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