DE3028773C2

DE3028773C2 - Autoklavenofen mit mechanischer Zirkulation

Info

Publication number: DE3028773C2
Application number: DE3028773A
Authority: DE
Inventors: Charles Woolfolk Fairview Pa. Smith jun.; Franz Xaver Erie Pa. Zimmermann
Original assignee: Autoclave Engineers Inc
Current assignee: Autoclave Engineers Inc
Priority date: 1979-08-29
Filing date: 1980-07-29
Publication date: 1985-12-05
Also published as: GB2060147A; DE3028773A1; FR2464445B1; JPS5634087A; GB2060147B; US4235592A; FR2464445A1; JPS5914712B2

Description

Strömungsleitkörpers hochströmt und außerhalb des Strömungsleitkörpers zwischen diesem und der Druckbehälterwand herabströmt Daher erfolgt während der Abkühlungsphase die Zirkulationsströmung nicht nur durch den Ofen und am Werkstück vorbei, wo Wärme aufgenommen wird, sondern auch über die innenumfangsfläche der Druckbehälterwand, an die ohne die Gefahr einer übermäßigen Erwärmung Wärme abgegeben wird, die nach außen abströmt Es ist daher ersichtlich, daß durch die erfindungsgemäße Ausbildung ohne wesentlichen Mehraufwand eine wesentlich schnellere Abkühlung erreicht wird, die zu einer erhöhten Nutzung des Autoklavenofens beiträgt

Von besonderer Bedeutung ist es auch, daß die Zirkulationsströmung über die Innenumfangsfläche des Druckbehälters erreicht werden kann, ohne daß dieser mit einem größeren Durchmesser ausgeführt werden muß, was eine größere Wandstärke zur Erzielung gleieher Druckfestigkeit erforderlich machen würde. Schmale ringförmige Strömungskanäle innerhalb und außerhalb des Strömungsleitkörpers sind ausreichend und tragen auch zu einer verstärkten Wärmeabgabe an die Druckbehälterwand bei. Deren für Heiz- bzw. Behandlungsphase vorgesehene Wärmeisolierung kann durch ein Isoliermaterial mit gegebenenfalls im Vergleich zur bekannten Ausbildung etwas herabgesetzter Wanddicke erfolgen, das an der Haube anliegt oder in diese integriert ist

Zweckmäßige Ausgestaltungen, welche die Führung der Zirkulationsluft sowie die Ausgestaltung und Betätigung der Umlenkvorrichtung betreffen, ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

F i g. 1 einen Vertikalschnitt durch den Autoklavenofen,

F i g. 2 den Schnitt 11-11 in F i g. 1,

F i g. 3 in einer F i g. 1 entsprechenden vereinfachten Darstellung die Zirkulationsströmung während der Heiz- bzw. Behandlungsphase und

F i g. 4 in einer F i g. 3 entsprechenden Darstellung die Zirkulationsströmung während der Abkühlungsphase.

Gemäß Fig. 1 umschließt ein von einer Basis 1 und einem Mantel 2 gebildetes Druckgefäß einen Ofen mit einer Haube 4, einem Schirm 9 und Heizelementen, die von Heizstäben S gebildet sind. Ein Werkstück 7 wird von einem Herd 6 und einem Untersatz 5 abgestützt. Zwischen der Haube 4 des Ofens und der Innenfläche der Wand des Druckgefäßes ist ein zylindrischer Leitkörper 3 angeordnet.

Gemäß F i g. 1 hat der Mantel 2 des Autoklaven die Gestalt eines umgedrehten Bechers. Der Mantel 2 weist an seiner Basis einen Flansch auf, der mit öffnungen für Befestigungsmittel versehen ist, mit denen sich der Mantel 2 an der Basis 1 befestigen läßt Ein Dichtring 21 dichtet druckdicht ab. In die Basis 1 oder den Mantel 2 sind nicht dargestellte öffnungen eingearbeitet, die an Einrichtungen zum Unterdrucksetzen des Gefäßinnenraumes mit beispielsweise einer inerten Atmosphäre angeschlossen sind. Drücke bis zu etwa 2100 kp/cm² sind üblich. Die Dicke des Mantels 2 ist von den zu haltenden Drücken und vom Durchmesser des Mantels 2 abhängig. In den meisten Fällen ist der Mantel 2 aus Stahl von hoher Festigkeit hergestellt.

Der an der Basis 1 abgestutzte Untersatz 5 trägt an seiner Oberseite den Herd 6 aus Graphit, Molybdän oder Wolfram. Der Herd 6 muß kräftig genug sein, um' das Werkstück 7 bei Betriebstemperaturen abstützten zu können. Der Herd 6 ist von größerem Durchmesser als der Untersatz 5. Dadurch ist es möglich, daß die Basis des Werkstückes 7 größer ist als der obere Teil des Untei satzes 5.

Vorzugsweise ist von einem hohlen Fuß 22 eine Ofensohle 23 in etwas Abstand über der Basii 1 abgestützt Der Fuß 22 und die Ofensohle 23 können aus Kohlen-ίο stoffstaM hergestellt sein. Auf die Ofensohle 23 ist eine gegen Wärme und elektrisch isolierende Unterlage 24 aufgesetzt, die ein Gußformstück aus einem hitzefesten isolierenden Material oder mit hohem Aluminiumoxidanteil sein kann. An der Oberseite der Unterlage 24 ist ein Gebläseradkammerblock 25 angeordnet. Der Herd 6 ist auf ein Verlängerungsstück 26 des Untersatzes 5 aufgesetzt Im Gebläseradkammerblock 25 ist ein Anker 27 befestigt, der zur fluchtenden Ausrichtung in das Verlängerungsstück 26 aus Graphit des Untersatzes 5 eingreift

Der Untersatz 5 ist von einem im Abstand von ihm angeordneten zylindrischen elektrischen Widerstandsheizelement aus Kohlenstoff. Graphit SiC oder einem warmfesten Metall, z. B. Molybdän, umgeben. Das Heizelement kann von einem zylindrischen Käfig aus Stäben 8 gebildet sein, wobei einander benachbarte Stäbe 8 oben durch Kappen 8a paarweise miteinander verbunden sind, wobei die Kappen Sa das zugehörige Stäbepaar überspannen. Um den Untersatz 5 sind ein elektrisch leitender Ring 8b mit Außenzähnen und ein elektrisch leitender Ring 8c mit Innenzähnen angeordnet, die Basen zum Abstützen der zylindrischen Stäbe 8 bilden und die Stäbepaare mit elektrischem Strom versorgen.

Die Basis 1 des Druckgefäßes wird von elektrischen Verbindern 35 und 36 durchdrungen, die den Heizelementen elektrischen Strom von entsprechender Spannung zuführen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform weisen die Ofensohle 23, die isolierende Unterlage 24 und der Gebläseradkammerblock 25 öffnungen auf, damit an die Ringe 8b und 8c angeschraubte Stangen 29 aus Graphit, Kohlenstoff, Molybdän oder Wolfram in den Raum unter der Ofensohle 23 eindringen können, wo sie mit Kupplungen 30 mit einer Anschlußklemme 31 verbunden sind, die an eine durch die Basis 1 hindurchgeführte elektrische Leitung angeschlossen ist.

Der um den Außenumfang des Heizelementes angeordnete hitzefeste Schirm 9 hat als Hauptaufgabe, direkte Strahlung vom Heizelement nach außen zur Haube 4 zu verhindern.

Der Schirm 9 kann aus hochwarmfestem Isoliermaterial bestehen, beispielsweise aus Leichtisolierblöcken zusammengesetzt oder aus hochwarmfestem Material gegossen sein. Er kann auch ein mehrschaliger Strahlungsschinn sein. Der Schirm 9 ruht auf der Unterlage 24. Der Schirm 9 muß oben entlüftet werden. Im oberen Teil des Schirms 9 sind Löcher 45 vorzugsweise im Abstand zum Zentrum ausgebildet.

Die Haube 4 weist in der Nähe ihrer Basis zwei Reihen von öffnungen auf. Jede Reihe hat mehrere mit Umfangsabstand rings um die Haube 4 angeordnete öffnungen. Die Öffnungsmittelpunkte in einer Reihe sind zumindest annähernd in einer zur Basis 1 des Druckgefäßes parallelen Ebene angeordnet. Die beiden öffnungsreihen sind mit axialem oder vertikalem Zwischenabstand angeordnet. Die untere Reihe besteht aus Rückströmöffnungen 62, die radial außerhalb von nach-

stehend näher beschriebenen Einlaßkanälen 47 angeordnet sind. Die höhergelegene Reihe setzt sich aus Ausströmöffnungen 64 zusammen, die mit Abstand über der Reihe der Rückströmöffnungen 62 und unmittelbar über der isolierenden Unterlage 24 angeordnet sind.

In der Unterlage 24 sind eine axiale öffnung 48 und die davon radial ausgehenden Einlaßkanäle 47 ausgebildet. Die Einlaßkanäle 47 sind so angeordnet, daß sie mit den Rückströmöffnungen 62 in der Haube 4 fluchten. Im Gebläseradkammerblock 25 ist eine Gebläseradkammer ausgebildet, von der mehrere radiale Auslässe 49 wegführen. In der Gebläseradkammer ist ein Gebläserad 50 angeordnet und an einer nach unten sich erstrekkenden Welle 52 befestigt, welche die Unterlage 24, die Ofensohle 23, den Fuß 22 und die Basis ! des Druckgefäßes durchdringt.

Die Welle 52 dringt in eine abgedichtete magnetische Antriebseinheit des beispielsweise aus den US-PS 29 96 363 und 41 06 825 bekannten Typs ein. Bei einer alternativen Ausführungsform wird die Welle 52 von einem zwischen der Basis 1 und der Ofensohle 23 angeordneten elektrischen Motor angetrieben. In diesem Falle muß der Raum unter der Ofensohle 23 sorgfältig auf einer für den elektrischen Motor zulässigen Betriebstemperatur gehalten werden. Außerdem wird durch den elektrischen Motor eine Vergrößerung des Raumes zwischen der Ofensohle 23 und der Basis 1 des Druckgefäßes erforderlich.

Jede für den Drehantrieb der Welle 52 gewählte Vorrichtung sollte drehzahlregelbar sein, um die exakte Anpassung der Zirkulation im Druckgefäß an den darin ablaufenden speziellen Prozeß zu ermöglichen.

An der Stelle, an der die Welle 52 die Ofensohle 23 durchdringt, kann eine axial ausgerichtete Büchse vorgesehen sein, in der die Welle 52 drehbar gelagert ist. Dies ist von Vorteil, wenn sich aufgrund der Länge der Welle 52 bei Fehlen einer Lagerung in der Ofensohle 23 zu große Schwingungen ergeben würden. Das Gebläserad 50 kann als herkömmlicher »Käfigläufer« oder beliebig anders ausgebildet sein. Da das Gebläserad 50 hohen Temperaturen ausgesetzt ist, muß es wie die Welle 52 aus einem solche Temperaturen standhaltenden Werkstoff hergestellt sein.

Der vorstehend beschriebene Aufbau ist im wesentlichen dem aus der US-PS 41 51 400 bekannten Aufbau ähnlich, mit Ausnahme der Haube 4 und der in ihr ausgebildeten Reihen von Einlaß- bzw. Rückströmöffnungen 62 und Ausströmöffnungen 64. Der zwischen der Innenfläche der Druckgefäßwand und der Haube 4 angeordnete rohrförmige Leitkörper 3 weist mehrere öffnungen 70 auf, die mit Umfangsabstand radial außerhalb der Einlaßkanäle 47 und der Rückströmöffnungen 62 in der Haube 4 angeordnet sind.

Im Leitkörper 3 ist ein Umlenkring 72 verschiebbar, der von einem in sehr kleinem Abstand von ihm angeordneten dünnwandigen Rohr aus hochwarm festem Metall, beispielsweise rostfreiem Stahl o. dgl., gebildet ist Der Umlenkring 72 hat an seinem oberen Rand einen radial nach innen gerichteten Flansch 73, dessen Breite ausreicht, um den kreisringförmigen Raum zwischen dem Leitkörper 3 und der Haube 4 mit für leichtgängige Bewegung des. Umlenkringes 72 genügendem Spiel auszufüllen. Im Umlenkring 72 sind nahe dem radialen Flansch 73 mehrere Öffnungen 74 so angeordnet, daß sie durch Auf- und Abwärtsverstellen des Umlenkringes 72 mit den Öffnungen 70 im Leitkörper 3 fluchten.

Der Leitkörper 3 kann wie der Umlenkring 72 von einem dünnwandigen Rohr aus hochwarmfestem Metall gebildet sein, da seine einzige Aufgabe darin besteht, den Strom der zirkulierenden Atmosphäre zu lenken.

An der Basis 1 sind mehrere elektromagnetisch betätigte Hebevorrichtungen 76 angeordnet, die den Umlenkring 72 einen kleinen Betrag von beispielsweise etwa 10 bis 15 cm nach oben und nach unten zu verstellen vermögen, wenn sie, je nach Fall, elektrisch abgeschaltet oder betätigt werden.

In der in F i g. 1 und 3 gezeichneten obersten Stellung des Umlenkringes 72 wird die Ofenatmosphäre zwischen dem Schirm 9 und der Haube 4 nach unten und durch die Ausströmöffnungen 64 in der Haube 4 nach außen angesaugt und dann vom Umlenkring 72 durch

!5 die Einströmöffnungen 62 in der Haube 4 zu den Einlaßkanälen 47 gelenkt. Dabei nehmen die öffnungen 70 im Leitkörper 3 und die öffnungen 74 im Umlenkring 72 keine Deckungsstellung ein.
In der in F i g. 4 dargestellten untersten Stellung des Umlenkringes 72 wird die Ofenatmosphäre zwischen dem Schirm 9 und der Haube 4 nach unten und durch die Ausströmöffnungen 64 in der Haube 4 nach außen angesaugt. Sodann wird die Atmosphäre durch den radialen Flansch 73 nach oben zwischen die Haube 4 und den Leitkörper 3 gelenkt und danach zwischen dem Leitkörper 3 und der Innenfläche der Druckgefäßwand nach unten angesaugt. Sodann wird die Atmosphäre durch die sich deckenden öffnungen 70 im Leitkörper 3 und öffnungen 74 im Umlenkring 72 hindurch in die Rück-Strömöffnungen 62 und die Einlaßkanäle 47 angesaugt.

Wenn das Gebläserad 50 angetrieben wird, saugt es die Ofenatmosphäre an seiner Welle 52 entlang ein und drückt sie radial nach außen in den Raum zwischen der Wand des Untersatzes 5 und dem Schirm 9 in der Nähe der Heizstäbe 8. Bei eingeschalteten Heizstäben 8 werden die an ihnen vorbeiströmenden Gase erwärmt und dann in den Raum über dem Herd 6 gedrückt, wo sie Wärme auf das Werkstück 7 übertragen. Danach strömen die Gase zwischen den Schirm 9 und die Haube 4, wobei, wie schon erläutert, ihr Rückströmweg dann von der Stellung des Umlenkringes 72 abhängig ist.

Die Hauptwärmeisolierung zwischen dem Werkstück 7 und den Heizstäben 8 einerseits und dem Mantel 2 des Druckgefäßes wird von der isolierenden Haube 4 besorgt Sie ist so ausgelegt, daß sie die Wärmeübertragung auf den Mantel 2 so gering wie möglich hält und daß ihre Wärmekapazität niedrig ist Es sind mehrere Haubenkonstruktionen möglich. Die in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform hat eine Innenauskleidung 40 aus rostfreiem Stahl und eine Außenbekleidung 4f aus Kohlenstoffstahl; dazwischen ist eine Wärmeisolierungsschicht 42 aus keramischer Faser angeordnet Bei anderen Haubenkonstruktionen kann eine Innenauskleidung fehlen und können statt der Fasern hoch warmfeste Isolierblöcke verwendet sein. Um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen, kann am oberen Ende der Haube 4 ein zusätzlicher axialer Wärmeschild 43 angeordnet sein, der aus einem hochwarmfesten Metall, z. B. Inconel (hochwarm- und korrosionsfeste Nickellegierung mit

zusätzlich Chrom, Eisen, Kupfer und weiteren Legierungselementen) bestehen sollte. Wie für den Untersatz 5 gilt für die Haube 4, daß umsomehr Wärmeenergie für die Temperaturerhöhung des Werkstückes 7 zur Verfügung steht je weniger Wärmeenergie von der Haube 4 absorbiert wird. Die Wärmekapazität der Haube 4 sollte daher so klein wie möglich gehalten werden.

Das oder die Heizelemente sind vollständig unter dem Werkstück 7 angeordnet und benötigen daher kei-

ncn Raum zwischen dem Werkstück 7 und der Haube 4. Dies ermöglicht eine Verringerung des Durchmessers der Haube 4 und damit des Mantels 2 des Druckgefäßes mit den vorstehend beschriebenen Vorteilen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Autoklavenofen mit mechanischer Zirkulation, insbesondere zum isostatischen Heißpressen oder dergleichen eines Werkstücks bei hohen Temperaturen und Drücken, mit einem Ofen, der auf einer Ofensohle (23) einen Untersatz (5) mit einem aufgesetzten Herd (6) zum Auflegen des Werkstücks (7) aufweist, einer unterhalb des Herdes (6) um den Untersatz (5) herum angeordneten Heizvorrichtung (8), einem von der Ofensohle (23) aufragenden Schirm (9), der den Untersatz (5) und die Heizvorrichtung (8) umschließt, über den Herd (6) aufragt und an seinem oberen Ende offen oder mit öffnungen (45) versehen ist, einer auf der Ofensohle (23) ruhenden, den Schirm (9) umschließenden wärmeisolierenden Haube (4), einem äußeren zylindrischen Druckbehälter (1, 2) und einem antreibbaren Gebläserad (50) in einer im Untersatz (5) ausgebildeten Kammer, von der innerhalb des Schirms (9) mündende radiale Ausbiaskanäle (49) ausgehen und an die mit der Außenseite des Schirms (9) verbundene Ansaugkanäle (47) angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Druckbehälter (1, 2) und der Haube (4) im Abstand zu diesen ein Strömungsleitkörper (3) angeordnet ist und daß eine fernbetätigbare Umlenkvorrichtung (72, 73) vorgesehen ist, die zwischen einer das untere Ende des inneren Ringkanals zwischen dem Schirm (9) und der Haube (4) mit den Ansaugkanälen (47) verbindenden Heizstellung und einer den äußeren Ringkanal zwischen dem Strömungsleitkörper (3) und dem Mantel (2) des Druckbehälters (1, 2) mit den Ansaugkanälen (47) verbindenden Abkühlungsstellung verstellbar ist.

2. Autoklavenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß die Haube (4) Durchtrittsöffnungen (64) aufweist, die das untere Ende des inneren Ringkanals mit dem zwischen der Haube (4) und dem Strömungsleitkörper (3) gebildeten mittleren Ringkanal verbinden, und daß der Strömungsleitkörper (3) mit öffnungen (70) versehen ist, die der Verbindung des äußeren Ringkanals mit den Ansaugkanälen (47) in der Abkühlungsstellung dienen.

3. Autoklavenofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung (72,73) im mittleren Ringkanal verschiebbar angeordnet ist und einen die öffnungen (70) im Strömungsleitkörper (3) in der Heizstellung verschließenden und in der Abkühlungsstellung öffnenden Zylinderabschnitt (72) sowie einen den mittleren Ringkanal in voneinander abgesperrte Bereiche unterteilenden Radialflansch (73) aufweist, der sich in der Heizstellung oberhalb und in der Abkühlungstellung unterhalb der Durchtrittsöffnungen (64) in der Haube (4) befindet.

4. Autoklavenofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinderabschnitt (72) der Umlenkvorrichtung (72,73) öffnungen (64) aufweist, die in der Abkühlungsstellung mit den öffnungen (70) im Strömungsleitkörper (3) fluchten.

5. Autoklavenofen nach einem der Ansprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung (72, 73) mittels elektromagnetisch betätigter Vorrichtungen (76) verstellbar ist.

Die Erfindung betrifft einen Autoklavenofen, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben und aus der US-PS 41 51 400 bereits bekannt ist

Ein solcher Autoklavenofen dient der Behandlung von Werkstücken bei hohen Drücken und hohen Temperaturen, die beispielsweise 1000⁰C bzw. 1 bar betragen und gegebenenfalls noch höher liegen können. Dabei gewährleistet der äußere Druckbehälter die erforderliche Druckfestigkeit, während der innerhalb dieses

ίο Druckbehälters ausgebildete Ofen der Erwärmung und Warmhaltung des Werkstücks dient, zugleich aber auch den Druckbehälter vor übermäßiger Erwärmung schützt Der Autoklavenofen kann außer zum isostatischen Heißpressen beispielsweise auch zum Herstellen

is von Verbindungen unter Gasdruck eingesetzt werden.

Es ist wichtig, daß das zu behandelnde Werkstück möglichst gleichmäßig erwärmt und warmgehalten wird, da sich sonst aus unterschiedlicher Wärmedehnung des Werkstückes Schwierigkeiten ergeben kön-

nen. Dieser gleichmäßigen Erwärmung dient die beim bekannten Autoklavenofen vorgesehene Luftzirkulation mittels des Gebläserades, bei der durch die Heizvorrichtung geleitete Luft innerhalb des Schirms über die Oberflächen des Werkstücks hinweg aufsteigt und durch den Ringraum zwischen dem Schirm und der Haube abwärts zur Gebläsekammer zurückströmt Zwischen der Hfube und der zylindrischen Druckbehällcrwand ist ein Mantel aus Isoliermaterial angeordnet, der die Druckbehälterwand vor übermäßiger Erwärmung schützen soll.

Die beschriebene Luftzirkulation erfüllt zwar die Forderung nach einer gleichmäßigen Erwärmung des Werkstücks, kann aber nicht wesentlich zu einer schnellen Abkühlung des Werkstücks bzw. des Ofens nach Beendigung der Behandlung beitragen. Eine solche Abkühlung und damit Verfestigung des Werkstücks ist jedoch erforderlich, damit das Werkstück entnommen und der Autoklavenofen wieder mit einem gleichfalls zu behandelnden anderen Werkstück beschickt werden kann. Daher müssen beim bekannten Autoklavenofen vergleichsweise lange Abkühlungszeiten in Kauf genommen werden, was die Leistung des Autoklavenofens herabsetzt

Dementsprechend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den bekannten Autoklavenofen so auszubilden, daß er leistungsfähiger wird, ohne daß sin ins Gewicht fallender Mehraufwand entsteht oder hinsichtlich einer gleichmäßig guten Erwärmung des Werkstücks während der Behandlungsphase Abstriche gemacht werden müssen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen dem Druckbehälter und der Haube im Abstand zu diesen ein Strömungsleitungskörper angeordnet ist und daß eine fernbetätigbare Umlenkvorrichtung vorgesehen ist, die zwischen einer das untere Ende des inneren Ringkanals zwischen dem Schirm und der Haube mit den Ansaugkanälen verbindenden Heizstellung und einer den äußeren Ringkanal zwischen dem Strömungsleitkörper und dem Mantel des Druckbehälters mit den Ansaugkanälen verbindenden Abkühlungsstellung verstellbar ist.

Diese Maßnahmen schaffen die Möglichkeit nach Abschluß der Heizphase bzw. Behandlungsphase durch eine einfache Umstellung die Zirkulationsströmling so

b5 zu ändern, daß sie nicht mehr nach dem llochströmcn innerhalb des Schirms und dem Herabströmen zwischen dem Schirm und der Haube direkt zur Gcblasckaminer zurückströmt, sondern zunächst nochmals innerhalb des