DE2152489A1

DE2152489A1 - Regelverfahren fuer Vakuumoefen

Info

Publication number: DE2152489A1
Application number: DE19712152489
Authority: DE
Inventors: Carl Bergman; Paul Larsson
Original assignee: ASEA AB; Allmanna Svenska Elektriska AB
Current assignee: ABB Norden Holding AB
Priority date: 1970-10-27
Filing date: 1971-10-21
Publication date: 1972-05-31
Also published as: US3736360A; BE774266A; CH542675A; CA957001A; GB1357580A; SE349858B; NL7114654A; FR2113295A5; LU64131A1; DE2152489B2; IT940043B; SU566510A3; AT311689B

Description

Regelverfahren für Vakuumöfen

Die Erfindung betrifft ein Regelverfahren für einen Vakuumofen zum Sintern von Pulverkörpern, vorzugsweise von Pulverkörpern aus Hartmetall, und zwar ein Regelsystem, das die Erwärmung des Ofens während des Teils des Erwärmungsvorgangs steuert, in dem die Entgasung geschieht. Das Regelsystem kann für Öfen verwendet werden, wie sie in der DT-OS 2 006 066 (FR-PS 7 007 195, SW-PS 507 042) näher beschrieben sind.

Hartmetallkörper werden aus Pulver hergestellt, das Wolfram-, Tantal-, Titan- oder Vanadin-Karbide oder eine Mischung von zwei oder mehreren Karbiden dieser Metalle sowie ein Bindemittel enthält, das aus Kobalt und/oder Nickel sowie eventuell Eisen besteht. Der gesamte Karbidgehalt beträgt gewöhnlich 70 - 9990 und der Bindemittelgehalt 1 - 30#. Das Pulver neigt dazu, sich mit den Gasen der Atmosphäre, in erster Linie Sauerstoff (o₂) und Wasserdampf, zu vereinen oder diese zu absorbieren. Diese Stoffe werden durch Entgasung unter

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Erwärmung entfernt, w«bei die Erwärmung unter Vakuum erfolgt. Bei Entgasung von Hartmetall besteht der Wunsch, daß der Druck während des ganzen Entgasungsverlaufs unter einem gewissen Niveau gehalten wird. Die Erwärmung ist bisher meistens so schnell wie möglich vorgenommen worden, d.h. mit höchster Leistung oder höchstmöglichen Temperaturgradienten, den Ofen oder Arbeitsstück zulassen. Die Gasabgabe des Hartmetalls ist jedoch sehr ungleichmäßig und hat ein ausgeprägtes Maximum bei ca 700⁰C. Wenn wie erwünscht das Absaugen von abgegebenen Gasen geschehen soll, ohne daß der Druck ein gewisses Niveau übersteigt, ist bei konstantem Temperaturgradienten eine umfangreiche und kostspielige Vakuumausrüstung erforderlich. Eine allzu kräftige Gasabgabe kann auch zur Folge haben, daß man in dem Arbeitsstück aufgrund der Sprengwirkung des Gases Sprünge erhält. Man hat deshalb in gewissen Fällen die Leistungezufuhr in Abhängigkeit von der Temperatur geregelt. Aufgabe der Erfindung ist, die Entgasung der Werkstücke mit einer kleinen Anlage durchführen zu können.

Gemäß der Erfindung wird die Erwärmung in Abhängigkeit vom Druck im Ofen geregelt. Die Ofenausrüstung erhält zu diesem Zweck ein druckabtastendes Organ, das den Druck im Ofen oder in einer Saugleitung mißt, und ein leistungsregelndes Organ, das abhängig von dem Ausgangssignal des genannten druckabtastenden Organsdie Leistungszufuhr zu den Heizelementen des Ofens regelt.

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Die Erfindung hat mehrere Vorteile. Die Gasabgabe kann in dem Temperaturbereich, in dem sie ihr Maximum hat, auf einen der Vakuumanlage angepaßten Maximalwert begrenzt, d.h. die Größe der Anlage kann bedeutend verkleinert werden, oftmals bis auf nur 25% der bisher als zweckmäßig angesehenen Größe. Das Regeln ermöglicht auch eine sehr genaue Bestimmung des Druckes in dem Temperaturbereich, in dem die Gasabgabe gering ist, so daß der Druck stets über dem Niveau gehalten werden kann, bei dem man eine schädliche Vergasung der in dem Hartmetall enthaltenen Komponenten erhalten würde, z.B_o des Kobalts. In vielen Fällen ist es zweckmäßig, einen Druck von 1.10 im Ofen zu halten. Der Verlust von Kobalt ist dabei vernachlässigbar. Das Regelsystem ermöglicht es auch, auf eine kontrollierbare Weise den Druck im Verhältnis zur Temperatur zu regeln.

Die Erfindung ist im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben, in dieser zeigen :

Fig. 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer

Regelanordnung gemäß der Erfindung, Fig. 2 eine Variante, die in der Anordnung nach Fig.

enthalten ist,
Fig. 3 die Gasabgabe eines Hartmetallkörpers mit einem Gewicht von 150 kg bei Erwärmung mit konstanter Leistungszufuhr, d.h. bei ungefähr konstantem

Temperaturgradienten, und Fig. 4 die Temperatur des Arbeitsstückes als Funktion der Zeit unter Ausnutzung der Erfindung.

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In Fig. 1 und 2 bezeichnet 1 einen Sinterofen, der gegen die Umgebung so abgedichtet ist, daß darin ein Vakuum aufrechterhalten werden kann. Der Ofen 1 ist mit einer Leitung 2 an einer Vakuumpumpe 3 angeschlossen. Im Ofen befindet sich ein Arbeitsstück 4, das durch Pressen eines Pulvers geformt ist. Der Ofen 1 ist in vier verschiedene Zonen unterteilt, jede hat ein Heizelement 5a, 5b, 5c, 5d, denen durch ein Kabel 6 über Regler 7a, 7b, 7c und 7d von einer nicht gezeigten Stromquelle Leistung zugeführt wird. Das Kabel 6 enthält Leitungspaare 6a, 6b, 6c und 6d für die Heizelemente in jeder einzelnen Erwärmungszone. Die Regler können aus Wechselspannungsreglern mit Thyristoren bestehen, z.B. Fabrikat ASEA Typ YQNA, und aus Leistungsreglern mit PI-Reglern, Vervielfältigungsgeräten und Summierorganen, z.B. Fabrikat ASEA mit den Bezeichnungen QRTN 201, QRTF 205 und QRTF 201 sowie Meßeinheiten für Spannung und Strom zu den Heizelementen.

Sine Zone des Ofens ist Hauptzone, die übrigen Nebenzonen· Alle Zonen haben Thermoelemente 8a, 8b, 8c und 8d, die einen Istwert an die Regelausrüstung für die Temperatur in den vier Zonen des Ofens geben. Außerdem hat eine Zone, die Hauptzone, ein Thermoelement 9, das den Sollwert für die Temperaturen in den Nebenzonen angibt, der der Istwert der Hauptzone ist. Die Thermoelemente stehen durch Leitungen 10a, 10b, 10c, 1Od und 1Oe des Leitungsbündels 10 in Verbindung mit einem Temperaturregler 11, der ein Hauptregler ist, und Temperaturreglern

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12a, 12b, 12c, die die Temperaturen in der jeweiligen Zone des Ofens regeln. Als Hauptregler kann ein Regler mit einer Skala 13 zum Einstellen eines Sollwertes für die gewünschte endgültige Sintertemperatur verwendet werden. Den Istwert erhält man vom Thermoelement 8d in der Hauptzone des Ofens. Ein Regler vom Fabrikat Eurotherm 0-1800⁰C Typ PID kann verwendet werden. Als Nebenregler können Temperaturregler Fabrikat Eurotherm -3-+3mV Typ PID verwendet werden. Die Nebenregler regeln die Temperatur der jeweiligen Nebenzone, so daß diese so nahe der« Temperatur der Hauptzone wie möglich liegt. Der Sollwert für die Nebenregler kommt von dem Thermoelement 9 in der Hauptzone und der Istwert von den Thermoelementen 8a, 8b und 8c in der eigenen Zone. An der Vakuumleitung 2 ist ein Druckmesser 15 angeschlossen, z.B. ein Druckmesser mit einer logarithmischen Skala, der ein zum Ausschlag des Zeigers proportionales Signal abgibt. Das Signal wird einem Vakuumregler 16 zugeleitet.

Man kann einen PI-Regler verwenden, der von der ASEA unter der Bezeichnung QALB verkauft wird. Der Regler 16 beeinflußt bei der Ausführung gemäß Fig. 1 einen Servomotor 17 zum Einstellen eines Drosselventils 18 in der Vakuumleitung 2, so daß der Druck im Ofen 1 trotz der konstanten Drehzahl der Pumpe 3 konstant gehalten werden kann. Die Ausrüstung enthält auch einen Regler 19, der entweder direkt von dem Ausgangssignal des Reglers oder von einem Organ beeinflußt wird, das die Einstellung des Ventils 18 abtastet. Der Regler registriert

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hierdurch, ein wie großer Teil der Kapazität der Pumpe 3 ausgenutzt wird und gibt ein von der unausgenutzten Kapazität abhängiges Ausgangssignal, das über die Leitung 20 den Reglern 7a, 7b, 7c und 7d zugeführt wird, so daß diese die Leistungszufuhr zu dem Ofen steigern, wenn die Pumpenkapazität nicht ganz ausgenutzt wird. Der Regler 19 kann ein PI-Regler, Fabrikat ASEA, Typ QALB 210, sein.

Bei einem Ofen mit hoher Leistung kann, wenn die Kapazität der Vakuumpumpe die Erwärmungsgeschwindigkeit nicht begrenzt, das Ausnutzen der ganzen zugänglichen Leistung eine allzu schnelle Erwärmung für die Behandlung gewisser Materialien bewirken. Es kann daher zweckmäßig sein, einen Leistungsbegrenzer 21 zu benutzen, der die Temperaturderivate abtastet. Er kann mit einer Einstellungsanordnung für den gewünschten Sollwert versehen sein. Den Istwert erhält man durch Messen der Widerstandsveränderung in der Yärmeschleife der Hauptzone oder durch Thermoelemente in der Hauptzone· Wenn der Istwert den Sollwert übersteigt, gibt der Leistungebegrenzer ein Ausgangssignal, das den Reglern 7a, 7b, 7c und 7d zugeführt wird, so daß diese die dem Ofen zugeführte Leistung vermindern. Der Effektbegrenzer kann aus einer Resistanzmeßeinheit, einem Motorbetätigungsorgan für den Bezugswertvergleich und einem PI-Regler Fabrikat ASEA, Typ QALB 210, aufgebaut sein.

Will man bei verschiedenen Ofenteaperaturen mit verschiedenem Druck arbeiten, kann die Anlage mit einem Programmwerk 24

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versehen werden, das mit einem Sollwert für den Druck programmiert ist. Dieses Programmwerk gibt ein von der Programmierung abhängiges Ausgangssignal, das dem Vakuumregler 16 zugeführt wird·

Bei der alternativen Ausführung gemäß Fig_s 2 regelt man den Druck im Ofen 1, wenn die abgegebene Gasmenge die Kapazität der Pumpe 3 bei gewünschten Druck untersteigt, indem man durch ein regelbares Ventil 25 Luft in die Leitung 2 läßt. Dieses Ventil wird mittels eines Servomotors 26 derselben Art wie der Servomotor 17 betätigt. Im übrigen stimmt die Ausrüstung mit der in Fig. 1 gezeigten überein und auch die Arbeitsweise ist dieselbe.

Die Kurve 30 in Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der von einem Arbeitsstück abgegebenen Gasmenge je Zeiteinheit und der Temperatur bei Erwärmung mit konstanter Temperaturzunähme Je Zeiteinheit* Längs der Abszisse ist die Zeit t in Std. und die Temperatur T in ⁰C eingezeichnet und längs der Ordinaten die abgegebene Gasmenge Q torr*l/sek· Wie aus den Werten an der Abszisse hervorgeht, wird das Arbeitsstück mit 100°C/h erwärmt. Die Kurve 30 zeigt, daß die Gasabgabe bei ca 75O⁰C ein ausgeprägtes Maximum hat. Die in erster Linie abgegebenen Gase sind Kohlenstoffmonixyd (CO), Kohlenstoffoxyd (CO₂)* Wasserdampf (H₂O) und Wasserstoff (H₂). Gemäß der Erfindung steuert man die Ofenerwärmung im Verhältnis zum Ofendruck auf solche Weise, daß der Temperaturgradient im Bereich 600°C 850⁰C auf einen solchen Wert begrenzt wird, daß die Gasabgabe

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der maximalen Kapazität der Vakuumpumpe bei gewähltem Ofendruck entspricht.

Fig.4 zeigt ein Beispiel des Zusammenhanges zwischen der Zeit t in Stunden und der Temperatur T in ⁰C. Wie aus der Figur hervorgeht, ist die Kurve, deren Neigung den-Temperaturgradienten präsentiert, im Bereich zwischen 6OO°C und 800⁰C sehr flach.

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Claims

Patentansprüche ;

1. Verfahren zum Vakuumsintern von Pulverprodukten in einem elektrisch beheizten Vakuumofen, der mittels einer Saugleitung an einer Vakuumpumpe angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Ofens in Abhängigkeit von dem Druck im Ofen gesteuert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Ofens so gesteuert wird, daß der Druck im Ofen ständig unter einem höchsten Sollwert liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Ofens im Verhältnis zu der ausgenutzten Pumpenkapazität gesteuert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die" Erwärmung des Ofens im Verhältnis zu der Einstellung eines in der Saugleitung zwischen Ofen und Pumpe angeordneten Drosselorgans gesteuert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erwärmung des Ofens im Verhältnis zu der Einstellung eines Drosselorgans gesteuert wird, durch das der Saugleitung zwischen Ofen und Pumpe zum Regeln des Druckes Gas zugeführt werden kann, so daß der Druck den kleinsten Sollwert übersteigt.

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6. Ofenausrüstung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen elektrisch beheizten Ofen (1), eine Vakuumpumpe (3), eine Saugleitung (2), die den Ofen mit der Vakuumpumpe verbindet, und eine Regelausrüstung (7) zum Regeln der dem Ofen zugeführten Wärmeleistung enthält, sowie ein druckabtastendes Organ (15), das den Druck im Ofen oder der Saugleitung mißt und ein vom Druck abhängiges Ausgangssignal abgibt, und ein zwischen Stromquelle und Heizelement (8) im Ofen (1) angeordnetes leistungsregelndes Organ (11, 12) zum Regeln der zugeführten Leistung im Verhältnis zu dem genannten Ausgangssignal.

7. Ofenausrüstung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Verbindung zwischen Ofen (1) und Vakuumpumpe (3) ein Drosselorgan (18) angeordnet ist, dessen Einstellung von dem Ausgangssignal des genannten druckabtastenden Organs derart beeinflußt wird, daß der Druck in der Saugleitung (2) ständig über dem kleinsten Sollwert liegt.

8. Ofenausrüstung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Regler (19) enthält, der die Einstellung des Drosselorgans (18) abtastet und ein von der Einstellung abhängiges Ausgangssignal abgibt, das Regelorgane (11, 12) für die Leistungszufuhr zu Heizelementen im Ofen beeinflußt.

9.» Ofenausrüstung nach Anspruch 6, dadurch gekeimzeichnet, daß ein Ventil mit einem regulierbaren Drosselorgan (18) an

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der Saugleitung zwischen Ofen (1) und Vakuumpumpe (3) angeschlossen ist und daß die Einstellung dieses Drosselorgans von dem Ausgangssignal des genannten druckabtasteiiden Organs (15) derart beeinflußt wird, daß der Saugleitung Gas zugeführt wird, wenn der Druck in ihr den kleinsten Sollwert unterschreitet.

10. Ofenausrüstung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Gerät (19) enthält, das die Einstellung des Drosselorgans (18) abtastet und ein von der Einstellung abhängiges Ausgangssignal abgibt, das Regelorgane (11, 12) für die Leistungszufuhr zu Heizelementen (8) im Ofen (1) beeinflußt.

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