DE3322386C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Ofenanlagen zur Kühlung einer Charge, insbesondere aus metallischen Werkstücken, nach einer Wärmebe­ handlung innerhalb einer geschlossenen Behandlungskammer durch Anblasen mit einem Kühlgasstrom.

Aus der DE 26 24 828 A1 ist ein Ofen zur Durchführung einer Wärme­ behandlung von Werkstücken mit einer die Werkstücke aufnehmenden geschlossenen Behandlungskammer bekannt. Die Kammer enthält dabei einen Einlaß zum Einleiten eines im wesentlichen kontinuierlichen Stromes eines bei der Wärmebehandlung wirksamen Gases und einen Anschluß zum Ableiten eines im wesentlichen konstanten Gasstromes aus der Kammer, wobei Umwälzeinrichtungen zum Erzeugen der Gas­ strömung dienen. Weiter sind hierbei an die Kammer angrenzende Räume mit jeweils einem zugeordneten hin- und herbewegbaren Kol­ ben vorgesehen. Dabei können wenigstens zwei Kolben rechtwinkelig zueinander angeordnet sein. Mit Hilfe dieser Kolben ist das in der Kammer befindliche Gas relativ zum Werkstück pulsierend hin- und herbewegbar. Bei diesem Verfahren wird ein geeignetes Gas zur Durchführung eines thermochemischen Prozesses wie Aufkohlung, Entkohlung, Reduktion oder Nitrierung mit der Oberfläche des Werkstückes in Kontakt gebracht.

Aus der GB 20 83 898 A ist ein Ofen bekannt, durch den Drahtcoils auf gasdurchlässigen Paletten kontinuierlich hindurchgeführt und dabei zur Wärmebehandlung von Umwälzofengasen umspült werden. Auf die gleiche Weise kann am Ende des Ofens auch eine Abkühlung der Drahtcoils erfolgen.

Zu den gebräuchlichen Verfahren zum Härten von metallischen Werkstücken ist seit einiger Zeit als neues Verfahren das soge­ nannte Vakuum-Härten hinzugekommen. Dieses Verfahren besteht im wesentlichen darin, das Behandlungsgut (Charge) unter Vakuum auf die erforderliche Härtetemperatur zu erwärmen und hiernach durch Anblasen mit einem Kühlgas, wie z. B. Stickstoff oder Argon, abzu­ schrecken. Die Vorteile, die ein solches Verfahren vor allem hin­ sichtlich der Oberflächenqualität des Härtegutes bietet, können jedoch nicht ausgeschöpft werden, wenn der Abschreckvorgang in­ nerhalb der Charge so ungleichmäßig verläuft, daß daraus stark unterschiedliche Härtewerte resultieren, oder wenn an einem ein­ zelnen Behandlungsstück beachtliche Temperaturdifferenzen zwischen verschiedenen Stellen des Behandlungsstückes auftreten, die blei­ bende Formänderungen (Verzug) verursachen können. Solche Unzu­ länglichkeiten können verstärkt auftreten, wenn die einzelnen Behandlungsteile oder die ganze Charge unterschiedliche Massen­ verteilungen aufweisen oder wenn durch den Chargenaufbau die Durchströmung mit Kühlgas behindert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das Kühlen einer Charge nach einer Wärmebehandlung innerhalb einer geschlossenen Behandlungskammer durch Anblasen mit einem Kühlgas eine Ofenan­ lage bereitzustellen, mittels der die thermischen Anforderungen während eines Kühlprozesses besser als bisher erfüllbar sind, d. h. die Strömung des Kühlgases soll innerhalb der Behandlungs­ kammer derart steuerbar sein, daß bei Einhaltung einer gewünsch­ ten Abkühlgeschwindigkeit eine weitgehend gleichmäßige Tempera­ turverteilung innerhalb der Charge erzielbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Ofenanlage in einer Ausgestaltung gemäß Anspruch 1 oder 2 gelöst.

Für die Behandlung einer Anzahl gleichbleibender Chargen ist es vorteilhaft, einen elektrischen Speicher in das Temperaturregler- System einzubeziehen, der dazu dient, die Steuersignale einer Erstcharge für eine programmierte Steuerung von Wiederholchargen zu speichern.

Die Anwendung einer Gasdurchtrittsöffnung, die gegen Wärmestrah­ lungsverluste optisch abgedeckt ist, ist an sich bekannt, z. B. aus der DE 18 00 782 A1 die einen Vakuumofen zum Löten von Werkstücken zeigt.

Die Vorteile, die mit der Erfindung erzielbar sind, bestehen im wesentlichen darin, daß durch den gezielten Einsatz des Kühlgas­ stromes in der Behandlungskammer hinsichtlich Intensität und/oder Richtung unter Berücksichtigung der Gegebenheiten der Charge zum einen die Abkühlung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit durch­ geführt und zum anderen eine weitgehend gleichmäßige Verteilung der Temperatur innerhalb der Charge erreichbar ist. Gleichmäßige Temperaturverteilung bedeutet hierbei die Einhaltung von Tempera­ turdifferenzen innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite. Die sichere Durchführung eines solchen Abkühlungsprozesses ist dabei sowohl innerhalb einer Behandlungskammer in Form eines hohlen Zylinders als auch in Form eines hohlen Würfels möglich. Die Einbeziehung eines Temperaturregler-Systems auf der Basis von Soll-Ist-Verglei­ chen zwischen den Soll-Werten der Temperaturvorgabe und den gemes­ senen Ist-Werten bietet ferner den Vorteil, den gesamten Kühlvor­ gang automatisch durchführen zu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Ofenanlage mit zylindrischer Behandlungskammer,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Ofenanlage mit würfelförmiger Behandlungskammer,

Fig. 3 Schemata der verschiedenen Betriebszustände hinsichtlich der Strömung des Kühlgases in der Behandlungskammer der Ofenanlage nach Fig. 1 und

Fig. 4 Schemata der verschiedenen Betriebszustände hinsichtlich der Strömung des Kühlgases in der Behandlungskammer der Ofenanlage nach Fig. 2.

Zu der in Fig. 1 abgebildeten Ofenanlage gehört ein Vakuum- Kammerofen, der im wesentlichen aus einem doppelwandigen zylindrischen Stahlgehäuse 1, das an der Unterseite einen abnehmbaren Deckel 2 aufweist, und einer im Innern befind­ lichen zylindrischen Behandlungskammer 3 mit aufrecht­ stehender Zylinderachse und allseitigem Zwischenraum zur Innenwandung des Stahlgehäuses 1 besteht. Die Beschickung erfolgt von der Unterseite nach Abnahme des Deckels 2. Ebensogut kann der Deckel oben am Stahlgehäuse angeordnet sein.

Im Zwischenraum zwischen der Behandlungskammer 3 und dem Stahlgehäuse 1 sind in der Nähe des oberen und unteren Endes der Behandlungskammer 3 Trennwände 4 und 5 in Form von Ringscheiben angeordnet. Durch diese Trennwände sind im Zwischenraum ein unterer und ein oberer Raum 6 bzw. 7 und ein mittlerer Raum gebildet. Der mittlere Raum ist durch zwei in einer gemeinsamen Axialebene verlaufende Trennwände 8 in zwei im Grundriß halbrunde Räume 9, 10 unterteilt.

Im Boden, in der Decke und in der Zylinderwandung der Be­ handlungskammer 3 sind jeweils eine Vielzahl von Gasdurch­ trittsöffnungen 11 enthalten, die entweder durchlässig für Gase, jedoch undurchlässig für Wärmestrahlen sind oder durch nicht dargestellte Klappen verschließbar sind. Zur Betätigung der Klappen dienen Stellgeräte wie Hubzylinder oder dergleichen. In jeden der Räume 6, 7, 9 und 10 münden je zwei Rohranschlüsse für das Einleiten bzw. Ableiten von Kühlgas. Diese Rohranschlüsse sind über Verbindungs­ leitungen und je ein Steuerventil einerseits an die Druck­ seite 12 und andererseits an die Saugseite 13 einer Ge­ bläseeinrichtung 14 angeschlossen. Auf der Saugseite ist der Gebläseeinrichtung ein Gaskühler 15 vorgeschaltet.

Die Steuerventile für den Einlaß sind mit E und für den Auslaß des Kühlgases mit A bezeichnet, wobei durch die zusätzliche Ziffer die Zugehörigkeit zu dem jeweiligen Zwischenraum 6, 7, 9 oder 10 kenntlich gemacht ist. Bei den Steuerventilen handelt es sich um Zwei-Wege-Ventile, die elektromagnetisch oder in anderer Weise betätigt werden.

Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Behandlungskammer 3 sind hinsichtlich der Führung des Kühlgases im Innern der Behandlungskammer 3 sechs unterschiedliche Betriebs­ zustände einstellbar. Dargestellt sind diese Betriebszu­ stände in Fig. 3, wobei in der am unteren Rand abgebilde­ ten Tabelle für jeden Betriebszustand die Schaltstellungen der insgesamt acht Steuerventile angegeben sind. Hierbei bedeutet: I = Ventil geöffnet und O = Ventil geschlossen.

Fig. 2 zeigt eine Ofenanlage mit würfelförmiger Behand­ lungskammer 3′ im Innern eines zylindrischen Stahlge­ häuses 1′, welches mit waagerecht verlaufender Zylinder­ achse angeordnet ist. Der Deckel 2′, mit dem die Be­ schickungsöffnung verschlossen wird, befindet sich hier an einer Stirnseite des Stahlgehäuses 1′.

In der Prinzipdarstellung der Fig. 2 ist das Stahlgehäuse 1′ links im Querschnitt und rechts im Längsschnitt darge­ stellt. Die Behandlungskammer 3′ in der Gestalt eines Würfels hat in den Diagonalen eine Länge, die etwa dem Innendurchmesser des zylindrischen Stahlgehäuses 1′ ent­ spricht. Im Zwischenraum zwischen Behandlungskammer 3′ und Stahlgehäuse 1′ sind in der Nähe der Enden - in Richtung der Zylinderachse - der Behandlungskammer 3′ an jeder der vier Wandungen der Behandlungskammer 3′ Trennwände 16, 17 in Form von Kreisabschnitten angeordnet. Durch diese Trennwände 16 und 17 sind insgesamt sechs abgeschlossene Räume gebildet, nämlich an den Stirnseiten je ein Raum 18, 19 und an den Längswandungen der Behandlungskammer 3′ die Räume 20, 21, 22 und 23.

Auch hier münden in jeden dieser Räume je zwei Rohran­ schlüsse für das Einleiten bzw. Ableiten von Kühlgas. Diese sind über Steuerventile und Verbindungsleitungen einerseits an die Druckseite 12 und andererseits an die Saugseite 13 einer Gebläseeinrichtung 14 mit einem Gas­ kühler 15 angeschlossen. In allen sechs Wandungen der Be­ handlungskammer 3′ sind eine Vielzahl von Gasdurchtritts­ öffnungen 11′ enthalten, die entweder durchlässig für Gase, jedoch undurchlässig für Wärmestrahlen sind oder durch nicht dargestellte Verschlußelemente verschließbar sind.

Die einzelnen Steuerventile sind wie bei der Ofenanlage nach Fig. 1 mit den Buchstaben E und A unter Hinzufügung einer Ziffer, die mit der Bezugszahl des zugehörigen Raumes übereinstimmt, bezeichnet.

Bei der hier vorgesehenen Behandlungskammer 3′ in Form eines Würfels sind acht unterschiedliche Betriebszustände hinsichtlich der Führung des Kühlgases im Innern der Be­ handlungskammer 3′ möglich. Dargestellt sind diese unter­ schiedlichen Betriebszustände in Fig. 4 in der gleichen Weise wie in Fig. 3 für die Ofenanlage nach Fig. 1. Bei den Betriebszuständen 5 bis 8 sind Gasströmungen einstell­ bar, die senkrecht zur Zeichenebene in entgegengesetzten Richtungen verlaufen. Dies ist durch Kreuze bzw. Punkte angedeutet. Die am unteren Rand befindliche Tabelle zeigt für alle acht Betriebszustände die Schaltstellungen der insgesamt zwölf Steuerventile.

Die Änderung der Intensität der verschiedenen Strömungen des Kühlgases im Innern der Behandlungskammer 3 bzw. 3′ kann auf einfache Weise durch eine Regelung der Förder­ menge der Gebläseeinrichtung 14 bewirkt werden.

Claims (3)

1. Ofenanlage zur Kühlung einer Charge, insbesondere aus metallischen Werkstücken, nach einer Wärmebehandlung innerhalb einer geschlossenen Behandlungskammer durch Anblasen mit einem Kühlgasstrom, der in der Kammer in unterschiedlichen Richtungen mit Hilfe einer Gebläseeinrichtung erzeugbar ist, bei der die Kammer die Gestalt eines hohlen Zylinders hat, mit folgenden Merkmalen:

• - die Kammer (3) ist mit aufrechtstehender Zylinderachse kon­ zentrisch in einem geschlossenen zylindrischen Gehäuse (1) mit allseitigem Zwischenraum angeordnet,
• - im Ringraum zwischen Kammer (3) und Gehäuse (1) sind recht­ winklig zu den Wänden der Kammer (3) und des Gehäuses (1) Trennwände (4, 5 bzw. 8) zum einen in der Nähe des oberen und unteren Endes der Kammer (3) und zum anderen in einer Axialebene zwischen der unteren und oberen Trennwand (4, 5) angeordnet, so daß oberhalb und unterhalb der Kammer (3) je ein abgeschlossener Raum (6, 7) und um die Kammer (3) herum zwei abgeschlossene Räume (9, 10) gebildet sind,
• - in den Wandungen der Kammer (3) sind eine Vielzahl von Gas­ durchtrittsöffnungen (11) enthalten, die entweder verschließ­ bar oder durchlässig für Gase, aber undurchlässig für Wärme­ strahlen sind,
• - in der Gehäusewandung sind im Bereich jedes der vier Zwischen­ räume (6, 7, 9 und 10) je zwei Rohranschlüsse für das Einleiten bzw. Ableiten von Kühlgas angeordnet,
• - an jedem Zwischenraum (6, 7, 9 und 10) ist jeweils ein An­ schluß über eine Verbindungsleitung und ein Steuerventil an die Druckseite und der zweite Anschluß über eine Verbin­ dungsleitung mit einem Steuerventil an die Saugseite der Gebläseeinrichtung (14) für Kühlgas angeschlossen und
• - ein Temperaturregler-System auf der Basis von Soll-Ist-Ver­ gleichen zwischen den Soll-Werten der Temperaturvorgabe und den gemessenen Ist-Werten dient zur Betätigung der Steuerven­ tile und der Verschlußelemente der Gasdurchtrittsöffnungen (11).

2. Ofenanlage zur Kühlung einer Charge, insbesondere aus metal­ lischen Werkstücken, nach einer Wärmebehandlung innerhalb einer geschlossenen Behandlungskammer durch Anblasen mit einem Kühlgas­ strom, der in der Kammer in unterschiedlichen Richtungen mit Hilfe einer Gebläseeinrichtung erzeugbar ist, bei der die Kammer die Gestalt eines hohlen Würfels hat, mit folgenden Merkmalen:

• - die Kammer (3′) ist in einem geschlossenen zylindrischen Gehäuse (1′) mit horizontaler Zylinderachse mit Abstand von den Stirn­ wänden des Gehäuses (1′) angeordnet,
• - im Bereich jeder der vier in Richtung der Zylinderachse des Gehäuses (1′) verlaufenden Wandungen der Kammer (3′) sind in der Nähe der Enden der Wandungen den Zwischenraum überbrücken­ de Trennwände (16, 17) angebracht, so daß zwischen jeder Kammer­ wandung und der Innenwandung des Gehäuses (1′) in sich abge­ schlossene Räume (18, 19, 20, 21, 22 und 23) gebildet sind,
• - in den Wandungen der Kammer (3′) sind eine Vielzahl von Gas­ durchtrittsöffnungen (11′) enthalten, die entweder verschließ­ bar oder durchlässig für Gase, aber undurchlässig für Wärme­ strahlen sind,
• - in der Behälterwandung sind im Bereich jedes der sechs Zwi­ schenräume (18, 19, 20, 21, 22 und 23) je zwei Rohranschlüsse für das Ein- bzw. Ableiten von Kühlgas angeordnet,
• - an jedem Zwischenraum (18, 19, 20, 21, 22 und 23) ist jeweils ein Anschluß über eine Verbindungsleitung und ein Steuerventil an die Druckseite und der zweite Anschluß über eine Verbindungs­ leitung und ein Steuerventil an die Saugseite der Gebläseeinrich­ tung (14) für Kühlgas angeschlossen und
• - ein Temperaturregler-System auf der Basis von Soll-Ist-Ver­ gleichen zwischen den Soll-Werten der Temperaturvorgabe und den gemessenen Ist-Werten dient zur Betätigung der Steuerventile und der Verschlußelemente der Gasdurchtrittsöffnungen (11′).

3. Ofenanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Speicher vorgesehen ist, der dazu dient, Steuersignale einer Erstcharge für eine programmierte Steuerung von Wiederholchargen zu speichern.