DE69001640T2

DE69001640T2 - Hochdruckgefäss zum isostatischen Heisspressen mit Anordnungen für Abkühlung.

Info

Publication number: DE69001640T2
Application number: DE90105988T
Authority: DE
Inventors: Carl Bergman; Lars Ohlsson
Original assignee: Asea Brown Boveri AB
Current assignee: Avure Technologies Voesteras Se AB
Priority date: 1989-04-04
Filing date: 1990-03-29
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2010-03-30
Also published as: EP0395884B1; SE467611B; EP0395884A1; US5123832A; SE8901172L; SE8901172D0; DE69001640D1

Description

Die Erfindung betrifft eine heißisostatische Presse (HIP) gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine solche Presse ist bekannt aus der DE-C-3028773. Die Presse ist mit Einrichtungen zur schnellen Kühlung der Gegenstände nach dem Pressen versehen, durch welche das gekühlte Druckmittel dazu gebracht wird, durch die Ofenkammer zu zirkulieren.
Pressen für isostatisches Heißpressen sind in einer Reihe von Ausführungen bekannt und werden beispielsweise zur Herstellung fester Körper aus Pulvermaterial oder zur Verdichtung von Gußstücken verwendet. Eine solche Presse kann in weiten Temperatur- und Druckbereichen arbeiten, gewöhnlich zwischen 500ºC und 2200ºC und 500 bis 2000 bar. Als Druckmittel wird gewöhnlich ein inertes Gas, wie zum Beispiel Argon, verwendet, aber es können auch flüssige Druckmittel verwendet werden.
Die isostatische Presse besteht im wesentlichen aus einem Druckgefäß, in welchem ein Ofen angeordnet ist, der gewöhnlich mittels elektrischer Heizelemente geheizt werden kann und von einem wärmeisolierenden Mantel und von einer Bodenisolationsplatte umgeben ist. Zwischem dem wärmeisolierenden Mantel und der Druckgefäßwand, die gewöhnlich mit irgendeiner Kühleinrichtung versehen ist, ist ein Druckmittel enthaltender Raum vorhanden, der kälter als die Ofenkammer ist.
Für viele Anwendungen ist es wichtig, in der Lage zu sein, die Ofenkammer schnell zu kühlen, damit die darin vorhandenen Gegenstände die richtigen Materialeigenschaften erhalten und um eine schnellere Entnahme der Gegenstände zu ermöglichen und so die Zykluszeit zu verkürzen.
Um eine schnellere Kühlung der Ofenkammer in einer isostatischen Heißpressen herbeizuführen, ist es bekannt, für eine Verbindung zwischen der Ofenkammer und dem kälteren Raum in der Presse zu sorgen und eine Zirkulation von kälterem Gas aus dem kälteren Raum durch die Ofenkammer herbeizuführen. Es ist auch möglich, eine zusätzliche Kühlung des Gases dadurch herbeizuführen, daß dieses Gas einen Wärmetauscher oder irgendeine Form von wärmeabsorbierenden Material durchströmt. Kühlung kann auch dadurch erreicht werden, daß die Presse mit einer Einrichtung versehen ist zum Injizieren von kaltem Gas in die Ofenkammer aus einer außerhalb der Presse gelegenen Quelle. Eine solche Presse ist bekannt aus der EP- A-85 20 0706, bei welcher die Kühlung dadurch herbeigeführt wird, daß ein Injektor zum Injizieren von kaltem Gas in die Ofenkammer vorhanden ist, welcher Injektor an eine Hochdruckleitung für kaltes Gas angeschlossen und in einem Gehäuse untergebracht ist, welches mit dem Raum zwischen der Druckgefäßwand und dem isolierenden Mantel über ein Ventil verbunden ist. Der Isoliermantel um die Ofenkammer ist in seinem oberen Teil mit Öffnungen versehen, um eine Gaszirkulation herbeizuführen.
Die Nachteile der bekannten Einrichtungen zur Erzielung einer schnellen Kühlung eines HIP-Ofens bestehen darin, daß eine ungleichmäßige Kühlung der Gegenstände stattfindet, wenn Gas, welches bedeutend kälter ist als das Gas in der Ofenkammer, an den Gegenständen vorbeiströmt. Dies kann zu einer ungleichmäßigen Qualität der Gegenstände führen. Es können auch Spannungen in den Gegenständen entstehen, welche zur Bildung von Rissen führen, die die Gegenstände für den Verkauf ungeeignet machen. Der Stand der Technik ist besonders schädlich, wenn die Charge aus einem großen Gegenstand, wie z.B. ein Ring für eine Gasturbine oder dergleichen, besteht, bei dem eine ungleichmäßige Kühlung den gesamten Gegenstand zerstören kann. Die gleiche Art von Nachteilen ergeben sich mit Kühlströmen, die von oben her in den Beschickungsraum eingeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine heißisostatische Presse zu entwickeln, die in ihrer Konstruktion einfach ist und die nach erfolgter Behandlung ein schnelles und gleichmäßiges Kühlen sogar von großen Gegenstnänden ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine heißisostatische Presse gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 vorgeschlagen, die erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale hat.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen genannt.
Das kühlende Druckmittel, welches in den Beschickungsraum injiziert wird, hat eine Temperatur, die niedriger, aber nicht beträchtlich niedriger ist als die Temperatur der Gegenstände. Die Temperatur des injizierten Druckmittels wird dadurch geregelt, daß das heiße Druckmittel, welches längs des Spaltes zwischen dem Rohr und dem wärmeisolierenden Mantel nach unten zirkuliert, mit Druckmittel gemischt wird, welches mit der gekühlten Gefäßwand in Berührung gekommen war.
Durch Verwendung eines großen Stromes von kühlendem Druckmittel, welches eine Temperatur hat, die nicht erheblich niedriger liegt als die Temperatur der Gegenstände, und dadurch, daß dieser Strom von unten her injiziert wird, um nach oben durch den Beschickungsraum zu strömen und den Gegenständen Hitze zu entziehen, wird ein sehr stabiler Strom erreicht, dessen Neigung zur Bildung interner Ströme gering ist. Auf diese Weise wird eine sehr ausgeglichene Kühlung der Gegenstände erreicht. Dies hat viele Vorteile gegenüber den früher verwendeten Anordnungen zur schnellen Kühlung, bei denen die Einführung eines kalten Gases in den Beschickungsraum dazu führte, daß einige Teile der Charge schneller gekühlt wurden als andere, was zu unbrauchbaren gepreßten Gegenständen führte.
Um einen optimalen Druckmittelstrom in dem Druckgefäß während der Kühlphase zu erhalten, werden Einrichtungen zur Injizierung und Führung des Stromes in dem Druckgefäß derart vorgesehen, daß der Kühlstrom sich von unten nach oben durch den Beschickungsraum bewegt, wobei am oberen Ende des Beschickungsraumes der Strom umgelenkt wird und längs des Spaltes, der zwischen dem den Beschickungsraum umgebenden Rohr und dem wärmeisolierenden Mantel vorhanden ist, nach unten geführt wird. Das warme Druckmittel wird durch den Schub durch den Spalt gezwungen, der von dem in den Beschickungsraum injizierten kalten Gas ausgeübt wird, wodurch mehr Druckmittel in den Beschickungsraum gelangt. Am Boden des Beschickungsraumes oder durch einen Anschluß an diesen, beispielsweise durch ein isoliertes Rohr, ist eine Pumpeneinrichtung zur Injizierung von Druckmittel in den Beschickungsraum vorhanden. Ein Teil des Druckmittels aus dem genannten Spalt wird von der Pumpeneinrichtung angesaugt und mit einem Treibstrom aus kälterem Druckmittel vermischt, wodurch in den Beschickungsraum ein Druckmittel injiziert wird, welches eine Temperatur hat, die zwar niedriger, aber nicht beträchtlich niedriger als die Temperatur der Gegenstände ist. Der wärmeisolierende Mantel ist in seinem unteren Teil mit Öffnungen versehen. Ein Teil des warmen Druckmittels, welches durch den genannten Spalt nach unten gezwungen wird, wird durch Öffnungen in dem wärmeisolierenden Mantel in den Kühlkreis im kälteren Raum des Gefäßes gesaugt. Um eine Beschädigung der Druckgefäßwand oder der Hülse oder dergleichen, die in den kühleren Raum zur Lenkung des Flußes in dem Kühlkreis eingeführt ist, zu vermeiden, wird ein Teil des in dem Kühlkreis gekühlten Gases in den Kühlkreis rezirkuliert, wodurch die Temperatur des aus der Ofenkammer in den Kühlkreis eingesaugten warmen Druckmittels herabgesetzt wird.
Zwischen der Menge des gekühlten Druckmittels, welche mit warmem Druckmittel gemischt wird und in den Beschickungsraum injiziert wird, und der Menge an warmem Druckmittel, welches in den Kühlkreis gesaugt wird, besteht ein Gleichgewicht derart, daß die Mengen annähernd gleich sind.
Eine schnelle Kühlung gepreßter Gegenstände wird beispielsweise bei der Herstellung von auf Nickel basierenden Legierungen verlangt. Um diesen Legierungen geeignete Materialeigenschaften zu verleihen, ohne die Notwendigkeit umfangreicher Wärmebehandlungen, zu denen Erhitzen und Abschrecken nach der Behandlung in einer isostatischen Heißpresse gehören, wird verlangt, daß diese Gegenstände selbst dann schnell gekühlt werden können, wenn sie sich in der isostatischen Heißpresse befinden. Übliche Behandlungstemperaturen in einer isostatischen Heißpresse betragen 1000 bis 1400ºC, und von Temperatur sollten die Gegenstände auf etwa 600ºC mit einer Geschwindigkeit von 40 bis 150ºC/min gekühlt werden.
Anhand eines Beispieles soll die Erfindung nunmehr näher beschrieben werden unter Bezugnahme auf die einzige Figur, die einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer isostatischen Heißpresse gemäß der Erfindung zeigt.
Die Figur zeigt eine Presse am Ende eines HIP-Zyklus. Die Wand 1 des Druckgefäßes ist mit Einrichtungen 2 zur Wasserkühlung versehen. Das obere Ende und der Boden des Druckgefäßes werden durch Endverschlüße 13 gebildet. Der Bodenendverschluß 13 ist mit durchgehenden Rohren 14, 15 für die Zufuhr beziehungsweise Abfuhr von Gas versehen. Die Gegenstände 3 werden in die Ofenkammer 4 geladen, die von einem wärmeisolierenden Mantel 5 umgeben ist. Eine Bodenisolationsplatte 6 ist separat am Boden der Ofenkammer 4 angeordnet. Die Bodenisolationsplatte 6 ist nicht dicht mit dem wärmeisolierenden Mantel 5 verbunden. In der Ofenkammer 4 ist ein Rohr 9 angeordnet, welches den Beschickungsraum umgibt. Unter und über der Bodenisolationsplatte 6 ist je ein Ejektor 7, 8 angeordnet. Der untere Ejektor 7 ist an ein Treibgassystem angeschlossen, welches außerhalb der Presse angeordnet ist. Im oberen Ejektor 8 wird Gas vom unteren Ejektor 7 mit heißem Gas aus der Ofenkammer 4 gemischt. Der obere Ejektor 8 kann mit einem speziellen Verteilermundstück ausgerüstet sein, welches schräggebohrte Löcher aufweist, um eine gute Ausbreitung und eine hohe Geschwindigkeit des Gases zu erreichen und damit eine verkürzte Mischstrecke für das Gas. Durch eine solche Ejektorkonstruktion wird die Anordnung eines weit in die Ofenkaimner hineinragenden Rohres zur Mischung von Treibgas und angesaugtem Gas vermieden. Die Erfindung ist jedoch auch bei anderen Ausführungsformen von Düsenpumpen verwendbar. Der die Pumpe treibende Gasstrom ist klein im Verhältnis zum Gesamtstrom, und die Temperatur des gewonnenen Gasgemisches, welches in die Ofenkammer eingeführt wird, liegt etwa 10 % niedriger als die Temperatur in der Ofenkammer.
Da der Gasstrom groß ist, wird trotz der kleinen Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlgas und den Gegenständen eine gute Wärmeübertragung erreicht. Gas strömt zwischen den Gegenständen nach oben, wie die Pfeile zeigen. Im oberen Teil der Ofenkammer wird das Gas gezwungen, durch den Spalt 16 zwischen dem wärmeisolierenden Mantel 5 und dem Rohr 9 zu rezirkulieren, und zwar durch den Schub, der von der Injektion von vermehrtem Gas in den Beschickungsraum ausgeht.
Ein Teil des heißen Gases, welches durch den Spalt 16 nach unten gedrückt wird, wird von dem Ejektor 8 angesaugt und mit kaltem Gas vermischt. Ein anderer Teil tritt durch die Öffnungen 12 im unteren Teil des wärmeisolierenden Mantels in den Kühlkreis im Raum 10 ein. Unter den Öffnungen 12 in dem wärmeisolierenden Mantel sind Öffnungen 17 vorhanden, durch welche gekühltes Gas in einen Raum unter der Bodenisolationsplatte eintritt. Ein Teil dieses gekühlten Gases wird durch den Ejektor 7 angesaugt. Das nicht von dem Ejektor 7 angesaugte Gas tritt wieder durch die Öffnung 12 in den Kühlkreis ein, wodurch die Temperatur des durch die Öffnung 12 in den Kühlkreis eintretenden Gases herabgesetzt wird.
In dem Raum zwischen der äußeren Wand des wärmeisolierenden Mantels 5 und der inneren Wand des Druckgefäßes ist eine Hülse 11 angeordnet. Infolge des radialen Wärmegefälles entsteht ein Konvektionsstrom, und das Gas strömt zwischen der Außenseite des wärmeisolierenden Mantels und der Hülse 11 nach oben. Am oberen Ende des Gefäßes oder verteilt über die Länge des Gefäßes wird das Gas in den Spalt zwischen der Hülse 11 und der Innenseite der wassergekühlten Druckgefäßwand geleitet, wo es beim Kontakt mit der Druckgefäßwand weiter gekühlt wird. Die Hülse 11 kann auch aus einem gewellten Blech bestehen, wobei das Gas in einem Kanalsystem fließt, bei dem jeder zweite Kanal nach oben und jeder andere Kanal nach unten gerichtet ist.
Die Temperatur des durch die Öffnung 12 in den Kühlkreis eintretenden Gases wird durch den Wiedereintritt gekühlten Gases herabgesetzt. Dies ermöglicht es, die Hülse 11 aus einem duktilen Material, wie z.B. rostfreien Stahl, herzustellen, was billiger und einfacher zu handhaben ist, als dünne Platten aus feuerfestem oder keramischem Material. Die Vermeidung des direkten Kontaktes des warmen Gases aus der Ofenkammer mit der Gefäßwand oder mit der eingesetzten Hülse 11 hat viele Vorteile. Durch die Führung des Stromes mit Hilfe der Hülse 11 sinkt die Temperatur des Gasstromes allmählich durch die auftretende radiale Wärmeübertragung und die wärmeübertragenden Eigenschaften der Gefäßwand werden besser ausgenutzt.
Durch die Konstruktion eines wärmeisolierenden Mantels, der oben dicht ist, erhält man eine Bauform, die bedeutend einfacher ist, als das Schnell-Kühlsystem mit Öffnungen im oberen Teil des wärmeisolierenden Mantels. Öffnungen verursachen Probleme mit der Dichtung und führen zum Eindringen von kaltem Gas in die Ofenkammer 4 während des HIP-Zyklus. Ein Vorteil eines wärmeisolierenden Mantels mit einem offenen Boden besteht darin, daß der Druck in der Ofenkammer 4 etwas höher ist als im Raum 10. Dies bedeutet, daß, wenn eine Leckstelle in dem Isoliermantel 5 auftreten sollte, kein kaltes Gas in die Ofenkammer 4 einfließen und Teile der Gegenstände kühlen würde. Es ist möglich, daß in dem äußeren Kreis zur Kühlung des Gases an der Zylinderwand ein zusätzliches Kühlsystem, wie z.B. Wärmetauscher oder wärmeabsorbierende Körper, die im Gasstrom liegen, angeordnet sind.
Die Erfindung ist auch anwendbar mit anderen Pumpenkombinationen, wie z.B. elektrisch oder hydraulisch angetriebenen Pumpen oder motorgetriebenen Lüfter.
Bei einer anderen Ausführungsform einer isostatischen Presse gemäß der Erfindung besteht das Druckmittel aus Öl. Eine solche Presse kann zur Herstellung von Sprengstoff verwendet werden. Am Boden der Presse ist eine Pumpe vorgesehen. In einer Leitung wird Öl aus dem heißen Raum des Ofens mit kaltem Öl gemischt, welches entweder von außen kommt oder welches innerhalb der Presse gekühlt wurde. Das heiße Öl wird der Pumpe zugeführt, um Öl in einem gut isolierten Rohr zu mischen, welches durch die den Ofen umgebende Wärmeisolation verläuft und den Transport von heißem Öl zu dem Ort der Pumpe ermöglicht. Das gemischte Öl wird dann durch die Ofenkammer nach oben gepresst.

Claims

1. Heißisostatische Presse mit einem System zur schnellen Kühlung der gepreßten Gegenstände, zu welcher Presse ein Druckgefäß (1, 13) gehört, in welchem eine Ofenkammer (4) angeordnet ist, die von einem wärmeisolierenden Mantel (5) und einer wärmeisolierenden Bodenplatten (6) umgeben ist, und ein Raum (10) zwischen dem genannten wärmeisolierenden Mantel und der Wand des Druckgefäßes gebildet wird, wobei der wärmeisolierende Mantel (5) am oberen Ende dicht geschlossen ist und mit Öffnungen (12, 17) an seinem unteren Ende für einen Austausch von Druckmittel zwischen der Ofenkammer und dem genannten Raum (10) versehen ist, welcher Raum (10) Einrichtungen (11) zur Führung eines Druckmittelstromes nach oben und nach unten durch den Raum enthält, dadurch gekennzeichnet, daß

der wärmeisolierende Mantel (5) auf zwei Ebenen in seinem unteren Teil mit Öffnungen (12, 17) versehen ist,

ein Rohr (9) oder eine Hülse den Beschickungsraum in der Ofenkammer umgibt, wobei die genannte Hülse in ihrem oberen Teil eine Öffnung hat und derart angeordnet ist, daß ein Spalt (16) zwischen dem Rohr (9) und dem wärmeisolierenden Mantel (5) gebildet wird,

eine erste Pumpeneinrichtung (7) zum Ansaugen van Druckmittel aus dem genannten Raum (10) zwischen dem wärmeisolierenden Mantel und der Druckgefäßwand angeordnet ist, und

eine zweite Pumpeinrichtung (8) angeordnet ist zur Mischung von heißem Druckmittel aus dem genannten Spalt (16) zwischen dem Rohr (9) und dem wärmeisolierenden Mantel mit Druckmittel aus der genannten ersten Pumpeneinrichtung, wobei die genannte Mischung in den Beschickungsraum eingeleitet wird und sich dort nach oben bewegt.

2. Heißisostatische Presse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel ein imertes Gas ist.

3. Heißisostatische Presse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zu den genannten Öffnungen im unteren Teil des wärmeisolierenden Mantels eine erste Öffnung (17) für gekühltes Gas aus dem Raum (10) zwischen dem wärmeisolierenden Mantel und der Druckgefäßwand gehört, daß das genannte gekühlte Gas zum Teil von der ersten Pumpeneinrichtung (7) angesaugt wird und der andere Teil durch eine zweite Öffnung (12) in dem wärmeisolierenden Mantel wieder in den Kühlkreis eintritt, daß die zweite Öffnung über der ersten Öffnung liegt und es ermöglicht, daß ein Teil des Gases aus dem Spalt (16) zwischen dem Rohr (9) und dem wärmeisolierenden Mantel in den Kühlkreis eintritt und sich mit Gas aus der ersten Öffnung (17) vermischt, wobei die Menge des Gases aus dem Spalt (16), welches in den Kühlkreis in den Raum (10) eintritt, annähernd der Gasmenge aus dem Kühlkreis entspricht, die von der ersten Pumpeneinrichtung (7) angesaugt wird.

4. Heißisostatische Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu der genannten ersten Pumpeneinrichtung eine Düsenpumpe (7) gehört, die an ein Treibgassystem (14) angeschlossen ist, das außerhalb der Presse angeordnet ist, wobei die Düsenpumpe unter der Bodenisolationsplatte angeordnet ist.

5. Heißisostatische Presse nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zu der zweiten Pumpeneinrichtung (8) eine Düsenpumpe gehört, deren Treibgasstrom Gas von der genannten ersten Düsenpumpe enthält und welcher Treibgasstrom klein ist im Verhältnis zu dein gesamten Gasstrom durch die genannte zweite Pumpeneinrichtung (8).

6. Heißisostatische Presse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte zweite Pumpeneinrichtung (8) über der Bodenisolationsplatte (6) angeordnet ist.

7. Heißisostatische Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte zweite Pumpeneinrichtung (8) an den genannten Spalt (16) zwischen dem Rohr (9) und dem wärmeisolierenden Mantel (5) mittels eines isolierten Rohres angeschlossen ist.

8. Heißisostatische Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu der ersten Pumpeneinrichtung (7) eine elektrisch oder hydraulisch getriebene Pumpe oder Lüfter gehört, wobei die genannte Pumpe unter der Bodenisolationsplatte (6) angeordnet ist.

9. Heißisostatische Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu der zweiten Pumpeneinrichtung (8) eine Düsenpumpe gehört, deren Treibgasstrom Gas von der genannten ersten Pumpeneinrichtung (7) enthält.

10. Heißisostatische Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zu der zweiten Pumpeneinrichtung eine elektrisch oder hydraulisch getriebene Pumpe oder Lüfter gehört.

11. Heißisostatische Presse nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckmittel eine Flüssigkeit ist.