DE202017107588U1 - Oven, in particular high-temperature oven - Google Patents
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Abstract
Ofen (1), insbesondere Hochtemperaturofen zur thermischen Behandlung von Hartmetallwerkstoffen, mit einem isolierten Ofengehäuse (2), wenigstens einem darin angeordneten Heizelement und einer Muffel sowie Schleusen im Bereich von Einlass (E) und Auslass (A) zum Transport von Produktschalen, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation des Ofengehäuses (2) aus einer gleichmäßig verteilten Schüttung (4) aus Graphitgranulat und/oder Graphitwolle besteht.Furnace (1), in particular high-temperature furnace for the thermal treatment of cemented carbide materials, with an insulated furnace housing (2), at least one heating element arranged therein and a muffle and locks in the region of inlet (E) and outlet (A) for transporting product shells, characterized in that the insulation of the furnace housing (2) consists of a uniformly distributed bed (4) of graphite granulate and / or graphite wool.
Description
Die Erfindung betrifft einen Ofen, insbesondere Hochtemperaturofen zur thermischen Behandlung von Hartmetallwerkstoffen, mit einem isolierten Ofengehäuse, wenigstens einem darin angeordneten Heizelement und einer Muffel sowie Schleusen im Bereich von Einlass und Auslass zum Transport von Produktschalen für die Aufnahme des Hartmetallwerkstoffs.The invention relates to a furnace, in particular high-temperature furnace for the thermal treatment of hard metal materials, with an insulated furnace housing, at least one heating element arranged therein and a muffle and locks in the region of inlet and outlet for transporting product shells for receiving the hard metal material.
Zur Herstellung von stark abrasiv belasteten Werkzeugen, wie Bohrer im Bergbau oder Werkzeuge zur Verarbeitung von gehärteten Metallen und Stählen, werden immer härtere Beschichtungen benötigt. Heute werden dazu überwiegend Wolframkarbide (WC) verwendet. Die bisherigen Wolframkarbidbeschichtungen haben neben der gewünschten Härte jedoch den Nachteil, dass sie sehr spröde sind. Daher werden aktuell Forderungen nach zäheren und damit weniger spröden Beschichtungen lauter, ohne dabei deren Härte zu verringern. Zähe Wolframkarbide werden aus groben, möglichst monokristallinen, Wolframkarbid-Körnern hergestellt.For the production of highly abrasive tools, such as drills in mining or tools for processing hardened metals and steels, increasingly hard coatings are needed. Today mostly tungsten carbides (WC) are used. The previous tungsten carbide coatings, in addition to the desired hardness, however, have the disadvantage that they are very brittle. Therefore, demands for tougher and thus less brittle coatings are currently increasing without reducing their hardness. Tough tungsten carbides are made from coarse, preferably monocrystalline, tungsten carbide grains.
Aus der Praxis sind Graphitöfen zur Karburierung von Wolfram zu Wolframkarbid bekannt. Diese werden derzeit in der Massenproduktion mit Temperaturen von bis zu 2.200°C betrieben. Das dabei entstehende WC-Pulver besteht aus überwiegend polykristallinen WC-Körnern. Bei der Weiterverarbeitung dieses WC-Pulvers zu Hartmetallbauteilen (z. B. Ansintern auf Werkzeugen) zerfällt das Pulverkorn in die einzelnen polykristallinen kleinen Kristallite, die zwar eine harte, jedoch nicht zähe Werkzeugbeschichtung entstehen lassen. Die Haltbarkeit solcher bisherigen Beschichtungen ist daher gering.Graphite furnaces for carburizing tungsten to tungsten carbide are known in practice. These are currently being mass-produced at temperatures up to 2,200 ° C. The resulting WC powder consists of predominantly polycrystalline WC grains. In the further processing of this WC powder to hard metal components (eg Ansintern on tools), the powder grain disintegrates into the individual polycrystalline small crystallites, which can indeed create a hard, but not tough tool coating. The durability of such previous coatings is therefore low.
Wünschenswert sind daher große, möglichst monokristalline Kristallite, welche eine zähere, weniger spröde und damit verschleißfestere Hartmetallbeschichtung ergeben, die beispielsweise im Bergbau für Bohrwerkzeuge dringend gefordert wird. Eine technologische Herausforderung an die Herstellung solcher Körner ist insbesondere die erforderliche Herstellungstemperatur von 2.500°C. Durchgeführte Machbarkeitsuntersuchungen im Labor haben gezeigt, dass die gewünschten Werkstoff-Parameter durch die Herstellung von nahezu monokristallinen Wolframkarbid-Körnern erreicht werden können. Auch Kleinserien in kleineren Kammeröfen konnten bereits erfolgreich hergestellt werden. Es ist jedoch erwünscht, dass dieser besondere Werkstoff auch in großen Mengen wirtschaftlich hergestellt werden kann.Therefore, it is desirable to have large, if possible monocrystalline crystallites, which result in a tougher, less brittle and thus more wear-resistant hard metal coating, which is urgently required, for example, in mining for drilling tools. A technological challenge to the production of such grains is in particular the required production temperature of 2,500 ° C. Feasibility studies carried out in the laboratory have shown that the desired material parameters can be achieved by producing almost monocrystalline tungsten carbide grains. Even small series in smaller chamber furnaces have already been successfully produced. However, it is desirable that this particular material can be economically produced in large quantities.
Die bisher eingesetzten Heizelemente für Stoßöfen bestehen aus Graphit und erreichen eine Temperatur von ca. 2.500 bis 2.600°C, was für die bisherige Prozesstemperatur im Ofen von 2.200°C ausreicht.The heating elements used for pusher ovens are made of graphite and reach a temperature of about 2,500 to 2,600 ° C, which is sufficient for the previous process temperature in the oven of 2,200 ° C.
In den bisherigen 2.200°C Öfen” kamen ausschließlich von innen nach außen Hart- und Weichfilzgraphite zum Einsatz. Eine Temperatur von 2.500°C erfordert andere Werkstoffkombinationen oder auch andere Werkstoffe zur besseren Isolierung der Muffel in der Hochtemperaturzone und der Übergangszone, damit der elektrische Leistungsverbrauch nicht wesentlich höher wird. Bei thermischer Überlastung von Filzgraphiten schrumpfen diese und es bilden sich unerwünschte Hohlräume, in denen keine ausreichende Isolation mehr gegeben ist. Dies lässt sich bei den eingesetzten Öfen bereits durch Verfärbungen an der Außenhaut des Gehäuses feststellen.In the previous 2,200 ° C furnaces, hard and soft felt graphites were used exclusively from the inside to the outside. A temperature of 2,500 ° C requires other material combinations or other materials to better isolate the muffle in the high temperature zone and the transition zone, so that the electrical power consumption is not significantly higher. In the case of thermal overloading of felt graphites, they shrink and undesirable voids are formed in which sufficient insulation is no longer present. This can already be determined in the ovens used by discoloration on the outer skin of the housing.
Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines neuen industriellen atmosphärischen Ofens zur Hochtemperatur-Karburierung von insbesondere Wolfram bei 2.500°C für die Herstellung von groben, nahezu monokristallinem, Wolframkarbid-Pulver.The object of the invention is therefore to provide a new industrial atmospheric furnace for high-temperature carburization of particular tungsten at 2,500 ° C for the production of coarse, almost monocrystalline, tungsten carbide powder.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Ofen mit allen Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch, dass die Isolation des Ofengehäuses aus einer gleichmäßig verteilten Schüttung aus Graphitgranulat und/oder Graphitwolle besteht. Auf diese Weise lassen sich im Ofeninneren die gewünschten Temperaturen von 2.500°C für die Herstellung von nahezu monokristallinen Wolframkarbid-Körnern erreichen. Das mit dem erfindungsgemäßen Ofen hergestellte Wolframkarbid-Pulver besitzt eine 3–5 mal höhere Druckfestigkeit als bei 2.200°C gesinterte Wolframkarbid-Körner.The object is achieved by a furnace with all features of the preamble of claim 1, characterized in that the insulation of the furnace housing consists of a uniformly distributed bed of graphite granules and / or graphite wool. In this way, the desired temperatures of 2500 ° C for the production of nearly monocrystalline tungsten carbide grains can be achieved inside the furnace. The tungsten carbide powder produced with the furnace according to the invention has 3-5 times higher compressive strength than tungsten carbide grains sintered at 2200 ° C.
Weitere Anwendungen des erfindungsgemäßen Hochtemperaturofens sind insbesondere auch die Herstellung von Tantalkarbiden sowie das Graphitieren von Carbon-Nano-Tubes und anderen Karbonfasern.Other applications of the high-temperature furnace according to the invention are in particular the production of tantalum carbides and the graphitization of carbon nanotubes and other carbon fibers.
Nach einer anderen bevorzugten Lehre der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ofen als Stoßofen ausgebildet ist, wobei benachbarte Produktschalen in einer Reihe hintereinander durch den Ofen transportiert werden. Kontinuierlich betriebene Durchlauf-Stoßöfen zur thermischen Behandlung von Metallpulver sind für sich bekannt. Die Temperaturobergrenze für solche bekannten Öfen zur Wolframkarbid-Herstellung liegt derzeit bei etwa 2.200°C. Eine Temperaturerhöhung um 300°C erfordert umfassende Neu- und Weiterentwicklungen der Ofentechnik, Werkstoffe, Anlagenkomponenten, Prozesstechnologie sowie der Steuer- und Regelungstechnik und ist erst durch die erfindungsgemäße Isolation des Ofengehäuses realisierbar.According to another preferred teaching of the invention it is provided that the furnace is designed as a pusher furnace, wherein adjacent product trays are transported in a row one behind the other through the oven. Continuously operated continuous pusher for the thermal treatment of metal powder are known per se. The upper temperature limit for such known furnaces for tungsten carbide production is currently about 2,200 ° C. A temperature increase of 300 ° C requires extensive new and further developments of furnace technology, materials, plant components, process technology and the control and regulation technology and can be realized only by the insulation of the furnace housing according to the invention.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ofen über dem Ofengehäuse einen abnehmbaren Deckel aufweist. Dabei kann die Isolation des Deckels aus übereinanderliegend angeordneten Graphit-Weichfilzmatten bestehen. Der Deckel weist ferner zum Ofeninneren hin eine Graphit-Hartfilzplatte auf. Da das übrige Gehäuse tragend ausgebildet ist, lässt sich der Ofen durch das Abheben des (nicht tragenden) Deckels zu Wartungs- oder Reparaturzwecken leicht öffnen, um das Ofeninnere freizulegen. Es ist jedoch auch möglich, das Innere des Deckels mit einer Schüttung aus Graphitgranulat und/oder Graphitwolle zu isolieren. In a further advantageous embodiment of the invention it is provided that the oven has a removable cover over the oven housing. In this case, the insulation of the lid may consist of superposed graphite soft felt mats. The lid also has a graphite hard felt plate toward the interior of the oven. Since the rest of the housing is formed load-bearing, the furnace can be easily opened by the lifting of the (non-supporting) lid for maintenance or repair purposes to expose the interior of the oven. However, it is also possible to insulate the interior of the lid with a bed of graphite granules and / or graphite wool.
Eine andere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass das oder die im Ofeninneren befindliche/n Heizelement/e als Graphit-Heizelement/e ausgebildet ist/sind. Für Prozesstemperaturen von 2.500°C müssen neue Graphit-Werkstoffe eingesetzt werden, die eine Heizelementtemperatur von mindestens 2.850°C dauerhaft erreichen können. Die Strahlungsleistung eines Graphit-Heizelementes steigt bei einer Temperaturerhöhung von 2.200°C auf 2.500°C bereits um 66%.Another preferred embodiment provides that the heating element (s) located in the interior of the oven is / are designed as a graphite heating element (s). For process temperatures of 2,500 ° C, new graphite materials must be used that can permanently achieve a heating element temperature of at least 2,850 ° C. The radiant power of a graphite heating element increases with a temperature increase from 2,200 ° C to 2,500 ° C already by 66%.
Auch das Design und die Werkstoffe der Produktschalen und Muffel müssen an die höhere Temperatur angepasst werden, um der höheren Belastung durch Strahlung und steileren Temperaturgradienten standhalten zu können. Bisher werden die Produktschalen aus dem Quertransport mit vorausgehender Vakuumschleuse immer direkt in die Muffel eingestoßen. Bei höheren Prozesstemperaturen wird erwartet, dass Reststoffe (wie Mineralien und Fremdmetalle) aus dem Eingangsprodukt verstärkt verdampfen und nachfolgend im kälteren Bereich am Eingang zur ersten Heizzone sublimieren. Diese führen dort zu einem dicken Belag, der den Durchgang der Produktschalen in die Muffel erschweren oder schlimmstenfalls blockieren kann. Daher muss hier ein leicht kontrollierbarer und zugänglicher Vorraum zum eigentlichen Ofenkörper geschaffen werden. Dazu ist es besonders zweckmäßig, wenn der Einlass des Ofens gemäß einer weiteren Ausbildung der vorliegenden Erfindung als Wartungskammer, also als gut zugänglicher Vorraum, ausgebildet ist.Also, the design and materials of the product trays and muffle must be adapted to the higher temperature to withstand the higher exposure to radiation and steeper temperature gradients. Up to now, the product trays from the transverse transport with the preceding vacuum lock are always pushed directly into the muffle. At higher process temperatures, it is expected that residues (such as minerals and foreign metals) will increasingly evaporate from the input product and subsequently sublimate at the colder area at the entrance to the first heating zone. These lead to a thick coating there, which can make the passage of the product trays in the muffle difficult or block in the worst case. Therefore, an easily controllable and accessible vestibule to the actual furnace body must be created here. For this purpose, it is particularly expedient if, according to a further embodiment of the present invention, the inlet of the furnace is designed as a maintenance chamber, ie as an easily accessible anteroom.
Eine weitere Lehre der Erfindung sieht vor, dass die Wartungskammer aus einer Vielzahl von senkrecht und parallel zueinander angeordneten Graphitfaserplatten ausgebildet ist. Diese Platten dienen zur Wärmeisolierung. Ablagerungsströme aus dem Prozess werden gezielt an speziell dafür entwickelte Graphit-Platten (sog. ,Liner-Platten') geführt, die sich innerhalb der isolierten Wartungskammer am Muffelende befinden und welche regelmäßig zu wechseln sind. Daher ist der Ofen zweckmäßiger Weise im Bereich der Wartungskammer leicht zu öffnen, so dass die Liner-Platten einzeln entnehmbar und austauschbar sind. Durch dichtschließende seitlich angeordnete Türen ist der Ofen nach rechtzeitiger Abkühlung und Inertisierung im Bereich der Wartungskammer gut zugänglich, um die Liner-Platten zu wechseln.Another teaching of the invention provides that the maintenance chamber is formed from a plurality of vertically and parallel to each other arranged graphite fiber plates. These plates are used for thermal insulation. Depositing streams from the process are directed to specially developed graphite plates (so-called 'liner plates'), which are located within the isolated maintenance chamber at the muffle end and which are to be changed regularly. Therefore, the furnace is conveniently easy to open in the area of the maintenance chamber, so that the liner plates are individually removable and interchangeable. By tight closing laterally arranged doors, the oven is well accessible after timely cooling and inerting in the maintenance chamber to change the liner plates.
Die meisten Graphitwerkstoffe neigen unter Druck bei hohen Temperaturen miteinander zu verkleben. Daher müssen die Graphit-Produktschalen während der Prozesszeit im Hochtemperaturbereich möglichst kontinuierlich bewegt werden, damit diese nicht mit der Graphitmuffel verkleben. Daher sollte der Stoßvorgang für jede Produktschale quasi-kontinuierlich langsam (ca. 20 min) und die Rücklaufbewegung zum Holen der nächsten Schale möglichst schnell (wenige Sekunden) erfolgen. Dies erfolgt mittels eines neuen Steuerungs- und Softwarekonzepts, da mit bisheriger Antriebstechnik der erforderliche große Unterschied zwischen Vor- und Rückwärtslauf nur sehr aufwändig gelöst werden kann.Most graphite materials tend to stick together under pressure at high temperatures. Therefore, the graphite product shells must be moved as continuously as possible during the process time in the high temperature range, so that they do not stick to the graphite muffle. Therefore, the impact process for each product shell quasi-continuously slow (about 20 min) and the return movement to get the next shell as quickly as possible (a few seconds) should take place. This is done by means of a new control and software concept, since with previous drive technology the required large difference between forward and reverse can be solved only very expensive.
Mit zunehmender Temperatur versintert das Wolframkarbid-Pulver zu einem festen Klumpen in der Produktschale. Gleichzeitig neigt dieser Klumpen mit steigender Temperatur dazu, mit der Schale selber zu versintern (Anbacken), so dass das Produkt aus der Schale nicht mehr zerstörungsfrei entfernt werden kann. Hier soll das Verbacken verhindert, oder zumindest soweit unterdrückt werden, dass das Produkt mit wenig Aufwand aus der Schale entnommen werden kann. Das kann beispielsweise mit einem Trennmittel (Sprühöl, Spezialpapier, o. ä.) erfolgen, dass vor dem Einfüllen des Pulvers in die Schale eingebracht wird. Diese eingesetzten Trennmittel sollten während des Hochtemperaturprozesses vollständig verkoken und keine Verunreinigung hinterlassen.As the temperature increases, the tungsten carbide powder sinters to a solid lump in the product shell. At the same time this lump tends to sinter with the shell itself (caking) with increasing temperature, so that the product can not be removed from the shell without destroying it. This is to prevent the caking, or at least suppressed so far that the product can be removed with little effort from the shell. This can be done for example with a release agent (spray oil, special paper, o. Ä.) That is introduced before filling the powder into the shell. These release agents should completely coke during the high temperature process and leave no contamination.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer lediglich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigenThe invention will be explained in more detail with reference to a drawing showing only a preferred embodiment. In the drawing show
In
Der Einlass E besteht aus einer Vielzahl von senkrecht und parallel zu einander angeordneten Graphit-Platten, welche nicht näher bezeichnet sind. Diese bilden im Bereich des Einlasses E des Ofens
Erfindungsgemäß besteht die Isolation des Ofengehäuses
In
Die den Ofen
In den Figuren sind keine Heizelemente, Liner-Platten, Produktschalen zur Aufnahme von Hartmetallwerkstoff oder Antriebsmittel für den Transport der Produktschalen dargestellt.In the figures, no heating elements, liner plates, product trays for receiving hard metal material or drive means for the transport of the product trays are shown.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R207 | Utility model specification | ||
| R150 | Utility model maintained after payment of first maintenance fee after three years | ||
| R151 | Utility model maintained after payment of second maintenance fee after six years |