DE3841521B4

DE3841521B4 - Ofen für HIP-Anlagen

Info

Publication number: DE3841521B4
Application number: DE19883841521
Authority: DE
Inventors: Friedrich B. Bielfeldt; Ulrich Dipl.-Ing. Wilmsen
Original assignee: Dieffenbacher GmbH and Co KG
Current assignee: Dieffenbacher GmbH and Co KG
Priority date: 1988-12-09
Filing date: 1988-12-09
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2008-12-10
Also published as: DE3841521A1

Abstract

Ofen für unter Vakuum betriebene Sinter-HIP-Anlagen mit elektrischer Widerstandsheizung, bestehend aus einer zwischen dem Druckmantel und dem Heizer angeordneten Isolierhaube, dem aus Isolierplatten bestehenden Podest sowie den stromführenden Leitungen, wobei die Heizelemente des Heizers von Träger und Abstandshalter fixiert und von Halterungsschuhen gehalten sind, die Materialien des Ofens aus Graphit für die Heizelemente und Träger, aus Bornitrid für Abstandshalter und Halterungsschuhe, aus Graphitpapier, -bund und/oder -filz für die innerste Schichten der Isolierhaube sowie dem Podest bestehen und Zirkoniafilz ab einer Temperatur von 1200° Celsius für die zweiten Schichten der Isolierhaube und des Podestes verwendet wird, wobei bei einem Vakuum von 0,665 × 10^–3 bar, einer Betriebsspannung von 50 V und einer Temperatur von 1500° Celsius die kleinsten Abstände der Materialien circa 10 mm betragen und bei Temperatursteigerungen bis auf 2000° C und bei Absenkung der Betriebsspannung auf 20 V sich die kleinsten Abstände um circa 20 mm pro 100° Celsius...

Description

Die Erfindung betrifft einen Ofen für HIP-Anlagen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
In einer HIP-Anlage (Heiß-Isostatische-Preßanlage) wird meistens ein Ofen mit elektrischer Widerstandsheizung eingesetzt. Die Betriebs- und Funktionssicherheit des Ofens hängt davon ab, ob die installierten Bauteile ihre Aufgabe erfüllen. In vielen Fällen werden Mehrzonen-Öfen verwendet, in denen jede Zone einen getrennten elektrischen Heizkreis hat. Damit wird es notwendig, für jede Zone eine isolierte Stromzuführung zu schaffen, die sowohl gegen die Masse als auch gegen die Stromzuführungen der anderen Zonen isoliert werden muß.
Wird eine Anlage auch als Sinter-HIP-Anlage im Vakuum betrieben, treten zusätzlich noch einige Besonderheiten auf, die bei der Konstruktion des Ofens beachtet werden müssen.
HIP-Anlagen werden häufig mit Argon oder Stickstoff betrieben. Argon und Stickstoff ionisieren bereits bei einer Spannung von ca. 16 V. Erhitzt man ein Gas genügend hoch, so zeigt es eine mit der Temperatur rasch ansteigende Leitfähigkeit. Es wird allein durch die Einwirkung der Temperatur Trägerplasma gebildet. Die Trägerbildung entsteht durch die Elektronenemission an den stromführenden Teilen.
Im Vakuum besteht bei einer bis zu 2200° C steigenden Temperatur aufgrund des ionisierten Gases die Gefahr der Lichtbogenbildung, wobei die Zündspannung eine Funktion von Druck und Abstand ist; je kleiner der Abstand und der Druck, desto größer die Gefahr der Lichtbogenbildung. Im Ergebnis sind elektrische Überschläge bei nicht geeignetem Werkstoff der verwendeten Bauteile die Folge.

Im bisher bekannten Stand der Technik DE 26 16 555 A1 , DE 32 39656 C2 , DE 32 42 959 A1 , DE 36 25 788 A1 werden verschiedene Materialien zum Heizen und Isolieren der Öfen von HIP-Anlagen beschrieben. Im wesentlichen betreffen diese Schutzrechte gemäß ihrer Aufgabe eine kompaktere Bauweise der Ofentechnik. Dazu werden insbesondere auch formstabilere Ausführungen beschrieben, um Hitzeschocks und daraus resultierende Deformationen des Ofens zu vermeiden. Auch soll mit diesen Schutzrechten eventuelle Kurzschlüssen während des Betriebes entgegengewirkt werden.

Die oben angeführten Nachteile sind aber mit diesem vorbekannten Stand der Technik nicht zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch geeignete Auswahl von Materialien für die verwendeten Bauteile und der Isolation bei einer Betriebsspannung von 50 V und circa 1500° C Ofentemperatur und ferner bei einer Betriebstemperatur von circa 1500° C bis 2000° C und 0,665·10^–3 bar (500 mTor) sowie konstruktiv bedingten geometrischen Abständen dieser

Materialien, elektrische Überschläge eines im Vakuum betriebenen Ofens einer HIP-Anlage zu vermeiden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bevorzugte Ausführungen des Ofens nach Anspruch 1 sind in den Unteransprüchen zu finden.

Die Auswahl der Materialien für die stromführenden Bauteile im Ofen und ihre Isolation tragen wesentlich zur Lösung der gestellten Aufgabe bei. Diese Materialien haben sich in Versuchen bewährt. So hat sich herausgestellt, daß Bornitrid als Abstandshalter für die Heizelemente geeignet ist, da es bei schnellen thermischen Veränderungen nicht auseinanderplatzt, wie das bisher bei dem verwendeten Aluminiumoxid der Fall war.

Wo die Abstände zwischen unterschiedlichen Potentialen zu gering werden und deshalb Überschläge zu befürchten sind, und auch hier hohe Temperaturen auftreten, werden die Flächen durch Halterungsschuhe aus Bornitrid abgeschirmt.

Weiter haben sich die Verwendung von Graphitpapier, -bund und/oder -filz im Wärmeisolierbereich der Isolierhaube und Podest, für die innersten Schichten bewährt, da sie aufgrund der thermischen Belastung nicht reißen, wie die bisher verwendeten keramischen Platten.

Von Vorteil ist weiter die Verwendung von Zirkonia-Filz als zweite Isolierschicht nach dem Graphitfilz, da dieses ab einer Temperatur von 1200° C eine wesentlich bessere Isolierwirkung hat als Graphit.

Für alle stromführenden Bauteile mit hoher statischer und thermischer Belastung hat sich die Verwendung von verkupfertem Stahl als vorteilhaft herausgestellt. Dabei übernimmt die Stahlseele die statische und thermische Beanspruchung und der Kupfermantel die nötige hohe Leitfähigkeit für den elektrischen Strom. Vorzugsweise wird für alle anderen stromführenden Bauteile Kupfer verwendet. Stahl und Graphit darf wegen der Gefahr eines sich dabei bildenden Eutektikums nicht direkt miteinander in Berührung kommen. Als Schutz wird bei nichtleitenden Verbindungen die Verwendung einer Isolierzwischenlage aus Bornitrid vorgeschlagen.

Durch die erfindungsgemäße Verwendung der genannten Materialien bzw. der Isolation werden Lichtbögen unter Vakuum verhindert.

Claims

Ofen für unter Vakuum betriebene Sinter-HIP-Anlagen mit elektrischer Widerstandsheizung, bestehend aus einer zwischen dem Druckmantel und dem Heizer angeordneten Isolierhaube, dem aus Isolierplatten bestehenden Podest sowie den stromführenden Leitungen, wobei die Heizelemente des Heizers von Träger und Abstandshalter fixiert und von Halterungsschuhen gehalten sind, die Materialien des Ofens aus Graphit für die Heizelemente und Träger, aus Bornitrid für Abstandshalter und Halterungsschuhe, aus Graphitpapier, -bund und/oder -filz für die innerste Schichten der Isolierhaube sowie dem Podest bestehen und Zirkoniafilz ab einer Temperatur von 1200° Celsius für die zweiten Schichten der Isolierhaube und des Podestes verwendet wird, wobei bei einem Vakuum von 0,665 × 10^–3 bar, einer Betriebsspannung von 50 V und einer Temperatur von 1500° Celsius die kleinsten Abstände der Materialien circa 10 mm betragen und bei Temperatursteigerungen bis auf 2000° C und bei Absenkung der Betriebsspannung auf 20 V sich die kleinsten Abstände um circa 20 mm pro 100° Celsius vergrößern, so dass der Abstand bei 2000° C und 20 V Betriebsspannung circa 100 mm beträgt.
Ofen für HIP-Anlagen nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch die Verwendung von verkupfertem Stahl für alle stromführenden Leiter mit hoher statischer Belastung und hoher Erwärmung.
Ofen für HIP-Anlagen nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung von Kupfer für alle übrigen stromführenden Leiter und Bauteile.
Ofen für HIP-Anlagen nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Bornitrid als Isolator zwischen allen nichtleitenden Verbindungen aus Stahl und Graphit.