DE3935929C2 - Vorrichtung zur Schnellkühlung von zylindrischem Halbzeug - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Schnellkühlung von zylindrischem Halbzeug nach einer Wärmebehandlung in einer Gasströmung.

Bei der Wärmebehandlung, insbesondere bei der Schnellkühlung von zylindrischen Metall-Halbzeugen, wie bspw. Drähten, zum Zweck des Härtens und des Patentierens ist man bei der Abkühlung von der Glühtemperatur auf die metallurgisch erforderliche Abkühl-, bzw. Haltetemperatur auf Salzbäder oder Bäder aus flüssigem Metall angewiesen, da nur durch eine Bewegung des Halbzeuges durch ein fluides Medium mit entsprechenden wärmetechnischen Eigenschaften die erforderliche Abkühlgeschwindigkeit erreicht und die Kühltemperatur mit der erforderlichen Genauigkeit eingehalten werden können; denn die mit Metallbädern erreichbaren Wärmeübergangskoeffizienten reichen von 2000 bis 4000 W/m²⁰K.

Der große Nachteil dieser Bäder liegt in der damit verbundenen Umweltbelastung, da bspw. zum Patentieren von Stahldrähten ein Bleibad eingesetzt wird. Es ist kaum möglich, bei der Abkühlung von Stahldrähten mittels Bleibad das unkontrollierte Eintragen von Blei in die Umgebung auszuschließen.

Ähnlich kritisch verhalten sich Salzbäder, da mit den Salzrückständen Schadstoffe vom Draht in die Umgebung eingebracht werden.

Aus der DE 29 47 163 C2 ist ein Verfahren zum kontinuierlichen raschen Abkühlen von auf hohe Temperatur erwärmtem Metalldraht bekannt, bei dem der Draht eine enge Leitung durchläuft. In dieser engen Leitung ist rechtwinklig zur Laufrichtung des Drahtes mindestens ein Wasserstrahl auf ihn gerichtet. Beansprucht wird die Dimensionierung der engen Leitung, die eine Breite von wenigstens dem 4fachen des Drahtdurchmessers und deren Dicke wenigstens das Doppelte des Drahtdurchmesers sein soll. Die Strömungsgeschwindigkeit des Wasserstrahls soll wenigstens 10 m/s sein. Gemäß den Ausführungen in den Fig. 3 und 4 können die Querschnitte der Einleit- und Ausleitkammern ein stetig sich veränderndes Profil haben. Der Draht läuft dann jeweils durch die engste Stelle dieses Kammerprofils. Bei diesem bekannten Verfahren wird die an bekannten mit Kühlwasser beschickten Abschreckeinrichtungen auftretende Bildung von Dampfblasen, die eine Verschlechterung des Wärmeübergangs hervorrufen, vermieden.

Aus der DE 32 44 202 C2 ist ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von Werkstücken durch Abkühlen des erhitzten Werkstückes in einem flüssigen Härtemittel bekannt, das zwangsweise geführt und umgewälzt wird.

Schließlich ist aus der DE-Z HTM 36 (1981) 2, S. 81 bis 85 bereits ein Verfahren zur Gaskühlung von in Vakuumofenanlagen behandelten Werkstücken für sich bekannt. Dort ist beschrieben, daß eine Erhöhung des Gasdruckes oder der Gasgeschwindigkeit eine Zunahme des Wärmeübergangskoeffizienten α zur Folge hat. Beim Lötprozeß in Vakuumofenanlagen sind jedoch im allgemeinen keine hohe Abkühlgeschwindigkeiten erforderlich.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte und zuvor näher beschriebene Vorrichtung zur Schnellkühlung von zylindrischem Halbzeug nach einer Wärmebehandlung in einer Gasströmung so zu verbessern, daß mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand eine besonders hohe Abschreckgeschwindigkeit erreicht wird.

Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unteransprüche definiert.

Bei der hier realisierten Ausführungsform einer Vorrichtung zur kon­ vektiven Wärmebehandlung läßt sich die erforderliche hohe Strömungs­ geschwindigkeit bei der Umströmung des zylindrischen Halbzeuges, ins­ besondere von Drähten, mit wirtschaftlich vertretbarem Aufwand reali­ sieren, indem für eine entsprechende Strömungsführung gesorgt wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher er­ läutert. Es zeigen

Fig. 1 eine Schemazeichnung des Strömungskreislaufes einer Aus­ führungsform einer Vorrichtung zur konvektiven Wärmebehandlung von Drähten,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Strömungsführung, in der die Drähte mit der Gas-Strömung hoher Geschwindigkeit beaufschlagt werden, und

Fig. 3 eine maßstäbliche Skizze des Querschnitts senkrecht zur Drahtachse einer typischen Ausführungsform einer solchen Strömungsführung.

Die aus Fig. 1 ersichtliche, allgemein durch das Bezugszeichen 10 an­ gedeutete Vorrichtung zur konvektiven Wärmebehandlung von Drähten 12 in einer Gasströmung weist einen Radialventilator 14 auf, der das im Um­ lauf geführte Gas, das in Richtung der Pfeile strömt, aus einem Kanal 6 ansaugt und in einen sich konisch erweiternden Kanal 16 bläst, in dem ein Wärmetauscher 18 angeordnet ist. An den Wärmetauscher 18 schließt sich ein sich konisch verjüngender Kanal 20 an, der gemäß der Darstellung in Fig. 1 nach unten in den Einströmquerschnitt 22 der Be­ handlungszone mit den Drähten 12 übergeht.

Die eigentliche Strömungsführung verengt sich von dem Einströmquer­ schnitt 22 auf einen engsten Querschnitt 24 und erweitert sich an­ schließend, ähnlich wie eine Venturidüse, wieder auf den Austritts­ querschnitt 26, der in etwa dem Eintrittsquerschnitt 22 entspricht.

Die Drähte 12 befinden sich in der Strömungsführung etwas stromauf vom engsten Querschnitt 24.

Das Erweiterungsverhältnis vom engsten Querschnitt 24 auf den Aus­ trittsquerschnitt 26 liegt bei etwa 3.

Durch die Anordnung der Drähte 12 etwas stromauf vom engsten Quer­ schnitt 24 wird erreicht, daß sich der Strömungsnachlauf hinter den Drähten 12 aufgrund der stromab vom Draht 12 erfolgenden, starken Strö­ mungsbeschleunigkeit verringert und die dem Druckrückgewinn dienende Erweiterungsströmung vom engsten Querschnitt 24 auf den Austrittsquer­ schnitt 26 weniger stark gestört wird als in dem Fall, wenn der Draht 12 im engsten Querschnitt angeordnet würde.

Ein weiterer Vorteil wird noch darin gesehen, daß die Strömung bei der angegebenen Lage der Drähte 12 diese mit einem größeren Umschlingungs­ winkel umschließt, wodurch sich optimale Bedingungen für einen aus­ reichenden Wärmeübergang ergeben.

Bei der Vorrichtung 10 nach Fig. 1 fließt das Gas in einer geschlos­ senen Strömungsführung von dem Strömungsantrieb, nämlich dem Radial­ ventilator 5, über den Wärmetauscher 18 und die Behandlungszone 22, 24, 26 zurück zum Radialventilator 14.

Aus der perspektivischen Darstellung nach Fig. 2 ist ersichtlich, wie die Drähte 12 durch die Strömungsführung in der Behandlungszone 22, 24, 26 hindurch bewegt werden. Dabei werden die jeweils optimalen Abmes­ sungen für den Einströmquerschnitt 22, die engste Stelle 24 und den Ausströmquerschnitt 26 durch in die Behandlungszone im Abstand vonein­ ander eingesetzte Hohlkörper oder Platten 28 erreicht, die gemäß der Darstellung in Fig. 2 im Querschnitt etwa die Form eines Kegels haben; jeweils zwei nebeneinander angeordnete Platten 28 bilden einen von dem gasdurchströmten Spalt mit der erläuterten Strömungsführung, durch den auch die Drähte 12 im rechten Winkel zur Gasströmung hindurch bewegt werden.

Die Platten 28 haben also eine Querschnittsform, die, in Strömungsrich­ tung gesehen, also gemäß der Darstellung in Fig. 3 von oben, mit ei­ nem abgerundeten Kopf 28a mit parallelen Seitenwänden beginnt und sich dann im Bereich 28b konisch erweitert, bis die breiteste Stelle 28c erreicht ist, an der sich wiederum der engste Querschnitt 24 der Strö­ mungsführung befindet.

Ausgehend von der breitesten Stelle 28c verjüngen sich die Platten 28 zum unteren Ende 28d hin.

Als Alternative zu der dargestellten Ausführungsform ist es auch mög­ lich, solche Strömungsführungen, in Transportrichtung der Drähte 12 betrachtet, hintereinander anzuordnen und in diesen Strömungsführungen jeweils die Strömung von der einen Richtung in die andere Richtung um­ zukehren. Dadurch ergibt sich der Vorteil, daß die auf den Draht aus­ geübten Strömungskräfte sich jeweils ausgleichen; außerdem erfolgt auf­ grund der jeweils um 180° gedrehten Strömungsrichtung der Wärmeüber­ gang gleichmäßiger, was dann wesentlich ist, wenn Drähte oder stabför­ mige Halbzeuge behandelt werden müssen, bei denen der Widerstand für den Wärmeübergang im Vergleich mit dem Widerstand für die innere Wärmeleitung nicht groß ist.

Wie in Fig. 3 dargestellt ist, können die Körper 28 zwischen zwei benachbarten Strömungsführungen für zwei nebeneinander durch die Vorrichtung 10 hindurchgeführten Drähte 12 auch in Strömungsrichtung stumpf enden. Dadurch entsteht dann, in Strömungsrichtung gesehen, hinter dem sich kontinuierlich erweiternden Diffusor noch eine plötzliche Erweiterung, ein sogenannter Stoßdiffusor, der bei kürzerer Baulänge insgesamt zu gleichen oder sogar noch zu einem höheren Druckrückgewinn führt als in dem Fall, daß der sich kontinuierlich erweiternde Diffusor entsprechend länger ausgeführt würde. Mit einer solchen Vorrichtung lassen sich Strömungsgeschwindigkeiten in Luft bzw. Stickstoff von 100 bis 150 m/s mit einem normalen Mitteldruckventilator 14 erreichen. Noch günstiger werden die Verhältnisse, wenn bspw. als Kühlmedium Wasserstoffgas verwendet wird. In diesem Fall können mit wirtschaftlich sinnvoll vertretbarem Aufwand Strömungsgeschwindigkeiten von etwa 200 m/s erzielt werden.

Für die Funktionsweise der Vorrichtung 10 ist noch wesentlich, daß der gesamte Strömungskreislauf gegenüber der Umgebung abgedichtet ist und sich lediglich durch die Öffnungen, über die die Drähte 12 in die Strömungsführung hinein- bzw. aus der Strömungsführung herausgezogen werden, ein Druckausgleich mit der Umgebung einstellt. Dadurch wird dann diesem Querschnitt der Atmosphärendruck aufgeprägt.

Da es sich jedoch um einen geschlossenen Strömungskreislauf handelt, tritt aus diesen Öffnungen weder Strömungsgas aus noch Umgebungsluft ein, wenn man von einer geringfügigen Vermischung absieht.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Schnellkühlung von zylindrischem Halbzeug nach einer Wärmebehandlung in einer Gasströmung, gekennzeichnet durch einen Förderweg des Halbzeugs durch den Bereich vor der engsten Stelle einer Strömungsführung nach Art einer Venturidüse in Richtung seiner Längsachse quer zur Düsenachse.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Eintritts-Querschnitt und der Austritts-Querschnitt (22, 26) der Strömungsführung (22, 24, 26) etwa gleich groß sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Eintritts- und Austrittsquerschnittes (22, 26) zum engsten Querschnitt (24) im Bereich von 2 : 1 bis 4 : 1 liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis etwa 3 : 1 beträgt.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsführung (22, 24, 26) zweidimensional ausgestaltet ist, und daß das zylindrische Halbzeug (12) in Richtung der dritten Dimension geführt wird.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das zylindrische Halbzeug (12) in einem kurzen, im Vergleich zu den Gesamtabmessungen der Strömungsführung (22, 24, 26) geringen Abstand stromauf von dem engsten Strömungsquerschnitt (27) durch die Strömungsführung (22, 24, 26) bewegt wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Strömungsführungen (22, 24, 26) für mehrere zylindrische Halbzeuge (12) parallel geschaltet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Parallelschaltung von mehreren Strömungsführungen (22, 24, 26) durch einen einzigen Strömungsantrieb (14) versorgt wird.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Strömungsantrieb (14) ein Radialventilator verwendet wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsantrieb (14) mit der Parallelschaltung von mehreren Strömungsführungen (22, 24, 26) sowie ihrer Zuströmung (16) und ihrer Abströmung (6) einen geschlossenen Strömungsweg bildet.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendruck bzw. der Druck der angrenzenden Umgebung dem geschlossenen Strömungsweg mit Hilfe des Durchführungsquerschnittes der zylindrischen Halbzeuge (12) aufgeprägt wird.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsführung aus mehreren nebeneinander angeordneten Abschnitten mit jeweils gegengerichteter Durchströmungsrichtung zusammengefügt ist, und daß die zylindrischen Halbzeuge (12) mit von Abschnitt zu Abschnitt wechselnder Strömungsrichtung angeströmt werden.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte jeweils getrennten Strömungskreisläufen zugeordnet sind.