DE2113543B2 - Rohrofen zur herstellung einer diffusionsbindung beim drucksintern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rohrofen zur Herstellung einer Diffusionsbindung beim Drucksintern mit einem inneren Heizteil, das einen Werkstückträger enthält und eine äußere Wärmeisolation besitzt sowie in einem gegen Wärmestrahlung isolierten Druckbehälter angeordnet ist und für die Zuführung eines Gases unter Druck ausgebildet ist.

Derartige Rohröfen sind beispielsweise aus der BE-PS 7 38 378 und der FR-PS 15 42 886 bekannt. Bei diesen bekannten Rohröfen ist die Wärmeisolierung der Heizzone nahe dem Deckel und dem Boden der Wärmeisolierung mit Durchbrechungen versehen, die einen Druckausgleich zwischen dem Innenraum der Heizzone und dem äußeren Druckbehälter ermöglichen sollen. Das in der Heizzone erhitzte Gas steigt auf und kann durch die obere öffnung nach außen durchtreten und wird an der Innenwandung des Druckbehälters abgekühlt nach unten absinken. Hier kann es durch die unteren öffnungen wieder in die Heizzone eintreten. In der Heizzone entsteht so eine turbulente Konvektionsströmung nach oben, die dazu führt, daß die in der Heizzone befindlichen Werkstücke dauernden Temperaturschwankungen ausgesetzt sind.

Bei einem anderen bekannten Rohrofen nach der US-PS 34 27 011 ist die Heizzone ohne äußere Wärmeisolierung ausgebildet und oben geschlossen. Diese ist in einen ebenfalls oben geschlossenen weiteren Behälter eingesetzt, der seinerseits in den auf seiner Innenseite mit einer Wärnieisolation versehenen Druckbehälter angeordnet ist. Bei diesem bekannten Rohrofen wird den Wirkungen einer turbulenten Konvektionsströmung im Innern des Heizteils des Ofens dadurch entgegengewirkt, daß jeder Höhenbereich der Heizzone mit einer eigenen, durch Thermofühler selbsttätig gesteuerten Heizwicklung versehen ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, schon das Entstehen solcher turbulenten Konvektionsströmungen zu vermeiden und Hamjt energiesparend zu arbeiten, indem Wärmeverluste vermieden werden.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung von einem Rohrofen der eingangs genannten Art aus und sieht vor, daß zwischen dem inneren Heizteil und dem Mantel des Druckbehälters eine Glocke angeordnet ist, deren Unterkante bis nahe an den Boden des Druckbehälters reicht

Diese erfindungsgemäßen Maßnahmen verhindern eine Konvektion zwischen dem Heizteil des Ofens und den Wandungen des äußeren Druckgefäßes. Zugleich übernimmt die genannte Glocke die Funktion eines Hitzeschildes, welches außerhalb der äußeren Isolierung des Heizteils angeordnet ist Diese unten offene Glocke ermöglicht jedoch auch einen Druckausgleich ίο zwischen der Heizzone und dem übrigen Innenraum des Druckbehälters. Außerhalb der Glocke kann sich keine Konvektionsströmung ausbilden, so daß auch diese eine gleichförmige Temperatur annehmen wird, die jedoch niedriger ist. als die in dem Heizteil des Ofens. Auch diese Temperaturdifferenz wirkt einer Konvektionsströmung entgegen.

Die Anordnung von oben geschlossenen Behältern, wie sie bei der genannten US-PS 34 27 011 und bei der vorliegenden Erfindung vorgesehen sind, machen es erjo forderlich, diese nach oben aus dem Druckgefäß heraurzunehmen. Bei der genannten US-Patentschrift muß der gesamte Heizteil aus dem Druckgefäß herausgenommen und ein neuer, bereits vorgeheizter Heizteil mit neuen Werkstücken in das Druckgefäß eingesetzt werden. Dadurch entstehen zusätzliche Energiekosten.

Unter Anwendung der erfindungsgemäßen Merkmale kann man in der erwähnten Weise arbeiten. Eine Weiterbildung eines erfindungsgemäßen Ofens macht sich jedoch die Tatsache zunutze, daß die Glocke unten offen ist und sieht daher vor, daß der Werkstückträger auf dem oberen Ende eines Hubkolbens angeordnet ist, der durch den Boden des Druckbehälters und die öffnung der Glocke bis in das Heizteil verfahrbar ist.

Diese Merkmale ermöglichen zusätzlich einen zeit- und energiesparenden Betrieb des Ofens.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert, und zwar zeigt

F i g. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Rohrofen,
F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 in F i g. 1,

F i g. 3 eine Ansicht eines der Heizelemente,

F i g. 4 einen Schnitt nach der Linie 4-4 in F i g. 3,

F i g. 5 ein Diagramm der zugeführten Heizleistung, F i g. 6 ein Diagramm der Temperatur in der Heizzone,

F i g. 7 eine Draufsicht auf den Fuß des Heizteils,

F i g. 8 ein Diagramm zur Erläuterung der Ofensteuerung und

F i g. 9. eine lotrechte Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Ein erfindungsgemäßer Rohrofen weist einen Druckbehälter I auf, der von einem Wassermantel 2 umgeben ist, der die Wände des Druckbehälters kühlt. Das untere Ende des Druckbehälters ist von einer Ringmutter 3 und das obere Ende von einer Kegelmutter 4 abgeschlossen, die ein schnelles öffnen und Schließen ermöglicht. Der Druckbehälter 1 wird von einem Gestell 5 getragen.

Das obere Ende des Druckbehälters wird von O-Ringen 6 und 7 abgedichtet, die von einem Dichtungsring 8 getragen werden und in Dichtungseingriff mit der Unterfläche der Kegelmutter 4 und der zylindrischen Seitenwand 10 des Behälters 1 stehen. Das untere Ende des Druckbehälters wird durch einen Stopfen 11 mit ⁶S einem Kopf 12 abgedichtet, der gleitend in einer Bohrung 13 am unteren Behälterende sitzt und einen O-Ring 14 trägt, der die Abdichtung gegenüber der Bohrung bewirkt. Eine auf den Schaft des Stopfens 11

geschraubte Gegenmutter 15 drückt einen Absatz 16 an der Unterseite des Kopfes fest gegen das obere Ende der Mutter 5. Durch Abnehmen der Gegenmutter 15 kann der Stopfen 11 aus der Mutter 3 herausgenommen werden.

Der Ofen, in dem die Diffusionsverbindung vor sich geht, sitzt auf einer Stütze 17, die an dem Kopf 12 mittels Schrauben 18 befestigt ist. Wie in F'. g. 7 gezeigt, hat die Stütze 17 einen Tragring 19, der Zapfen 20 aufweist, die Trag- und Führungsplatten 21a, 216, 21c 21c/ für die Ofenheizelemente und die zugehörigen elektrischen Anschlüsse nahen. Die Tragplatten und die Anschlüsse befinden sich in der kühlen Ofenzone, die den ganzen Ofen unterhalb der Tragplatte 22 umfaßt. Die Tragplatte 22 wird von Muttern 23 an den oberen Enden der Zapfen 20 und außerdem von Muttern 24 an den Zapfen 25 gehalten, welche von dem Tragring 19 getragen werden. Die Tragplatte 22 trägt eine feuerfeste Scheibe 26, welche als untere Wand der heißen Zone dient und außerdem die feuerfesten Zylinder 27 und 28 trägt, die als Seitenwände der heißen Zone dienen. Oben an der heißen Zone des Ofens befindet sich ein Führungsring 29 aus feuerfestem Material und ein die Decke tragender Aufbau 30, der von einem Deckel

31 abgeschlossen wird, welcher von einem Ringbolzen

32 abgehoben werden kann.

Zur Beheizung sind zwei verschiedene Sorten von Heizelementen 33, 35 vorgesehen. Es gibt einen Satz winklig verteilter Heizelemente 33, deren aktive Heizfläche im wesentlichen über die ganze Entfernung der Scheibe 26 von dem oberen Führungsring 29 verläuft. Diese Heizelemente erstrecken sich durch einen mittleren Führungsring 34 zwischen den zylindrischen Abschnitten 27 und 28. Der Zweck der Heizelemente 33 ist, der ganzen heißen Zone des Ofens Wärme zuzuführen. Der andere Satz Heizelemente 35 ist ähnlich über den Innenumfang des Ofens verteilt, und ihre aktive Heizlänge erstreckt sich von der Scheibe 26 etwa bis zur Hälfte des oberen Ofenteils. Die Aufgabe der Heizelemente 35 ist es, dem unteren Teil der heißen Zone Wärme zuzuführen. Die Heizelemente 33, 35 befinden sich in der heißen Zone nahe deren Außenumfang und haben Abstand von den Wänden der heißen Zone, um eine Wärmeübertragung durch Konvektion zu verhindern. Jedes Heizelement 33 und 35 hat die allgemeine, in F i g. 3 und 4 gezeigte Form und hat ein hohles Rohr aus Siliziumkarbid, das am unteren Ende bei 36 geschlitzt ist, und jede Seite 37 und 38 des Schlitzes ist durch schraubenförmige Abschnitte 37a und 38a mit dem ungeteilten oberen Ende 39 des Heizelements verbunden. Die aktiven Heizbereiche der Heizelemente sind die schraubenförmigen Abschnitte 37a und 38a. Die geschlitzten, unteren Enden sind mit Stromanschlüssen 40 und 41 in der kühlen Ofenzone verbunden. Die tatsächlichen Anschlüsse der Heizelemente sind nicht gezeigt, sondern grafisch angedeutet, weil sie bekannt sind.

Fig.5 zeigt die größte Heizleistung der Heizelemente 33 und 35. Die Heizleistung der Heizelemente ist mit 42 und die Heizleistung der Heizelemente 35 mit 43 angegeben.

Die Sätze von Heizelementen 33 und 35 werden getrennt gesteuert. Die Steuerung der Heizelemente erfolgt über ein Thermoelement 45, das die Temperatur im oberen Teil der heißen Zone des Ofens mißt. Die Steuerung der Heizelemente 35 erfolgt über ein Thermoelement 46, das die Temperatur im unteren Teil der heißen Ofenzone mißt. Das Thermoelement 45 ist mit Leitungsdrähten 47 verbunden, die nach oben durch den Führungsring 29 und den die Decke tragenden Aufbau 30 und nach unten durch die Wärmeisolierung 48 verlaufen, welche die Seitenwände 27, 28 des Ofens umgibt. Das Thermoelement 46 ist mit einem Leitungsdraht 49 verbunden, der ebenfalls nach oben durch den Führungsring 29 und den die Decke tragenden Aufbau 30 und nach unten durch eine keramische Wärmeisolierung 48, z. B. Zirkonerde, geht, die von einer Metallhül-Ie 48a umgeben ist Beide Leitungsdrähte des Thermoelements 47 und 49 gehen durch den Stopfen 11 im Bodenabschluß 3 des Druckbehälters hindurch. Die (nicht gezeigten) Leitungen für die zugeführte elektrische Energie gehen ebenfalls durch den Stopfen 11 und sind mii einer Sammelschiene 50 verbunden, von der nur ein Teil gezeigt ist. Der ganze Ofenaufbau sitzt auf dem Stopfen 11, der vor seinem Einsatz in den Druckbehälter zusammengesetzt und geprüft werden kann.

Der Ofen ist von einer metallenen Glocke 51 umgeben, welche oben geschlossen und unten offen ist; sie faßt ziemlich über die ganze Ofenlänge. Die Decke 52 der docke 51 ist mit einem Lüftungsring 53 versehen. Die Decke 52 ist gegen die Ofenhitze durch eine faserige Wärmeisolierung 54 abgeschirmt Die Seitenwände 55 der Glocke 51 liegen den inneren Seitenwänden des Druckbehälters im Abstand gegenüber, werden durch den Kühlmantel 2 gekühlt und sind ebenfalls gegen die Ofenhitze durch die Isolierung 48 abgeschirmt. Das untere Ende 56 der Glocke 51 ist gegen die Ofenhitze durch eine Isolierung 57, 58 in den Zwischenräumen über und unter den Distanzplatten 21a, 21 b, 21c und 21c/geschützt.

Die Arbeitsweise des Ofens wird in Verbindung mit dem Steuerdiagramm der F i g. 8 erläutert. Beim Beginn des Arbeitens wird das Werkstück 59, das aus mehreren, durch Diffusion zu verbindenden Teilen besteht, auf den Boden 26 der heißen Ofenzone gelegt, der Deckel 31 und die Glocke 51 werden auf den Ofen gebracht, und das Druckgefäß 1 wird am oberen Verschluß 4 geschlossen. Gewünschtenfalls wird dann das Innere des Druckbehälters durch die Vakuumleitung 60 evakuiert. Wenn das gewünschte Vakuum erreicht ist, wird das Ventil 61 geschlossen. Irgendeines der üblichen Druckgase wird nun durch die Leitung 62 zugeführt, und die Heizelemente 33 und 35 werden angestellt, wobei jedes Heizelement von einer besonderen Steuerung 63, 65 gesteuert wird. Nach mehreren Stunden kommt der Ofen auf seine Arbeitstemperatur, beispielsweise 1427°C, und die Teile des Werkstücks werden durch Schmelzen in wenigen Minuten miteinander verbunden. In diesem Augenblick wird das inerte Gas durch die Leitung 62 abgesaugt, um den Ofen vom Druck zu befreien, und die Glocke 51 und der Ofendekkel 31 werden entfernt und legen den oberen Teil de< Ofens frei, so daß das fertige Werkstück 59 herausge hoben und ein neues eingesetzt werden kann. Wenr der Ofen geöffnet wird, werden das Werkstück 59 unc die Heizelemente 33 und 35 der Luft ausgesetzt, letzte re werden aber nicht oxidiert, weil sie aus Siliziumkar bid bestehen. Die Heizelemente 33, 35 und die Ofentei Ie kühlen sich nicht ganz ab, während das Werkstück 5! herausgenommen und ein neues eingesetzt wird. Dii Temperaturänderung im Ofen verläuft entsprechen« der Temperaturkurve 66 im Ofentemperaturdiagramn nach F i g. 6. Es ist zu bemerken, daß die Temperatu der heißen Ofenzone im wesentlichen vom Boden bi zum Deckel gleich bleibt, so daß Konvektion die Tem peratur nicht erheblich ändern kann, der das Werk

stück unterworfen wird. Die Zeit zwischen zwei Arbeitsspielen ist die, die für die Handhabung der Teile benötigt wird, die entfernt und ersetzt werden müssen. Es besteht keine Notwendigkeit, auf ein Auskühlen des Ofens zwischen zwei Arbeitsgängen zu warten. Das ergibt eine erhebliche Verkürzung der durchschnittlichen Arbeitszeit. Beispielsweise kann es bei einem bekannten Ofen, der nicht im Vakuum zu betreiben ist und keine Luft und kein inertes Gas erhält, drei Stunden dauern, bis der Ofen aufgeheizt, und drei Stunden, bis der Ofen ausgekühlt ist.

Wenn bei kaltem Ofen begonnen wird, sind beide Sätze von Heizelementen 33, 35 angeschaltet, und Hitze wird durch Strahlung und Konvektion auf alle Teile der heißen Zone übertragen. Die Decke, die Wände und der Boden der heißen Zone werden heiß. Mit zunehmender Ofentemperatur nimmt der Bedarf an Wärme für die Heizelemente 33 ab, und bei Arbeitstemperatur wird von den Heizelementen 33 nur wenig Wärme benötigt, und die Heizelemente 35 erhalten die Ofentemperatur aufrecht, die im wesentlichen in der heißen Zone von oben bis unten gleich bleibt. Das ist möglich, weil Gasturbulenzen vermieden werden. Unter Arbeitsbedingungen verbreitet sich Gas unter Druck über das ganze Innere des Druckbehälters, wobei das kälteste Gas sich an dem wassergekühlten Körper 1 des Druckbehälters und das heißeste Gas sich in der heißen Zone befindet. In der heißen Zone ist die Konvektion nicht behindert, so daß Gas an den Heizelementen 33,35 frei sowohl zu den Außenwänden der heißen Zone als auch zum Werkstück strömen kann. Jedoch ist eine Konvektion von der heißen Zone zu dem kühleren Gas außerhalb der Wände der heißen Zone tatsächlich durch Mittel in Form verengter Durchlässe unterbunden, die von der Glocke 51 und den Wärmeisolierungen 48,54,57 und 58 gebildet werden; dadurch ist das Strömen von Gas zwischen der heißen und der kalten Zone nur durch Diffusion möglich. Wird eine Turbulenz in der heißen Zone vermieden, so ist kein merklicher Temperaturunterschied im Werkstück vom Boden bis zur Spitze zu messen. Es muß freier Raum für Konvektionsströme in der heißen Zone vorhanden sein, damit die Gastemperatur gleich werden kann. Eine unmittelbare Berührung mit den Heizelementen ist vermieden. Der gesamte freie Ofenraum steht für das Werkstück 59 zur Verfugung. Zum Beispiel kann in einem Ofen mit einer heißen Zone von etwa 25 cm Durchmesser und 50 cm Höhe das Werkstück einen Durchmesser von 15 cm und eine Höhe von 45 bis 48 cm haben, und das Spiel zwischen den Heizelementen und dem Werkstück sowie zwischen den Heizelementen und den Seitenwänden der heißen Zone kann 6 bis 12 mm betragen.

F i g. 9 zeigt den Ofen nach F i g. 1 in einer Abänderung, so daß es von unten beschickt werden kann. Die für eine Beschickung von unten notwendigen Änderungen sind

1. eine Vergrößerung des unteren Endes des Körpers des Druckbehälters, wie bei 67 gezeigt, so daß die Dichtungshülle und das eingeschlossene Gerät von unten eingesetzt werden können,

2. eine Änderung des Stopfens, der das Gerät trägt, aus einer zylindrischen in eine Ringform, wie bei tla gezeigt, und

3. die Anordnung eines isolierenden Kolbens 68 zum Tragen des Werkstücks.

Die Energie- und Steuerverbindungen werden jetzt auf dem ringförmigen Stopfen 11a angebracht. Geeignete Dichtungen 69 und 70 sind zwischen dem Stopfen 11a und dem unteren Ende des Körpers des Druckbehälters sowie zwischen dem isolierenden Kolben 68 und dem Stopfen 11a vorgesehen. Wenn diese Änderungen vorgenommen werden, kann der Ofen für eine Beschickung von oben oder unten benutzt werden.

Siliziumkarbid-Heizelemente 33 und 35 sind von Vorteil, wenn der Ofen so betrieben wird, daß die heißen Elemente der Luft ausgesetzt werden. Andere Heizelemente, die es nicht vertragen, heiß der Luft ausgesetzt zu werden, können verwendet werden, wenn der Ofen zwischen Arbeitsgängen abgekühlt wird odei wenn die Heizelemente durch ein inertes, wie Argon geschützt sind, indem ständig mit dem inerten Gas ge spült wird, wenn der Ofen offen ist.

Der Ofen ist für ein Arbeiten bei Drücken bis zi 2160 at und Temperaturen bis 1425⁰C gedacht. Der ge zeigte Ofen hat eine Betriebstemperatur von 1340° C und einen Arbeitsdruck von 216 at.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Rohrofen zur Herstellung einer Diffusionsbindung beim Drucksintern mit einem inneren Heizteil, das einen Werkstückträger enthält und eine äußere Wärmeisolation besitzt sowie in einem gegen Wärmestrahlung isolierten Druckbehälter angeordnet ist und für die Zuführung eines Gases unter Druck ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem inneren Heizteil (26 bis 29) und dem Mantel des Druckbehälters (1) eine Glocke (52, 55, 56) angeordnet ist, deren Unterkante (56) bis nahe an den Boden des Druckbehälters (1) reicht.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstückträger (59) auf dem oberen Ende eines Hubkolbens (68) angeordnet ist, der durch den Boden (Ha) des Druckbehälters (1) und die öffnung der Glocke (56) bis in das Heizteil (26 bis 29) verfahrbar ist.