DE8617516U1 - Anlage zum Wärmebehandeln von Werkstoffen im Vakuum und unter Druck - Google Patents
Anlage zum Wärmebehandeln von Werkstoffen im Vakuum und unter DruckInfo
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Description
ARTHUR PFEIFFER VAKUUMTECHNIK WETZLAR GmbH
Anlage zum Wärmebehandeln von Werkstoffen im Vakuum und
unter Druck ·
Die Erfindung betrifft eine Anlage zum Vakuum-Wärmebehandeln •und anschließendem heiß-isostatischem Nachbehandeln von Werkstoffen
.
Das Grundprinzip einer solchen Anlage wird beispielsweise in der DE-PS 30 14 691 und in der US-PS 4398 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 heißisostatisches Nachverdichten eine weitere Verbesserung der mechanischen
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.
-5-
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 Nutzraum
und der kalten Kesselwand gelegt werden. Diese Isolation spielt im Hinblick auf die Temperaturkonstanz, den Energieverbrauch
und die Betriebssicherheit eine wesentliche Rolle. Sie muß außerdem einerseits praktisch gasdicht sein, um Heißgasaustritt
zu verhindern, andererseits muß sie für den Vakuumbetrieb 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 verursacht 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 Isolation,
bestehend vorzugsweise aus metallischen Folien und/oder Blechen, wird erreicht, daß an dieser Stelle ein hoher Temperaturabfall
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 verbessert.
Diese Stellen befinden sich insbesondere bei Nutzräumen 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 vergrößern
können und so eine mangelhafte Isolation verursachen.
-7-
Dieser nachteilige Effekt kann durch Abdecken der Spalte verhindert
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 enganliegende
Abdeckung zu chemischen Reaktionen und bei Wärmeausdehnung 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 herkömmlichen
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 beschriebenen Probleme dar. Wenn man diese Teile zwischen den verschiedenen
Schichten der Nutzraum-Isolation mehrfach anbringt, erhält man eine Art Labyrinthdichtung und somit eine weitere
Verbesserung der Isolation des Nutzraumes.
-8-
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 ausgesetzt 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.l 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.l soll beispielsweise dargestellt
werden, wie Temperaturverlauf und Wärmeübergang vom Nutzraum bis zur Kesselwand unter verschiedenen Betriebsbedingungen
(Vakuum p. , im Bereich einiger bar p_ und unter hohem Druck p_ )
aussehen können:
Im Nutzraum herrscht unter allen Betriebsbedingungen die konstante
Temperatur T . Vom Rande S1 des Nutzraumes bis -zur
Kesselwand S_ ergeben sich in Abhängigkeit vom jeweiligen Betriebszustand
folgende Verhältnisse, wobei grundsätzlich gilt: Im Gleichgewicht sind die abgeführten Wärmemengen W., W_ und W,
gleich.
Vakuum Xp1 = Unterdruckbereich) : Innerhalb der Nutzraum-Isolation
wird die Wärmemenge W1 durch Wärmeleitung des Isolationsmaterials
von S1 nach S„ übertragen. Die Temperatur T_ nimmt
den Wert A an. Der weitere Wärmetransport nach S3 erfolgt im
wesentlichen nur durch Strahlung. An der Stelle S3 nimmt die
Temperatur T_ den Wert A' an.
Unter Druck (p„ = im Bereich einiger bar): Die Wärmeübertragung
von S1 nach S» erfolgt durch Wärmeleitung des Isolationsmaterials und des darin enthaltenen Gases und durch Konvektion.
T nimmt den Wert B an. Nach S_ wird die Wärme durch Strahlung,
durch Wärmeleitung des Gases und durch Konvektion übertragen.
-10-
Die Temperatur T- steigt auf B1 an. B1 liegt höher als A1, da
in diesem Falle die von S„ nach S3 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„ der Punkt B niedriger als der Punkt A. Dadurch, daß mehr Wärme von S nach S., übertragen wird, sinkt
die Temperatur T
Unter hohem Druck (p.,» p?) : Die Wärmeübertragung von S. nach
S„ erfolgt wie im vorhergehenden Falle durch" Wärmeleitung des
Isolationsmaterials, und des Gases und durch Konvektion. T nimmt den Wert C an. Zwischen'S~ und S_ wird die Wärme
durch Strahlung, durch Wärmeleitung des Gases und durch Konvektion, übertragen. Da die Konvektion bei hohem Druck in
diesem Falle eine große Rolle spielt, steigt die Temperatur T bei S auf den Wert C beträchtlich an.
In allen drei Fällen ist die Temperatur T_ zusätzlich
abhängig von der Wärmemenge W-, die aus der Kesselwand nach außen transportiert wird.
Durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 2, nämlich die Auskleidung 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, wodurch 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.
wird und somit ein hoher Temperaturgradient entsteht, wodurch 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 beschrieben sind, wird die vom Nutzraum zum übrigen Kesselvolümen
durch Konvektion übertragene Wärmemenge reduziert.
Durch die Merkmale der Ansprüche 6 und 7 wird der Anteil
der übertragenen Wärmemenge W , der durch die Konvektion
bedingt ist, reduziert. Dies wirkt sich in einer Erniedrigung der Temperatur C (ohne Kesselwand-Isolation) und der Temperaturen D und D' (mit Kesselwand-Isolation) aus.
der übertragenen Wärmemenge W , der durch die Konvektion
bedingt ist, reduziert. Dies wirkt sich in einer Erniedrigung 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 verbesserte
Wärmeabfuhr erniedrigt.
In Fig.2 ist der schematische Querschnitt einer erfindungsgemäßen
Anlage , die in diesem Beispiel horizontal ausgeführt ist, und in Fig.3 ein Ausschnitt aus einem schematischen
Längsschnitt der Nutzraum-Isolation an einer oberen Stirnkante wiedergegeben. Darin sind bezeichnet mit 1 Nutzraum,
Längsschnitt der Nutzraum-Isolation an einer oberen Stirnkante wiedergegeben. Darin sind bezeichnet mit 1 Nutzraum,
2 Rezipient, 3 Heizung, 4 Nutzraum-Isolation, 5 Konvektions-Trennwände,
6 Kesselwand-Isolation, 7 Zusatzkühlung, 8 Kesselwand,
9 Kesselkühlung, 10 Vakuumanschluß, 11 Druckgasanschluß und 12 Entwachsungsanschluß, 13 Winkelprofile aus kohlenstofffaserverstärktem
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.
-13-
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 Heizung
(3) , einer Nutzraum-Isolation (4) , einem wassergekühlten Kessel (8,9) mit einem Vakuumanschluß (10)
und einem Druckgasanschluß (11), dadurch gekennzeichnet, daß vor der Kesselwand eine zusätzliche Kesselwand-Isolation
(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 Gasdurchtritt erzielt wird, während die unteren Kanten
zum Evakuieren offen sind.
-2-
4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelprofile (13) bestehend aus kohlenstoff-faserverstärktem'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 Nutzraüm-Isolation (4) und/oder die
Gegenflächen mit Profilen (17) aus kohlenstoff-faserverstärktem
Graphit eingefaßt sind.
6. Anlage nach einem der voangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Nutzraüm-Isolation (4) und
Kesselwand-Isolation (6) Trennwände (5) als Konvektionssperren
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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| DE19868617516 DE8617516U1 (de) | 1986-07-01 | 1986-07-01 | Anlage zum Wärmebehandeln von Werkstoffen im Vakuum und unter Druck |
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|---|---|
| DE8617516U1 true DE8617516U1 (de) | 1994-07-07 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1662219A1 (de) * | 2004-08-04 | 2006-05-31 | Ibiden Co., Ltd. | Bennofen und verfahren zur herstellung eines porösen keramikglieds damit |
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1986
- 1986-07-01 DE DE19868617516 patent/DE8617516U1/de not_active Expired - Lifetime
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| EP1662219A1 (de) * | 2004-08-04 | 2006-05-31 | Ibiden Co., Ltd. | Bennofen und verfahren zur herstellung eines porösen keramikglieds damit |
| EP1662219A4 (de) * | 2004-08-04 | 2006-10-04 | Ibiden Co Ltd | Bennofen und verfahren zur herstellung eines porösen keramikglieds damit |
| US7779767B2 (en) | 2004-08-04 | 2010-08-24 | Ibiden Co., Ltd. | Firing furnace and porous ceramic member manufacturing method |
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