DE19538364A1 - Vorrichtung zur Schnellerwärmung von Metall-Preßbolzen - Google Patents
Vorrichtung zur Schnellerwärmung von Metall-PreßbolzenInfo
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Description
Zur Erwärmung von Metall-Preßbolzen vor dem Verpressen in der Strangpresse wer
den Bolzenerwärmungsanlagen verwendet. Um eine hohe Produktionsleistung zu er
zielen, muß die Erwärmung in den Bolzen verhältnismäßig rasch erfolgen. Dazu wer
den nach dem Stand der Technik Schnellerwärmungsanlagen eingesetzt, bei denen
die Preßbolzen durch direkte Beaufschlagung der Bolzenoberfläche mittels Gasbren
nern erwärmt werden. Diese Brenner sind in Reihen parallel zu den Mantellinien der
Preßbolzen angeordnet. Da der Wärmeübergang bei der direkten Flammenbeauf
schlagung vergleichsweise niedrig ist, was sich durch mäßige Wärmeübergangs
koeffizienten äußert, die je nach Brenneranordnung und Abstand zwischen Brenner
düse und Bolzenoberfläche zwischen 50 W/m²K und maximal etwa 80 W/m²K lie
gen, ist die Temperatur des Abgases der Flammen noch wesentlich höher als die
gewünschte Bolzenendtemperatur. Dieses Abgas wird in einem parallel zum Bolzen
verlaufenden Kanal gesammelt und in einer Vorwärmzone zum Vorwärmen der in
die Schnellerwärmungsanlage eintretenden Bolzen verwendet. Um den Wärmeüber
gang in der Vorwärmzone zu verbessern, wird das Gas in dieser mittels Ventilatoren
umgewälzt. Nachteilig bei diesem Verfahren ist, daß der Bolzen in dem Bereich der
Erwärmungsanlage, wo er aus strangpreßtechnologischen Gründen das gleichmä
ßigste Temperaturprofil sowohl über den Querschnitt als auch über der Länge auf
weisen sollte, mit einem Wärmestrom beaufschlagt wird, dessen Verteilung wegen
der Flammenbeaufschlagung auf der Oberfläche des Bolzens sehr ungleichmäßig
ist. Die Folge sind heiße Zonen im Bolzen, die der Anordnung der Flammen entspre
chen. Das Verfahren der direkten Flammbeaufschlagung von Preßbolzen wider
spricht also der bei der Erwärmung von Halbzeugen, insbesondere von Leichtmetall
halbzeugen, in anderen Bereichen der Thermprozeßtechnik üblichen Verfahrens
weise, das Halbzeug zunächst rasch zu erwärmen um es dann gegen Ende des Er
wärmungsprozesses bzw. bei einer Durchlaufanlage - und um eine solche handelt es
sich ja bei der Bolzenerwärmungsanlage - am Austritt der Anlage nur noch einer
möglichst geringen Übertemperatur des Heizmittels auszusetzen, damit im Gut ein
Temperaturausgleich stattfinden kann. Daß dieses Prinzip bei den Bolzenerwär
mungsanlagen der beschriebenen Art nach dem Stand der Technik bei weitem nicht
verwirklicht wird, zeigt der Vergleich der mittleren Gastemperatur in der sogenannten
Flammzone, von mindestens 1000°C, bei Anlagen mit hoher Produktionsleistung
sogar von 1200°C, mit der Gutendtemperatur, die bei Leichtmetall-Preßbolzen ca.
450°C beträgt. Es versteht sich ohne weitere Erklärung, daß eine derartige Über
temperatur die Gefahr von Temperaturungleichmäßigkeiten im Bolzen mit sich bringt
die den Extrusionsvorgang unzulässig stören oder zumindest sehr erschweren.
Es besteht daher die Aufgabe, diese gravierenden Nachteile zu vermeiden. Dies ge
schieht mit der Anlage gemäß der Erfindung dadurch, daß die Anlage in Zonen un
terteilt ist, in welchen mit jeweils mindestens einem Umwälzventilator eine kräftige
Strömung zur Erzielung eines hohen konvektiven Wärmeüberganges durch Bebla
sen der Bolzenoberfläche mit Düsenstrahlen erzeugt wird und die Gastemperatur der
einzelnen hintereinander angeordneten Zonen nur in den vorderen Zonen wesentlich
höher als die gewünschte Bolzenendtemperatur gewählt ist und in der letzten Zone
die Gastemperatur die gewünschte Bolzenendtemperatur nur geringfügig überschrei
tet oder sich von dieser nur um die höchst zulässige Plustoleranz der geforderten
Bolzen-Endtemperatur unterscheidet. Auf diese Weise wird erreicht, daß eine län
gere Zeit zum Ausgleich der ohnehin gegenüber der herkömmlichen Erwärmungs
technik mittels direkter Flammenbeaufschlagung geringeren Temperaturdifferenzen
im Bolzen zur Verfügung steht. Ein weiterer großer Vorteil für den Betrieb einer sol
chen Anlage ist, daß dann, wenn die Gastemperatur in der letzten Zone in der Nähe
der Bolzenendtemperatur betrieben wird, die Anlage nach dieser einfach meßbaren
Gastemperatur gefahren werden kann und es nicht erforderlich ist, z. B. mittels
Stech-Thermoelementen die Bolzentemperatur zu messen und als Meßgröße für die
Temperaturregelung der Erwärmungsanlage zu verwenden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Bolzenerwärmungsanlage wird durch die
Fig. 1 bis 4 verdeutlicht und im folgenden beispielhaft beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt,
Fig. 2 einen Querschnitt,
Fig. 3 einen Horizontalschnitt einer Zone einer Bolzenerwärmungsanlage,
Fig. 4 einen typischen Temperaturverlauf für einen Preßbolzen in einer solchen
Anlage.
Außerdem sind in Fig. 4 die typischerweise für den Betrieb der Anlage zu wählen
den Temperaturen der einzelnen Erwärmungszonen eingetragen.
Der Preßbolzen (1), dargestellt als zylindrische Schlange, befindet sich in dem Ofen
mit dem Gehäuse (2). Im Längsschnitt Fig. 1 ist dieses Gehäuse auf der rechten
Seite mit einer Türe (6) versehen. Der Übergang von einer Zone, wie in der Figur
dargestellt, zur nächsten Zone ist lediglich durch eine nicht gezeichnete Trennwand
mit einer Durchtrittsöffnung für den Bolzen abgegrenzt. Das Transportsystem für den
Bolzen, mit welchem dieser durch den Ofen transportiert wird, entspricht dem Stand
der Technik und ist nicht dargestellt. Der Bolzen wird auf beiden Längsseiten von
den Schlitzdüsen (5) angeblasen, welche in der Mitte, also im Bereich der horizonta
len Mittelebene des Bolzens eine kleinere Breite aufweisen als im oberen und im
unteren Bereich. Dadurch wird erreicht, daß, wie auch aus dem Querschnitt Fig. 2
ersichtlich, die relative Strahllänge gebildet durch den Abstand der Bolzenoberfläche
vom Düsenaustrittsquerschnitt bezogen auf die Düsenstrahlbreite auch im oberen
und unteren Bereich des Bolzens hinreichend klein ist, so daß der Strahl mit seinem
Strahlkern die Bolzenoberfläche berührt. Zum Strömungsantrieb dient in vorteilhaf
terweise ein als Trommelläufer ausgebildeter Radialventilator (3), der in die Decke
des Ofen (2) eingesetzt ist. Dieser Radialventilator ist mit einem 360°-Spiralgehäuse
(9) umgeben, welches sicherstellt, daß der Ventilator seine volle Leistungsfähigkeit
entfalten kann. Hierzu ist das Strömungskanalsystem (4) im Ventilatorausblasbereich
als gerader, hinreichend lang bemessener Kanal ausgeführt. An diesen Kanal
schließen sich mit einem Krümmer die beiden Kanäle (8) zu beiden Seiten des Bol
zens an, welche die Schlitzdüsen (5) tragen. Zur Erzielung einer hinreichend kon
stanten statischen Druckverteilung nimmt der Querschnitt dieser Kanäle in Strö
mungsrichtung ab. Zur Beheizung dient der Gasbrenner (7), der vorzugsweise mit
einem integrierten Abgasrekuperator zur Vorwärmung der Verbrennungsluft ausge
rüstet ist. Auf diese Weise läßt sich ein wesentlich höherer feuerungstechnischer
Wirkungsgrad, nämlich im Bereich um 80% bis 85% erreichen, der den Wirkungs
grad von Bolzenerwärmungsanlagen nach dem Stand der Technik mit direkter
Flammenbeaufschlagung um nahezu den Faktor 2 übertrifft. Die Anordnung des
Brenners (7) im Ofen (2) ist so gewählt, daß sich durch die Überlagerung der Bren
nerflamme mit der Rezirkulationsströmung eine Kreuzstrommischung ergibt, die zu
einer sehr gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der umgewälzten Gasströ
mung führt. Wie aus dem Horizontalschnitt Fig. 3 ersichtlich, werden die Schlitzdü
sen auf beiden Seiten des Bolzens zweckmäßigerweise jeweils um die halbe Teilung
versetzt angeordnet, da bei dieser Anordnung Stauzonen am Bolzen vermieden und
durch das Anliegen der Strahlströmung an der Bolzenoberfläche die Umspülung des
Bolzens mit der aufgeblasenen Gasströmung verbessert wird.
In Fig. 4 ist ein Temperaturverlauf in einem Bolzen dargestellt, der für eine Leicht
metallegierung als Bolzenmaterial typisch ist. In dem Diagramm sind ebenfalls für die
als Beispiel gewählte, aus vier Zonen aufgebaute Bolzenerwärmungsanlage die ein
zelnen Zonentemperaturen aufgeführt. Die Zonenlänge ist typisch mit 4 m gewählt,
so daß sich eine Gesamtlänge von 16 m ergibt. Erfindungsgemäß wird die vierte und
letzte Zone bei einer Temperatur von merklich weniger als 500°C betrieben, wäh
rend die erste bis dritte Zone Gastemperaturen um 700°C aufweisen. Dadurch wird
erreicht, daß sich in der letzten Zone die Bolzentemperatur nur noch vergleichsweise
sehr wenig ändert, was einen nahezu vollständigen Temperaturausgleich im Bolzen
sowohl über der Länge als auch über dem Querschnitt bewirkt. Bezüglich der Durch
satzleistung ist die Bolzenerwärmungsanlage nach der Erfindung durchaus mit den
bei ganz wesentlich höheren Temperaturen in der letzten Zone betriebenen Anlagen
nach dem Stand der Technik mit direkter Flammenbeaufschlagung des Bolzens zu
vergleichen. Das Diagramm gilt für eine Anlage mit einem Bolzendurchmeser von
300 mm und einem Durchsatz von ca. 6000 kg/h.
Claims (8)
1. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen, vornehmlich aus Leicht
metallegierungen, unterteilt in mehrere getrennt in ihrer Temperatur regelbare Er
wärmungszonen dadurch gekennzeichnet,
daß jede Zone mindestens einen zum Betrieb bei hohen Gastemperaturen geeig
neten Ventilator (3) zur Umwälzung des Gasvolumens innerhalb der Zone zum
Zweck der konvektiven Wärmeübertragung auf den Bolzen (1) aufweist und die in
Transportrichtung des Bolzens betrachtet letzte Erwärmungszone mit der niedrig
sten Gastemperatur betrieben wird.
2. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen nach Anspruch 1 da
durch gekennzeichnet, daß die Ventilatoren (3) Radialventilatoren sind.
3. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen nach mindestens einem
der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Radialventilatoren (3)
Trommelläuferventilatoren sind, die in einem 360°-Spiralgehäuse (9) betrieben
werden, welches einen geraden Ausblaskanal (4) aufweist.
4. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen nach einem oder mehre
ren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsführung
in welcher der Radialventilator die Gasströmung in der Erwärmungszone umwälzt,
die Form eines liegenden U aufweist, wobei in dem oberen Schenkel der Ventila
tor angeordnet ist und der untere Schenkel sich in zwei Kanäle (8) aufteilt, deren
dem Preßbolzen zugewandte Seiten mit Düsenöffnungen (5) versehen sind.
5. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Preßbolzen nach einem oder mehreren der
Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnungen (5)
Schlitzdüsen mit einer Ausrichtung rechtwinklig zur Bolzenlängsachse und einer
im wesentlichen vertikal angeordneten Austrittsfläche sind.
6. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Preßbolzen nach Anspruch 5 dadurch ge
kennzeichnet, daß die Schlitzdüsen im Bereich der horizontalen Mittelebene des
Preßbolzens eine geringere Schlitzweite aufweisen als oberhalb und unterhalb
dieser Mittelebene.
7. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen dadurch gekennzeich
net, daß die Beheizung der einzelnen Erwärmungszonen durch je Zone minde
stens einen separat geregelten Gasbrenner (7) erfolgt, der vorzugsweise mit
einem Abgasrekuperator ausgerüstet ist und dessen Achse in einer zum Ventila
toransaugquerschnitt im wesentlichen parallelen Ebene liegt, die sich unterhalb
dieses Querschnittes befindet, wobei die Brennerachse von der kreisförmigen
Projektion der Ventilatoransaugöffnung auf diese Ebene ein Segment abschnei
det.
8. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen nach Anspruch 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüsen auf beiden Seiten des Preßbol
zens versetzt angeordnet sind.
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