布置于其间的隔热体，且在隔热体范围内有加热元件以及炉料布置于炉料托板上，其中，通过至少一个喷嘴在压力容器的炉料区内部形成旋流，流体在旋流经由隔热体附近的过程中与炉料附近的流体混合，并且从喷嘴流出的流体所具有的温度低于炉料区以及/或者炉料，从喷嘴喷出的低温流体相对于压力容器的中轴线沿切向喷入炉料区之中。

较佳地，从喷嘴喷出的低温流体向下或者向上与水平线相交成轻微的角度沿切向喷入炉料区之中。从喷嘴喷出的低温流体可以以高速喷入炉料区之中。或者，从喷嘴流出的流体以较低的温度从底层空间直接喷入导管之中。

较佳地，在上述方法中，通过入口将流体输送到压力容器外侧的流体冷却器，然后通过入口将其送入导管。

较佳地，在底层空间之中通过由一个喷射管和一个文丘里喷嘴构成的真空喷射泵，将在压力容器外侧经过冷却后的流体直接或者将其混合来自底层空间的流体之后送入导管之中。

较佳地，利用两个彼此平行布置的环形间隙中的自然对流建立一个完全布置于隔热体之外的外侧循环回路进一步优化快速冷却效果。

较佳地，从炉料区的环流中流出的流体在炉料区下方经由隔热体中的通孔进入外侧循环回路之中，并且与外侧循环回路中的流体混合，接着在环流作用下流经压力容器的壁面，变成低温流体经由通孔回流到炉料区下方。

流体可以通过垂直通孔从炉料区和/或从水平通孔流入底层空间之中。

或者，从喷嘴喷出的低温流体在进入炉料区之前被喷入导流装置之中，导流装置在靠近隔热体壁面的外侧区域内将低温流体送往炉料区。

较佳地，从喷嘴喷出的低温流体在进入炉料区之前被喷入导流装置之中，在导流装置在靠近隔热体壁面的外侧区域内将低温流体送往炉料区之前，导流装置内产生第一旋流。

针对用于实施该方法的热等静压机提出的任务可由如下热等静压机解决，，该热等静压机由一个压力容器构成，压力容器内部有炉料区以及布置于其间的隔热体，且在隔热体范围内有加热元件以及炉料布置于炉料托上，其中，在压力容器之内至少有一个导管与炉料区内部的至少一个喷嘴相连，且供应给该导管的流体其温度低于炉料区中的流体和/或炉料，喷嘴设置成其喷出的低温流体相对于压力容器的中轴线沿切向喷入炉料区之中。

较佳地，喷嘴的出流方向布置成水平和/或与压力容器的中轴线相切。

较佳地，喷嘴的出流方向与中轴线相切，并且向下或者向上与水平线斜交。

在上述的热等静压机，导管可通入并且/或者穿过底层空间。在底层空间中安装有用来从底层空间将流体供应给导管的循环装置。此外，在底层空间中可具有一个用来输送冷却流体的入口。此外，在底层空间中有一个出口，该出口与压力容器之外的一个流体冷却器以及/或者与一个压缩机相连，且最终与入口相连。此外，在底层空间中安装有一个由喷射管和文丘里喷嘴构成的真空喷射泵，且喷射管与入口相连。

较佳地，隔热体外侧具有一个上、下均有通孔的导流板形成一个环状间隙。

较佳地，在炉料区和底层空间之间的隔热体之中布置有若干通孔。

较佳地，在炉料区和/或者环形腔与底层空间之间布置有若干通孔。

较佳地，在炉料区和喷嘴之间安装有至少由一个水平板构成的导流装置。

本发明的原理在于：通过在压力容器上部定向喷入低温流体的方式，在炉料区范围内形成旋流。在炉料区上端以高速喷入的方式，在炉料区内产生旋流效应，也就是说，从喷嘴喷出的低温流体沿着隔热体作圆周运动，并且由于流体密度较大而下降。因为与炉料区之间并无隔离物，从而在炉料区附近的高温流体与旋转运动的低温流体之间发生混合。下降的流体夹带着来自炉料区内部的高温流体，从而产生混合温度。由于混匀效果理想，且可根据物理作用可靠防止炉料接触温度过低的流体，因此能确保各个炉料部分均具有理想、均匀的冷却梯度。通过流体在炉料区内部的旋转运动，也可保证上升、下降流体不会因为炉料侧凹部分或者炉料支架的妨碍而在炉料区内形成温度小环境。由于流体在旋转运动，因此就会在(例如)侧凹部分处产生涡流，即使存在内有静止流体的小环境，也能将其充分混匀，从而十分有效地平衡温度差。

利用本发明所述的特征，可以在进行快速冷却时，使得整个炉料区内在冷却过程中实现均匀的温度分布。

本发明的其它有益措施和实施型式均在从属权利要求以及下列以附图为参考的描述中加以阐述。

附图说明

附图1一种外部流体冷却型压力容器，沿其中轴线垂直剖开的剖面示意图，

附图2沿着附图1所示压力容器的炉料区上部喷入平面水平剖开的剖面图，

附图3沿着压力容器隔热体外侧与内侧区域之间的混合平面水平剖开的另一个剖面图，

附图4a、b所示为炉料区上部流体导流装置的两种实施例，以及

附图5一种利用循环装置进行快速内冷却的压力容器，沿其中轴线垂直剖开的剖面图。

具体实施方式

这些附图所示的压力容器1均具有一个通常位于内部的炉料区19以及布置于其间的隔热体8。在隔热体8内安装有加热元件4，炉料18通常放在一个炉料托板6上，或者利用支架(并未绘出)将其放在炉料托板6上。压力容器1还具有用来给压力容器上料、卸料的封闭盖2和3，但为了使描述简化起见，以下将其视作压力容器1的组成部分。在隔热体8范围内的炉料区19之中安装有至少一个喷嘴13，通过该喷嘴形成旋流23，特别地将流体高速喷入。流体所具有的温度低于炉料区19内的流体以及/或者炉料18，并且根据物理定律通过旋转作用使其紧靠在绝缘体8的内壁上。当旋流23在隔热体8附近经过时，外侧旋转的流体与炉料18附近温度较高的流体相混合。在垂直于压力容器1中轴线26的剖面中，中轴线26附近的流体温度最高。温度在旋流23经过时朝向隔热体8方向连续降低。在一种优选实施型式中，相对于压力容器1的中轴线26从喷嘴13沿水平方向喷出流体。相对于压力容器1的中轴线26沿切线方向喷出流体最为理想。若从喷嘴13喷出的流体具有较高速度，并且/或者布置有多个喷嘴13，则较为有益。根据附图5所示，要么利用循环装置5从底层空间22抽取温度较低的流体后直接送入导管12，或者如附图1和4所示，通过出口24在压力容器1之外将流体送给流体冷却器10以及/或者一个压缩机11，然后再通过入口25将其送入导管12。

在一种特别优选的实施型式中，通过由一个喷射管15和一个文丘里喷嘴16构成的真空喷射泵，将经由入口25回送到压力容器1之中的冷却流体与来自底层空间22的流体混合之后送入导管12之中(附图1)。在旋流23的所有驱动方法中，流体可以直接从炉料区19以及/或者从第二环状间隙17经由通孔7进入底层空间22之中。这是一种结构性设计，取决于所要实现的冷却速度，因为从炉料区19流出的流体其温度明显高于从第二环状间隙17流出的流体。

为了进一步优化整个压力容器的快速冷却效果，在两个彼此平行的环状间隙9、17中利用自然对流建立外侧循环回路20，所述循环回路20完全位于隔热体8之外，其中环状间隙9例如可由隔热体8外侧具有一个上、下均有通孔的导流板21。外侧循环回路20中的流体以及来自炉料区19的旋转流体可以在炉料区下方利用隔热体8内的通孔14相互交换并且混合。旋流23中的高温气体可以经由通孔14进入外侧循环回路20之中，在这里首先与外侧环流混合，并且通过压力容器壁1上的循环作用继续冷却，冷却后的气体经由通孔14流回到炉料区19下方。

将经由入口25送入的外部冷却流体和/或者在外侧环形腔17内经过压力容器1的壁面冷却后的流体混合之后，就能按照附图1、4或5所示的快速冷却方法，达到极充分和快的炉料区19冷却效果。当然，对于专业人士而言，本发明所公开的方法有多种变化型式可供使用。

在附图4所示的另一种优选实施型式中，通过喷嘴13在导流装置27之中或者在其上方将流体喷入炉料区19之中。该导流装置27可以设计成水平布置的单片或双片圆盘(附图4a)或者环(附图4b)，从而保证从喷嘴13流出的冷却流体在进入旋流23之前到达炉料区19的外边缘，这里就是隔热体8构成的外边缘。这样就可避免不可控制的冷却流体进入炉料区19的中部。

导流装置27还可设计成水平布置的双板或双环，如同附图4a、b所示的实施型式一样，通过从喷嘴13流入的冷却流体，在两个板片之间实现极佳的并且受到严格限制的气体导向作用，可以不受隔热体8的上部区域的结构与高度(顶盖)的影响。

可想而知，也可将导流装置27设计成一种扩宽的喷嘴13，使得经由喷嘴13进入导流装置27的流体在双板之内产生初级旋流，然后才在隔热体8的壁面附近进入炉料区19之中。这时的至少一个入口具有喷嘴13的定向特征。

为了强制使得从喷嘴13流出的冷却流体与上隔热体8附近的热流体立即混合，可以使从喷嘴13流出的流体喷入一个真空喷嘴之中(图中没有绘出)。

在另一种实施型式中，在外侧环形间隙17与底层空间22之间还可以附加布置一些通孔7，使得经过压力容器壁冷却后的流体能够直接回流到底层空间22之中(附图5)。

附图标记清单：

1.压力容器

2.上封闭盖

3.下封闭盖

4.加热元件

5.循环装置

6.炉料托板

7.通孔

8.隔热体

9.环状间隙1

10.流体冷却器

11.压缩机

12.导管

13.喷嘴

14.通孔

15.喷射管

16.文丘里喷嘴

17.环状间隙2

18.炉料

19.炉料区

20.外侧循环回路

21.用于20的导流板

22.底层空间

23.旋流

24.出口

25.入口

26.中心线

27.导流装置

Claims (23)

1.一种热等静压机快速冷却方法，所述热等静压机由一个压力容器（1）构成，压力容器内部有炉料区（19）以及布置于其间的隔热体（8），且在隔热体（8）范围内有加热元件（4）以及炉料（18）布置于炉料托板（6）上，

其特征在于：

通过至少一个喷嘴（13）在压力容器（1）的炉料区（19）内部形成旋流（23），

流体在旋流（23）经由隔热体（8）附近的过程中与炉料（18）附近的流体混合，并且

从喷嘴（13）流出的流体所具有的温度低于炉料区（19）以及/或者炉料（18），

从喷嘴（13）喷出的低温流体相对于压力容器（1）的中轴线（26）沿切向喷入炉料区（19）之中，从喷嘴（13）喷出的低温流体沿着隔热体（8）作圆周运动，下降的、旋转运动的低温流体与所述炉料区之间无隔离物。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从喷嘴（13）喷出的低温流体向下或者向上与水平线相交成轻微的角度沿切向喷入炉料区（19）之中。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从喷嘴（13）喷出的低温流体以高速喷入炉料区（19）之中。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从喷嘴（13）流出的流体以较低的温度从底层空间（22）直接喷入导管（12）之中。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，通过出口（24）将流体输送到压力容器（1）外侧的流体冷却器（10），然后通过入口（25）将其送入导管（12）。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在底层空间（22）之中通过由一个喷射管（15）和一个文丘里喷嘴（16）构成的真空喷射泵，将在压力容器（1）外侧经过冷却后的流体直接或者将其混合来自底层空间（22）的流体之后送入导管（12）之中。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用两个彼此平行布置的环形间隙（9，17）中的自然对流建立一个完全布置于隔热体（8）之外的外侧循环回路（20）进一步优化快速冷却效果。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从炉料区（19）的旋流（23）中流出的流体在炉料区（19）下方经由隔热体（8）中的通孔进入外侧循环回路（20）之中，并且与外侧循环回路（20）中的流体混合，接着在旋流作用下流经压力容器（1）的壁面，变成低温流体经由通孔回流到炉料区（19）下方。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，流体可以通过垂直通孔从炉料区（19）和/或从水平通孔流入底层空间（22）之中。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从喷嘴（13）喷出的低温流体在进入炉料区（19）之前被喷入导流装置（27）之中，导流装置（27）在靠近隔热体（8）壁面的外侧区域内将低温流体送往炉料区（19）。

11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从喷嘴（13）喷出的低温流体在进入炉料区（19）之前被喷入导流装置（27）之中，在导流装置（27）在靠近隔热体（8）壁面的外侧区域内将低温流体送往炉料区（19）之前，导流装置（27）内产生第一旋流。

12.一种用于实施权利要求1所述方法的热等静压机，由一个压力容器（1）构成，压力容器内部有炉料区（19）以及布置于其间的隔热体（8），且在隔热体（8）范围内有加热元件（4）以及炉料（18）布置于炉料托板（6）上，其特征在于，在压力容器（1）之内至少有一个导管（12）与炉料区（19）内部的至少一个喷嘴（13）相连，且供应给该导管（12）的流体其温度低于炉料区（19）中的流体和/或炉料（18），喷嘴（13）设置成其喷出的低温流体相对于压力容器（1）的中轴线（26）沿切向喷入炉料区（19）之中，下降的、旋转运动的低温流体与所述炉料区之间无隔离物。

13.根据权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，喷嘴（13）的出流方向布置成水平和/或与压力容器（1）的中轴线（26）相切。

14.根据权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，喷嘴（13）的出流方向与中轴线（26）相切，并且向下或者向上与水平线斜交。

15.根据权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，导管（12）通入并且/或者穿过底层空间（22）。

16.根据上述权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，在底层空间（22）中安装有用来从底层空间（22）将流体供应给导管（12）的循环装置（5）。

17.根据上述权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，在底层空间（22）中有一个用来输送冷却流体的入口（25）。

18.根据上述权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，在底层空间（22）中有一个出口（24），该出口与压力容器（1）之外的一个流体冷却器（10）以及/或者与一个压缩机（11）相连，且最终与入口（25）相连。

19.根据上述权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，在底层空间（22）中安装有一个由喷射管（15）和文丘里喷嘴（16）构成的真空喷射泵，且喷射管与入口（25）相连。

20.根据上述权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，隔热体（8）外侧具有一个上、下均有通孔的导流板（21）形成一个环形间隙（9）。

21.根据上述权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，在炉料区（19）和底层空间（22）之间的隔热体（8）之中布置有若干通孔。

22.根据上述权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，在炉料区（19）和/或者环形腔（17）与底层空间（22）之间布置有若干通孔。

23.根据上述权利要求12所述的热等静压机，其特征在于，在炉料区（19）和喷嘴（13）之间安装有至少由一个水平板构成的导流装置（27）。

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