DE3621996A1 - Anlage zum waermebehandeln von werkstoffen im vakuum und unter druck - Google Patents

Anlage zum waermebehandeln von werkstoffen im vakuum und unter druck

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DE3621996A1 DE19863621996 DE3621996A DE3621996A1 DE 3621996 A1 DE3621996 A1 DE 3621996A1 DE 19863621996 DE19863621996 DE 19863621996 DE 3621996 A DE3621996 A DE 3621996A DE 3621996 A1 DE3621996 A1 DE 3621996A1
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Wilhelm Polhede
Rolf Peter
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Arthur Pfeiffer Vakuumtechnik Wetzlar GmbH
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    • B30B11/001Presses specially adapted for forming shaped articles from material in particulate or plastic state, e.g. briquetting presses, tabletting presses using a flexible element, e.g. diaphragm, urged by fluid pressure; Isostatic presses
    • B30B11/002Isostatic press chambers; Press stands therefor
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F3/00Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the manner of compacting or sintering; Apparatus specially adapted therefor ; Presses and furnaces
    • B22F3/12Both compacting and sintering
    • B22F3/14Both compacting and sintering simultaneously
    • B22F3/15Hot isostatic pressing
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27BFURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
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    • F27FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
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    • F27D1/00Casings; Linings; Walls; Roofs
    • F27D1/0003Linings or walls
    • F27D1/0033Linings or walls comprising heat shields, e.g. heat shieldsd

Description

Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Vakuum-Wärmebehandeln und anschließendem heiß-isostatischem Nachbehandeln von Werk­ stoffen.
Das Grundprinzip einer solchen Anlage wird beispielsweise in der DE-PS 30 14 691 und in der US-PS 43 98 702 beschrieben.
In einem Vakuumofen, der gleichzeitig für Druckanwendung ausgelegt ist, laufen z.B. beim Sintern von Hartmetall nacheinander folgende Verfahrensschritte ab:
Unter Vakuum werden die aus Pulver vorgeformten und durch ein Bindemittel zusammengehaltenen Teile erhitzt, bis das Bindemittel entweicht. Diesen Vorgang nennt man Entwachsen. Im zweiten Verfahrensschritt werden die Teile unter höherer Temperatur gesintert. Anschließend wird durch heißisostati­ sches Nachverdichten eine weitere Verbesserung der mecha­ nischen Eigenschaften der Sinterkörper erreicht.
Solche Verfahren und Anlagen zu Ihrer Durchführung sind bekannt und gehören zum Stand der Technik. Sie werden zum Beispiel in den oben angegebenen Patenten beschrieben.
Bei der Durchführung solcher Verfahren ergeben sich jedoch Probleme, die bei den bekannten Anlagen nicht befriedigend gelöst sind. Da z.B. das heiß-isostatische Nachverdichten unter hohem Druck und hoher Temperatur stattfindet, muß besonderer Wert auf die Isolation zwischen dem heißen Nutz­ raum und der kalten Kesselwand gelegt werden. Diese Isolation spielt im Hinblick auf die Temperaturkonstanz, den Energie­ verbrauch und die Betriebssicherheit eine wesentliche Rolle. Sie muß außerdem einerseits praktisch gasdicht sein, um Heiß­ gasaustritt zu verhindern, andererseits muß sie für den Vaku­ umbetrieb gut evakuiert werden können.
Der Wärmeübergang vom Nutzraum auf die Kesselwand erfolgt grundsätzlich durch Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Im Vakuumbetrieb erfolgt der Wärmeübergang allein durch Strahlung und durch Wärmeleitung von festen Bauteilen. Bei Betrieb mit Schutzgas kommt die Wärmeleitung des Gases und mit steigendem Druck noch ein entsprechender Wärmetransport durch Konvektion hinzu. Das heißt, steigender Druck verur­ sacht einen zunehmenden Wärmetransport zur Kesselwand. Wenn dieser Wärmetransport nicht unter Kontrolle gehalten und reduziert wird, treten nachteilige Wirkungen auf. Dies sind zu hohe Temperaturen der Kesselwand, wodurch die Lebensdauer und die Sicherheit der Anlage negativ beeinflußt werden, zu hoher Energieverlust und unzureichende Temperaturhomogenität im Nutzraum der Anlage.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Wärmetransport vom Nutzraum zur Kesselwand zu verringern und deren Temperatur in Grenzen zu halten, um die angegebenen nachteiligen Wirkungen weitestgehend auszuschalten.
Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Teile der Ansprüche 1 bis 9 gelöst.
Mit den in den Ansprüchen 1 und 2 gekennzeichneten Merkmalen, nämlich der Auskleidung der inneren Kesselwand mit einer Iso­ lation, bestehend vorzugsweise aus metallischen Folien und/oder Blechen, wird erreicht, daß an dieser Stelle ein hoher Tempera­ turabfall auftritt. Damit kann die Temperatur an der Kesselwand niedrig gehalten werden.
Mit den Maßnahmen, die in den Ansprüchen 3 und 4 beschrieben sind, wird die Isolation an besonders kritischen Stellen ver­ bessert. Diese Stellen befinden sich insbesondere bei Nutz­ räumen mit eckigem Querschnitt an den Kanten und Fügestellen, dort, wo zwei Wände aneinanderstoßen. An diesen Schnittstellen treten Restspalte auf, die sich im Laufe der Betriebszeit ver­ größern können und so eine mangelhafte Isolation verursachen.
Dieser nachteilige Effekt kann durch Abdecken der Spalte ver­ hindert werden. Dabei stößt man jedoch auf Schwierigkeiten. Von der Bearbeitung her gesehen würden sich Metallfolien eignen, um die Ecken und Kanten abzudecken. Da aber die Nutzraum-Isolation aus Graphitfilz besteht, würde eine eng­ anliegende Abdeckung zu chemischen Reaktionen und bei Wärme­ ausdehnung zu mechanischen Spannungen führen, wodurch die Funktion der beabsichtigten Maßnahme infrage gestellt würde. Diese Schwierigkeiten können vermieden werden, wenn zum Abdecken der gleiche Werkstoff verwendet wird, aus dem auch die Nutzraum-Isolation besteht, nämlich Graphit. Die herkömm­ lichen Graphitwerkstoffe scheiden aber aus, da sie wegen ihrer Brüchigkeit zum dichten Einfügen in Ecken und Kanten nicht geeignet sind.
In neuerer Zeit stehen jedoch kohlensotff-faserverstärkte Graphitwerkstoffe zur Verfügung, die mit beliebigem Profil hergestellt werden können. Die Verwendung von Winkelprofilen aus diesem Werkstoff zum Abdecken von Restspalten an Ecken und Kanten stellt eine optimale Lösung der oben beschrie­ benen Probleme dar. Wenn man diese Teile zwischen den ver­ schiedenen Schichten der Nutzraum-Isolation mehrfach anbringt, erhält man eine Art Labyrinthdichtung und somit eine weitere Verbesserung der Isolation des Nutzraumes.
Ähnlich kritische Stellen befinden sich an den Stirnkanten der Nutzraum-Isolation, wo durch häufiges Öffnen und Schließen die zur Isolation dienenden Flächen einem hohen Verschleiß ausge­ setzt sind. Durch die in Anspruch 5 beschriebene Maßnahme wird eine dauerhafte und sichere Isolation erreicht.
Die in den Ansprüchen 6 und 7 beschriebenen Trennwände behindern die Konvektion und reduzieren damit die Wärmeübertragung von der Nutzraum-Isolation zur Kesselwand bzw. zur Kesselwand-Isolation.
In den Ansprüchen 8 und 9 ist eine zusätzliche Kühlung an den Deckelseiten des Kessels beschrieben. Dies ist nötig, da wegen der großen Wandstärke im Flansch- und Deckelbereich die übliche Kesselkühlung nicht ausreicht.
Anhand der folgenden Abbildungen soll die Erfindung näher erläutert werden.
Es zeigen:
Fig. 1 Diagramm zu Temperaturverlauf und Wärmeübertragung
Fig. 2 Schematischer Querschnitt durch die erfindungsgemäße Anlage
Fig. 3 Ausschnitt aus einem schematischen Längsschnitt der Nutzraum-Isolation an einer oberen Stirnkante
Mit dem Diagramm in Fig. 1 soll beispielsweise dargestellt werden, wie Temperaturverlauf und Wärmeübergang vom Nutzraum bis zur Kesselwand unter verschiedenen Betriebsbedingungen (Vakuum p 1, im Bereich einiger bar p 2 und unter hohem Druck p 3) aussehen können:
Im Nutzraum herrscht unter allen Betriebsbedingungen die kon­ stante Temperatur T 1. Vom Rande S 1 des Nutzraumes bis zur Kesselwand S 3 ergeben sich in Abhängigkeit vom jeweiligen Be­ triebszustand folgende Verhältnisse, wobei grundsätzlich gilt: Im Gleichgewicht sind die abgeführten Wärmemengen W 1, W 2 und W 3 gleich.
Vakuum (p 1 = Unterdruckbereich): Innerhalb der Nutzraum-Iso­ lation wird die Wärmemenge W 1 durch Wärmeleitung des Isolati­ onsmaterials von S 1 nach S 2 übertragen. Die Temperatur T 2 nimmt den Wert A an. Der weitere Wärmetransport nach S 3 erfolgt im wesentlichen nur durch Strahlung. An der Stelle S 3 nimmt die Temperatur T 3 den Wert A′ an.
Unter Druck (p 2 = im Bereich einiger bar): Die Wärmeübertra­ gung von S 1 nach S 2 erfolgt durch Wärmeleitung des Isolations­ materials und des darin enthaltenen Gases und durch Konvektion. T 2 nimmt den Wert B an. Nach S 3 wird die Wärme durch Strahlung, durch Wärmeleitung des Gases und durch Konvektion übertragen.
Die Temperatur T 3 steigt auf B′ an. B′ liegt höher als A′, da in diesem Falle die von S 2 nach S 3 transportierte Wärmemenge um den Betrag, der durch den Einfluß des Gases bedingt ist, höher ist als im Vergleichsfalle Vakuum. Deshalb liegt auch an der Stelle S 2 der Punkt B niedriger als der Punkt A. Dadurch, daß mehr Wärme von S 2 nach S 3 übertragen wird, sinkt die Temperatur T 2.
Unter hohem Druck (p 3» p 2): Die Wärmeübertragung von S 1 nach S 2 erfolgt wie im vorhergehenden Falle durch Wärmeleitung des Isolationsmaterials und des Gases und durch Konvektion. T 2 nimmt den Wert C an. Zwischen S 2 und S 3 wird die Wärme durch Strahlung, durch Wärmeleitung des Gases und durch Kon­ vektion, übertragen. Da die Konvektion bei hohem Druck in diesem Falle eine große Rolle spielt, steigt die Temperatur T 3 bei S 3 auf den Wert C′ beträchtlich an.
In allen drei Fällen ist die Temperatur T 3 zusätzlich abhängig von der Wärmemenge W 3, die aus der Kesselwand nach außen transportiert wird.
Durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2, nämlich die Aus­ kleidung der Kesselinnenwand mit einer Isolation, bestehend vorzugsweise aus metallischen Folien und/oder Blechen, wird erreicht, daß vor der Kesselwand die Konvektion reduziert wird und somit ein hoher Temperaturgradient entsteht, wo­ durch die Temperatur vor der Kesselwand-Isolation zunächst den Wert D annimmt, um dann bis zur Kesselwand hin auf einen Wert D′ abzufallen, welcher deutlich unter dem Wert C′ liegt.
Durch die Maßnahmen, die in den Ansprüchen 3 bis 5 be­ schrieben sind, wird die vom Nutzraum zum übrigen Kessel­ volumen durch Konvektion übertragene Wärmemenge reduziert.
Durch die Merkmale der Ansprüche 6 und 7 wird der Anteil der übertragenen Wärmemenge W 2, der durch die Konvektion bedingt ist, reduziert. Dies wirkt sich in einer Erniedri­ gung der Temperatur C′ (ohne Kesselwand-Isolation) und der Temperaturen D und D′ (mit Kesselwand-Isolation) aus.
Durch die Merkmale der Ansprüche 8 und 9 werden im Flansch­ und Deckelbereich die Kesseltemperaturen durch die verbes­ serte Wärmeabfuhr erniedrigt.
In Fig. 2 ist der schematische Querschnitt einer erfindungs­ gemäßen Anlage , die in diesem Beispiel horizontal ausgeführt ist, und in Fig. 3 ein Ausschnitt aus einem schematischen Längsschnitt der Nutzraum-Isolation an einer oberen Stirn­ kante wiedergegeben. Darin sind bezeichnet mit 1 Nutzraum, 2 Rezipient, 3 Heizung, 4 Nutzraum-Isolation, 5 Konvektions- Trennwände, 6 Kesselwand-Isolation, 7 Zusatzkühlung, 8 Kessel­ wand, 9 Kesselkühlung, 10 Vakuumanschluß, 11 Druckgasanschluß und 12 Entwachsungsanschluß, 13 Winkelprofile aus kohlenstoff- faserverstärktem Graphit, 14 Stirnwand der Nutzraum-Isolation, 15 Stirnkanten, 17 Profile aus kohlenstoff-faserverstärktem Graphit, 18 Hartfilzplatten, 19 Graphitfolienkaschierung, 20 Seitenwände der Nutzraum-Isolation, 21 obere Deckwand der Nutzraum-Isolation.

Claims (9)

1. Anlage zum Wärmebehandeln von Werkstoffen im Vakuum und unter Druck, bestehend aus einem Nutzraum (1), einem den Nutzraum umschließenden Rezipienten (2), einer Hei­ zung (3), einer Nutzraum-Isolation (4), einem wasser­ gekühlten Kessel (8, 9) mit einem Vakuumanschluß (10) und einem Druckgasanschluß (11), dadurch gekennzeichnet, daß vor der Kesselwand eine zusätzliche Kesselwand-Iso­ lation (6) angeordnet ist.
2. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kesselwand-Isolation (6) aus metallischem Werkstoff in Form von Folien und/oder Blechen besteht.
3. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzraum-Isolation (4) aus Hartfilzplatten (18) mit gasundurchlässiger Graphitfolienkaschierung (19) auf Seitenwänden (20), der oberen Deckwand (21) und auf den Stirnwänden besteht und die oberen Kanten und Fügestellen mit Winkelprofilen (13) aus kohlenstoff-faserverstärktem Graphit so abgedeckt werden, daß Dichtheit gegen Gas­ durchtritt erzielt wird, während die unteren Kanten zum Evakuieren offen sind.
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelprofile (13) bestehend aus kohlenstoff-faserver­ stärktem Graphit zwischen den Hartfilzplatten (18) mehrfach abwechselnd angeordnet sind und so eine Art Labyrinthdichtung gebildet wird.
5. Anlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnkanten (15) der Nutzraum-Isolation (4) und/oder die Gegenflächen mit Profilen (17) aus kohlenstoff-faser­ verstärktem Graphit eingefaßt sind.
6. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Nutzraum-Isolation (4) und Kesselwand-Isolation (6) Trennwände (5) als Konvektions­ sperren angeordnet sind.
7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwände (5) aus metallischem Werkstoff in Form von Folien und/oder Blechen bestehen.
8. Anlage nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine zusätzliche Wasserkühlung (7) zwischen Kesselwand-Isolation (6) und Kesselwand (8) angeordnet ist.
9. Anlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Wasserkühlung (7) an der oberen Kesselhälfte im Flansch- und Deckelbereich angeordnet ist.
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