DE3215509C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuum-Kammerofen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken mit einer in einem Gehäuse befindlichen Heizkammer mit im wesentlichen rechteckigen Umrissen, deren zwei einander gegenüberstehende, zur waagerechten Beschickungsrichtung parallele Wände jeweils verschließbare Öffnungen zum Durchleiten eines Kühlgases aufweisen, das mit Hilfe eines Gebläses über einen Wärmeaustauscher umwälzbar ist und ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Ofens.

Vakuum-Kammeröfen dieser Art sind bekannt, z. B. DE-Z: VDI-Z 118 (1976) Nr. 22, S. 1073-1079; DE-OS 28 44 843. Sie werden vor allem zum Härten von Werkstücken und für andere Wärmebehandlungen benutzt. In der Regel bestehen die Wärmebehandlungen darin, die Werkstücke innerhalb der Heizkammer auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen und sie dann nach werkstoffbedingten Vorgaben oder nach wirtschaftlichen Gesichtspunkten wieder abzukühlen. Zu diesem Zweck sind derartige Vakuum-Öfen mit einer integrierten Gas-Schnellkühleinrichtung ausgerüstet.

Bei der Ausgestaltung einer solchen Kühleinrichtung sind neben verfahrenstechnischen auch wirtschaftliche Gründe zu berücksichtigen. Wichtig für eine Kühlein­ richtung sind eine gute Anpassung der Gasströmung an den Chargenaufbau, eine gleichmäßige Kühlgeschwindig­ keit innerhalb einer Charge und innerhalb eines einzel­ nen Werkstückes und nicht zuletzt die Möglichkeit, die Kühlgeschwindigkeit unterschiedlich großen Chargen einfach und wirtschaftlich anpassen zu können, um nur einige Hauptforderungen zu nennen. Auch kommt es auf eine gute Regelbarkeit des Kühlprozesses in bezug auf unterschiedliche Solltemperatur-Verläufe der Charge an.

Die verfahrenstechnischen Anforderungen beruhen in erster Linie darauf, daß es bei derartigen Wärmebehand­ lungen wichtig ist, gezielte Veränderungen von Werk­ stoffeigenschaften zu erreichen und zugleich einen Ver­ zug der Werkstücke zuverlässig zu verhindern. Die wirt­ schaftlichen Gründe ergeben sich aus der allgemeinen Forderung, bei allen vorkommenden Behandlungsprozessen eine möglichst kostengünstige Verfahrensweise zu er­ reichen.

Die bislang für diese Zwecke eingesetzten Kammeröfen sind im Hinblick auf die vorgenannten Forderungen noch nicht zufriedenstellend. Dies gilt vor allem dann, wenn eine hohe und zugleich gleichmäßige Kühlgeschwindigkeit gefordert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Vakuum-Kammerofen bezüglich seiner Gas-Schnellkühleinrichtung so zu ge­ stalten, daß die bestehenden Forderungen besser als bisher erfüllt werden können, d. h. vor allem, daß bei den vorkommenden Chargen und Werkstücken während ihrer Abkühlung eine gute Anpassung an die werkstoffbedingten Vorgaben auf einfache Weise möglich ist, Verzug der Werkstücke vermieden wird und insgesamt ein guter Wirkungsgrad gegeben ist.

Bei einem Vakuum-Kammerofen in der eingangs beschrie­ benen Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die verschließbaren Öffnungen als mehrere kleine Einlaßöffnungen ausgebildet sind und daß in den Wänden, die sowohl zur Beschickungsöffnung sowie zu den Wänden mit den verschließbaren Öffnungen senkrecht angeordnet sind, parallel zu diesen an den angrenzenden Rändern verschließbare Längsspalte für den Gasauslaß vorhanden sind.

Zweckmäßig ist es, als Einlaßöffnungen eine Vielzahl von Düsenöffnungen in den betreffenden Wänden der Kammer vorzusehen, die auf einer die Umrisse der möglichen Charge überdeckenden Fläche gleichmäßig verteilt sind.

Die in der Kammer in entgegengesetzten Richtungen er­ zeugten Gasströmungen können entweder senkrecht oder waagerecht verlaufen. Für den erstgenannten Fall be­ finden sich die Einlaßöffnungen in der Decke und im Boden der Kammer, während sie im zweiten Fall in den die Seitenwände der Kammer bildenden Wänden enthalten sind.

Die gewünschte Lenkung der Gasströme außerhalb der Heizkammer wird zweckmäßigerweise dadurch bewirkt, daß in dem Zwischenraum zwischen Ofengehäuse und Heizkammer durch Leitbleche ein von der Druckseite des Gebläses ausgehender geschlossener Strömungskanal gebildet ist, der teilweise von den Heizkammerwänden mit den Einlaß­ öffnungen begrenzt ist und daß durch weitere Leitbleche ein an die Saugseite des Gebläses anschließender ge­ schlossener Strömungsraum gebildet ist, der teilweise von den Heizkammerwänden mit den Auslaßspalten begrenzt ist.

Zweckmäßigerweise ist als Verschlußelement für die Einlaßöffnungen eine einheitliche bewegliche Platte vorgesehen. Die Verschlußelemente der Längsspalte be­ stehen dagegen vorteilhafterweise jeweils aus einer an der angrenzenden Wand mit den Einlaßöffnungen schwenkbar gelagerten Klappe. Für das Bewegen der Ver­ schlußelemente sind einzeln wirkende Stellgeräte, vor­ zugsweise Hubzylinder, vorgesehen.

Ein wesentlicher Vorteil, der durch die Erfindung er­ zielt wird, besteht darin, daß während eines Kühlpro­ zesses die Richtung des Kühlgasstromes innerhalb der Kammer um 180° umgekehrt werden kann. Weiterhin bietet die Erfindung den Vorteil, daß je nach den Gegebenhei­ ten des Chargenaufbaues eine Ofenlage entweder für eine vertikale oder horizontale Kühlgasströmung innerhalb der Kammer ausgelegt werden kann. Eine besonders vor­ teilhafte Lösung bietet die Anwendung von Düsenöffnungen als Einlaßöffnungen in den betreffenden Wänden der Kammer. Mit Hilfe solcher Düsenöffnungen kann das Kühl­ gas dem ganzen Nutzraumquerschnitt in gleichmäßiger Verteilung zugeführt werden, was wichtig ist für eine möglichst gleichmäßige Beaufschlagung eines größeren Werkstückes oder einer Charge, die aus einer Vielzahl kleinerer Werkstücke besteht.

Die Erfindung bietet ferner den Vorteil, daß ein vor­ programmierter Abkühlverlauf eingehalten werden kann, indem die Gasdurchlaßöffnungen in Abhängigkeit von einer gewünschten Temperaturkurve geöffnet und ge­ schlossen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Querschnitt eines Vakuum-Kammerofens mit vertikaler Strömungsrichtung des Kühl­ gases in der Ebene der Linie I-I der Fig. 2,

Fig. 2 einen senkrechten Längsschnitt des Vakuum- Kammerofens,

Fig. 3 einen waagerechten Schnitt des Vakuum-Kammer­ ofens in der Ebene der Linie II-II der Fig. 2 und

Fig. 4 einen Querschnitt einer anderen Ausführungs­ form eines Vakuum-Kammerofens mit waagerechter Strömungsrichtung des Kühlgases.

Der abgebildete Vakuum-Kammerofen besteht im wesent­ lichen aus einem doppelwandigen zylindrischen Stahl­ gehäuse 1, in dem eine Heizkammer 2 mit rechteckigen Umrissen angeordnet ist. Das Stahlgehäuse 1 ruht auf Füßen 3, die mit dem Gehäuse durch Verschweißen fest verbunden sind. Die stirnseitige Beschickungsöffnung des Stahlgehäuses 1 ist durch eine seitlich ausschwenk­ bare Tür 4 in Form eines kreisrunden Deckels verschlos­ sen, die ebenfalls doppelwandig ausgebildet ist.

An der anderen Stirnseite ist am Stahlgehäuse 1 ein doppelwandiger Deckel 5 durch eine Flanschverbindung befestigt, der eine exzentrische Öffnung aufweist, in die eine doppelwandig ausgebildete Haube 6 eingesetzt ist, die mit dem Deckel 5 verschweißt ist und deren Innenraum zur Aufnahme eines Gebläsemotors 7 dient, auf den nachfolgend noch eingegangen wird.

Der an einer Seite des Stahlgehäuses 1 angebrachte winkelige Rohrstutzen 8 dient zum Abschluß einer nicht dargestellten Evakuierungseinrichtung.

Die rechteckig ausgebildete Heizkammer 2 enthält zwei Seitenwände 9, zwei Stirnwände 10, einen Boden 11 und eine Decke 12. Tragendes Element oder Heizkammer ist ein Stahlgehäuse, dessen Wände innen mit einem wärmeiso­ lierenden Material, z. B. auf Keramik- oder Graphitbasis, ausgekleidet sind. Die frontseitige Stirnwand 10 der Heizkammer 2 ist abnehmbar.

Während der Behandlung ruht die Charge, die in der Zeichnung der Einfachheit halber als rechteckiger Block 13 dargestellt ist, auf einer Tragkonstruktion 14, die senkrechte Stützen 15 aufweist, die den Boden 11 der Heizkammer 2 durchdringen und sich bis zur Innenwand des Stahlgehäuses 1 erstrecken. Weiter sind im Innern der Heizkammer 2 in der Nähe der Wandungen eine Anzahl von parallel zur Längsachse verlaufenden Heizstäben 16, vorzugsweise einer elektrischen Widerstandsheizung, an­ geordnet.

Im Boden 11 und in der Decke 12 sind eine Vielzahl von Düsenöffnungen 17 als Gaseinlaßöffnungen angebracht. Die in einer Wand befindlichen Öffnungen 17 sind mit Hilfe einer bewegbaren Platte 18 gleichzeitig zu verschließen bzw. zu öffnen. Zur Betätigung dieser Platte 18 ist im Mantel des Stahlgehäuses 1 eine Kolben-Zylinderanordnung 19 angebracht. Die Einrichtungen für das Verschließen der Düsenöffnungen 17 in der Decke 12 und am Boden 11 stimmen überein. Es wurden daher für beide Einrichtungen dieselben Bezugszahlen gewählt.

Für den Austritt der Gasströmung aus der Heizkammer 2 sind in den Seitenwänden 9 jeweils an den Längskanten verschließbare Längsspalte 20 vorgesehen. Als Verschluß­ element dient je eine am Boden 11 bzw. an der Decke 12 schwenkbar gelagerte Klappe 21. Die an einer Heizkammer vorgesehenen vier Klappen 21 sind untereinander gleich ausgebildet. Für das Bewegen jeder Klappe 21 ist jeweils eine Kolben-Zylinderanordnung 22 vorgesehen, die eben­ falls in der Wandung des Stahlgehäuses 1 angebracht ist.

Der bereits erwähnte Motor 7 ist Bestandteil eines Ge­ bläses 23, zu dem ein auf der Welle des Motors befestig­ tes Schaufelrad gehört, mittels dessen das Gas innerhalb des Ofens umwälzbar ist, wobei der Gasstrom vor dem Eintritt in das Gebläse 23 einen Gaskühler 24 in der durch Pfeile angedeuteten Richtung durchströmt. Das eigentliche Kühlelement des Gaskühlers 24 ist rotations­ symmetrisch ausgebildet. Die gewünschte Lenkung der Gasströmung außerhalb der Heizkammer 2 wird durch den Einbau von Leitblechen bewirkt. Ein erster Strömungs­ kanal geht von der Druckseite des Gebläses 23 aus und ist durch Leitbleche 25 sowie achsparallele Leitbleche 26 auf der Oberseite und achsparallele Leitbleche 27 auf der Unterseite der Heizkammer 2 begrenzt. Den Abschluß dieses Strömungskanals bildet ein Abschlußblech 28. Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, wird dieser Strömungskanal teilweise von den Wandungen 12, 11 der Heizkammer 2 be­ grenzt, die die Einlaßöffnungen 17 enthalten. Je nach­ dem, welches der Verschlußelemente 18 geöffnet ist, wird die unter Druck zugeführte Gasströmung von oben oder von unten in die Heizkammer 2 eintreten.

Ein weiterer Strömungsraum zwischen Gehäuse 1 und Heiz­ kammer 2 schließt an die Saugseite des Gebläses 23 an, der der Kühler 24 vorgelagert ist. Den Abschluß dieses Strömungsraumes an der Eingangseite der Heizkammer 2 bilden zwei Bleche 29, von denen jedes im wesentlichen die Grundrißform eines Kreisabschnittes hat, dessen Kreislinie der Kreislinie der inneren Mantelfläche des Gehäuses 1 entspricht (Fig. 3). Dieser Strömungsraum ist teil­ weise begrenzt von den Seitenwänden 9 der Heizkammer 2, so daß die aus den jeweils geöffneten Längsspalten 20, sei es am Boden 11 oder an der Decke 12, aus der Heiz­ kammer 2 austretenden Gasströme über diesen Strömungs­ raum durch Abschlußbleche 30 umgelenkt zum Gaskühler 24 und damit zur Saugseite des Gebläses 23 gelangen.

Durch die in dieser Weise ausgebildeten in sich abge­ schlossenen Strömungsräume für die Druckströmung einer­ seits und die Saugströmung andererseits können die unter­ schiedlichen Betriebsarten hinsichtlich der Strömungs­ richtung innerhalb der Heizkammer 2 durch sinngemäßes Öffnen bzw. Schließen der jeweiligen Verschlußelemente 18 bzw. 21 bewirkt werden, ohne daß eine Änderung der Betriebsweise des Gebläses 23 erforderlich ist.

Die in den Fig. 1 bis 3 veranschaulichten Stellungen der Verschlußelemente 18 und 21 entsprechen einer verti­ kal von oben nach unten verlaufenden Gasströmung inner­ halb der Heizkammer 2, wie sie durch die ausgezogenen Pfeile angedeutet ist. Eine entgegengesetzte Strömung ergibt sich, wenn beide Längsspalte 20 am Boden 11 und die Öffnungen 17 in der Decke 12 geschlossen und statt dessen beide Längsspalte an der Decke 12 sowie die Öff­ nungen 17 im Boden 11 geöffnet werden. Angedeutet ist die entgegengesetzte Richtung der Gasströmung in Fig. 1 durch die gestrichelten Pfeile.

Während der Abkühlphase kann das umgewälzte Kühlmittel im Innern der Heizkammer 2 entweder nur von oben oder unten oder auch abwechselnd in beiden Richtungen strömen. Der wechselnde Betrieb hinsichtlich der Strömungsrich­ tung bietet die Möglichkeit, die Charge 13 wechselseitig der Strömung des Kühlmediums auszusetzen, wodurch wesentlich bessere Voraussetzungen für die Erzielung einer gleichmäßigen Kühlgeschwindigkeit innerhalb der Charge bzw. der einzelnen Werkstücke geschaffen werden als bei einer Strömung in ein und derselben Richtung.

In Fig. 4 ist ein Vakuum-Kammerofen veranschaulicht, bei dem die Kühlgase die Heizkammer in waagerechter Richtung durchströmen, und zwar ebenfalls mit der Mög­ lichkeit, die Strömung abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen führen zu können. Die für den Einlaß und den Auslaß der Gasströmung vorgesehenen Elemente sind die gleichen wie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 3. Es wurden daher für diese Elemente dieselben Bezugs­ zahlen verwendet.

Claims (9)

1. Vakuum-Kammerofen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken mit einer in einem Gehäuse befindlichen Heizkammer mit im wesentlichen rechteckigen Umrissen, deren zwei einander gegenüberstehende, zur waagerechten Beschickungsrichtung parallele Wände jeweils verschließbare Öffnungen zum Durchleiten eines Kühlgases aufweisen, das mit Hilfe eines Gebläses über einen Wärmeaustauscher umwälzbar ist, dadurch gekennzeichnet,

• - daß die verschließbaren Öffnungen als mehrere kleine Einlaßöffnungen (17) ausgebildet sind und
• - daß in den Wänden, die sowohl zur Beschickungsöffnung sowie zu den Wänden mit den verschließbaren Öffnungen senkrecht angeordnet sind, parallel zu diesen an den angrenzenden Rändern verschließbare Längsspalte für den Gasauslaß vorhanden sind.

2. Vakuum-Kammerofen nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Einlaßöffnungen (17) eine Vielzahl von Düsenöffnungen vorgesehen sind, die auf einer die Umrisse der Charge (13) überdeckenden Fläche in der Wand gleichmäßig verteilt sind.

3. Vakuum-Kammerofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (17) in den den Boden (11) und die Decke (12) der Kammer (2) bildenden Wänden enthalten sind.

4. Vakuum-Kammerofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (17) in den die Seitenwände (9) der Kammer (2) bildenden Wänden enthal­ ten sind.

5. Vakuum-Kammerofen nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Zwischenraum zwischen Ofengehäuse (1) und Heizkammer (2) durch Leit­ bleche (25, 26, 27 u. 28) ein von der Druckseite des Gebläses (23) ausgehender geschlossener Strömungskanal gebildet ist, der teilweise von den Heizkammerwänden (12, 11) mit den Einlaßöffnungen (17) begrenzt ist, und daß durch weitere Leitbleche (29, 30) ein an die Saug­ seite des Gebläses (23) anschließender geschlossener Strömungsraum gebildet ist, der teilweise von den Heizkammerwänden (9) mit den Auslaßspalten (21) be­ grenzt ist.

6. Vakuum-Kammerofen nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschlußelement für die Einlaßöffnungen (17) eine einheitliche bewegliche Platte (18) vorgesehen ist.

7. Vakuum-Kammerofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement der Längsspalte (20) aus einer jeweils an der angrenzenden Wand mit den Einlaßöffnungen schwenkbar gelagerten Klappe (21) besteht.

8. Vakuum-Kammerofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für das Bewegen der Ver­ schlußelemente jeweils eine Kolben-Zylinderanordnung (19, 22) vorgesehen ist.

9. Verfahren zum Betrieb eines Vakuum-Kammerofens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlgas in die Heizkammer abwechselnd in entgegengesetzte Richtungen eingelassen wird.