-
Die
Erfindung betrifft eine Gasverteilerplatte für eine Heizkammer eines Ofens
zur Wärmebehandlung
metallischer Werkstücke,
mit einem wenigstens eine Öffnung
aufweisenden Plattenelement. Ferner betrifft die Erfindung eine
Heizkammer zur Wärmebehandlung
metallischer Werkstücke
in einem Vakuum-Kammerofen.
-
Aus
der Praxis sind entsprechende Heizkammern bekannt, die insbesondere
zur Wärmebehandlung
metallischer Werkstücke
in Vakuum-Kammeröfen
Verwendung finden, wobei die Wärmebehandlung
vorwiegend ein so genanntes Härten
darstellt. Die Wärmebehandlung
besteht dabei darin, die in die Heizkammer eingebrachten Werkstücke auf eine
bestimmte Temperatur zu erwärmen,
wozu in der Heizkammer regelmäßig entsprechende
Heizelemente vorgesehen sind. Anschließend werden die Werkstücke bedarfsweise
für eine
gewisse Zeitdauer einer erhöhten
Temperatur ausgesetzt, um danach gezielt abgekühlt zu werden, wozu der Vakuum-Kammerofen über eine
entsprechende Kühleinrichtung verfügt. Die
Werkstoffgefüge
und damit die Eigenschaften der Werkstücke sind in hohem Maße vom Temperaturverlauf
während
der Abkühlphase
abhängig.
-
Um
hohe, gleichmäßige Abkühlraten
erzielen zu können,
weisen die bekannten Heizkammern Öffnungen auf. Durch die Öffnungen
kann während der
Abkühlphase
ein vorzugsweise inertes Gas in die Heizkammer eintreten und nach
einem Wärmeaustausch
mit den Werkstücken,
vorzugsweise auf einer gegenüberliegenden
Seite der Heizkammer, aus dieser wieder austreten.
-
Die
die Öffnungen
zum Gasaustausch aufweisenden Elemente der Heizkammern können als Gasverteilerplatten
bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um separate Bauteile der
Heizkammer, die in einer einfachen Ausführung lediglich aus einem ebenen, Öffnungen
aufweisenden Plattenelement bestehen. Es sind solche Gasverteilerplatten
bekannt, die aus Hartgraphit gefertigt sind. Andere Gasverteilerplatten
weisen ein Edelstahlblech auf, das auf der Kammerinnenseite mit
einer kohlenstoffbasierten oder keramischen Isolationsschicht belegt
ist.
-
Problematisch
an den bekannten Heizkammern ist, dass das Abkühlen des zu wärmebehandelnden
Werkstücks
trotz der vorhandenen Öffnungen
in der Gasverteilerplatte nicht in jedem Fall mit einer zufrieden
stellenden Abkühlgeschwindigkeit möglich ist.
Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Werkstück im Vakuum-Kammerofen
auf tiefe Temperaturen, beispielsweise unter 0°C, abgekühlt werden soll.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt somit darin, eine Gasverteilerplatte
sowie eine Heizkammer vorzuschlagen, die höhere Abkühlgeschwindigkeiten und somit
einen wirtschaftlicheren Betrieb ermöglichen.
-
Diese
Aufgabe wird bei einer Gasverteilerplatte mit den Merkmalen des
Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das Plattenelement aus
einem faserverstärkten
Kohlenstoff-Verbundwerkstoff gefertigt ist.
-
Die
Erfindung hat erkannt, dass mit einer Gasverteilerplatte aus faserverstärktem Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
höhere
Abkühlgeschwindigkeiten
erzielt werden können.
Dies liegt an einer geringen Wärmespeicherung
des Werkstoffs beim Aufheizen und anschließenden Abkühlen in der Heizkammer. Zudem
hat die Erfindung überraschend festgestellt,
dass der Einsatz von einem faserverstärkten Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
nicht zu unerwünschten
Einbußen
hinsichtlich der Stabilität
der Heizkammern führt,
die im Betrieb über
lange Zeiträume
hohen Belastungen ausgesetzt sind. Ein vorzeitiges Versagen würde hier
zu erheblichen Betriebsstörungen
und damit Kosten führen.
Weitere stützende
Schichten wie Edelstahlbleche sind daher bei der Verwendung von
faserverstärktem
Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
nicht mehr notwendig.
-
Der
faserverstärkte
Kohlenstoff-Verbundwerkstoff, vorzugsweise CFC, umfasst eine Kohlenstoff-
oder Graphitmatrix mit Verstärkungsfasern
aus Kohlenstoff.
-
Der
Begriff faserverstärkter
Kohlenstoff-Verbundwerkstoff bedeutet jedoch nicht, dass der Werkstoff
ausschließlich
aus Kohlenstoff bestehen muss. Es können beispielsweise noch metallische
oder keramische Komponenten enthalten sein. Neben dem faserverstärkten Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
ist allerdings keine zusätzliche
Tragschicht aus einem völlig
anderen Material wie Edelstahl oder Keramik vorgesehen. Im Falle
der Verwendung von zusätzlichen beispielsweise
metallischen oder keramischen Werkstoffen sind diese vorzugsweise
in der Matrix des faserverstärkten
Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs
eingebunden oder dispergiert.
-
Nach
einer ersten bevorzugten Lehre der Erfindung ist vorgesehen, dass
in der wenigstens einen Öffnung
wenigstens eine Düse
angeordnet ist. Auf dieser Weise kann einerseits die Gasverteilerplatte weiter
stabilisiert werden und können
andererseits Beschädigungen
an den Öffnungen
wie beispielsweise ein Ausfransen derselben vermieden werden. Zudem
wird weniger Fasermaterial des Verbundwekstoffs aus den Öffnungen
ausgetragen. Die Düsen können dabei
beispielsweise aus metallischen oder keramischen Werkstoffen gefertigt
sein.
-
Nach
einer weiter bevorzugten Lehre der Erfindung ist die wenigstens
eine Düse
aus einem kohlenstoffbasierten Werkstoff gefertigt. Das Plattenelement
und die Düse
weisen vorwiegend sehr ähnliche Materialeigenschaften
auf, wodurch die maximalen Belastungen der Gasverteilerplatte vermindert
werden können.
-
Als
kohlenstoffbasierte Werkstoffe kommen unter anderem verdichteter
Kohlenstoff oder Graphit, gepresster graphitierter oder nicht graphitierter
Kohlenstoff (Hartkohlenstoff oder Hartgraphit), Kohlenstoff- und
Graphitfilze, die durch Carbonisieren oder Graphitieren natürlicher
oder synthetischer Fasern hergestellt werden, Hartfilz aus Kohlenstofffasern und
einem Bindemittel sowie ein faserverstärkter Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
in Form einer Kohlenstoff- oder Graphitmatrix mit Verstärkungsfasern (CFC)
in Frage.
-
Es
hat sich ferner als vorteilhaft herausgestellt, wenn die wenigstens
eine Düse
aus Graphit gefertigt ist. Es handelt sich dabei insbesondere um graphitierten,
gepressten Kohlenstoff oder um so genanntes Hartgraphit. Die Graphitdüse weist
eine ausreichende Festigkeit auf und lässt keine übermäßigen Spannungsspitzen in der
Gasverteilerplatte entstehen. Zudem erzielt die wenigstens eine
Graphitdüse
wegen ihrer Aufnahme im faserverstärkten Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
trotz einer gewissen Sprödigkeit
lange Standzeiten.
-
Der
faserverstärkte
Kohlenstoff-Verbundwerkstoff kann je nach Anwendungsfall als Fasermatte
oder Gewebe ausgebildet sein. Fasermatten und Gewebe haben infolge
der unterschiedlichen Ausrichtungen der Fasern unterschiedliche
Materialeigenschaften und sind zu unterschiedlichen Kosten zu fertigen.
Vor dem Hintergrund geringerer Kosten und einer höheren Isotropie
werden Fasermatten grundsätzlich
bevorzugt.
-
Der
Werkstoffverbund kann auch mehrere solcher Fasermatten- oder Gewebeschichten
aufweisen, die gegebenenfalls über
eine Zwischenlage miteinander verbunden, vorzugsweise verklebt sind. Auch
eine Kombination von wenigstens einer Fasermatte und wenigstens
einem Gewebe kommt als Werkstoffverbund in Betracht. Zudem kann
die Anzahl der Schichten und deren Schichtstärken an die jeweiligen Anforderungen
angepasst sein.
-
Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
der Gasverteilerplatte ist wenigstens eine Gewebeschicht als äußere Schicht
auf einem Kern aus einem faserverstärkten Kohlenstoff-Verbundwerkstoff
vorgesehen. Die Gewebeschicht kann ein Gewebe aus Kohlenstoff- und/oder
Graphitgarnen sein. Bedarfsweise ist das Gewebe selbst ein faserverstärkter Kohlenstoff-Verbundwerkstoff.
Insbesondere wenn sich unter der Gewebeschicht eine Fasermatte befindet,
ist diese durch das Gewebe vor einem erhöhten Faserabrieb geschützt. Das
Gewebe ist dann zudem hochfest und flexibel.
-
Alternativ
oder zusätzlich
kann das Plattenelement auch wenigstens eine äußere Schicht aus einer Graphitfolie
aufweisen. Diese Schicht schützt eine
darunter gelegene Fasermatte ebenfalls vor Faserabrieb stellt aber
zudem noch eine im Wesentlichen gasdichte Barriereschicht dar. Zudem
ist eine Graphitfolie leicht zu reinigen.
-
Die
wenigstens eine äußere Schicht
ist an einer durch die wenigstens eine Öffnung in fluidem Kontakt stehenden
Seiten der Gasverteilerplatte vorgesehen, wobei vorzugsweise jede
dieser Seiten eine äußere Schicht
aufweist. Diese äußeren Schichten
können
dabei identisch sein. Es kann vorzugsweise aber auch an einer Seite
der Gasverteilerplatte eine Gewebeschicht und auf der gegenüberliegenden
Seite eine Graphitfolie vorgesehen sein.
-
Um
ein Faseraustrag und ein Ausfransen im Bereich der Öffnung des
Plattenelements zu vermeiden, durchdringt die wenigstens eine Düse das Plattenelement
vollständig.
Dies erhöht
auch die Stabilität
der gesamten Gasverteilerplatte.
-
Vorzugsweise
ist die wenigstens eine Düse in
das Plattenelement eingeklebt, so dass eine dauerhafte Verbindung
geschaffen wird und die Düse sich
nicht unbeabsichtigt aus der Öffnung
des Plattenelements löst.
Alternativ oder zusätzlich
kann die wenigstens eine Düse
auch ein Außengewinde
aufweisen und in das Plattenelement eingeschraubt sein.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
ist die Düse
mit dem Außengewinde
in das Plattenelement eingeschraubt und gleichzeitig mit diesem
verklebt. Durch das Einschrauben wird in einfacher Weise ein guter
Kontakt zum Plattenelement hergestellt und eine Verbindung im Wesentlichen ohne
Spiel geschaffen. Das Verkleben stellt zudem sicher, dass die Verbindung
nicht mehr unbeabsichtigt gelöst
werden kann.
-
Die
Positionierung der wenigstens einen Düse im Plattenelement wird durch
einen Kragen der wenigstens einen Düse erleichtert. Diese wird
dann vorzugsweise soweit in das Plattenelement eingebracht, bis
der Kragen am Plattenelement zur Anlage kommt. Zudem wird die wenigstens
eine Öffnung
im Außenbereich
der wenigstens einen Düse
vollständig verschlossen.
-
Ferner
ist die eingangs genannte Aufgabe bei einer Heizkammer der eingangs
genannten Art gemäß Anspruch
10 dadurch gelöst,
dass eine Gasverteilerplatte der zuvor beschriebenen Art vorgesehen
ist. Hierdurch werden die bereits im Zusammenhang mit der Gasverteilerplatte
erläuterten
Vorteile erzielt.
-
Dabei
ist die Gasverteilerplatte als ein separates Bauteil anzusehen.
Es ist aber nicht erforderlich, dass die Platte vollständig eben
ist. Dies gilt insbesondere für
den Fall, dass die Heizkammer gebogen, vorzugsweise zylindrisch,
ausgebildet ist, etwa um den Raum in einem Ofen mit gebogener Innenkontur
besser auszufüllen.
Das Plattenelement und damit gleichsam die Gasverteilerplatte können somit auch
gekrümmt
oder gebogen sein. Da die Heizkammern aber in der Regel etwa quaderförmig aufgebaut sind,
ist die Verwendung der vereinfachten Begriffe Gasverteilerplatte
und Plattenelement vorliegend zur besseren Verständlichkeit gerechtfertigt.
-
Vorzugsweise
wird aber wenigstens eine Seitenwand der Heizkammer im Wesentlichen
durch die Gasverteilerplatte gebildet. Besonders bevorzugt ist es,
wenn wenigstens zwei einander gegenüberliegende Seitenwände der
Heizkammer im Wesentlichen durch Gasverteilerplatten gebildet sind,
da der Gasstrom dann durch die gesamte Heizkammer geleitet werden
kann. Es können
aber auch alle Seitenwände
der Heizkammer im Wesentlichen durch Gasverteilerplatten gebildet
sein. Die Verwendung einer Gasverteilerplatte als Seitenwand erlaubt
einen einfachen Aufbau der Heizkammer, da auf diese Weise nur eine
Art Stützrahmen
erforderlich ist, um durch Montage der einzelnen Gasverteilerplatten
daran die Heizkammer zu bilden.
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein Ausführungsbeispiel
darstellenden Zeichnung näher
erläutert.
In der Zeichnung zeigt
-
1 die
erfindungsgemäße Heizkammer
in Seitenansicht,
-
2 das
Detail II der erfindungsgemäßen Gasverteilerplatte
aus 1,
-
3 die
erfindungsgemäße Gasverteilerplatte
im Querschnitt entlang des Schnitts III-III aus 2 und
-
4 eine
Düse der
Gasverteilerplatte aus 1.
-
Die 1 zeigt
eine Heizkammer 1 zur Wärmebehandlung
metallischer Werkstücke
in einem Vakuum-Kammerofen mit einer Gasverteilerplatte 2, wobei
die Gasverteilerplatte 2 zusammen mit einem Rahmenelement 3 die
Seitenwand 4 der Heizkammer 1 bildet. Das Rahmenelement 3 kann
dabei verhältnismäßig schmal
ausgebildet sein und hat im Wesentlichen eine stützende Funktion. Die Montage
der Gasverteilerplatte 2 am Rahmenelement 3 erfolgt beim
dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel mit Hilfe der
Verschraubungen 5.
-
Nicht
im Einzelnen dargestellt ist, dass auch andere Seitenwände der
Heizkammer im Wesentlichen durch eine Gasverteilerplatte gebildet
sein können,
wobei dann jeweils gegenüberliegende
Seitenwände
Gasverteilerplatten aufweisen. Besonders vorzugsweise können zwei
oder vier Seitenwände eine
Gasverteilerplatte aufweisen oder im Wesentlichen durch diese gebildet
sein.
-
Wie
insbesondere aus der 2 hervorgeht, weist die Gasverteilerplatte 2 eine
Vielzahl von zylindrischen Düsen 6 mit
einem mittleren freien Strömungsquerschnitt 7 zum
Durchtritt von Gasen durch die Gasverteilerplatte 2 auf.
Im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Düsen 6 regelmäßig in einer
Dreiecksteilung angeordnet. Es wäre
aber grundsätzlich
auch eine andere, beispielsweise quadratische Teilung denkbar. Der horizontale
Abstand der Düsen 6 der
Dreiecksteilung a entspricht etwa dem Außendurchmesser der Düsen 6 und
beträgt
im dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel ungefähr 40 mm, während der
vertikale Abstand der Düsen 6 der
Dreiecksteilung b etwa 50 mm beträgt. Aus 2 und 3 ergibt
sich ferner, dass die Gasverteilerplatte 2 auf einem Rahmenelement 3 der
Heizkammer 1 aufliegt und mittels Verschraubungen 5 dort
befestigt ist.
-
Aus
der 3 wird deutlich, dass das dargestellte und insoweit
bevorzugte Gasverteilerplatte aus einem Plattenelement und Düsen aufgebaut
ist. Sind keine Düsen,
sondern lediglich Öffnungen
vorgesehen, kann das Plattenelement ggf. in seiner einfachsten Ausgestaltung
der Gasverteilerplatte als solcher entsprechen und sozusagen deren
einziges Bauteil sein.
-
Das
in der 3 dargestellte und insoweit bevorzugte Plattenelement 8 besteht
aus vier Lagen eines faserverstärkten
Kohlenstoff-Verbundwerkstoffs in Form von Fasermatten 9.
Die Lagen sind dabei untereinander verklebt. Zusätzlich zu den Fasermatten 9 sind
an diesen zu beiden Seiten noch äußere Schichten 10, 11 vorgesehen.
Die obere äußere Schicht 10 des
Plattenelements 8 gemäß 3 ist eine
Graphitfolie, während
die untere äußere Schicht 11 ein
Gewebe aus Kohlenstofffasern ist.
-
In
das Plattenelement 8 sind Öffnungen 12 eingebracht,
in denen Düsen 6 vorgesehen
sind. Die Düsen 6 erstrecken
sich durch die gesamte Dicke des Plattenelements 8 und
liegen an einem oberen Kragen 13 auf der oberen äußeren Schicht 10 des Plattenelements 8 auf.
Zum Zwecke des Einbringens der Düsen 6 in
das Plattenelement 8 weisen die Düsen 6 ein Außengewinde 14 auf.
Darauf wird vor dem Einschrauben in das Plattenelement 8 ein
Klebstoff aufgebracht, der die Düsen 6 mit
dem Plattenelement 8 verklebt. Der freie, Strömungsquerschnitt 7 der
Düsen 6 ist
zylindrisch ausgestaltet, was sich hinsichtlich des zu überwindenden
Druckverlusts als vorteilhaft erweisen kann.
-
Eine
Düse 6 des
dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiels ist zur besseren Veranschaulichung
in 4 separat in einer Seitenansicht gezeigt. Dort
ist insbesondere das Außengewinde 14 der
Düse und
der obere Kragen 13 mit einer in Richtung des Außengewindes
weisenden Anlagefläche 15 zur
Anlage an eine der äußeren Seite 10, 11 des
Plattenelements 8 gut zu erkennen.
