DE1583434C

DE1583434C - Vertical tube furnace

Info

Publication number: DE1583434C
Authority: DE
Inventors: Hans Torbjorn Roberts fors Lundstrom (Schweden)
Original assignee: Allmanna Svenska Elektnska AB, Vasteraos (Schweden)
Publication date: 1971-02-25

Description

Die Erfindung betrifft einen vertikalen in einer Druckkammer untergebrachten Rohrofen mit einem von einem wärmeisolierten Material umschlossenen und mit Heizelementen versehenen Ofenraum, wobei die Atmosphäre im Ofen und um den Ofen herum vorzugsweise aus Gas unter hohem Druck besteht.The invention relates to a vertical tube furnace housed in a pressure chamber and having a Oven space enclosed by a thermally insulated material and provided with heating elements, wherein the atmosphere in and around the furnace is preferably high pressure gas.

Als Beispiel für das Anwendungsgebiet für öfen dieser Art können Druckkammern für isostatische Kompression genannt werden. Solche Druckkammern werden beispielsweise bei der Herstellung von Gegenständen aus Pulver verwendet, besonders bei länglichen Gegenständen sowie solchen mit unregelmäßiger Form. Die Pulvermischung wird dabei in einer Kapsel aus Gummi, Kunststoff oder anderem nachgiebigen Material mit derselben Form wie das gewünschte Produkt eingeschlossen, wonach die Kapsel in eine Druckkammer gesenkt und einen allseitigen Druck von der Größenordnung 1000 Bar ausgesetzt wird. Um gleichzeitig das Sintern des Pulvers zu erreichen, wird in der Druckkammer ein Ofen des genannten Typs angebracht, wobei als Druckmedium Gas verwendet wird, z. B. Argon oder Helium. Gewöhnlich wird die Kapsel dabei aus Metallblech hergestellt. Um das Material beim Einführen in den bzw. beim Herausnehmen aus dem Ofen leichter hantieren zu können, ist es erforderlich, daß dieser Vorgang vertikal erfolgen kann, aus diesem Grunde werden solche öfen in der Regel mit vertikaler Längsachse ausgeführt. Dabei entstehen jedoch große Schwierigkeiten, eine gleichmäßige Temperaturverteilung längs des Ofens zu erreichen, dessen Höhe beispielsweise 1,5 bis 2 m betragen kann. Das beruht in erster Linie darauf, daß im Ofen eine intensive Eigenkonvektion entsteht. Die Konvektion wird durch Dichtevariationen in radialer Richtung verursacht, die bei der Erwärmung des Ofenzentrums entstehen. Die Dichte des Gases ist verhältnismäßig groß, nimmt aber bei zunehmender Temperatur ab, und diese Dichteminderung ist besonders groß bei den hier verwendeten hohen Drücken, beispielsweise 2000 Bar, wenigstens bei den in diesem Zusammenhang in Frage kommenden Gasen, wie z. B. Argon. Das Gas steigt deshalb in dem wärmeren Teil des Ofenraums, während es an den kälteren Wänden fällt, so daß die Temperatur im oberen Teil des Ofens bedeutend höher als im unteren sein kann. Die Konvektion in öfen, die in Gas unter hohem Druck arbeiten, ist besonders intensiv, weil die große Temperaturabhängigkeit der Gasdichte nicht von einer entsprechenden Zunahme der Viskosität des Gases ausgeglichen wird. Die Viskosität bei den vorkommenden Drücken ist für Argon z. B. nur vier- bis fünfmal so groß wie der der Luft bei Atmosphärendruck und ungefähr ein Zehntel von der des Wassers.As an example of the area of application for ovens of this kind, pressure chambers for isostatic compression can be called. Such pressure chambers are used, for example, in the manufacture of objects from powder, especially in elongated objects as well as those with an irregular shape. The powder mixture is in a capsule made of rubber, plastic or other resilient material with the same shape as that Desired product included, after which the capsule is lowered into a pressure chamber and one on all sides Pressure of the order of 1000 bar is exposed. To simultaneously sinter the powder To achieve, an oven of the type mentioned is installed in the pressure chamber, the pressure medium being Gas is used, e.g. B. argon or helium. Usually the capsule is made from sheet metal. To make the material easier to handle when putting it in or taking it out of the oven to be able to, it is necessary that this process can be done vertically, for this reason such ovens are usually designed with a vertical longitudinal axis. However, this creates great difficulties to achieve a uniform temperature distribution along the furnace, its height for example 1.5 to 2 m. This is primarily due to the fact that there is intense self-convection in the furnace arises. The convection is caused by density variations in the radial direction that occur during heating of the furnace center. The density of the gas is relatively high, but increases with increasing temperature, and this reduction in density is particularly great in the case of the ones used here high pressures, for example 2000 bar, at least for those that come into question in this context Gases such as B. argon. The gas therefore rises in the warmer part of the furnace space while it falls on the colder walls, so that the temperature in the upper part of the furnace is significantly higher than in the lower can be. The convection in ovens that work in gas under high pressure is particularly intense, because the large temperature dependence of the gas density is not dependent on a corresponding increase in the Viscosity of the gas is compensated. The viscosity at the occurring pressures is for argon z. B. only four to five times that of air at atmospheric pressure and about a tenth of that of water.

Um die Konvektion im Ofen zu verringern und dadurch eine gleichmäßigere Temperaturverteilung zu erreichen, hat man vorgeschlagen, den Ofen schwenkbar auszuführen, so daß dieser, wenn das Material in den Ofen eingeführt ist, in die florizontallage geschwenkt werden kann. Diese Ausführung ist jedoch nur bei verhältnismäßig kleinen öfen praktisch möglich, das Problem der ungleichmäßigen Temperaturverteilung bleibt selbst bei diesem Ofentyp in gewis-• :!ii Maße bestehen. Ein anderer Vorschlag geht darauf hinaus. Heizelemente mit verschiedener Leitung in der Längsrichtung des Ofens anzuwenden, so daß die Wärmeentwicklung am Boden des Ofens größer als im oberen Teil ist. Diese Maßnahme allein ergibt noch keine gleichmäßige Temperaturverteilung im Ofenraum, und man erhält eine einigermaßen gleichmäßige Temperatur nur in einem Teil des Ofens. Außerdem müssen unverhältnismäßig große Leistungen zugeführt werden, was an und für sich kostspielig und kompliziert ist und außerdem größere Anforderungen an die Kühlung der Druckkammerwände stellt.To reduce the convection in the oven and thereby a more even temperature distribution reach, it has been proposed to make the furnace pivotable so that this when the material in the furnace is inserted, can be swiveled into the horizontal position. However, this design is The problem of uneven temperature distribution is only practically possible with relatively small ovens remains to a certain extent even with this type of furnace. Another suggestion goes out on it. Heating elements with different conduction apply in the longitudinal direction of the furnace so that the heat build-up at the bottom of the furnace is larger than in the upper part. This measure alone does not result in a uniform temperature distribution in the furnace chamber, and a reasonably uniform temperature is obtained in only one part of the furnace. In addition, disproportionately large services must be supplied, which is costly in and of itself and is complicated and also greater demands on the cooling of the pressure chamber walls represents.

Zweck der Erfindung ist, bei einem Ofen der beschriebenen Art auf einfache Weise eine möglichst gleichmäßige Temperaturverteilung in der Längsrichtung des Ofens zu erreichen. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Wärmeisolierung des Mantels aus wenigstens einer Isolationszelle besteht, die aus einem in einer Hülle von Material mit niedriger Gasdurchlässigkeit eingeschlossenen Raum besteht, der mit den übrigen in der Druckkammer befindlichen Räumen nur durch eine oder mehrere Druckausgleichsöffnungen verbunden ist, die inner-The purpose of the invention is, in a furnace of the type described, in a simple manner as possible to achieve even temperature distribution in the longitudinal direction of the furnace. This is done according to the Invention achieved in that the thermal insulation of the jacket consists of at least one insulation cell, those from a space enclosed in a shell of material with low gas permeability exists, which with the other spaces in the pressure chamber only through one or more Pressure equalization openings is connected, the inner

ao halb eines Bereiches liegen, dessen Ausdehnung in vertikaler Richtung im Verhältnis zur Ausdehnung der Isolationszelle in derselben Richtung klein ist. Die Konvektion innerhalb einer in genannter Weise ausgeführten Zelle kann auf verschiedene Weise auf sehr geringe Werte gesenkt werden. Zu diesem Zweck kann die Zelle beispielsweise mit Vorteil mit Isoliermaterial gefüllt werden, das gut an die Zellenwände anschließen muß und nur geringe Neigung zu innerer Rißbildung aufweisen darf. Es muß weiter Druckwechsel vertragen, weshalb geschlossene Poren nicht vorkommen dürfen, außerdem darf das Isoliermaterial zur Verhinderung von Konvektion nur geringe Gasdurchlässigkeit besitzen. Als Beispiel für ein Isoliermaterial, das diesen Anforderungen entspricht, kann gepreßtes Isoliermaterial in Fiberform, das auf Aluminiumoxyd-, Siliziumdioxyd- oder Kohlenbasis aufgebaut ist, sowie Isoliermaterial in feinkörniger Form auf Aluminiumoxyd- oder Magnesiumoxydbasis genannt werden. Wenn die Isolierung aus einer großen Anzahl Zellen besteht, deren Ausdehnung in der radialen Richtung des Ofens verhältnismäßig klein ist, kann man jedoch die gewünschte Wirkung auch ohne eine besondere Füllung in den Zellen erreichen. ao half of an area, its extent in the vertical direction in relation to the extent of the isolation cell is small in the same direction. The convection within one carried out in the manner mentioned Cell can be lowered to very low levels in a number of ways. To this end For example, the cell can advantageously be filled with insulating material that adheres well to the cell walls must connect and may have only a slight tendency to internal cracking. There must be further pressure changes tolerate, which is why closed pores must not occur, and the insulating material have low gas permeability to prevent convection. As an example of a Insulation material that meets these requirements can be compressed insulation material in fiber form, which is based on Aluminum oxide, silicon dioxide or carbon base is built up, as well as insulating material in fine-grained Form based on aluminum oxide or magnesium oxide can be called. If the isolation is from a there is a large number of cells whose expansion in the radial direction of the furnace is proportionate is small, the desired effect can be achieved without a special filling in the cells.

Ein Druckausgleich wird im Ofen dadurch erreicht, daß die Zellen mit dem Ofenraum und/oder der Umgebung des Mantels durch Druckausgleichsöffnungen in ihrem oberen bzw. unteren Teil in Verbindung stehen. Die Öffnungen werden vorteilhaft im oberen Teil der Zelle angebracht, wenn sie auf einer in Kontakt mit dem Gas befindlichen Fläche liegen, deren Temperatur höher als die durchschnittliche Temperatur der Zelle ist, und im unteren Teil der Zelle, wenn dieser in Kontakt mit dem Gas steht, das kälter als der Ternperaturdurchschnitt in der Zelle ist.Pressure equalization is achieved in the furnace in that the cells are in contact with the furnace space and / or the environment of the jacket through pressure equalization openings in its upper and lower part stand. The openings are advantageously placed in the upper part of the cell when they are in contact on one with the gas located, the temperature of which is higher than the average temperature of the cell, and in the lower part of the cell, when this is in contact with the gas, the colder than the average temperature in the cell.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher beschrieben. In der Zeichnung zeigtThe invention is described below on the basis of an exemplary embodiment shown in the drawing described in more detail. In the drawing shows

Fig. 1 zur Hälfte im Schnitt einen Ofen gemäß der Erfindung, der in einer für isostatische Kompression vorgesehenen Druckkammer untergebracht ist,Fig. 1, half in section, a furnace according to the invention, which is in a for isostatic compression provided pressure chamber is housed,

Fig. 2 im größeren Maßstab eine Einzelheit des oberen Teiles des Ofens,Fig. 2 shows a detail of the larger scale upper part of the furnace,

Fig. 3 eine Ofenisolierung, die eine einzige ringförmige Zelle enthält, und3 shows furnace insulation which is a single annular Cell contains, and

F i g. 4 bis 7 alternative Ausführungen von Mantclisolierungcn mit mehreren Zellen.F i g. 4 to 7 alternative designs of jacket insulation with multiple cells.

Die Druckkammer 1 in Fig. 1 besteht aus einemThe pressure chamber 1 in Fig. 1 consists of a

dickwandigen zylindrischen Stahlrohr 2, um das ein Drahtmantel 3 aus kaltgewalzten, unter Vorspannung stehendem Stahldraht mit großer Festigkeit gewickelt ist. Durch die Wicklung werden so große radiale und tangential Druckspannungen in der Rohrwand erreicht, daß der Zylinder einem inneren Überdruck von über 3000 Bar widerstehen kann. Als Druckgas wird Argon verwendet. Zwischen dem Drahtmantel 3 und einem äußeren Mantelblech 4 befindet sich ein ringförmiger Spalt 5 für Kühlwasser, das durch den Einlauf 6 am Boden der Druckkammer zu- und durch den Auslauf 7 im oberen Teil der Kammer abgeführt wird. Der Zylinder ist am unteren Ende mit einem Pfropfen 8 und am oberen Ende mit einem eingeschraubten Deckel 9 verschlossen. Der Bodenpfropfen 8, der mit dem in der Druckkammer 1 befindlichen Ofen 10 zusammengebaut ist, hat Durchführungen 11 für den elektrischen Strom zum Ofen, eine Durchführung 12 für Thermoelementleitungen und eine nicht gezeigte Rohrdurchführung für das Druckgas. Der Ofen 10 besitzt einen von einem Mantel 13 umgebenen Ofenraum 14. Im Ofenraum befinden sich elektrische Heizelemente in Form von drei Schleifen 15, 16 und 17, die an den Durchführungen 11 angeschlossen sind. Die Heizelemente befinden sich auf der Innenseite einer Anzahl feuerfester Ziegelrohre 18 und werden von diesen getragen. Auf der Außenseite der Rohre befindet sich ein ringförmiger Spalt 19 für Zuleitungen. Die Heizelemente können natürlich alternativ auch auf der Außenseite der Rohre oder zwischen zwei konzentrisch angebrachten Rohren untergebracht werden. Der Ofenraum 14 ist mit einer Wärmeisolierung versehen, die aus einer umgebenden ringförmigen Isolationszelle 20, einem Bodenteil 21 und einem Deckel 22 besteht. Die Zelle 20 besteht aus einer Metallblechhülle, die mit gepreßtem Isoliermaterial in Fiberform mit mäßiger Gasdurchlässigkeit gefüllt ist. Zum Druckausgleich befindet sich im oberen Teil der Zelle ein ringförmiger schmaler Spalt 23 (F i g. 2), der die einzige öffnung in der Hülle der Zelle ist. In entsprechender Weise sind das Bodenteil 21 und der Deckel 22 aus eingekapseltem Isoliermaterial hergestellt. F i g. 2 zeigt somit die Druckausgleichsöffnung 24 des Deckels. Die einzige öffnung zwischen dem Ofenraum 14 und dem Raum außerhalb des Ofenmantels ist die öffnung 25 im unteren Teil des Ofens. Der in F i g. 1 gezeigte Ofen soll unter einem Druck von 2000 Bar mit einer Ofentemperatur von 1350° arbeiten. Bei Versuchsbetrieb eines solchen Ofens hat sich die Temperatur innerhalb 90 % der Ofenlänge praktisch konstant erwiesen.thick-walled cylindrical steel tube 2, around which a wire jacket 3 made of cold-rolled, under tension standing steel wire is wound with great strength. The winding creates so large radial and tangential compressive stresses in the pipe wall, that the cylinder an internal overpressure can withstand over 3000 bar. Argon is used as the compressed gas. Between the wire jacket 3 and an outer jacket plate 4 is an annular gap 5 for cooling water through the Inlet 6 at the bottom of the pressure chamber and through the outlet 7 in the upper part of the chamber is discharged. The cylinder is at the bottom with a plug 8 and at the top with a screwed-in cover 9 closed. The bottom plug 8 with the one located in the pressure chamber 1 Furnace 10 is assembled, has feedthroughs 11 for the electrical current to the furnace, a bushing 12 for thermocouple cables and a pipe bushing (not shown) for the Pressurized gas. The furnace 10 has a furnace space 14 surrounded by a jacket 13. In the furnace space there are electrical heating elements in the form of three loops 15, 16 and 17, which are attached to the bushings 11 are connected. The heating elements are on the inside of a number of refractory elements Brick pipes 18 and are supported by these. There is a on the outside of the tubes annular gap 19 for supply lines. The heating elements can of course alternatively also be placed on the Outside of the pipes or between two concentrically attached pipes. The furnace chamber 14 is provided with thermal insulation, which consists of a surrounding annular insulation cell 20, a bottom part 21 and a cover 22 consists. The cell 20 consists of a sheet metal shell, which is filled with compressed insulating material in fiber form with moderate gas permeability. To equalize the pressure, there is an annular narrow gap 23 (FIG. 2) in the upper part of the cell, the is the only opening in the envelope of the cell. In a corresponding manner, the bottom part 21 and the Lid 22 made from encapsulated insulating material. F i g. 2 thus shows the pressure equalization opening 24 of the lid. The only opening between the furnace space 14 and the space outside the furnace jacket is the opening 25 in the lower part of the furnace. The in F i g. 1 oven shown is said to be under a pressure of 2000 bar with an oven temperature of 1350 °. In trial operation of such a furnace has the temperature proved to be practically constant within 90% of the furnace length.

F i g. 3 zeigt prinzipiell, wo die öffnungn in einer aus einer einzigen ringförmigen Zelle bestehenden Mantelisolierung, wie im Ausführunsbeispiel gemäß F i g. 1 und 2, zweckmäßig angebracht werden. Wenn es zwischen den Räumen innerhalb und außerhalb des Isolationsmantels eine besondere Druckausgleichöffnung gibt, werden die öffnungen als entweder im Bereich 26 mit Verbindung zum oberen Teil des Ofenraumes 14 oder im Bereich 27 mit Verbindung zum Raum außerhalb des Isolationmantels angebracht. Wenn jedoch eine solche Druckausgleichöffnung fehlt, können Öffnungen in beiden Bereichen vorkommen.F i g. 3 shows in principle where the openings in a Sheath insulation consisting of a single ring-shaped cell, as in the exemplary embodiment according to F i g. 1 and 2, can be attached appropriately. If there is between the rooms inside and outside the If there is a special pressure equalization opening in the insulation jacket, the openings are called either in the Area 26 with connection to the upper part of the furnace chamber 14 or in area 27 with connection attached to the space outside the insulation jacket. However, if such a pressure equalization opening If there is no opening, there may be openings in both areas.

Fig. 4 zeigt im Schnitt einen Isolationsmantel, der aus mehreren Zellen 28 mit Druckausgleichöifnungen 29 besteht. In dem in Fig. 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Isolierung aus einer Mehrzahl radial angebrachter Schichten des in F i g. 4 gezeigten Typs aufgebaut. Eine alternative Ausführung mit einer Mehrzahl konischer Isolationszellen 30, die sich übereinander in der Längsrichtung des Ofens befinden, wird in F i g. 6 gezeigt. Sämtliche in den F i g. 1 bis 6 gezeigten Isolationszellen sollten zweckmäßig mit einem wärmebeständigen Isoliermaterial der oben beschriebenen Art gefüllt sein. Wenn die Zellen jedoch eine verhältnismäßig geringe Ausdehnung in radialer Richtung haben, wie z. B. die Zellen 31 in F i g. 7, und die Isolierung aus einer großen Anzahl solcher Zellen aufgebaut ist, brauchen diese nicht mit besonderer Füllung versehen zu werden. Die Zwischenwände zwischen verschiedenen Zellen werden, sowie die umschließende Verkapselung, zweckmäßig aus Metallblech hergestellt. Dieses Blech kann verhältnismäßig dünn und eventuell aus Legierungen mit niedriger Wärmeleitzahl hergestellt sein.Fig. 4 shows in section an insulating jacket which consists of several cells 28 with pressure compensation openings 29. In the embodiment shown in FIG is the insulation of a plurality of radially attached layers of the in FIG. 4 shown built up. An alternative embodiment with a plurality of conical isolation cells 30, one above the other located in the longitudinal direction of the furnace is shown in FIG. 6 shown. All in the F i g. 1 to 6 Isolation cells shown should expediently be covered with a heat-resistant insulating material of the type described above Kind of filled. However, if the cells have a relatively small radial expansion Have direction, such as B. cells 31 in FIG. 7, and the isolation of a large number of such Cells, they do not need to be provided with special filling. The partitions between different cells, as well as the enclosing encapsulation, are expedient Sheet metal made. This sheet metal can be relatively thin and possibly made of alloys with lower Thermal conductivity must be made.

Claims

Patent claims:

1. Vertical tube furnace housed in a pressure chamber with one of one thermally insulated Material-enclosed furnace space provided with heating elements, with the atmosphere in and around the furnace preferably consists of gas under high pressure, characterized in that the thermal insulation of the jacket (13) consists of at least an isolation cell (20, 28) consists of one in a shell of material with lower Gas permeability enclosed space exists with the rest of the pressure chamber (1) only connected by one or more pressure equalization openings (23, 29) is, which lie within a range (26,27), the extent of which in the vertical direction is small in relation to the expansion of the isolation cell in the same direction.

2. Oven according to claim 1, characterized in that the cell shell consists of sheet metal.

3. Oven according to claim 1 or 2, characterized in that the cells with pressed insulating material are filled in fiber form.

4. Oven according to claim 1, 2 or 3, characterized in that the cells with the oven space (14) and / or the surroundings of the jacket (13) through pressure compensation openings (23,29) in their upper and lower part are connected.

1 sheet of drawings