DE9311985U1

DE9311985U1 - Ofen zur Wärmebehandlung von Chargen metallischer Werkstücke

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Publication number: DE9311985U1
Application number: DE9311985U
Authority: DE
Original assignee: Ipsen International GmbH
Current assignee: Ipsen International GmbH
Priority date: 1993-08-11
Filing date: 1993-08-11
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2003-08-12

Description

PATENTANWÄLTE
- DjPL.-IN¹G. ALEX STENGER

Kaiser-Friedrich-Ring 70 .DIPL.-ING. WOLFRAM WATZKE

D-4000 DÜSSELDORF 11 DIPl.-IN⁰G. HEINZ J . RING

EUROPEAN PATENT ATTORNEYS

Unser Zeichen: Datum:

92 0489 10. August 1993

Ipsen Industries International Gesellschaft mit beschränkter Haftung, Flutstraße 78, 4190 Kleve 1

Ofen zur Wärmebehandlung von Chargen metallischer Werkstücke

Die Erfindung betrifft einen Ofen zur Wärmebehandlung von Chargen metallischer Werkstücke, insbesondere Vakuumofen mit einem Ofengehäuse und einer darin unter Freilassung eines in mehrere Kammern unterteilten Zwischenraumes ausgebildeten Heizkammer, in der elektrisch betätigte Heizelemente und ein Ventilator zur Umwälzung der Ofenatmosphäre angeordnet sind und mit einer Gaskühleinrichtung, die über die Kammern und verschließbare Öffnungen mit der Heizkammer zur Zu- und Abfuhr von Kühlgas verbunden ist.

Aus der EP-PS 0 129 701 ist eine Ofenanlage zur Kühlung von Chargen metallischer Werkstücke nach einer Wärmebehandlung bekannt, bei der der die Heizkammer umgebende Raum in mindestens vier abgeschlossene Räume unterteilt ist und diese Räume über je zwei Rohranschlüsse mit einer separat angeordneten Gebläseeinrichtung verbunden sind. Die von der Gebläseeinrichtung zu den einzelnen Räumen führenden Leitungen sind mit je einem Steuerventil für den Einlaß und den Auslaß des Kühlgases ausgerüstet. Mit dieser bekannten Ofenanlage ist es zwar möglich, die zu kühlende Charge abwechselnd radial und axial mit Kühlgas zu beaufschlagen, jedoch ist es nicht möglich, die Charge gleichzeitig radial und axial mit Kühlgas anzuströmen. Die Verwendung externer Rohrleitungen zur Verbindung der Gebläseeinrichtung mit den einzelnen Kühlräumen verursacht nicht nur einen großen Platzbedarf, sondern erhöht zudem die Gefahr von Leckagen, zumal die Rohrleitungen auch noch thermisch belastete Absperreinrichtungen aufweisen.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ofen zur Wärmebehandlung von Chargen metallischer Werkstücke zu schaffen, der in kompakter, platzsparender Bauweise und unter Vermeidung thermisch belasteter Absperrorgane in der Abkühlphase eine schnelle und gezielte Temperaturabsenkung ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Gaskühleinrichtung innerhalb des Ofengehäuses angeordnet ist.

Vorzugsweise besteht die Gaskühleinrichtung aus einem Kühlgasgebläse, einem Wärmeaustauscher, Gasleiteinrichtungen, Luken und Düsen, die komplett innerhalb des Ofengehäuses derart mit diesem eine Baueinheit bildend angeordnet sind. Mit einem solcherart ausgebildeten Ofen ist es möglich, auf thermisch belastete Absperrorgane, wie beispielsweise Ventile und Klappen zu verzichten und daraus resultierend die Zahl an Dichtstellen und Verschleißteilen erheblich zu reduzieren. Außerdem ist es durch das Integrieren des Kühlgasgebläses in dem Ofengehäuse möglich geworden, die gesamte Ofenanlage platzsparend zu konstruieren, da externe Rohrleitungen zwischen Kühlgasgebläse und Ofen entfallen. Zur Abkühlung der Charge kann das Kühlgas sowohl nur axial oder nur radial als auch gleichzeitig axial und radial in die Heizkammer eingeleitet werden. Durch diese Variationsmöglichkeiten der Einleitung des Kühlgases kann die Abkühlung bestmöglich an den Chargenaufbau bzw. die Form und die Massenverteilung innerhalb der Charge angepaßt werden, wodurch eine schnelle und gezielte und insbesondere gleichmäßige Abschreckung der Charge gewährleistet wird.

Bei einer Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Ofens sind an einem Deckel und an einem Boden der Heizkammer jeweils mindestens zwei Öffnungen für die axiale Zufuhr bzw. Abfuhr des Kühlgases angeordnet. Um die Heizkammer einerseits mit Kühlgas fluten zu können und andererseits das heiße Gas aus der Heizkammer abziehen zu können, sind die Öffnungen im Deckel und im Boden der Heizkammer mit einer Lukenmechanik versehen, die einen reibungslosen Gasaustausch in der Heizkammer gewährleistet. Die Lukenmechanik ist dabei so ausgelegt, daß mit der Verbindung einer axialen Öffnung zum Saugraum gleichzeitig die Verbindung dieser Öffnung zum Druckraum verschlossen wird und umgekehrt. Ferner wird vorgeschlagen, daß die Lukenmechaniken an Deckel und Boden der Heizkammer so ausgelegt sind, daß jeweils gleichzeitig eine Öffnung mit dem Druckraum und eine andere Öffnung mit dem Saugraum verbunden ist, um eine vollständige axiale Durchströmung der Heizkammer sicherzustellen.

Die Öffnungen an Deckel und Boden der Heizkammer können darüber hinaus über eine verdrehbare Ringplatte ganz oder teilweise verschlossen werden, so daß beispielsweise weder Gas aus dem Druckraum in die Heizkammer eintreten noch Gas aus der Heizkammer in den Saugraum austreten kann. Ein Verschließen der Öffnungen ist notwendig, wenn bei allseitig geschlossenen Öffnungen die Charge konvektiv oder unter Vakuum erhitzt werden soll. Ebenso erlaubt das vollständige oder teilweise Verschließen einzelner Öffnungen eine gezielte Lenkung des einströmenden und ausströmenden Gases in die bzw. aus der Heizkammer und ermöglicht somit eine gezielte Abschreckung der Charge.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Ofens wird vorgeschlagen, daß zwischen der Heizkammerwand und den Heizelementen eine weitere Trennwand angeordnet ist. Als Material für diese Trenn-

-A-

wand hat sich carbonfaserverstärkter Graphit (CFC) als geeignet erwiesen. Die Verwendung von CFC als Material für die Trennwand bewirkt eine Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung in der Heizkammer, da CFC einerseits eine gute Wärmeleitfähigkeit und andererseits einen hohen Emissionsfaktor für Wärmestrahlung aufweist und daher die von den Heizelementen ausgehende Strahlung zuerst von der Trennwand absorbiert, vergleichmäßigt und anschließend wieder an die Heizkammer abgegeben wird.

Um auch eine radiale Zufuhr des Kühlgases in die Heizkammer zu ermöglichen, weist die Trennwand mindestens eine Öffnung auf, in die eine Düse eingesetzt werden kann. Vorteilhafterweise enthält die Trennwand mehrere Düsen. Die Verbindung dieser Öffnungen zum Druckraum wird über eine Luke bewerkstelligt, die in der Heizkammerwand angeordnet ist und über die das Kühlgas in eine zwischen der Heizkammerwand und der Trennwand ausgebildete Verteilerkammer einströmen kann. Mittels der verschließbaren Luke kann der Kühlgasstrom zu den radialen Öffnungen in der Trennwand reguliert werden. Da die radialen Öffnungen unabhängig von der Lukenmechanik der axialen Öffnungen zu öffnen und zu schließen sind, ist es möglich, zwischen rein axialer, rein radialer und axialer und radialer Kühlung zu wechseln.

Ein solcherart ausgestalteter Ofen hat den Vorteil,
daß durch eine dynamische Veränderung des Strömungsbildes in der Heizkammer durch Drehen der Ringplatte um kleine Drehwinkel und durch Öffnen und Schließen der radialen Öffnungen eine geregelte und optimal angepaßte Kühlung der Charge ermöglicht wird.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Ofens zur Wärmebehandlung von Chargen metallischer Werkstücke wird nachfolgend anhand der schematischen Zeichnungen beschrieben. In diesen zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Ofen;

Fig. 2a eine vereinfachte Darstellung des Ofens gemäß Fig. 1 im Vakuumbetrieb;

Fig. 2b einen Querschnitt durch denselben Ofen entlang der Schnittlinie Hb-IIb in Fig. 2a geschnitten;

Fig. 3a eine vereinfachte Darstellung des Ofens gemäß Fig. 1 mit Gaskühlung von oben;

Fig. 3b einen Querschnitt durch denselben Ofen entlang der Schnittlinie IHb-IIIb in Fig. 3a geschnitten und

Fig. A ein Schema der möglichen Strömungen des Kühlgases in die bzw. aus der Heizkammer eines Ofens gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte Ofen besteht im wesentlichen aus einem Ofengehäuse 1 mit einem druckdicht verschließbaren Boden 2 und einer ebenfalls druckdicht verschließbaren Haube 3, welche zur Aufnahme eines Elektroantriebs A für ein Kühlgasgebläse 5 dient.

Innerhalb des Ofengehäuses 1 ist eine allseitig von einer Heizkammerwand 6 umschlossene Heizkammer 7 angeordnet. Die Heizkammer 7 ist zweiteilig ausgebildet, wobei der untere Teil durch einen Heizkammerboden 8 gebildet wird, welcher zusammen mit dem Boden 2 des Ofengehäuses 1 herabgelassen werden kann. Den Heizkammerboden 8 durchragen mehrere am Ofengehäuse 1 befestigte Herdstützen 9, die über einen Herd 10 zur Aufnahme der einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Charge 11 verbunden sind.

Innerhalb der Heizkammer 7 sind in der Nähe seitlicher Heizkammerwände 12, eines Heizkammerdeckels 13 sowie dem Heizkammerboden 8 Heizelemente 14 angeordnet, mittels derer die Heizkammer 7 aufgeheizt werden kann.

Zwischen den Heizelementen 14 und den seitlichen Heizkammerwänden 12 ist eine vom Heizkammerdeckel 13 bis zum Heizkammerboden 8 reichende Trennwand 15 so angeordnet, daß zwischen der seitlichen Heizkammerwand 12 und der Trennwand 15 eine Verteilerkammer 16 ausgebildet ist.

Zum Umwälzen der Ofenatmosphäre bei konvektiver Erwärmung ist am Heizkammerdeckel 13 ein Ventilator 17 angeordnet, dessen Flügel 18 über die oberen Heizelemente 14 hinaus in die Heizkammer 7 ragt und dessen Motor 19 auf der Außenseite des Heizkammerdeckels 13 angeordnet ist.

Ausgehend von der Haube 3 zur Aufnahme des Elektroantriebes 4 für das Kühlgasgebläse 5 ist der Zwischenraum zwischen dem Ofengehäuse 1 und der Heizkammer 7 in zwei die Heizkammer 7 konzentrisch umgebende Kammern unterteilt. Während die äußere, mit der Druckseite des Kühlgasgebläses 5 verbundene Kammer einen Druckraum 20 bildet, ist die innere, mit der Saugseite des Kühlgasgebläses 5 verbundene Kammer als Saugraum 21 ausgelegt.

Um die Heizkammer 7 mit Kühlgas aus dem Druckraum 20 fluten zu können bzw. heißes Ofengas aus der Heizkammer 7 über den Saugraum 21 abziehen zu können, weisen der Heizkammerdeckel 13 und der Heizkammerboden 8 Öffnungen 22 auf, die mittels einer Lukenmechanik 23 mit dem Druckraum 20 oder dem Saugraum 21 verbunden werden können. Mit der Lukenmechanik 23 verbundene Stutzen 24

sind so ausgebildet, daß sie beim Anschluß einer Öffnung 22 an den Druckraum 20 gleichzeitig die Verbindung dieser Öffnung 22 mit dem Saugraum 21 abschließen und umgekehrt. Die Lukenmechaniken 23 des Heizkammerdeckels 13 und des Heizkammerbodens 8 sind darüber hinaus so aufeinander abgestimmt, daß bei der Verbindung einer Öffnung 22 mit dem Druckraum 20 auf der gegenüberliegenden Seite der Heizkammer 7 gleichzeitig wenigstens eine Öffnung 22 mit dem Saugraum 21 verbunden ist. Zusätzlich zu der Lukenmechanik 23 können die Öffnungen 22 mittels einer Durchbrüche 25 aufweisenden Ringplatte 26 ganz oder teilweise verschlossen werden.

Um auch eine radiale Zufuhr des Kühlgases in die Heizkammer 7 zu ermöglichen, kann die Verteilerkammer 16 über eine mit einem Hubzylinder 27 verschließbare Luke 28 mit dem Druckraum 20 verbunden werden. Das in die Verteilerkammer 16 einströmende Kühlgas gelangt über in der Trennwand 15 angeordnete Öffnungen 29 in die Heizkammer 7.

Der Ofen arbeitet in der folgenden Weise:

Bei abgelassenem Boden 2 wird die Charge 11 auf den Herd 10 gelegt und der Boden 2 von unten senkrecht gegen das Ofengehäuse 1 gefahren, wodurch die Charge 11 in das Innere der Heizkammer 7 gelangt. Der Boden 2 wird über entsprechende Befestigungselemente vakuumdicht am Ofengehäuse 1 befestigt. Danach wird der Ofen evakuiert und ein Schutzgas, beispielsweise Stickstoff oder Argon, eingefüllt. Nach Beendigung der Flutung mit Schutzgas wird über den Motor 19 der Ventilator 17 betätigt und es werden die Heizelemente 15 aufgeheizt. Nach Beendigung der konvektiven Aufheizphase wird der Ventilator 17 gestoppt und die weitere Wärmeübertragung erfolgt fast ausschließlich über die auf die

Charge 11 übertragene Strahlungswärme der Heizelemente 14 und der Trennwand 15, welche aufgrund ihres einen hohen Emissionsfaktor für Wärmestrahlung aufweisenden Materials die von den Heizelemente 14 abgestrahlte Wärme zur Heizkammer 7 hin emittiert. Zu Beginn dieser zweiten Aufheizphase wird das Innere des Ofengehäuses 1 evakuiert, damit die Strahlungswärme der Heizelemente 14 nicht zur weiteren Aufheizung des Schutzgases verwendet werden muß. Nachdem die gewünschte Endtemperatur erreicht ist, werden die Heizelemente 14 abgeschaltet. Anschließend wird das Kühlgasgebläse 5 eingeschaltet, so daß der Druckraum 20 mit Kühlgas gefüllt wird. Über die Lukenmechanik 23, die Ringplatte 26 und die Luke 28 können die Öffnungen 22 und 29 mit dem Druckraum 20 verbunden werden, so daß Kühlgas die Heizkammer 7 fluten kann. Das in der Heizkammer 7 aufgeheizte Kühlgas wird über die mit dem Saugraum 21 verbundenen Öffnungen 22 abgesaugt und über einen Wärmetauscher 30 abgekühlt, um über den Druckraum 20 erneut der Heizkammer 7 zugeführt zu werden. Durch Steuerung der Kühlgasmenge und entsprechendes Variieren zwischen rein axialer, rein radialer und radialer und axialer Kühlgaszufuhr zur Heizkammer 7 kann die Abkühlphase schnell und gezielt erfolgen, um ein gewünschtes Werkstoffgefüge in der Charge 11 zu erhalten. Die verschiedenen Schaltungsvarianten der Kühlgaszufuhr zur Heizkammer 7 sind schematisch in Fig. 4 dargestellt.

Fig. 2a und 2b zeigen eine vereinfachte Darstellung des Ofens im Vakuumbetrieb. Bei diesem Betriebszustand sind die Öffnungen 22 im Heizkammerdeckel 13 und im Heizkammerboden 8 geöffnet und die Heizkammer 7 steht somit in direkter Verbindung mit dem Saugraum 21. Um eine Verbindung von Saugraum 21 und Druckraum 20 zu unterbinden, sind, wie aus Fig. 2b ersichtlich, die Durchbrüche 25 der Ringplatte 26 gegen die Öffnungen 22 verdreht, so daß keine Luft vom Druckraum 20 in die Heizkammer 7 gelangen kann.

Fig. 3a und Fig. 3b zeigen eine vereinfachte Darstellung des Ofens im Betriebszustand "Gaskühlung von oben". Hierbei sind die Öffnungen 22 im Heizkammerdeckel 13 zum Saugraum 21 hin geschlossen und die Öffnungen 22 im Heizkammerboden 8 zum Saugraum 21 hin geöffnet. Um die Kühlluft über die Stutzen 24 in die Heizkammer 7 leiten zu können, sind, wie in Fig. 3b dargestellt, die Durchbrüche 25 der Ringplatte 26 übereinander stehend angeordnet.

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- 10 Bezugszeic h e &eegr; 1 i s t e:

1	Ofengehäuse
2	Boden
3	Haube
4	Elektroantrieb
5	Kühlgasgebläse
6	Heizkammerwand
7	Heizkammer
8	Hei&zgr;kammerboden
9	Herdstütze
10	Herd
11	Charge
12	Hei&zgr;kammerseitenwand
13	Hei&zgr;kammerdeckel
14	Heizelemente
15	Trennwand
16	Verteilerkammer
17	Ventilator
18	Flügel
19	Motor
20	Druckraum
21	Saugraum
22	Öffnung
23	Lukenmechanik
24	Stutzen
25	Durchbruch
26	Ringplatte
27	Hubzylinder
28	Luke
29	Öffnung
30	Wärmetauscher

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Claims

- 11 Ansprüche :

1. Ofen zur Wärmebehandlung von Chargen metallischer Werkstücke, insbesondere Vakuumofen, mit einem Ofengehäuse und einer darin unter Freilassung eines in mehrere Kammern unterteilten Zwischenraumes ausgebildeten Heizkammer, in der elektrische Heizelemente und ein Ventilator zur Umwälzung der Ofenatmosphäre angeordnet sind, und mit einer Gaskühleinrichtung, die über die Kammern und verschließbare Öffnungen mit der Heizkammer zur Zu- und Abführung von Kühlgas verbunden ist,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Gaskühleinrichtung (5) innerhalb des Ofengehäuses (1) angeordnet ist.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaskühleinrichtung aus einem Kühlgasgebläse, einem Wärmeaustauscher, Gasleiteinrichtungen, Luken und Düsen besteht, die komplett innerhalb des Ofengehäuses derart mit diesem eine Baueinheit bildend angeordnet sind.

3. Ofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlgas bei vertikaler Ofenanordnung axial und/oder radial in die Heizkammer (7) einleitbar und axial nach oben oder unten ableitbar ist.

A. Ofen nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß

im Heizkammerdeckel (13) und im Heizkammerboden (8) der

Heizkammer (7) jeweils mindestens zwei Öffnungen (22) zur

axialen Einleitung von Kühlgas in die Heizkammer (7) angeordnet sind.

5. Ofen nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (22) der Heizkammer (7) über eine Lukenmechanik (23) so mit dem Kühlgasgebläse (5) verbunden sind, daß mit der Verbindung einer Öffnung (22) zum Saugraum (21) gleichzeitig der Zugang derselben Öffnung (22) zum Druckraum (20) verschließbar ist und umgekehrt.

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6. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lukenmechaniken (23) am Heizkammerdeckel (13) und am Heizkammerboden (8) der Heizkammer (7) so miteinander gekoppelt sind, daß gleichzeitig mit der Verbindung einer Öffnung (22) mit dem Druckraum (20) eine Öffnung (22) auf der anderen Seite der Heizkammer (7) mit dem Saugraum (21) verbunden ist.

7. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (22) am Heizkammerdeckel (13) und am Heizkammerboden (8) der Heizkammmer (7) zusätzlich über eine mit der Lukenmechanik (23) verbundene, Durchbrüche (25) aufweisende Ringplatte (26) ganz oder teilweise geöffnet und verschlossen werden können.

8. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen seitlichen Heizkammerwänden (12) und den Heizelementen (14) eine sich vom Heizkammerdeckel (13) bis zum Heizkammerboden (8) erstreckende Trennwand (15) angeordnet ist.

9. Ofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Heizkammer (7) angeordnete Trennwand (15) aus carbonfaserverstärktem Graphit (CFC) besteht.

10. Ofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der in der Heizkammer (7) angeordneten Trennwand (15) und der seitlichen Heizkammerwand (12) eine Verteilerkammer (16) ausgebildet ist.

11. Ofen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilerkammer (16) über eine verschließbare Luke (28) mit dem Druckraum (20) verbunden ist und daß die Trennwand (15) im Bereich der Verteilerkammer (16) wenigstens eine Öffnung (29) aufweist, über die Kühlgas in die Heizkammer (7) einströmen kann.

R/HR/ls