DE2016657A1

DE2016657A1 - Isostatische Helsspresse

Info

Publication number: DE2016657A1
Application number: DE19702016657
Authority: DE
Inventors: Herbert Anselm; Onge Carl David St.; Oak Ridge Tenn. Pohto (V.St.A.)
Original assignee: United States Atomic Energy Commis' sion, Washington, D.C
Priority date: 1969-04-15
Filing date: 1970-04-08
Publication date: 1970-10-29
Also published as: CH538884A; FR2039188A1; US3571850A; SE350417B; BE748784A; GB1251917A

Description

Anmelderin; United States Atomic Energy Commission Washington D. 0., USA

Isostatische Heisspresse

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum isostatischen Heisspressen mit verbesserter thermischer Isolierung und Abdichtung des Arbeitsmittels im Bereich der Glocke und dadurch erzieltem erhöhtem Leistungsgrad, insbesondere im (Temperaturbereich von ca. 1000 - 3000⁰O.

Die Glockenanordnung der Erfindung ist besonders günstig in dem Gasautoklaven des USA-Patents 3,4-19»935 verwendbar. In diesem Autoklaven werden Presstücke mit gleichmässiger Dichte in einem Ofen mit einem Gas als Wärme- und Druckübertragungsmittel isostatisch heissgepresst. Durch Verwendung eines mit thermischen Konvektionsströmen in einem geschlossenen Kreislauf arbeitenden Systeme wird in einer mit Wärme und

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Druck beaufschlagten Arbeitszone eine gleichmässige Temperaturverteilung erzielt. Ein träges Gas wird durch einen in dem unteren Teil der Arbeitszone eines Druckgefässes angeordneten Gaserhitzer erhitzt, so dass es unter dem Einfluss der natürlichen Konvektionskrafte nach oben durch einen Ringkanal steigt, der durch das Werkstück und seine Halterung und ein diese umgebendes Rohrstück gebildet wird. Die in dem aufsteigenden Gas gespeicherte Wärmeenergie wird auf das Werkstück in erster Linie durch Konvektion übertragen. Sobald das Gas das obere Ende des geschlossenen Oberteils der Arbeitszone erreicht hat, fliesst es nach aussen und nach unten durch einen weiteren Ringkanalj dieser wird durch das Rohrstück und die Innenwände der in dem Druckgefäss angeordneten und das Rohrstück umschliessenden Glockenanordnung gebildet. Der Abwärtsfluss des Gases wird durch die abkühlende Wirkung der Glockenwände auf das Gas in diesem aussersten Ringkanal verursacht. Die Glockenwände wirken also als Wärmesenke und entziehen dem Gas Wärme, so dass es dichter wird und nach unten fliesst. Die Glockenwände können durch Wärmeaustauscher, z. B. einen nahe an den Aussenflachen der Glockenwände angeordneten Kühlwassermantel noch stärker gekühlt werden, so dass ein stärkerer Abwärtsfluss des Gases in dem Ringraum entsteht. Die nach unten fliessenden kühleren Gase gelangen wieder in den Erhitzer, werden dort er-

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hitzt und erneut dem Kreislauf zugeführt. Es entsteht also ein ständig umlaufender, innerer, verhältnismässig turbulenzfreier, auf natürlicher Konvektion "beruhender geschlossener Gaserhitzerkreislauf, der das gesamte Werkstück gleichmässig erhitzt.

Obwohl diese Vorrichtung grundsätzlich im Temperaturbereich von Zimmertemperatur "bis etwa 2000⁰O arbeiten kann, wurde unerwartet erweise "bei Temperaturen über etwa 1000 0 ein übermässiger Verlust von heissen Gasen am Boden der Ofenglocke und ein erheblicher Wärmeverlust durch die Glockenwände festgestellt.

In einem Gasautoklaven mit einer Länge von 1,52 m und einem Durchmesser von 50 cm entsteht ein Dauerwärmeverlust von etwa 65 KW bei einer Betriebstemperatur von 1000° und einem Druck von IO5O kg/cm (I5OOO psi). Dieser Wärmeverlust nimmt bei höherer Temperatur erheblich zu und kann zu einer dauernden Beschädigung des Gefässes führen, wenn die Wärmezufuhr die Wärmeabgabe und -Zerstreuung durch Leitung und natürliche Konvektion des Druckgefässes übersteigt. Durch entsprechende Vorsichtsmassregeln 'muss die Temperatur der Gefässwände so niedrig gehalten werden, dass eine Beschädigung beim Heisspressen durch thermische Überlastung und 'Materialwanderung

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vermieden wird· Die durch Wärmeüberlastung und Materialwanderung verursachten Probleme können zwar durch Senken des Betriebsdrucks in dem Gefäss bei steigender Temperatur oder
durch Begrenzung der Betriebstemperatur des Gefässes abgeschwächt werden; dadurch wird aber die Brauchbarkeit des Gasautoklaven entsprechend eingeschränkt; derartige Massnahmen sind also ungünstig.

In dem Gasautoklaven des obengenannten Patents bildet die
unterste Fläche oder der Rand der Glocke eine Abdichtung mit dem Herd, die die heissen Gase in der durch die Glocke und den Herd begrenzten Arbeitszone des Autoklaven halt. Wie sich unerwarteterweise herausstellte, entweichen übennässige Mengen der heissen Gase an diesem Abdichtpunkt, wenn bei etwa 1000° übersteigenden Betriebstemperaturen gearbeitet wird, was auf einer Verwerfung der Glocke unter dem Einfluss des starken Temperaturgefälles zwischen den Innenwänden der Glocke und den vergleichsweise kühleren, den Druckgefäßswänden unmittelbar benachbarten Aussenwänden der Glocke beruht. Die unterschiedliche Ausdehnung der Innen- und Aussenwände infolge des durch die Glockenwände gehenden Temperaturgefälles wirft und verzieht den Glockenboden, so dass eine ausreichende Abdichtung mit dem Herd nicht mehr gegeben ist.

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Die Erfindung hat eine Glockenanordnung zur Verwendung in einem als isostatische Heisspresse dienenden Gasautoklaven zur Aufgabe, welche Betriebstemperaturen.bis zu etwa 3000° ohne übermässige Wärmeübertragung durch die Glocke und Verluste an heissen Gasen durch die Abdichtung zwischen Glocke und Herd möglich macht.

Erfindungsgemäss besteht die Glockenanordnung aus einer Mehrzahl von konzentrisch ineinander verschachtelten, schalenförmigen, in einem Gehäuse oder einer Hülse angeordneten Glockenmänteln. Die einen Schachtelsatz bildenden Glockenmäntel sind zueinander und zu der Hülse derart im Abstand angeordnet, dass die Wärmeisolierung verbessernde, mit Gas füllbare Räume entstehen. Das untere Ende der Glockenanordnung ist mit einer Schneidendichtung in Form eines am Boden der Glocke angebrachten, senkrechten Ringflanschs und einer auf dem Herd angebrachten, ringförmigen, elastischen Isolierung versehen; der Ringflansch greift in die Isolierschicht ein und bildet eine Abdichtung, die allenfalls vernachlässigbar geringe Mengen der beim Arbeiten bei in dem genannten Bereich beliebiger Betriebstemperatur etwa aus der Arbeitszone entweichende Mengen heisser Gase durchläset. Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Ansprüchen. Ih folgenden ist eine bevorzugt· Ausbildung

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ohne Beschränkung beschrieben. Weitere Abwandlungen liegen im Bereich des fachmännischen Könnens und gehörten zum Erfindungsgedanken .

In den Zeichnungen zeigen

die Figur 1 schematisch, und im Schnitt eine bevorzugte Ausbildung der zur Verwendung in der isostatischen Heisspresse ™ des erwähnten Patents bestimmten Glockenanordnung;

die Figur 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 der Figur 1 in Aufsicht, der die räumliche Zuordnung der Glockenmäntel veranschaulicht;

die Figur 3 das durch den Kreis im unteren Teil der Figur umgrenzte Detail der Vorrichtung, aus dem die Schneidendichtung deutlicher ersichtlich wird;

die Figur 4- schematisch, und im Querschnitt die Glockenanordnung und die durch ihre räumliche Anordnung erreichte verbesserte Wärmeisolierung.

Die Figuren 1-3 zeigen die Glocke 10 in dem Hohlraum 12 eines Druokgefässes 14; die gegenüberliegenden Enden des Hohlraums sind durch die wassergekühlten Abdichtungen 16 und 18 verschlossen. Das untere Ende der Glocke 10 ruht auf einem

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Herd 20, der zusammen mit den Innenwänden der Glocke eine Arbeitskammer oder -zone 22 für die Verpressung des nicht gezeigten Materials oder Werkstücks bildet. Die mittig angeordnete, vorspringende Platte 24 des Herds ragt in die Glocke 10 und trägt das Heizelement 26. Diese Platte ragt vorzugsweise in die Glocke 10 etwas weiter, als in der Vorrichtung des erwähnten Patents. Dadurch wird der Abstand zwischen dem Heizelement 26 und dem unteren Rand der Glocke vergrÖssert, wodurch wiederum die Temperatur der heissen Gase in dem Bereich in der Nähe des unteren Glockenrands herabgesetzt wird. Dies ist weiter unten näher erläutert. Der Herd 20 weist auch an seinem unteren Umfang einen radial nach aussen reichenden Rand 28 auf, der die Glocke abstützt oder trägt.

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Zu der Glocke 10 gehört ein Gehäuse oder eine Hülse 30, bestehend aus einem am einen Ende (z. B. wie in der Zeichnung gezeigt dem oberen Ende) durch eine Kappe 34 verschlossene Zylinderhülse 32, die auch mit geeigneten, das Einsetzen in das und Herausnehmen aus dem Druckgefäss erleichternden Ansätzen 35 versehen sein kann. Die Hülse wird vorzugsweise aus einem Baumetall, z. B. rostfreiem Stahl oder dergleichen hergestellt. In der Hülse 30 sind als ein Schachtelsatz mehrere Schalen oder Glockenmäntel 36, 38, 40 so angeordnet, dass das geschlossene Ende jeweils der Kappe 34 der Hülse

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benachbart ist. Diese Mäntel werden in der Hülse durch einen Stützring 42 getragen, der am unteren Ende der Hülse JO befestigt ist und seitlich nach innen soweit in den Schalensatz ragt, dass er bis unter das untere Ende der innersten Schale 40 ragt. Der Ring 42 kann an der Hülse 30 in beliebiger, geeigneter Weise befestigt sein, z. B. vermittels von durch Öffnungen in der Hülse 30 und dem Ring 42 geführten Stiften, von denen ein Stift 44 gezeigt ist. Die Schalen sind in solch gegenseitigem Abstand angeordnet, dass zwischen benachbarten Schalen und zwischen der äussersten Schale 36 und der Hülse je ein Ringkanal entsteht. Diese Kanäle werden zur Verbesserung der Glockenisolierung mit dem für das Verpressen verwendeten Gas oder Gasmischungen, z. B. Argon, gefüllt. Das Gas gelangt bei Druckbeaufschlagung der Arbeitskammer 22 teils unter den auf dem Ring 42 liegenden Kanten der Schalen oder Mäntel, teils direkt durch die Mäntel hindurch in die Ringkanäle, wobei die Menge des letztgenannten Anteils, von der Porosität des Schalenmaterials abhängt. Die Schalen werden durch geeignete Abstandshalter, ζ. B. die auf den Mantelflächen angebrachten Knöpfe 46 in der gegenseitigen Abstandslage gehalten.

Die Glocke 10 dient ferner als Träger für das den oben erläuterten Gaskreislauf in der Arbeitszone ermöglichende Rohr-

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stück 48, sowie als Träger für den seinerseits das Werkstück oder -material tragenden Rost 50 und eine zwischen dem Rost 50 und dem Rand 28 angebrachten, mit dem Rohrstück fluchtenden Lochmanschette 52. Die Löcher 54 in dieser Manschette gestatten den oben erläuterten Rücklauf des Gases aus dem oberen Teil der Arbeitszone durch das Heizelement 26. Ein Ring 56 reicht radial nach Innen von der Hülse bis über den Rand des Herds 28 und endet dicht an der Herdseitenfläche; das innerste Ringende trägt die Manschette 52, den Rost 50 und das Rohrstück in gestapelter Anordnung. Der Ring 56 wird seinerseits in der Hülse 30 durch geeignete, leicht entfernbare Mittel, z. B. leicht herausschlagbare Stifte 58 befestigt.

Die so zusammengebaute Anordnung kann durch Herausziehen der den Ring haltenden Stifte $8 aus der Hülse und Abheben dieser und der an ihr befestigten Schalen von dem Ring leicht wieder auseinandergenommen werden. Damit ist die Arbeitszone 22 zugänglich. Die Schalen 36, 38 und 40 können auch leicht von der Hülse durch Herausziehen der Haltestifte 44 getrennt werden.

An der unteren Fläche der Ringe sind erfindungsgemäss die ge zeigten Schneiddichtungen befestigt. Wie die figur 3 am

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deutlichsten zeigt, "besteht die dem Ring 42 zugeordnete Abdichtung aus einem nach unten reichenden Ringflansch 62, der an der untersten Fläche des Rings 42 zwischen den inneren und äusseren Umfangsflächen durch Verschweissen oder in anderer geeigneter, luftdicht abschliessender Weise befestigt ist. Dieser Flansch 62 reicht seitlich oder senkrecht in der gezeigten Weise von der Fläche des Rings 42 so weit, z. B.

^ etwa 2,54 cm, dass er gegen die Oberfläche des Rings 56

drückt und die Ringe 42 und 56 in gegenseitigem Abstand hält. Für die Abdichtung wird eine ringförmige, elastische Isolierschicht 64 z. B. aus Asbest oder dergleichen auf die Oberfläche des Rings unterhalb des Flansche aufgebracht. Der Flansch kommt auf diese Isolierung 64 zu liegen und wird durch das Gewicht der Schalen und der Hülse in die Isolierschicht gedrückt, wodurch er diese verformt und eine gute Abdichtung bildet. Wie die Figur 3 zeigt, entsteht damit gleichzeitig eine Möglichkeit, Anschlüsse 66 für Thermoelemente u. a.

™ nicht gezeigte Messfühlvorrichtungen von Aussen in die Arbeitszone 22 einzuführen. Der untere Ring 56 ist an seiner Unterseite ebenfalls mit einem Ringflansch 68 versehen, der genau wie der Flansch 62 am Hing befestigt ist und nach unten in die auf der Oberfläche des Herdrands 28 angebrachte Iso lierschicht eingedrückt wird. Diese untere Abdichtung verhindert In erster Linie das Entweichen der heissen Gase aus der

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Arbeitszone. Die Dichtwirkung wird dadurch noch verbessert, dass der Ring 56 infolge des Vorsprungs 24 in erheblichem Abstand von der Heizquelle liegt, so dass das an die Abdichtung gelangende Gas kühler als das Gas in der Arbeitszone ist. Hierdurch wird die Gefahr der für die Leckverluste an Arbeitsmittel in erheblichem Masse mit verantwortlichen Temperaturgefälle weiter herabgemindert. Bei einer beispielsweisen Länge des Torsprungs 24 von etwa 17»8 cm hat das Gas in der Nähe der unteren Abdichtung eine Temperatur von etwa 200°, während die Temperatur in der Arbeitszone etwa 1700° beträgt. Anstatt des gezeigten einzelnen Flansche können mehrere Schneidflansche für die Abdichtung vorgesehen sein.

Zur Vermeidung von Leckverlusten von heissem Gas durch die Glockenmäntel bzw. -schalen 36, 38, ^O werden diese vorzugsweise einstückig ohne Nähte, öffnungen, Spalten usf. ausgeführt. Vorzugsweise sind sie auch zur Vermeidung von Rissen infolge von Temperaturgefällen dünnwandig ausgebildet. Das für die Herstellung der Glockenmäntel, des Rohrstücks, des Rosts und der Manschette gewählte Material hängt in erster Linie von der zum Pressen erforderlichen Betriebstemperatur ab. Bei Verwendung von Aluminiumoxid sind Betriebstemperaturen von 1700° ohne weiteres möglich. Werden diese Teile aus Graphit hergestellt, so kann die Temperatur bis auf etwa 3000°

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gesteigert werden. Geeignet sind aber auch andere feuerfeste oder keramische Stoffe, wie z. B. Beryloxid, Zirkonoxid und dergleichen. Gegebenenfalls kann es günstig sein, auch den Herd aus vergleichsweise feuerfestem Material herzustellen.

Die Figur 4 zeigt zur Veranschaulichung der erfindungsgemäss erzielten verbesserten Wärmeisolierung einen von der Arbeitskammer 22 bis zu der wassergekühlten Wand des Druckgefässes reichenden Querschnitt durch die Glocke. Wie die eingezeichneten Werte zeigen, fällt die Temperatur von annähernd 1704 in der Arbeitszone bis herunter auf 9 an der Druckgefässwand. Der Dauerwärmeverlust eines erfindungsgemäss ausgebildeten Gasautoklaven des grundsätzlichen Aufbaus des erwähnten Patents beträgt etwa 152.000 Btu/Std. oder 44,7 KW, bei einer Betriebstemperatur von 1700° und einem Druck von 1400 kg/cm (20.000 psi). Die Glockenmäntel bestehen dabei aus Aluminiumoxid.

Die gezeigten drei Glockenmäntel dienen hierbei nur als Beispiel. Es kann auch eine grössere oder kleinere Anzahl von Glockenmänteln bzw. Schalen vorgesehen sein.

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( 1.)Isostatische Heisspresse, in der das Pressmaterial durch ein Strömungsmittel erhitzt und mit Druck "beaufschlagt wird, mit einem einen Hohlraum bildenden Druckgefäss, in dem eine mit Teilen ihrer Wände die Seitenwände und eine Endwand einer Kammer bildende Glocke und ein die andere Endwand dieser Kammer bildender, die Glocke abstützender Herd angeordnet ist, einem senkrecht in der Kammer, im Abstand zu deren Innenwand angeordneter, mit dieser einen Ringkanal und selbst einen Arbeitsraum für das Pressmaterial bildenden Randstück, das an seinen entgegengesetzten Enden den Ringkanal mit dem Arbeitsraum verbindende Durchlässe besitzt, mit von dem Herd getragenen Heizmittel an einer von der erstgenannten Endwand entfernten Stelle, die das Strömungsmittel derart erhitzt, dass Wärmekonvektionsströme entstehen und das Strömungsmittel im Kreislauf nacheinander durch den Arbeitsraum und den Ringkanal fliesst, dadurch gekennzeichnet, dass die Glocke (10) eine zylindrische, am einen Ende durch eine Wand oder Kappe verschlossene Hülse (30) enthält, in der eine Reihe von mehrere Glockenmäntel bildende, ineinander im gegenseitigen Abstand geschachtelte, an der dem die Hülse abschiiessenden Wand benachbarten Ende ebenfalls mit Abschlusswänden versehene Schalen angeordnet sind, wobei die äusserste Schale einen Abstand mit der Hülse bildet, und die Räume zwischen den

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Schalen und der Hülse einen Teil des Ströraungsmittels der Kammer aufnimmt, die zylindrische Hülse dem abgeschlossenen Ende entgegengesetzt einen nach innen reichenden, die Schalen abstützenden Ring (4-2) trägt und zwischen der Glocke (10) und dem Herd (20) den Austritt des Strömungsmittels aus der Kammer (22) verbindende Abdichtmittel vorgesehen sind.
2. Heisspresse gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Herd am Umfang im Abstand von den Heizmitteln einen radial nach aussen vorspringenden Rand (28) aufweist, die Hülse (30) einen durch den ersten Ring (42) von den Schalen getrennten zweiten Ring (56) trägt, der von der Hülse nach innen bis über einen Teil des Rands (28) reicht, und die Abdichtmittel zwischen diesem Rand un-d diesem zweiten Ring angebracht sind.
3. Heisspresse gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtmittel aus einem von dem zweiten Ring getragenen, sich zu dem Herdrand hin erstreckenden und in eine auf diesem Rand angebrachte, elastische, ringförmige Wärmeisolierschicht (70) eingreifenden, ringförmigen Schneidflansch (68) bestehen.

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4. Heisspresse gemäss Anspruch. 3» dadurch, gekennzeichnet, dass zwischen'dem ersten Ring (42) und dem zweiten Ring (56) weitere Abdichtmittel vorgesehen sind.
5. Heisspresse gemäss Anspruch. .4, dadurch gekennzeichnet, dass die weiteren Abdichtmittel aus einem von dem ersten Ring getragenen Schneidflansch. (62) "bestehen, der in eine auf dem zweiten Ring angebrachte, ringförmige, elastische Wärmeisolierschicht (64) eingreift.
6. Heisspresse gemäss irgend einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schalen aus feuerfestem Material und/oder Graphit aufgebaut sind.

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