DE2339233B2 - Annenofen zum oxydationsfreien behandeln von werkstuecken - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft einen Wannenofen zum <ydationsfreien Behandeln von Werkstücken bei jhen Temperaturen (z. B. 760 bis HOO⁰C) in flüssiger instlicher Schlacke, insbesondere in Boratgläsern, der jrch eingetauchte Elektroden mittels Strom beheizt ird und ein Außengefäß und ein darin eingesetztes ineneefäß enthält, die beide aus Stahl bestehen und

einen mit flüssigem Wärmeträger gefüllten Zwischen-

^rainder metallverarbeitenden Industrie (Werkzeugmaschinenbau, Flugzeugbau, Werkzeugbau u. a.) gibt es praktisch keinen Industriezweig, bei dem Arbeitsoperationen der thermischen Behandlung von Tetlen aus verschiedenen Metallen oder deren Legierungen nicht zur Anwendung kommen. Die Hauptoperationen der thermischen Behandlung von Metallteilen sind Erwärmen auf eine hohe Temperatur (700⁰C und mehr), Halten auf dieser Temperatur, dann Abkühlen in Wasser, Öl oder an Luft Als Resultat der thermischen Behandlung erhält das Material, aus dem das Teil (Werkstück) hergestellt ist, die erforderlichen Eigenschaften bezüglich Härte, Festigkeit, Verschleißfestigkeit u. a. Das Erwärmen von Teilen (Werkstücken) wird in sog. Kammer- oder Schachtofen mittels Gas oder elektrischer Beheizung durchgeführt

Beim Erwärmen in solchen Ofen findet eine Oxydation der Metalloberfläche statt, was zur Bildung von Zunder- oder Oxidschichten auf der Metalloberfläche führt. Dieser Zunder gestattet es nicht, das Teil (Werkstück) in diesem Zustand zu verwenden, da es erforderlich ist, die schadhafte Schicht zu entfernen, um dem Teil (Werkstück) die geforderte Oberflächengüte zu verleihen. Dies wird durch nachfolgende Arbeitsoperationen mit mechanischer Bearbeitung durch Kugeloder Sandstrahlen bzw. mit elektrischem oder chemischem Ätzen u. a. erzielt. Deswegen führt die Oxydation der Metalloberfläche beim Erwärmen auf hohe Temperaturen zu Verlusten an Metall sowie zur Vergrößerung des Arbeitsaufwandes bei der Herstellung des Teils (des Werkstücks).

Außerdem ist die Erwärmungsgeschwindigkeit in solchen öfen nicht groß, und die Mechanisierung des Prozesses der thermischen Behandlung ist sehr erschwert. Das Temperaturgefälle in derartigen öfen erreicht 30⁰C und mehr, was zu einem ungleichmäßigen Erwärmen führt.

Es ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Metallteilen (Werkstücken aus Metall) durch Hochfrequenzströme bekannt, welches eine hohe Erwärmungsgeschwindigkeit vorsieht und es gestattet, den Prozeß der thermischen Behandlung zu mechanisieren. Jedoch wird auch bei diesem Verfahren die Oberfläche des Werkstücks oxydiert, wenn auch in einem geringeren Maße als beim Erwärmen im Ofen. Das Erwärmen von Teilen komplizierter Form ist bei diesem Verfahren überhaupt unmöglich.

In der US-PS 28 80 986 ist ein sog. Salzbadofen für die Behandlung von Metallen, insbesondere von Stahllegierungen beschrieben, der durch eingetauchte Elektroden mittels Strom beheizt wird und ein Außengefäß und ein darin eingesetztes Innengefäß enthält, die beide aus Stahl bestehen und einen mit flüssigem Wärmeträger gefüllten Zwischenraum bilden. Die der Beheizung dienenden Elektroden sind im Zwischenraum zwischen dem Außen- und dem Innengefäß eingesetzt, so daß die Füllung des Innengefäßes nur indirekt beheizt wird. Maßnahmen, die dem Angriff des Salzbades auf das Material der Gefäße entgegenwirken, sind nicht vorgesehen. Das Erwärmen von Werkstücken aus Metall in flüssigen Wärmeträgern z. B. in schmelzflüssigen Metallen oder deren Legierungen oder in verschiedenen geschmolzenen Salzen ist in der Praxis der thermischen Behandlung im breiten Umfang bekannt.

Besonders oft wird das Erwärmen in geschmolzenen

laloeensalzen (BaCl₂. KCl, NaCl) und Zyaniden ηλ/t welche es gestatten, die Teile mit einer im SSdS^Äi Wärmen in öfen 6- bis lOfach Sfteren Geschwindigkeit zu erwärmea Das Erwar- ¹ il den Salzen zeichnet sich durch Einfachheit der 5 f-Lüstungen, Gleichmäßigkeit der Temperatur im Schmelzvolumen, leichte Temperaturmessung -'ichkeit der Automatisierung des eigentlichen der thermischen Behandlung aus. Jedoch wird armen ü« diesen flüssigen Wärmeträgern die 10 Verflache von Metallteilen ebenfalls oxydiert wenn auch in einem geringeren Maße als beim Erwärmen in ^öfinßerdem weisen die flüssigen Wärmeträger trotz •wfvorteTle auch schwerwiegende Mangel auf Die ,5 ' hlolzenen Halogensalze und Zyanide entwickeln ff-^SC„Te und Gase weshalb eine leistungsstarke SÄion zu Lr Entfernung erforderlich ist Die inten Salze sind explosionsgefährdet und jedes SS von Feuchtigkeit in das Schmelzbad verur- ao

wirKenaucn muuti wu.....-*...

was zur Herabsetzung des Gehalts an Kohlenstoff und Legierungselementen führt. Überdies

H die Oberfläche der Metalle in Mitleidenschaft 25 r^gen uSes entstehen punktförmige Fehler Dies hat STlSge daß die Zugaben für die nachfolgende 'echanSne Bearbeitung oder das Läppen des Te.ls erkstücks) vergrößert werden müssen, mechanische Fertigbearbeitung (Läppen) von 30 (Werkstücken) nach ihrer feilschenBehang .TnVist sehr zeit- und kraftraubend, weil die Oberflache des?Trib dmί erheblich höhere (oft auch eine max.male) ^u , ■ »..„„„„„cTuctanrl besitzt.

rnirirvSndern während des ₃S chemische Zusammensetzung, was ihre

Serien «obei Spemlzuschläge eingeführt werden, d.

ggSsSis

Porm eleSt Sehen Niederschlags - Schlamms ₄₅

■Hl von einem Eisengehäuse umschlossen sind. Innerhalb eines solchen Ofens ist eine Vertiefung für das geschmolzene Salz vorhanden. Das Erwärmen des geschmolzenen Salzes erfolgt dank der Entwicklung der Jouiischcn Wärme beim Durchgang des elektrischen Stroms durch die Salzschmelze, die zwischen den (runden oder rechteckigen) Elektroden eingeschlossen ist Das anfängliche Schmelzen der Salze wird durch Kumchließen der Elektrodenpaare mittels eines Graphitstabes (eines metallischen Stabes) oder mittels Hüfsspiralen durchgeführt Der Hilfsstab wird durch Kurzschlußstrom angewärmt, wobei sich um den Stab herum ein Bad geschmolzenen Salzes bildet, das mit der Zeit zwei am nächsten liegende Elektroden kurzschließt worauf dann das Schmelzen der übriggebliebenen Salzmasse rasch vonstatten geht. Beim Betrieb zerstört das geschmolzene Salz allmählich das Ziegelmauerwerk (das Futter), weshalb es des öfteren in einem in das Futter eingesetzten Metalltiegel aufgeschmolzen wird. Aber solche Tiegel werden schnell von außen her oxydiert und an den Schweißnähten zerstört, so daß ihre Anwendung beschränkt ist

In Abhängigkeit von den Abmessungen kann der Wannenofen zwei und mehr Elektroden besitzen. Die Wannenofen arbeiten mit einem Einphasen- oder einem Drehstromtransformator, was durch die Anzahl der Elektroden bedingt ist. Am meisten verbreitet sind Drehstrom-Dreielektrodenwannenöfen.

Während des Betriebs werden die Elektroden zerstört, und der Abstand zwischen ihnen nimmt beträchtlich zu. Dies führt wiederum zu einer ungleichmäßigen Belastung der Phasen der Stromversorgung. Um dieser Erscheinung (der ungleichmäßigen Belastung der Phasen) zu begegnen, wird an der Seite des Arbeitsraumes des Wannenofens parallel zu den Elektroden eine metallische Zwischenwand aufgestellt, die ebenfalls die Elektroden vor Kurzschluß durch in das geschmolzene Salz gefallene Teile (Werkstücke) schützt. Eine solche Zwischenwand besitzt neben den Vorteilen auch Nachteile: das nutzbare Volumen der Wanne verringert sich, an den Befestigungsstellen der Zwischenwand kommt es zur Zerstörung der Halteeinrichtungen, so daß die Zwischenwand in die Wanne fallen und die Elektroden kurzschließen kann.

Bedeutende Nachteile des Erwärmens von Metallteilen (Werkstücken) in Kammerofen unter Verwendung der vorhandenen geschmolzenen Salze zwingen dazu, nach anderen Verfahren zum oxydationsfreien Erwärmen und Erwärmen mit verminderter Oxydation zu forschen. Zu solchen Erwärmungsverfahren gehören das Erwärmen in Vakuumöfen, das Erwärmen im Medium inerter Gase (Argon u. a.) und in Schutzatmosphäre.

Das Erwärmen im Vakuum ist ein wenig produktiver Prozeß, verlangt eine komplizierte und aufwendige Ausrüstung und die Erwärmungsgeschwindigkeit ist niedriger als in den Kammerofen.

Das Erwärmen im Medium inerter Gase besitzt dieselbe Erwärmungsgeschwindigkeit wie in den Kammerofen, ist jedoch unbequem im Betrieb und gestattet es nicht, die Oxydation der Metalloberfläche vollendet auszuschließen.

Die Anlagen zum Erwärmen in Schutzatmosphären sind anfällig im Betrieb, erfordern die Entfettung der Oberfläche der Teile (Werkstücke) und können die Oberfläche der Teile (Werkstücke) mit nicht erwünschten Beimengungen (mit Stickstoff beim Erwärmen von nichtrostenden Stählen) sättigen, was die Korrosions-

beständigkeit der Teile vermindert. Außerdem gelingt es hierbei nicht, die Oxydation vollkommen zu vermeiden. Die Erwärmungsgeschwindigkeit ist in den Schutzatmosphären eine ebensolche wie in den Kammeröfen.

Als Schutzatmosphäre werden Gemische dissoziierten Ammoniaks mit Wasserstoff, Spaltungsprodukte von organischen Verbindungen (des Methylalkohols) u. dgl. verwendet. Zur Herstellung solcher Schutzatmosphären sind Spezialanlagen erforderlich, die eine Schutzatmosphäre bestimmter Zusammensetzung erzeugen.

Untersuchungen hinsichtlich der Ersetzung von geschmolzenen Salzen durch andere flüssige Wärmeträger werden seit langem angestellt Es ist vorgeschlagen worden, das Erwärmen von Metallteilen im geschmolzenen Ionenglas Sylvinit vorzunehmen. Bekannt sind drei Zusammensetzungen von glasartigen SpezialSystemen von Harold (USA). All dies hat jedoch keine gebührende Anwendung gefunden, weil hierbei nicht ganz den Anforderungen entsprochen wird, welche für einen flüssigen Wärmeträger notwendig sind, der es ermöglicht, das oxydationsfreie Erwärmen von Metallteilen durchzuführen, und der ihre Oberfläche vor Oxydation bei der Übertragung der Teile in das Härtemittel schützt.

Ein solcher Wärmeträger soll folgenden Anforderungen entsprechen: er soll gut die Metalloberfläche benetzen, eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, eine Viskosität im Bereich von 1 - 6 Poise besitzen, mit dem zu erwärmenden Metall nicht in Reaktion treten, eine niedrige Sauerstoff-Durchlässigkeit haben usw.

Im Jahre 1968 sind im E. O. Paton-Institut für Elektroschweißung der Ak.d.Wiss. der USSR als flüssige Wärmeträger synthetische Schlacken zum oxydationsfreien Erwärmen von Metallteilen (Werkstücken) für die Härtung entwickelt worden. Die entwickelten Schlacken (Boratgläser) werden in einem Intervall von 760-900⁰C und 900-1100⁰C verwendet und genügen in der Hauptsache den an flüssige Wärmeträger gestellten Anforderungen. Die genannten Schlacken entwickeln keine schädlichen Gase und keinen Rauch, das Eindringen von Wasser in dieselben führt zu keinen Auswürfen und Explosionen, das Wasser verdampft einfach. Die Oberfläche des zu erwärmenden Metalls bleibt sogar bei einem langwährenden Erwärmen unverändert sie wird nicht entkohlt und verarmt nicht an Legierungselementen. Die Anwendung eines solchen Wärmetragers gewährleistet eine gute Benetzbarkeit der Oberfläche — beim Herausziehen ist das Teil (Werkstück) mit einer dünnen Schlackenschicht bedeckt, welche die Oberfläche vor Oxydation durch Luftsauerstoff bei Übertragung des Teils in das Härtemittel zuverlässig schützt Beim Abkühlen unter die Oxydationstemperatur des Metalls löst sich die Schlackenschicht selbständig ab.

Die Erzielung einer blanken und reinen Oberfläche von Teilen (Werkstücken) beim Härten gestattet es, in vielen Fällen die Zugaben für die nachfolgende mechanische Bearbeitung (Läppen) beträchtlich zu vermindern bzw. darauf überhaupt zu verzichten oder die Arbeitsoperation des Kugel- oder Sandstrahlens auszuschalten.

Die vorgenannten Schlacken verändern während der Arbeit ihre chemische Zusammensetzung nicht, erfordern keine Desoxydationsmittel, bilden keinen Schlamm, so daß die Notwendigkeit der regelmäßigen Reinigung der Wanne entfallt und hierdurch der

Koeffizient ihrer Ausnutzung erhöht wird.

Jedoch wirken die geschmolzenen Schlacken akti

mit allen bekannten Arten der feuerfesten Auskleidur gen zusammen, d. h„ sie lösen diese auf. Deshalb sind di herkömmlichen Elektroden-Wannenöfen, die zur Schmelzen von Salzen verwendet werden, ungeeignet.

Für Schlacken dieser Art kann man Tiegelwannen n.

Gas- oder elektrischer Beheizung einsetzen. Auch ist di Verwendung von Elektroden-Wannenöfen mit eingc

ίο setztem Metalltiegel möglich. Jedoch lassen die de beiden Arten solcher Ausrüstung eigenen Nachteil keinen langen Betrieb derselben zu. Außerdem lösen d: geschmolzenen Schlacken aktiv Eisen- und Chron oxyde auf. Deshalb erfolgt in der vorgenannte Ausrüstung ein »Anfressen« der Tiegelwände an dt Trennungslinie Schlacke — Luft

Falls in den Elektroden-Wannenofen Elektroden de bekannten Konstruktion verwendet werden, wir ebenfalls deren Anfressen an der Trennungslini

ίο stattfinden. Deswegen wird die Betriebsdauer solche Tiegel und Elektroden insbesondere bei einer hohe Temperatur von 900-1000° C erheblich geringe Dieses Anfressen der metallischen Elemente dt Wannenofens (der Tiegel) läßt sich dadurch erklärei daß die Elemente selber sich auf die Temperatur de Schmelze erhitzen.

An der Trennungslinie Schlacke — Luft geht ein aktive Hochtemperatur-Oxydation der genannten EU mente vor sich. Die Schmelze selbst löst die gebildete Oxyde auf, die in die Schmelze übergehen. Auf dies Weise verläuft an der Trennungslinie Schlacke - Lu ein ununterbrochener Prozeß der Bildung von Oxyde und deren Auflösung. Infolgedessen nimmt an de Trennungslinie Schlacke — Luft die Dicke der metall sehen Elemente der Wannenofen ab. Darüber hinaus i: der Übergang von Eisen- und Chromoxyden in d^: Schmelze eine unerwünschte Erscheinung. Sie führt zi Sättigung der geschmolzenen Schlacke, was di Schlackenablösbarkeit beim Abkühlen verschlechtert.

Um die Oxydation von Metalltiegeln und Elektrode sowohl an der Trennungslinie als auch von außen her ζ vermeiden, soll deren Erhitzen nicht zugelassen werdei In der US-PS 23 49 678 ist ein elektrisch beheizn

Salzbadofen beschrieben, bei dem die Elektroden in d.

das Salzbad aufnehmende Gefäß hineinreichen, ur zwar zunächst senkrecht bis zum Boden des Gefäß· und dann rechtwinklig abgewinkelt entlang dem Bodf verlaufend, wobei diese letzteren Teile der Elektrode so angeordnet sind, daß große Ströme fließen und eii kräftige thermische Zirkulation hervorrufen. Die EIe' troden sind nicht gekühlt und der gesamte Ofen wei nur ein einwandiges Gefäß auf.

In der US-PS 1842 272 ist ein Verfahren und eii Vorrichtung für die Behandlung von Stahl beschriebe Bei dieser Vorrichtung ist in einem äußeren, dun Hochfrequenzspulen beheizten Gefäß ein wärmeübe tragendes pulverförmiges Material angeordnet inne halb dieses äußeren Gefäßes und des Wärmemateria ist ein inneres Gefäß eingesetzt, das mit dem indire!

beheizten Salzbad gefüllt ist Der obere Teil d Salzbades wird mit einem Bunsenbrenner beheb andererseits wird der obere Teil des äußeren Gefäß* mit einer Kühlschlange gekühlt Die direkte Beheizt» des Salzbades mittels stromdurchflossener Elektrode

6s ist bei dieser bekannten Vorrichtung nicht vorgesehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgab

zugrunde, einen Ofen zum oxydationsfreien Erwärme von Metallteilen im flüssigen Wärmeträger zu schaffe

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bei welchem die oben beschriebenen Nachteile nicht Schicht (Schutzschicht) erstarrten Wärmeträgers hervorhanden sind und die Ausführung seines Ofenkörpers ausbildet. In diesem Falle wird irgendeine Auskleidung einen Schutz der Wandung des Metalltiegels und der überflüssig und ein solcher Ofen wird eine sehr lange Elektroden vor Oxydation sowohl an der Trennungsli- Betriebsdauer haben.

nie Wärmeträger — Luft als auch von außen her 5 Die geschmolzenen Schlacken, die als flüssiger

vorsieht, wodurch eine lange Betriebsdauer des Ofens Wärmeträger benutzt werden, besitzen une Viskosität,

gewährleistet ist, und bei welchem die Konstruktion der die um mehrere Größenordnungen höher ist, als die

Elektroden ein aktives Vermischen des geschmolzenen geschmolzenen Salze, weshalb deren aktives Vermi-

Wärmeträgers zur Erreichung einer Erwärmungsge- sehen gewährleistet werden muß, um eine praktisch

schwindigkeit desselben sicherstellt, die gleich der 10 ebensolche Erwärmungsgeschwindigkeit wie bei den

Erwärmungsgeschwindigkeit der geschmolzenen Salze geschmolzenen Salzen zu erreichen. Die Anwendung

ist. der in den genannten Wannenofen bestehenden

Zur Lösung dieser Aufgabe ist der eingangs Elektrodenkonstruktionen gestattet es nicht, dieses

angegebene Wannenofen erfindungsgemäß gekenn- Problem voll zu lösen,

zeichnet durch folgende Merkmale: 15 Um ein intensives Vermischen des flüssigen Wärme-

a) Die Elektroden tauchen in das Innengefäß ein und trägers und eine gleichmäßige Verteilung der Temperasind an ihren oberen Teilen mit Kühlrohren tür über das ganze Ofenvolumen zu schaffen, muß man versehen, die Richtungen der konvektiven und der elektromagne-

b) das Innengefäß endet mit seinem oberen Rand tischen Flüsse vereinigen. Dies kann dadurch erzielt unterhalb des oberen Randes des Außengefäßes 20 werden, dfß der Bereich der Entwicklung der und wird oben — durch einen Spalt getrennt — von maximalen Wärmemenge sich am Boden befindet,
einem kühlbaren Bund ergänzt, Dies wird dadurch erreicht, daß die Elektroden

c) der Zwischenraum zwischen Außengefäß und abgebogene flache Abschnitte aufweisen, die parallel Innengefäß sowie das Innengefäß selbst sind mit zur Bodenfläche des Tiegels angeordnet sind. Hierbei derselben künstlichen Schlacke derart gefüllt, daß 25 kann der Abstand zwischen den Elektroden und den der obere Rand des Innengefäßes sich während der genannten Abschnitten in den Grenzen von 15—40 mm Arbeit des Ofens unter dem Niveau der künstlichen schwanken. Das hängt damn zusammen, daß ein ScHacke befindet. Abstand, der den angegebenen unterschreitet, zu einem

schnellen Verschleiß der Elektroden führt, während ein

Bevorzugte Ausführungsformen des Wannenofens 30 Abstand, welcher den angegebenen überschreitet, ein

nach der Erfindung sind den Unteransprüchen zu unzureichendes Vermischen, der Schmelze verursacht,

entnehmen. Es ist am zweckmäßigsten, daß im Ofenkörper

Durch die an ihrem unteren Ende abgebogenen mindestens eine Elektrodengruppe angeordnet ist, die

flachen Abschnitte der Elektroden, die parallel zur aus drei in einer Vertikalebene parallel zueinander

Bodenfläche des Tiegels gelegen'sind, wird zwischen 35 angeordneten Elektroden besteht, wobei der abgeboge-

diesen Abschnitten die größte Wärmemenge entwickelt ne Abschnitt der mittleren Elektrode U-förmig ausgebil-

und werden die Richtungen der konvektiven und der detist.

elektromagnetischen Flüsse des flüssigen Wärme- In den Öfen des vorgeschlagenen Typs können in

trägers vereinigt, wobei ein intensives Vermischen des Abhängigkeit von dem Ofeninhalt eine oder als

flüssigen Wärmeträgers und eine gleichmäßige Wärme- 40 Minimum mehrere Elektrodengruppen angeordnet

verteilung über dessen gesamtes Volumen sichergestellt werden. Eine Elektrodengruppe soll aus drei Elektroden

werden. bestehen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß ange-

Die flüssigen Wärmeträger zum oxydationsfreien strebt wird, das von den Elektroden eingenommene

Erwärmen von Metallteilen, beispielsweise solche vom Volumen zu verringern und den Nutzinhalt des Ofens

Typ der synthetischen Schlacken, wie sie bei der 45 hierdurch zu vergrößern. Dabei besitzt die mittlere

vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangen, Elektrode einen U-förmigen Abschnitt, wodurch es

wirken aktiv mit den zur Zeit vorhandenen Arten von möglich wird, die sich zwischen den Elektroden (oder

Feuerfeststoffen zusammen, indem sie diese auflösen. deren Abschnitten) entwickelnde Wärmemenge gleich-

Deswegen ist die Verwendung der bekannten Elektro- mäßig über das ganze Volumen der Schmelze zu

öfen, die weitgehend für geschmolzene Salze benutzt 5° verteilen.

werden, unmöglich. Nicht verwendbar sind auch Außerdem steigt die Schmelze, indem sie sich im

Tiegelwannen und Elektroöfen mit eingesetztem Tiegel, Zwischenelektrodenraum erwärmt vom Boden her

die gegenwärtig zu denselben Zwecken verwendet nach oben auf. Eine ebensolche Richtung haben die

werdea elektromagnetischen Kräfte, weshalb die Intensität des

Die Wände der Tiegelwannen für Salzschmelzen 55 Vermischens wesentlich zunimmt

erhitzen sich unter dem Spiegel der Schmelze auf die Die Stromdichte in solchen Elektroden übersteigt

Temperatur derselben und werden deshalb oxydiert nicht 20 A/cm². Die Wärmeträger zum oxydationsfreien Erwärmen Der Nachteil eines Ofens mit vollständig wasserge-

lösen aktiv Eisen- und Chromoxyde auf, weshalb der kühltem Körper liegt in einem großen Wasser- und

Einsatz von öfen genannten Typs für deren Schmelzung 60 Elektroenergieverbrauch (im Vergleich mit dem Elek-

ebenfalls unmöglich ist troenergieverbrauch in Wannenöfen für geschmolzene

Anders ist es, wenn der Ofenkörper aus Metall Salze).

ausgeführt und völlig gekühlt ist Die Wände eines Durch Ausnutzung der positiven Eigenschaften der

solchen Körpers werden sich Über die Temperatur des geschmolzenen Schlacken (oder dergleichen), die sich

Kühlmittels hinaus nicht erhitzen, und sie werden 65 darin zeigen, daß sie mit dem in die Schmelze gänzlich

folglich nicht oxydiert Außerdem kommen sie nicht eingetauchten Metall nicht in Reaktion treten and eine

direkt mit dem Wärmeträger selbst in Berührung, da Schutzschicht an den gekühlten Elementen bilden, kann-

zwischen diesem und den Wänden des Körpers sich eine man den Wasser- und den Elektroenergieverbrauch auf

ίο

einen ebensolchen Wert herabsetzen wie bei den Elektroden-Wannenofen des bestehenden Typs.

Dies wird durch die erfindungsgemäße Ofenkonstruktion erreicht. Dieser Ofen besitzt einen inneren Tiegel, dessen obere Kante unterhalb des Niveaus des flüssigen Wärmeträgers (der geschmolzenen Schlacke) liegt.

Um den Tiegel herum ist ein Metallkörper vorhanden. Zwischen dem inneren Tiegel und dem Körper des Wannenofens wird ein Zwischenraum belassen. Dieser i dlb Wärmeträger

Schließlich ist es höchst praktisch und technologiegerecht, alle Elemente des Ofens, welche längs der Trennungslinie Wärmeträger-Luft liegen, gekühlt auszuführen. . .

5 Metallische Elemente des Ofens, die einen in den geschmolzenen Wärmeträger teilweise eingetauchten Teil aufweisen, werden in der Tauchzone nicht oxydiert, während der Teil dieser Elemente, der sich über der Schmelze befindet, auf die Temperatur derselben 7wi_Srhenraum wird mit demselben Wärmeträger .ο erwärmt und oxydiert wird.

^S^Te^WtaS^^gel und Ofen- die Schmelze übergehen, und deswegen wird eine kömer begliche flüssige Wärmeträger (die Schlacke) , 5 Zerstörung dieser Element«, in der Trennungszone wird auf Tt Temperatur der Wanne dicht an der flüssiger Wärmeträger-Luft vor sich gehen, ΐ ellwand erwäZt Je nach der Entfernung von der Um dem vorzubeugen ist es notwendig, denjenigen

iiegeSd zum Ofenkörper ändert der Wärmeträger Teil der Elektroden und des Bezugs des Thermo 2hSff S Wärmeleitvermögen. Dicht an der Wand elementpaars, der sich über dem Niveau der Schmelze des mitte s ™ Rohrschlange gekühlten Körpers 20 befindet, gekühlt auszuführen. Dann wird es zu keine

aes iiHuci» c . _.__ Erwärmung dieser Elemente kommen, und diese

werden folglich nicht oxydiert. Außerdem bildet sich um das gekühlte Element eine Schutzschicht aus, die es vor Berührung mit der Schmelze isoliert. Für öfen, die über eingesetzten Tiegel und gekühlten Körper verfügen, ist es notwendig, einen Bund herzustellen, der am ganzen Umfang der Schmelze gekühlt wird. Der genannte Bund wird es gestatten, das Niveau der Schmelze über den eingesetzten Tiegel zu heben, wobei er über dem Tiegel so angeordnet werden soll, daß zwischen seiner unteren Kante und der oberen Kante des Tiegels ein Spalt vorhanden ist. Dieser Spalt ist deshalb erforderlich, weil sich der Tiegel während der Erwärmung des Wärmeträgers auf dieselbe Temperatur erhitzt und sich hierbei ausdehnt. Darum soll die Größe des Spalts die Ausdehnungsgröße des Tiegels höchstens um 2-10 mm überschreiten. Wenn die Spaltgröße die genannten Abmessungen übertrifft, wird die Schmelze

Der Wasser- una pemroencB·«^— —■· ^{aus dem Tie}g^{el in den Raum} zwischen den ^Wänd^

erfindungsgemäßen Ofen nimmt zwar bei Verwendung 40 übergehen und die Kühlung des Körpers in dessen

eines Tiegels, der in den Körper des Ofens eingesetzt ist Oberteil verschlechtern.

und einen Zwischenraum mit dessen Wänden und

Boden bildet, ab, ist jedoch im Vergleich mit den Ofen

für Salzschmelzen groß. Um den Wasser- und den

Elektroenergieverbrauch des erfindungsgemäßen Ofens

auf dieselben Werte zu bringen, wie sie die zur Zeit

vorhandenen öfen für Salzschmelzen haben, sowie zur

Vereinfachung der Konstruktion des Körpers ist es

notwendig, die Kühlung des Ofenkörpers vermittels ...... .

einer Rohrschlange zustandezubringen, die sich auf der 50 Axonometrie, teilweiser Schnitt, Außenfläche des Körpers befindet F i g. 2 Gesamtansicht des Ofens gemäß der ErUn-

Am wirtschaftlichsten und technologiegerechtesten dung, der mit Elektroden m Gestalt von Klanen wird zur Kühlung der Elemente des erfindungsgemäßen ausgerüstet ist in Axonometrie, teilweiser Schnitt OfensWasserbenutzt F'g·3 Gesamtansicht des Ofens, zusammengebaui

Beim Bau der vorgeschlagenen öfen, die eine Breite 55 mit der oberen Platte und dem Untergestell. Seitenan und eine Tiefe von höchstens 250 mm haben, und zur sieht teilweise aufgebrochen,

maximalen Ausnutzung des Ofeninhalts werden zweck- F i g. 4 schematische Darstellung eines Verteilers, ae

mäßigerweise Elektroden in Gestalt von Platten den Wasserverbrauch im Ofen regelt verwendet die parallel zueinander und zu einer der Der Ofen zum oxydationsfreien Erwärmen voi

Seitenwände des Körpers angeordnet sind, wobei eine 60 Metallteilen im flüssigen Wärmeträger besteht au dem Ofenraum zugekehrte Platte Durchgangsbohrun- einem gekühlten metallischen Körper 1 (F 1 g. 1). der au «Ten zur Zirkulation des flüssigen Wärmeträgers niedriggekohltem Stahl hergestellt ist aufweist um dessen Vermischung herbeizuführen. Im Körper 1 des Ofens wird eine Elektrodengrupp

Die geschmolzene Schlacke, die sich im Zwischen- befestigt die aus drei Elektroden 2 besteht m olfktrodenraum erwärmt wird durch die Bohrungen 65 Elektroden 2 sind in Richtung ihrer Hauptlänge zui «Ürfidn und erzeugt ein Vermischen der Schmelze. Boden hin befestigt u:.d jede der Elektroden weist eine

Eine solche Bauart der Elektroden erzeugt ein abgebogenen flachen Abschnitt 3 auf. der parallel zui besseres Vermischen als bei zylindrischer. Körperboden angeordnet ist wobei der zum Bode

g g p

befindet sich der flüssige Wärmeträger im nicht geschmolzenen Zustand. Auf diese Weise schützt der zwischen den Wänden befindliche flüssige Wärmeträger nicht nur die Tiegelwände vor Oxydation, sondern dient auch als Wärmeisolierung, d. h., er erfüllt die Funktion des Futters. Außerhalb des Körpers eines solchen Ofens ist ein Ofengehäuse vorhanden. Im Unterschied zu den verwendeten öfen, bei welchen die Gehäusetemperatur 70-100⁰C beträgt, übersteigt die Temperatur des Gehäuses eines solchen Ofens nicht 30 - 35°C.

Der Elektroenergieverbrauch ist in diesem Ofen praktisch derselbe wie bei den vorhandenen Elektrodenöfen, und der Wasserverbrauch bcfägt 3 mVh bei einer Temperatur von 1100⁰C und einem Volumen der geschmolzenen Schlacke von 901.

Es ist vorteilhaft, wenn die Kühlung des Körpers mit Hilfe einer Rohrschlange, die den Körper von außen her umgibt, zustandekommt.

Der Wasser- und Elektroenergieverbrauch in dem

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Des weiteren wurde festgestellt, daß als Wärmeträger zweckmäßig Glas, beispielsweise Borat-Natrium-Glas verwendet wird.

Im folgenden wird die Erfindung durch eingehende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und Zeichnungen erläutert; in den Zeichnungen zeigt

F i g. 1 Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Ofens zum oxydationsfreien Erwärmen von Metallteilen, in

parallele Abschnitt 4 der mittleren Elektrode 2 U-förmig ausgebildet ist. In das Ofengehäuse 1 ist ein geschweißter Metalltiegel 5 eingesetzt, der aus niedriggekohltem oder hitzebeständigem Stahl gefertigt ist und in dessen Innerem der Ofenraum eingeschlossen ist. Zwischen dem Ofenkörper 1 und dem Tiegel 5 ist ein Zwischenraum 6 vorhanden, welcher mit dem Wärmeträger ausgefüllt wird, der während des Arbeitsablaufs schmilzt und die Außenfläche des Tiegels vor Oxydation schützt. Die obere Kante 7 des Tiegels 5 befindet sich während der Arbeit im geschmolzenen Wärmeträger, weil der Tiegel vollständig in diesen eingetaucht ist. Ein solcher geschweißter Tiegel 5 wird bei einer teilweisen Kühlung des Ofenkörpers 1 verwendet. Bei der teilweisen Kühlung des Ofenkörpers 1 wird dessen Außenfläche mittels einer Rohrschlange gekühlt. Die Kühlung des Ofenkörpers wie auch anderer gekühlter Elemente wird am rationellsten mit Wasser vorgenommen.

Beim Bau von öfen mit einer Ofenraumbreite bis zu 250 mm und mit einer ebensolchen Tiefe kann man Plattenelektroden 9 (Fig.2) verwenden. Diese Elektroden 9 werden aus Platten hergestellt und parallel zueinander und zu einer der Wände des Körpers 1 angeordnet. Hierbei weist die Elektrode 9, die dem Ofenraum zugewandt ist, Bohrungen 10 auf, die eine Zirkulation des Wärmeträgers erzeugen. Als flüssiger Wärmeträger kommt ein Borat-Natrium-Wärmeträger zur Verwendung, der im E. O. Paton-Institut für Elektroschweißung der Ak. d. Wiss. der USSR entwikkelt wurde.

Damit keine Erwärmung un;'. Oxydation der an der Trennungslinie geschmolzener Wärmeträger - Luft befindlichen Elemente des Ofens stattfindet, sind sie gekühlt ausgeführt. Dies kommt mittels eines gekühlten Bundes 11 zustande, der sich über der oberen Kante 7 des Tiegels befindet Der Bund 11 schützt auch die Wände des Ofenkörpers 1 vor geschmolzenem Wärmeträger und vor dessen Gelangen in den Zwischenraum 6 zwischen dem Körper 1 und dem Tiegel 5. An die Elektroden 9 sind in deren oberem Teil Rohre 12 runden oder kastenförmigen Querschnitts zur Kühlung der Elektroden 9 herangeführt.

Der gekühlte Bund wird an einer oberen Platte 13 befestigt, die auf den Ofenkörper 1 aufgesetzt ist. Der eigentliche Ofenkörper bei dessen teilweiser Kühlung besteht aus einzelnen Wänden und Boden, die untereinander und mit dem Boden vermittels Schraubenbolzen 14 (F i g. 3) verbunden sind. Zur Bildung des Zwischenraums 6 zwischen den Böden von Tiegel 5 und Körper 1 sind Untersätze 15 vorhanden. Der zusammengebaute Ofenkörper 1 wird auf einem Untergestell 16 aufgesetzt, das an zwei Seiten durch Schilde 17 abgedeckt ist, welche Verzierungsjalousie 18 aufweisen. Der ganze Ofenkörper 1 ist von einem metallischen Gehäuse 19 umschlossen. Die Elektroden 9 des Ofens haben Klemmenleisten 20, an die (nicht dargestellte) Stromzuführungen von einer (in der Fig. nicht abgebildeten) Speisungsquelle angeschlossen werden.

Um die Elektroden 9 vor Kurzschluß durch herabgefallene Werkstücke zu schützen, ist über ihnen ein metallisches Schutzgitter 21 angebracht, das auf Stützen 22 befestigt ist, welche sich gegen den Boden 23 des Tiegels 5 abstützen. Um die Außenstehenden vor Wärmestrahlung des Spiegels der Schmelze zu bewahren, ist ein Deckel 24 vorgesehen, der mit Hilfe von Auflager) 25 und eines Schraubenbolzens 26 an der oberen Platte 13 befestigt wird. Eine Achse 27 und ein Kragstück 28, die mittels Schrauben 29 an dem Deckel 24 befestigt sind, gestatten es dem letzteren, eine horizontale oder vertikale Lage einzunehmen. Für die Kühlung des Deckels 24 sorgt ein flexibler Gummischlauch 30, der an einen Stutzen 31 angeschlossen ist. Zum Ausgleich des Ofendeckels 24 sind Gegengewichte 32 vorhanden, die symmetrisch an dessen Rändern angeordnet sind. Die anfängliche Schmelzung des Wärmeträgers erfolgt durch eine Spirale 33, die aus

ίο einer hitzefesten Widerstandslegierung gefertigt und an zwei Stromzuführungen 34 angeschweißt ist, welche mittels Schraubenbolzen 35 an die Klemmenleisten 20 der äußeren Elektroden 9 befestigt werden. Zur Fixierung dieser Stromzuführjngen 34 in einer genau bestimmten Lage ist eine spezielle Leiste 36 vorgesehen, an die zwei metallische Handgriffe 37 befestigt sind, die zum bequemen Anbringen und Herausnehmen der Spirale 33 dienen. Auf der Oberfläche der oberen Platte 13 ist eine Leiste befestigt, die eine Platte und die erwärmten Teile (Werkstücke) vom Ofenkörper 1 isoliert. Zum Ablauf des flüssigen Wärmeträgers aus dem Tiegel 2 des Ofens ist ein Stichloch 38 vorgesehen, das mit Hilfe eines Stopfens 39 und eines Hebelsysiems 40 dessen Ausfließen während des Arbeitsablaufs verhindert. Man gießt den flüssigen Wärmeträger in eine gekühlte Kokille 41 ab, die sich unier dem Ofenboden befindet und leicht von dort herausgerollt wird. Hinter dem Ofenkörper 1 wird an einem speziellen Ständer 42 (F i g. 4) ein Verteiler 43 befestigt, der es gestattet, Wasser auf alle gekühlten Elemente des Ofens zu verteilen und mit Hilfe von Ventilen 44, 45 über Stutzen 46 die Menge des Durchflusses desselben in eine Abflußrinne 47 zu regeln, die mit Hilfe eines Rohrstutzens 48 an ein Abflußrohr angeschlossen ist.

Zur Kontrolle der Kühlwassertemperatur sind am Ausgang Thermorelais 49 angebracht, welche eine Temperaturerhöhung über den vorgegebenen Wert signalisieren. Beim Anschließen des Verteilers 43 an das Wasserleitungsnetz wird ein Durchflußrelais angebracht, das die Abschaltung der Speisungsquelle bewerkstelligt, venn der Druck in der Wasserleitung unterhalb des erforderlichen liegt.

Montage des Ofens und dessen Vorbereitung zur Arbeit

1. Der Ofen wird an einem gewählten Ort aufgestellt. Die Elektroden 2 und 9 werden abgenommen, die Schraubenbolzen 14, die die obere Platte 13 und den Deckel 24 am Ofenkörper festhalten werden herausgedreht und abgenommen. In den Zwischen- raum 6 zwischen Körper 1 und Tiegel 5 des Ofens wird ein feinzerkleinerter Wärmeträger eingeschüttet und verdichtet.

2. Der Verteiler 43 wird hinter dem Ofenkörper 1 aufgestellt Er wird an das Wasserleitungsnetz und eine Abflußleitung angeschlossen. Mit Hilfe von Gummischläuchen werden mit ihm die gekühlten Elemente des Ofens verbunden.

3. Die Platte 13, die Elektroden 2,9 und der Deckel 24 werden wieder an ihrer Stelle angeordnet und ihnen die Wasserkühlung zugeführt Die Speisungsquelle wird an die Klemmenleisten 20 der Elektroden 9 angeschlossen. Das Anschließen wird ».m zweckmäßigsten mit Hilfe von wassergekühlten Kabeln vorgenommen, was es gestattet, die Speisungsquelle von dem Ofen selbst zu entfernen. Außerdem ist diese Anschlußart im Vergleich zu Schienen zuverlässiger im Betrieb.

4. Das Schutzgitter 21 wird wieder eingebaut. Die

Hflfsspirale 33 wird in den Tiegel 5 des Ofens eingesetzt und an die Klemmenleisten 20 der äußeren Elektroden 9 angeschlossen. Das Stichloch wird mit dem Stopfen 39 verschlossen und mittels des Hebelsystems 40 fixiert Nach all diesen Arbeitsoperationen ist der Ofen betriebsbereit
5. Ist der Ofenkörper 1 vollkommen wassergekühlt so entfallen die Arbeitsoperationen gemäß den Punkten 1 und 3.

IO

Anfahren des Ofens und Ofenbetrieb

1. Vor dem Anfahren des Ofens ist zu prüfen, ob die Elektroden 2, 9 richtig angeordnet sind. Sie sollen derart angebracht sein, daß der Abstand zwischen ihren zum Boden 23 parallelen Abschnitten 3, 4 in den Grenzen von 15 — 50 mm (in Abhängigkeit von der Kennlinie der Speisungsquelle) liegt

2. Es wird die Tätigkeit des Durchflußrelais geprüft — bei dem eingeschalteten Wasserleitungsnetz soll sich die Speisungsquelle nicht einschalten. Auch wird der erforderliche Wasserverbrauch in allen gekühlten Elementen geregelt

3. Der Wärmeträger wird in den Tiegel 5 so eingeschüttet, daß er die Spirale 33 vollkommen bedeckt. Die Speisungsquelle wird eingeschaltet. Je nach dem Erhitzen der Spirale 33 schmilzt der Wärmeträger auf und fließt zum Boden 23 des Tiegels 5 herab, wobei er dort ein kleines Volumen bildet. Mit dem fortschreitenden Schmelzen des Wärmeträgers nimmt dieses Volumen ständig zu, jo wobei es die dem Boden parallelen Abschnitte 3,4 der Elektroden 2, 9 durchwärmt und diese miteinander kurzschließt, wobei ein elektrischer Lichtbogen entsteht. Das Niveau des geschmolzenen Wärmeträgers wird bis auf die obere Fläche des Gitters 21 gebracht Hierbei ist darauf zu achten, daß die Spirale 33 stets mit Wärmeträger bedeckt ist Daraufhin wird die Hilfsspirale 33 aus dem Tiegel 5 entfernt, wozu man für die Zeit des Herausziehens die Speisungsquelle abschaltet Nach dieser Arbeitsoperation wird diese wieder eingeschaltet und der Wärmeträger hinzugesetzt. Das Niveau des flüssigen Wärmeträgers kann bis an die obere Platte 13 und mindestens an die untere Kante des wassergekühlten Bundes 11 gebracht werden. Je nach Durchwärmen der Wände des Tiegels 5 des Ofens schmilzt der Wärmeträger, der sich im Zwischenraum 6 zwischen diesen Wänden und dem Körper 1 befindet auf und schützt sie vor Oxydation. An den Wänden des Körpers 1 befindet sich der Wärmeträger im flüssigen Zustand, d. h. die Temperatur des Wärmeträgers im Zwischenraum 6 besitzt ein größeres Gefälle. Dies setzt beträchtlich dessen Wärmeleitfähigkeit herab und er erfüllt somit die Funktion einer Wärmeisolierung.

4. Nach Erreichen eines erforderlichen Niveaus des geschmolzenen Wärmeträgers und der geforderten Temperatur ist der Ofen betriebsbereit. Die Messung uer Temperatur des geschmolzenen Wärmeträgers wird mittels eines Chromel-Alumel-Thermopaars und ihre Regelung mittels herkömmlicher Geräte zur wärmetechnischen Überwachung vorgenommen.

5. Zum Abgießen des Wärmeträgers in die Kokille 41 wird die letztere unter dem Ofen hervorgeschoben. Dann wird der Stopfen 39 des Stichlochs 38 geöffnet Wenn der Wärmeträger aus dem Stichloch 38 nicht herausfließt so muß die sich in diesem gebildete Krustenschicht zerstört werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Wannenofen zum oxydationsfreien Behandeln von Werkstücken bei hohen Temperaturen (z. B. 760 bis 1100⁰C) in flüssiger künstlicher Schlacke, insbesondere Boratgläser, der durch eingetauchte Elektroden mittels Strom beheizt wird und ein Außengefäß und ein darin eingesetztes Innengefäß enthält, die beide aus Stahl bestehen und einen mit flüssigem Wärmeträger gefüllten Zwischenraum bilden, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Elektroden (2,9) tauchen in das Innengefäß (5) ein und sind an ihren oberen Teilen mit Kühlrohren (12) versehen,

b) das Innengefäß (5) endet mit seinem oberen Rand (7) unterhalb des oberen Randes des Außengefäßes (1) und wird oben — durch einen Spalt getrennt — von einem kühlbaren Bund (11) ergänzt,

c) der Zwischenraum (6) zwischen Außengefäß (1) und Innengefäß (5) sowie das. Innengefäß (5) selbst sind mit derselben künstlichen Schlacke derart gefüllt, daß der obere Rand (7) des Innengefäßes (5) sich während der Arbeit des Ofens unter dem Niveau der künstlichen Schlacke befindet.

2. Wannenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden (2) sich mit ihrer Hauptlänge in Richtung zum Boden des Innengefäßes (5) erstrecken und jeweils am unteren Ende einen abgebogenen flachen Abschnitt (3) aufweisen, der parallel zur Bodenfläche des Innengefäßes (5) verläuft.

3. Wannenofen nach A.nspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß er mindestens eine Elektrodengruppe enthält, die aus drei in einer Vertikalebene parallel zueinander angeordneten Elektroden (2) fcesteht, wobei der abgebogene Abschnitt (4) der Elektrode (2), die sich zwischen zwei anderen Elektroden befindet, U-förmig ausgebildet ist.

4. Wannenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als Platten (9) iusgebildet sind, die im Innengefäß (5) parallel tueinander und zu einer der Seitenwände desselben Init einer Versetzung in bezug auf diese Seitenwand tür Bildung eines Ofenraums und mit Zwischenräumen zwischen den Platten und der Seitenwand tngeordnet sind, wobei die dem Ofenraum züge-Wandte Platte (9) Durchgangsbohrungen (10) zur Zirkulation des flüssigen Wärmeträgers aufweist.

5. Wannenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Rohrschlange (B) zum Durchfließen eines Kühlmittels enthält, tvelche das Außengefäß (1) an dessen Außenflächen Umgibt.