DE8807097U1 - Ofen zur Wärmebehandlung von Eisen- und Stahlteilen - Google Patents

Ofen zur Wärmebehandlung von Eisen- und Stahlteilen

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Description

PATENTANWÄLTE
""· ■; .".:··· .CMp[ -T»;g ALEX STENGER K.ii.r Fr,e'::ch R,n^ &tgr;&ogr; , '; ' · · ·' '; · :&uacgr;&idigr;?&iacgr;- - &idiagr;»." c WOLFRAM WATZKE
D-UW DUJJELDüP.F Il " ' (Vi P L"! S C HEINZ J. RING
EUROPEAN PATENT ATTORNEYS
Unwr &Zgr;&iacgr;&kgr;-hir 29 342 Djl'jrr 3Q . M-I 1983
I &rgr; s &xgr; &eegr; Industries International Gr.bH, Flutstr. 52,
A190 Kl eve 1
Ofen zur 'Wärmebehandlung von Eisen- und Stahltsilen
Gegenstand der Erfindung ist ein Ofen zur Wärmebehandlung von Chargen aus Eisen- und Stahlteilen mit einem Ofengehäuse und einer darin angeordneten HeizKammer sovfie in der Heizkamner angeordneten, elektrisch betätigten Heizelanenten zur Aufheizung der Charge.
Es sind bereits Ofen zur Wärmebehandlung von Eisen- und Stahlteilen bekannt, die zur Aufheizung der Charge über innerhalb der Heizkammer angeordnete Heizelenente verfügen, die entvieder aus Graphit oder, für höhere thermische Beanspruchung, aus Molybdän bestehen. Zumeist v/erden diese Heizelemente an der Innenwand der Heizkaiftmar befestigt, wobei die elektrischen Anschlüsse der Heizelemente durch die Wand der Heizkammer hindurchgeführt sind.
Die in dieser Weise ausgeführten Öfen «erden überwiegend als Vakuumöfen betrieben. Hieroc-i wird für die Dauer der Aufheizung der Charge der Ofen evakuiert. Die Aufheizung der Charge erfolgt also nahezu ausschlieGlicn durch die von den Heizelementen ^,bgestrahits Wärme.
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Zur gesteuerten Abkühlung dsr Charge verfügt der bekannte Ofen über ein System zur Kühlgasführung, bei dem die Charge über mehrere Kühlgasöffnungen in der Heizkammer gezielt anströmbar ist. Insbesondere kann durch eine nur abschnittsweise Beaufschlagung von Kühlgasöffnungen eine zielgerichtete Abkühlung bestimmter Bereiche oer Charge vorgenommen werden. Die Beschickung des bekannten Ofens erfolgt in vertikaler Richtung, indem der mit der Charge beladene Boden von unten an den Ofen herangefahren wird, wobei die Charge in die Heizkammer gelangt.
Diese bekannte Konstruktion hat den Nachteil einer nur geringen Aufheizgeschvjindigkeit im unteren Temperaturbereich, in dem die Wärmeübertragung durch Strahlung noch gering ausfällt. Konvektion kann in diesem Temperaturbereich deutliche Verbesserungen bringen, jedoch braucht die innerhalb der Heizkamner zirkulierende Luft eine lange Zeit, um sich an den Heizelementen zu erwärmen und diese Wärme konvektiv an die Charge zu übertragen. Hinzu kommt, daß durch die geringe Oberfläche der aus Vollmaterial hergestellten Heizelemente ihre Abstrahlfläche gering ausfällt. Die Größe der Abstrahlfläche bedingt jedoch proportional die Größe der durch Strahlung ausgetauschten Wärmemenge. Außerdem strahlen die Heizelemente aufgrund ihrer großen Materislstärke auch noch nach Beendigung der Energiezufuhr Wärme ab, wodurch sich der Beginn der darauffolgenden Abkühlungsphase verzögert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ofen zur Wärmebehandlung von Eisen- und Stahlteilen zu schaffen, der in jedem Temperaturbereich eine schnelle und glsich-ä3ige Aufheizung gestattet, der mit gutem Wirkungsgrad arbeitet und der in der Abkühlphase eine schnelle Temperaturabsenkung ermöglicht.
Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Heizelemente rohrförmig ausgebildet und von Gas unter Aufheizung durchströmbar sind.
Ein in dieser Weise ausgeführter Ofen hat den Vorteil, daß sowohl im Bereich tiefer Temperatur (< 600° C) als such im Bereich reiner Strahlungswärme (> 600° C) eine schnelle Aufheilung der Charge erreicht werden kann. Hierzu wird im unteren Temperaturbereich das unter Atmosphären- oder Überdruck stehende Gas zwangsweise durü'n die Heizelemente hindurch in die üeizksni-&bull;er geführt, wodurch sich eine sehr gute konvektive Wärmeübertragung zwischen Heizelement und Gas und damit eine hohe 'AuS* trittstemperatur des Gases ergibt. Wird der Ofen im Bereich höherer Temperatur betrieben, so ermöglicht die große spezifische Oberfläche der Heizelemente eine starke Abgabe von Wärmestrahlung. Außerdem unterstützt die geringe Wandstärke der Heizelemente deren Tempereturabsenkung beim Beginn der Abkühlphase. Die Erfindung ermöglicht es also, den Ofen sowohl in der Aufheiz- als auch in der Abkühlphase mit höherem Wirkungsgrad zu betreiben.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Heizelemente vertikal in der Heizkammer angeordnet sind und von eben nach unten durchströmt werden. Auf diese Weise wird die konstruktive Ausführung des Ofens besonders einfach, wobei das aus den Heizelementen austretende Heizgas in den unteren Bereich tier Charge gelangt und dort zu einer gewünschten, bevorzugten Aufheizung führt. Hierzu kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung auch beitragen, daß die Heizelemente unten offen ausgebildet sind.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, die Heizelemente mit radialen öffnungen zu versehen, um so bereits in der konvektiven Aufheizphase die Charge gezielt termisch zu beaufschlagen.
Bel einer weiteien Ausgestaltung sind die Heizelemente an ihrem oberen Frvi>· In -i«r Heirkammer befestigt, wodurch sie eine nur geringe Kontaktfläche mit Elementen der Heizkammer aufweisen, so daß die von ihnen erzeugte Wärme vollständig zur Aufheizung des Heizgases bzw. der Charge zur Verfugung steht.
Mit der Erfindung wird auch vorgeschlagen, die Heizelemente unter Zwischenlage von Keramikhülsen zu befestigen. Hierdurch wird ein Wärmeübergang von den Heizelementen an die Heizkammer weitgehend vermieden, um insbesondere die wärmeempfindlichen Bauteile des Ventilators zu schützen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsfprm eines erfindungsgemäöen Ofens zur Wärmebehandlung von Eisen- und Stahlteilen im Schnitt dargestellt ist.
In einem behälterförmigen, in erster Linie zylindrischen Ofengehäuse 1 ist eine aus hitzebeständigen Materialien aufgebaute, zylindrische Heizkammer 2 angeordnet. Die Heizkammer 2 ist, ebenso wie das Ofengehäuse 1, zweiteilig aurgebildet, wobei der untere Teil durch einen Heizkammerboden 3 sowie einen Boden A des Ofengehäuses 1 gebildet wird. Am Boden h des senkrecht stehenden Ofengehäuses 1 sind mehrere Herdstützen 5 befestigt, die, den Heizkammerboden 3 durchragend, einen Rost zur Aufnahme der einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Charge 6 bilden. Während der Wärc^-^handlung steht die Charge 6 auf den Herdstützen 5 innerhalb der Heizkammer 2.
In der Nähe der inneren Mantelfläche der Heizkammer 2 sind mehrere axial verlaufende, rohrförmige Heizelemente 7 angeordnet.
Sie erstrecken sich über eine Länge, die zumindest der maximalen Chargenhöhe entspricht, so daß die Charge 6 von den einzelnen Heizelementen 7 umgeben ist. Die Heizelemente 7 sind sowohl oben als auch unten offene, zylindrische Graphitrohre. Je nach Einsatzgebiet können auch Heizelemente aus Molybdän zur Anwendung gelangen. Die Heizelemente 7 sind an ihrem oberen Ende unter Zwischenlage von Keramikhülsen 8 an einem Deckel 9 der Heizkammer 2 befestigt. Dabei können die Heizelemente 7 sowohl in den Ker9«nikhülsen 8 fest sitzen als auch mittels geeigneter Bünde in die Keramikhülsen eingehängt sein, wobei ihre senkrechte Ausrichtung dann durch die Schwerkraft erfolgt.
Oberhalb des Deckels 9 der Heizkammer 2 befindet sich eine Ventilaturkammer 10, in der zentral ein Flügel eines Ventilators 11 angeordnet ist, der von einem darauf befestigten Ventilatormotor 12 angetrieben wird. Über einen an der Oberseite der Heizkammer 2 mündenden, ringförmigen Ansaugkanal 13 wird Gas aus dem Inneren der Heizkammer 2 zur Stirnseite des Ventilators 11 gesaugt 1J&eegr;d von diesem radial nach außen in die Ventilatorkammer
10 gefördert, von wo das Gas nach Durchströmung der Keramikhülsen 8 in die rohrförmigen Heizelemente 7 gelangt. Der Ventilator
11 besteht aus hitzebeständigem Material und ist durch eine geeignete, wärmeabschirmende Wand 14 zum Ventilatormotor 12 hin abgeschirmt. Zum Schutz des Ventilators 11 vor der Wärmestrahlung der Charge 6 wird durch den ringförmigen Ansaugkanal 13 des Deckels 9 eine Abschirmung 15 gebildet.
Die Heizelemente 7 sind an ihren unteren und oberen Enden mit elektrischen Anschlüssen 16,17 versehen, über die ein elektrischer Strom zur Aufheizung der Heizelemente 7 zugeführt wird. Durch geeignete bauliche Maßnahmen sind die elektrischen Anschlüsse 16,17 weitgehend thermisch entkoppelt von den Bauteilen der Heizkammer 2 und des Ofengehäuses 1, so daß hier keine unerwünschten Wärmeabflüsse auftreten können.
I ·
&bull; ·
Die Heizelemente 7 sind, unten offen und weisen, wie in der Zeichnung dargestellt, in Richtung auf die Charge 6 ausgerichtete, zusätzliche seitliche Öffnungen 18 auf, wobei die Größe, die Lage und die Anzahl der Öffnungen 18 je nach Anwendungsfall variieren kann. Auf jeden Fall ist es vcrteihaft, das aus den Heizelementen 7 austretende heiße Gas in den unteren Bereich der Charge zu bringen, wo erfahrungsgemäß die aufzuheizende Masse am größten ist, was u.a. durch Wärmeabgänge über die Herdstützen 5 bedingt ist.
In der Mantelfläche sowie im Heizkammerboden 3 befinden sich eine Vielzahl von Kühlgasöffnungen 19, über die von einem nicht dargestellten Gebläse gefördertes Kühlgas in das Innere der Heizkammer 2 gelangt. Die in Form von Düsen ausgebildeten Kühlgasöffnungen 19 sind dabei vorzugsweise so ausgerichtet, daß sie
die Charge 6 direkt anblasen. Um eine gerichtete Abkühlung einzelner Bereiche der Charge zu erreichen, können die Kühlgasöffnungen 19 gruppenweise zusammengefaßt sein. In der Zeichnung ist dargestellt, wie über einen unteren Ringverteiler 20 sowie einen oberen Ringverteiler 21 die weiter unten bzw. weiter oben liegenden Kühlgasöffnungen 19 getrennt beaufschlagt werden können. Die Zuführung des Kühlgases zum unteren Ringverteiler 20 und oberen Ringverteiler 21 erfolgt dabei über jeweilige Anschlußstutzen 23,24. Weitere Kühlgasöffnungen 19 befinden sich am Boden der Heizkammer 2. Aus ihnen strömt das über einen Bodenverteiler 22 zugeführte Kühlgas. Der beschriebene Ofen arbeitet also mit drei, unabhängig voneinander beaufschlagbaren Kühlzonen. Das aus dem Inneren der Kühlkammer 2 austretende, erwärmte Kühlgas gelangt über den Ansaugkanal 13, die Ventilatorkammer 10 und in diesem Fall geöffnete Lukenöffnungen 25 in das Innere des Ofengehäuses 1 und von dort über einen Absaugstutzen 26 zurück zu einem Wärmetauscher. Die Lukenöffnungen 25 befinden sich an der Oberseite der Ventilatorkammer 10 und werden nur während der Kühlphase geöffnet, bleiben jedoch während der Aufheizphase des Ofens geschlossen.
&bull; · J-
Der Ofen arbeitet in der folgenden Weise:
Bei abgelassenem Boden 4 wird die Charge 6 auf die Herdstützen 5 gelegt und der Boden 4 von unten senkrecht gegen das Ofengehäuse 1 gefahren, wodurch die Charge 6 in das Innere der Heizkam,.ier 2 gelangt. Der Boden 4 wird über entsprechende Befestigungselemente vakuumdicht am Ofengehäuse 1 befestigt. Danach wird der Ofen evakuiert und ein Schutzglas, z.B. Stickstoff oder Argon, eingefüllt. Nach Beendigung der Flutung mit Schutzgas wird über den Ventilatormotor 12 der Ventilator 11 betätigt und es werden über die elektrischen Anschlüsse 16,17 die Heizelemente 7 aufgeheizt. Der Druck im Ofengehäuse 1 beträgt dabei zwischen - 500 und 2000 mbar. Das vom Ventilator 11 geförderte Schutzgas gelangt über die Ventilatorkammer 10 in die Heizelemente 7, durchströmt diese unter konvektiver Aufheizung und gelangt in den unteren Bereich der Heizkammer 2. Das innerhalb der Heizkammer 2 aufsteigende heiße Gas durchströmt die Charge, heizt diese konvekiiv auf und gelangt über den Ansaugkanai 13 zurück zum Ventilator Ii. Dxese konvektive Aufheizungsphase wird bei einer Chargentemperatur von etwa 600° C beendet. Der Ventilator 11 wird gestoppt und die weitere Wärmeübertragung erfolgt fast ausschließlich nur noch über die auf die Charge 6 übertragene Strahlungswärme der Heizelemente 7. Zu Beginn diener zweiten Aufheizphase wird das Innere des Ofengehäuses 1 wiederum ( ) evakuiert, damit die Strahlungswärme der Heizelemente 7 nicht zur weiteren Aufheizung des Schutzgases verwendet werden muß. Im Vakuum erfolgt die Wärmeübertragung ausschließlich noch durch Strahlung, wobei die Größe dieser Strahlung außer von der Größe der abstrahlenden Fläche der Heizelemente 7 sehr stark von deren Temperatur abhängt. Der Wärmeaustausch während der im Vakuum stattfindenden Aufheizphase findet mit denselben Heizelementen statt wie die in erster Linie konvektive Wärmeübertragung am Beginn der Aufheizung. Durch die konvektive Wärmeübertragung im Niedertemperatur-Bereich wird zu Beginn der Aufheizphase die Chargenerwärmung deutlich beschleunigt.
Nachdem die gewünschte Endtemperatur erreicht ist, werden die Heizelemente 7 abgeschaltet. Anschließend wird der Kühlkreislauf in Gang gesetzt, so daß das über die Ringverteiler 20,21 und den Bodenverteiler 22 verteilte Kühlgas über die Kühlgasöffnungen 19 in das Innere der Heizkammer 2 einströmt und die Charge 6 abkühlt. Durch Steuerung der Kühlgasmenge kann dieses Abkühlen in gerichtetei Weise erfolgen, um in der Charge ein bestimmtes Werkstoffgefüge zu erreichen. Da sich die Heizelemente 7 im Bereich der Mündung der in den Mantel der Heizkammer 2 eingelassenen Kühlgasöffnungen 19 befinden, werden die Heizelemente 7 bereits unmittelbar nach Beginn, des Kühlvorganges sta-:^ abgekühlt, so daß sie eine nennenswerte Wärmestrahlung nicht mehr abgeben können. Nachdem die Charge 6 bis auf Entnahmetemperatur heruntergekühlt ist, werden Ofengehäuse 1 und Boden 4 wieder voneinander getrennt, so daß der Boden 4 vertikal zur Entnahme der Charge 6 herabgesenkt v/erden kann.
&bull;lit· ·«· ·*
-■II·-· ·
Bezuqszi ffernlist
1 Ofengehäuse
2 H s &iacgr; &zgr; k a hi &eegr; e r
3 Heizkarnnerboden
h Boden
5 Herdstützen
6 Charge
7 Heizelemente
8 Keramikhülsen
9 Deckel
10 Ventilatorkanmer
11 Ventilator
12 Ventilatcinotor
13 Ansaugkanal
14 VJ and
15 Abschirmung
16 elektr. Anschlüsse
17 elektr. Anschlüsse
18 Öffnungen
19 Kühlgasöffnungen
20 unterer Ringverteiler
21 oberer Ringverteiler
22 Bodenverteiler
23 AnschluQstutzen
24 AnschluBstutzen
25 Lukenöffnungen
26 Absaugstutzen

Claims (9)

1. Ofen zur Wärmebehandlung von Chargen aus Eisen- und Stahlteilen mit einem Ofengehäuse und einer darin angeordneten Heizkammer sowie in der Heizkammer angeordneten, elektrisch betätigten Heizelementen zur Aufheizung der Charge, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (7) rohrförmig ausgebildet und von Gas unter Aufheizung durchströmbar sind.
&Ggr;) 2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (7) vertikal in der Heizkammer (2) angeordnet sind und von oben nach unten durchströmt werden.
3. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (7) unten offen ausgebildet sind.
4. Ofen nach Anspr-ich 2 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (7) mit radialen Öffnungen (18) versehen sind.
5. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (7) an ihrem oberen Ende in der Heizkammer (2)
' ' befestigt sind.
6. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (7) unter Zwischenlage von Keramikhülsen (8) befestigt sind.
7. Ofen nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Ventilator (11) zur Umwälzung des Gases.
8. Ofen nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen an der Oberseite der Heizkammer (2) mündenden, ringförmigen Ansaugkanal
- 10 -
(13), der andererseits zum Ventilator (11) führt und durch eine zwischen der Heizkammer (2) und dem Ventilator (11) angeordnete Abschirmung (15) begrenzt ist.
9. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Heizelemente (7) im Bereich der Mündung von in den Mantel der Heizkammer (2) eingelassenen Kühlgasoffnungen (19) befinden.
- 11 -
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