DE19538364C2

DE19538364C2 - Vorrichtung zur Schnellerwärmung von Metall-Preßbolzen

Info

Publication number: DE19538364C2
Application number: DE1995138364
Authority: DE
Inventors: Carl Prof Dr Ing Kramer; Dirk Dr Ing Menzler
Original assignee: Gerhardt Hans-Joachim Prof Msc Dipl-Ing 52074 Aachen De
Priority date: 1995-10-14
Filing date: 1995-10-14
Publication date: 1998-11-12
Anticipated expiration: 2015-10-15
Also published as: DE19538364A1; DE19538364C5

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen, insbesondere für Metall-Preßbolzen aus Leichtmetallegierungen, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Zur Erwärmung von Metall-Preßbolzen vor dem Verpressen in einer Strangpresse werden Bolzenerwärmungsanlagen verwendet. Um eine hohe Produktionsleistung zu erzielen, muß die Erwärmung in den Bolzen verhältnismäßig rasch erfolgen. Dazu werden nach dem Stand der Technik Schnellerwärmungsanlagen eingesetzt, bei denen die Preßbolzen durch direkte Beaufschlagung der Bolzenoberfläche mittels Gasbrennern erwärmt werden (siehe z. B. WO 83/02661 A1). Diese Brenner sind in Reihen parallel zu den Metallinien der Preßbolzen angeordnet. Da der Wärmeübergang bei der direkten Flammenbeaufschlagung vergleichsweise niedrig ist, was sich durch mäßige Wärmeübergangskoeffizienten äußert, die je nach Brenneranordnung und Abstand zwischen Brennerdüse und Bolzenoberfläche zwischen 50 W/m²K und maximal etwa 80 W/m²K liegen, 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 Wärmeübergang 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 gleichmäßigste Temperaturprofil sowohl über den Querschnitt als auch über der Länge aufweisen 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 entsprechen. Das Verfahren der direkten Flammbeaufschlagung von Preßbolzen widerspricht also der bei der Erwärmung von Halbzeugen, insbesondere von Leichtmetallhalbzeugen, in anderen Bereichen der Thermoprozeßtechnik üblichen Verfahrensweise, das Halbzeug zunächst rasch zu erwärmen, um es dann gegen Ende des Erwärmungsprozesses 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 Bolzenerwärmungsanlagen 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 1200°C, mit der Gutendtemperatur, die bei Leichtmetall-Preßbolzen ca. 450°C beträgt. Es versteht sich ohne weitere Erklärung, daß eine derartige Übertemperatur die Gefahr von Temperaturungleichmäßigkeiten im Bolzen mit sich bringt, die den Extrusionsvorgang unzulässig stören oder zumindest sehr erschweren.

Es ist auch bekannt, Bolzen nicht durch direkte Flammenbeaufschlagung, sondern durch Heißgase zu erwärmen, wie es bereits in der WO 83/02661 A1 angedeutet wird. Eine weitere Lösung geht aus der DE-OS 35 09 484 hervor, wobei die Bolzen quer zu ihrer Achse bewegt werden, um eine gleichmäßige Homogenisierung über ihre ganze Länge zu erzielen.

Ein mit Heißgasstrahlen arbeitender Anwärmofen für Bolzen geht aus der DE-PS 34 18 603 hervor, wobei die Bolzen in Längsrichtung durch den Behandlungsraum transportiert werden.

Eine Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen der angegebenen Gattung geht schließlich aus der DE-OS 26 37 646 hervor, wobei in den verschiedenen Erwärmungszonen die Solltemperatur, stufenweise in Transportrichtung zunehmend, so eingestellt wird, daß in der in Transportrichtung betrachtet letzten Erwärmungszone das Heißgas die höchste Solltemperatur hat.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metallpreßbolzen der angegebenen Gattung zu schaffen, mit der rasch und exakt die gewünschte Endtemperatur erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen darauf, daß in den einzelnen Erwärmungszonen mit jeweils mindestens einem Umwälzventilator, nämlich einem Radialventilator, zur Erzielung eines hohen konvektiven Wärmeübergangs durch Beblasung der Bolzenoberfläche mit Düsenstrahlen eine kräftige Strömung erzeugt wird; die Gastemperatur der einzelnen, in Transportrichtung hintereinander angeordneten Erwärmungszonen wird in den vorderen Zonen wesentlich höher als die gewünschte Bolzenendtemperatur gewählt, während in der in Transportrichtung des Bolzens betrachteten letzten Erwärmungszone die Gastemperatur die gewünschte Bolzenendtemperatur nur geringfügig überschreitet oder sich von dieser nur um die höchstzulässige Höchsttoleranz der geforderten Bolzenendtemperatur unterscheidet. Auf diese Weise wird erreicht, daß eine längere Zeit zum Ausgleich der ohnehin gegenüber der herkömmlichen Erwärmungstechnik mittels direkter Flammenbeaufschlagung geringeren Temperaturdifferenzen im Bolzen zur Verfügung steht. Ein weiterer großer Vorteil für den Betrieb einer solchen 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.

Da die in Transportrichtung der Bolzen gesehen ersten Erwärmungszonen eine sehr hohe Betriebstemperatur haben, welche erheblich höher ist als die zu erreichende Endtemperatur des Bolzens, können sehr hohe Aufheizgeschwindigkeiten erzielt werden. Dabei ist jedoch, weil die Bolzentemperatur selbst noch vergleichsweise niedrig ist, eine örtliche Überhitzungsgefahr des Bolzenmaterials ausgeschlossen.

Ausgehend von diesen hohen Übertemperaturen in den ersten Zonen wird in den folgenden Zonen die Übertemperatur stufenweise abgesenkt, so daß schließlich in der letzten Zone die Gastemperatur gleich oder nur unwesentlich höher ist als die gewünschte Endtemperatur, auf welche die Bolzen erwärmt werden sollen. Auf diese Weise wird eine Erwärmung der Bolzen mit mindestens gleicher Geschwindigkeit wie bei den bekannten Anlagen, jedoch ohne jede Gefahr einer Materialüberhitzung erreicht.

Bezüglich der Durchsatzleistung ist eine solche Bolzenerwärmungsanlage durchaus mit den Anlagen nach dem Stand der Technik mit direkter Flammenbeaufschlagung des Bolzens zu vergleichen, die mit wesentlich höheren Temperaturen arbeiten müssen. Trotzdem wird die Soll-Temperatur des Bolzens rascher erreicht, als mit den alternativen Anlagen mit Heißgas- Beblasung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden schematischen Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt,

Fig. 2 einen Querschnitt,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch eine Zone einer Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen, und

Fig. 4 einen typischen Temperaturverlauf für einen durch eine solche Vorrichtung transportierten Preßbolzen.

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 (1), insbesondere für Metall-Preßbolzen (1) aus Leichtmetallegierungen,

a) mit mehreren, getrennt in ihrer Temperatur regelbaren Erwärmungszonen, durch welche die Bolzen in Richtung ihrer Längsachse bewegt werden,
b) mit Gasbrennern zur Erzeugung des Heißgases für die Erwärmungszonen,
c) mit mindestens einem in jeder Erwärmungszone angeordneten Radialventilator (3) für den Transport des Heißgases innerhalb jeder Zone zum Zweck der konvektiven Wärmeübertragung auf den Preßbolzen (1), und
d) mit Düsenöffnungen (5) zur Beblasung der Preßbolzenoberfläche durch das Heißgas,

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) in der in Transportrichtung des Preßbolzens (1) betrachtet letzten Erwärmungszone hat das Heißgas im Vergleich mit den vorherigen Erwärmungszonen die niedrigste Gastemperatur; und die Gasbrenner (7) weisen integrierte Abgasrekuperatoren zur Vorwärmung der Verbrennungsluft auf.

2. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Radialventilatoren (3) Trommelläufer ventilatoren sind, die in einem 360°-Spiralgehäuse (9) mit einem geraden Ausblaskanal (4) betrieben werden.

3. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsführung, in welcher der Radialventilator (3) die Gasströmung in der Erwärmungszone umwälzt, die Form eines liegenden U aufweist, daß in dem oberen Schenkel des U der Radialventilator (3) angeordnet ist, und daß der untere Schenkel des U sich in zwei Kanäle (8) aufteilt, deren dem Preßbolzen (1) zugewandte Seiten mit Düsenöffnungen (5) versehen sind.

4. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenöffnungen (5) zur Beblasung des Preßbolzens (1) Schlitzdüsen sind, die im Bereich der horizontalen Mittelebene des Preßbolzens (1) eine geringere Schlitzweite aufweisen als oberhalb und unterhalb dieser Mittelebene.

5. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzdüsen auf beiden Seiten des Metall- Preßbolzens (1) versetzt angeordnet sind, insbesondere um eine halbe Teilung versetzt.

6. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der separat geregelten Gasbrenner (7) mit den integrierten Abgasrekuperatoren in einer zum Ventilatoransaugquerschnitt im wesentlichen parallelen Ebene liegen, die sich unterhalb dieses Querschnittes befindet, und daß die Brennerachse von der kreisförmigen Projektion der Ventilatoransaugöffnung auf diese Ebene ein Segment abschneidet.

7. Vorrichtung zur Schnellerwärmung für Metall-Preßbolzen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasbrenner (7) so angeordnet ist, daß sich durch die Überlagerung der Brennerflamme mit der Rezirkulationsströmung eine Kreuzstrommischung ergibt.