DE19538364A1

DE19538364A1 - Vorrichtung zur Schnellerwärmung von Metall-Preßbolzen

Info

Publication number: DE19538364A1
Application number: DE1995138364
Authority: DE
Inventors: Carl Prof Dr Ing Kramer; Dirk Dr Ing Menzler
Original assignee: Individual
Current assignee: KRAMER, CARL, PROF. DR.-ING., 52076 AACHEN, DE
Priority date: 1995-10-14
Filing date: 1995-10-14
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2015-10-15
Also published as: DE19538364C2; DE19538364C5

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

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.