EP0103705B1 - Verfahren zum Wärmebehandeln von Werkstücken - Google Patents

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EP0103705B1
EP0103705B1 EP83107322A EP83107322A EP0103705B1 EP 0103705 B1 EP0103705 B1 EP 0103705B1 EP 83107322 A EP83107322 A EP 83107322A EP 83107322 A EP83107322 A EP 83107322A EP 0103705 B1 EP0103705 B1 EP 0103705B1
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EP
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fluidized bed
work pieces
workpieces
heat
gas stream
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EP83107322A
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EP0103705A1 (de
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Friedhelm Dr. Kühn
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EOn Ruhrgas AG
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Ruhrgas AG
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Publication date
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    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/18—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering
    • C21D1/19—Hardening; Quenching with or without subsequent tempering by interrupted quenching
    • C21D1/20—Isothermal quenching, e.g. bainitic hardening
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents

Definitions

  • the invention relates to a method for the heat treatment of workpieces, in which the workpieces coming from a heating system are used for cooling in a fluidized bed which is generated by at least one gas stream guided in a main flow direction, using a fluidized bed medium which has a higher thermal conductivity than the material of the workpieces to be cooled.
  • Oil or salt baths in which the workpieces are immersed are often used to cool heated workpieces.
  • This conventional cooling process has the advantage of evenly and precisely controllable heat extraction even on complicated workpiece surfaces.
  • a serious disadvantage of using oil or salt baths for cooling heated workpieces is that the workpieces have to be cleaned regularly after being removed from the bath. This requires a considerable amount of work.
  • additional safety precautions are also required. Substantial costs also result in the loss of discharge from the baths, both for oil baths and for salt baths.
  • a device for the heat treatment of coiled wire or strip is also known, in which the wire ring is either immersed in an oil or salt bath or in a fluidized bed and moved in it with the aid of an oscillation system. Moving the wire ring in relation to the bath or fluid bed improves the heat exchange between the cooling medium and the workpiece exposed to the vibration movement, but in no way offsets the better effectiveness of oil or salt baths.
  • the known heat treatment device can only be used in batch operation, but not in a continuous continuous cooling process.
  • the invention has for its object to improve the heat treatment method of the type mentioned, which works much more environmentally friendly than the known bath treatments with less work and energy requirement, so that a more effective and, above all, more uniform heat exchange between the workpiece surfaces and the fluidized bed medium is ensured.
  • This object is achieved according to the invention in that the workpieces are moved relative to the gas stream producing the fluidized bed during cooling, while individual pulse-like gas jets are introduced into the fluidized bed essentially at right angles to the main flow direction of the gas stream, and in that the fluidized bed during the treatment period of the workpieces in the Fluidized bed is maintained at a substantially constant temperature.
  • the invention enables the advantages of dry heat treatment of workpieces in a fluidized bed, i.e. less work and energy requirements as well as lower environmental impact, with those of conventional heat treatments in liquid baths, i.e. to combine more uniform and intensive heat exchange between workpieces and fluidized bed medium and better controllability of the operating parameters.
  • the gas flow conducted in the main flow direction usually consists of several, essentially parallel, partial flows, which together produce the fluidized bed (also called “fluidized bed” or “fluidized bed”).
  • the operating parameters of the fluidized bed are selected according to the invention in such a way that cooling conditions result which even allow relatively large workpieces with a complicated surface to be treated.
  • the invention ensures that a constant particle exchange also takes place on the workpiece surfaces in the so-called slipstream zones. This ensures uniform heat transfer to the fluidized bed medium, even with complexly structured workpiece surfaces.
  • the fluidized bed medium preferably consists of particles of metallic or non-metallic-inorganic character; Examples of this are aluminum alloys or carbides, insofar as they have a higher thermal conductivity than the generally metallic material of the workpieces to be treated.
  • the relative movement of the workpieces can be a vibration movement or long-stroke movements.
  • the direction of movement is not critical, but the movements, if they are in the direction of flow of a gas stream, must be faster than the gas flow.
  • the method according to the invention is particularly well suited for the intermediate stage compensation of workpieces.
  • special care had to be taken when cleaning the workpieces, especially when using oil baths, as there was otherwise a risk that oil residues in the downstream holding furnace, in which the structural change takes place, would evaporate or burn and lead to uncontrollable pollutant emissions. This danger does not exist with the invention.
  • the cooling conditions in the fluidized bed can be optimally adapted to the subsequent treatment in the microstructure conversion system.
  • moisture preferably as water vapor
  • This enables a higher heat transfer coefficient to be set. If necessary, this can shorten the residence time of the workpieces in the fluidized bed.
  • the supply of moisture as water vapor ensures that no lumps form in the fluidized bed medium.
  • the fluidized bed medium preferably has a constant radiation number over a wide temperature range, for example of about 600 ° C. This ensures rapid temperature compensation within the fluidized bed.
  • a gas which generates the fluidized bed and has the same electrical charge sign as the particles of the fluidized bed medium. This avoids electrostatic charges, which may lead to the fluidized bed particles sticking together.
  • the fluidized bed medium is regenerated during loading and unloading of the workpieces.
  • the particle size of the fluidized bed medium can be kept constant and, if necessary, the particles can also be cooled. Since the regeneration takes place during loading and unloading of the fluidized bed, disturbances in the cooling process are avoided.
  • the workpieces are preferably only cooled below the intended holding temperature to such an extent that the holding temperature after removal from the fluidized bed is reached by the heat flow from the core into the edge zones of the workpieces.
  • the subsequent structural transformation system no heat supply to the workpieces is required. The latter was unavoidable with the well-known bath cooling system, because precise control was prohibited because of the steep temperature gradient, and therefore, due to caution, the workpieces were forced to undercool more.
  • a particularly favorable use of energy results when the method according to the invention is applied to the intermediate stage tempering in that the heat emerging from the fluidized bed with the gas stream is used to heat the structural conversion system.
  • the transport duration of the workpieces from the heating system to the fluidized bed is dimensioned depending on the radiation behavior of the workpieces. The stronger the radiation, the shorter the transport time should be.
  • the workpieces then always enter the fluidized bed at the same temperature. The temperature differences within a batch or between individual workpiece sections can also be controlled.
  • the process according to the invention can be carried out batchwise, that is to say in individual batches, or continuously, for example in continuous operation.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Wärmebehandeln von Werkstücken, bei dem die aus einer Erwärmungsanlage kommenden Werkstücke zur Abkühlung in eine Wirbelschicht eingesetzt werden, die von wenigstens einem in einer Hauptströmungsrichtung geführten Gasstrom erzeugt wird, wobei ein Wirbelschichtmedium verwendet wird, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der Werkstoff der abzukühlenden Werkstücke.
  • Zum Kühlen erhitzter Werkstücke bedient man sich häufig Öl- oder Salzbäder, in die die Werkstücke eingetaucht werden. Dieses herkömmliche Kühlverfahren hat den Vorteil eines gleichmässigen und exakt steuerbaren Wärmeentzugs selbst an komplizierten Werkstückoberflächen. Ein schwerwiegender Nachteil des Einsatzes von ÖI-oder Salzbädern zum Kühlen von erhitzten Werkstücken liegt aber darin, dass die Werkstücke nach der Entnahme aus dem Bad regelmässig gereinigt werden müssen. Dies bedingt einen erheblichen Arbeitsaufwand. Ausserdem fällt öl- oder salzhaltiges Abwasser an, welches die Umwelt belastet und zum Teil Deponien zugeführt werden muss. Bei Einsatz eines Salzbades zum Kühlen sind ausserdem zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen erforderlich. Erhebliche Kosten bedingen auch die Austragsverluste der Bäder, und zwar sowohl bei Ölbädern als auch bei Salzbädern.
  • Bekannt sind auch Verfahren zur trockenen Wärmebehandlung erhitzter Werkstücke durch gesteuerten Wärmeentzug in einem Fliess- oder Wirbelbett. Bei einem aus der DE-A-2 455 280 bekannten Wärmebehandlungsverfahren der eingangs genannten Art wird ein Kontaktfeststoff hoher Wärmeleitfähigkeit, z.B. Kupferpulver, in einem aufsteigenden Gasstrom nach Art eines Fliessbetts verwirbelt und im verwirbelten Zustand mit der Oberfläche des im Fliessbett stationär gehaltenen Werkstücks in Kontakt gebracht. Eine solche trockene Wärmebehandlung hat gegenüber Öl- oder Salzbädern den Vorteil, dass die so behandelten Werkstücke nach der Entnahme aus der Wirbelschicht keiner Reinigungsbehandlung bedürfen und daher die oben genannten Nachteile bezüglich Energieaufwand und Umweltbelastung entfallen. Auch sind die Austragsverluste aus der Wirbelschicht gering. Diesen Vorteilen steht aber der Nachteil eines im Vergleich zu Bädern wesentlich ungleichmässigeren Wärmeentzugs gegenüber, so dass vor allem bei komplizierten Werkstückoberflächen den herkömmlichen Badbehandlungen zum Kühlen von Werkstücken der Vorzug gegeben wurde.
  • Aus der DE-B-2 158 459 ist ferner eine Vorrichtung zum Wärmebehandeln von zu Ringen gehaspeltem Draht oder Band bekannt, bei dem der Drahtring entweder in ein Öl- oder Salzbad oder in ein Fliessbett getaucht und in diesem mit Hilfe eines Schwingungssystems bewegt wird. Das Bewegen des Drahtrings gegenüber dem Bad oder Fliessbett verbessert den Wärmeaustausch zwischen Kühlmedium und dem der Schwingungsbewegung ausgesetzten Werkstück, gleicht aber die bessere Wirksamkeit von Öl- oder Salzbädern keineswegs aus. Ausserdem ist die bekannte Wärmebehandlungsvorrichtung nur im Chargenbetrieb, nicht aber in einem kontinuierlichen Durchlaufkühlverfahren verwendbar.
  • Die Möglichkeit einer kontinuierlichen Wärmebehandlung bei etwa gleicher Temperatur in einem Fliessbett ist aus der GB-A-1 002512 bekannt. Auch hier ist ein mit Öl- oder Salzbädern vergleichbarer einheitlicher Wärmeentzug durch Oberflächenkontakt der Werkstücke mit den Feststoffteilchen nur dann möglich, wenn Werkstücke mit einheitlichen, z.B. runden Oberflächenformen behandelt werden.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Wärmebehandlungsverfahren der eingangs genannten Art, das bei geringerem Arbeitsaufwand und Energiebedarf wesentlich umweltfreundlicher arbeitet als die bekannten Badbehandlungen, so zu verbessern, dass ein wirksamerer und vor allem gleichmässigerer Wärmetausch zwischen den Werkstückoberflächen und dem Wirbelschichtmedium gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Werkstücke beim Abkühlen relativ zu dem die Wirbelschicht erzeugenden Gasstrom bewegt werden, während einzelne impulsartige Gasstrahlen im wesentlichen rechtwinklig zur Hauptströmungsrichtung des Gasstroms in die Wirbelschicht eingeleitet werden, und dass die Wirbelschicht während der Behandlungsdauer der Werkstücke in der Wirbelschicht auf im wesentlichen konstanter Temperatur gehalten wird.
  • Durch die Erfindung gelingt es, die Vorteile der trockenen Wärmebehandlung von Werkstücken in einer Wirbelschicht, d.h. geringerer Arbeitsaufwand und Energiebedarf sowie geringere Umweltbelastung, mit denjenigen herkömmlicher Wärmebehandlungen in flüssigen Bädern, d.h. gleichmässigerer und intensiverer Wärmetausch zwischen Werkstücken und Wirbelschichtmedium sowie bessere Steuerbarkeit der Betriebsparameter zu vereinigen.
  • Der in der Hauptströmungsrichtung geführte Gasstrom besteht in der Praxis meist aus mehreren, im wesentlichen parallel verlaufenden Teilströmen, die gemeinsam die Wirbelschicht (auch «Wirbelbett» oder «Fliessbett» genannt) erzeugen. Die Betriebsparameter der Wirbelschicht sind erfindungsgemäss so gewählt, dass sich Kühlbedingungen ergeben, die sogar eine Behandlung relativ grosser Werkstücke mit komplizierter Oberfläche zulassen. Insbesondere sorgt die Erfindung durch die impulsartigen Einzelstrahlen quer zur Hauptströmungsrichtung des das Wirbelbett erzeugenden Gasstromes sowie durch die Bewegung der Werkstücke dafür, dass an den Werkstückoberflächen auch in den sogenannten Windschattenzonen ein ständiger Partikelaustausch stattfindet. Damit ist selbst bei kompliziert strukturierten Werkstückoberflächen ein einheitlicher Wärmeübergang zum Wirbelschichtmedium gewährleistet.
  • Die Konstanthaltung der Temperatur stellt sicher, dass gleichbleibende Wärmeübergangsbedingungen herrschen, wobei ein ausreichend rascher Wärmeübergang dadurch gefördert wird, dass die Wärmeleitfähigkeit des Wirbelschichtmediums höher als die des abzukühlenden Werkstoffes ist.
  • Das Wirbelschichtmedium besteht vorzugsweise aus Partikeln metallischen oder nicht metallisch-anorganischen Charakters; Beispiele hierfür sind Aluminiumlegierungen oder Carbide, soweit sie eine höhere Wärmeleitfähigkeit haben als der in der Regel metallische Werkstoff der zu behandelnden Werkstücke.
  • Bei der Relativbewegung der Werkstücke kann es sich um eine Vibrationsbewegung oder um langhubige Bewegungen handeln. Die Bewegungsrichtung ist nicht kritisch, jedoch müssen die Bewegungen, wenn sie in Strömungsrichtung eines Gasstroms erfolgen, schneller als die Gasströmung sein.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren eignet sich ganz besonders gut zur Zwischenstufenvergütung von Werkstücken. Bisher musste man vor allem beim Einsatz von Ölbädern besondere Sorgfalt auf die Reinigung der Werkstücke verwenden, da sonst die Gefahr bestand, dass Ölreste im nachgeschalteten Halteofen, in dem die Gefügeumwandlung stattfindet, verdampften oder verbrannten und zu kaum beherrschbaren Schadstoffemissionen führten. Diese Gefahr besteht bei der Erfindung nicht.
  • Erfindungsgemäss werden die aus der Erwärmungsanlage kommenden Werkstücke zum Zwischenstufenvergüten zunächst in der Wirbelschicht abgekühlt und danach in an sich bekannter Weise in eine Gefügeumwandlungsanlage überführt. Bei Anwendung dieses Verfahrens zum Zwischenstufenvergüten von Werkstücken aus Graugusslegierungen können die Werkstücke beispielsweise auf folgende Temperaturen gebracht werden:
    • auf etwa 900 °C in der Erwärmungsanlage;
    • auf etwa 350 °C (Temperatur in den Randzonen der Werkstücke) bei der Abkühlung in der Wirbelschicht; und
    • auf etwa 400 °C (erwünschte Haltetemperatur) in der Gefügeumwandlungsanlage.
  • Die Kühlbedingungen in der Wirbelschicht lassen sich optimal an die nachfolgende Behandlung in der Gefügeumwandlungsanlage anpassen.
  • Unter Umständen kann es vorteilhaft sein, dass mit dem Gasstrom Feuchtigkeit, vorzugsweise als Wasserdampf, in die Wirbelschicht eingetragen wird. Dadurch lässt sich ein höherer Wärmeübergangskoeffizient einstellen. Falls erforderlich, kann auf diese Weise die Aufenthaltszeit der Werkstücke in der Wirbelschicht verkürzt werden. Die Zuführung der Feuchtigkeit als Wasserdampf stellt sicher, dass sich keine Klumpen im Wirbelschichtmedium bilden.
  • Vorzugsweise besitzt das Wirbelschichtmedium über einen weiten Temperaturbereich, beispielsweise von etwa 600 °C, eine konstante Strahlungszahl. Dadurch wird ein rascher Temperaturausgleich innerhalb der Wirbelschicht sichergestellt.
  • Nach einem weiteren vorteilhaften Merkmal wird ein die Wirbelschicht erzeugendes Gas verwendet, das dasselbe elektrische Ladungsvorzeichen wie die Partikel des Wirbelschichtmediums hat. Dadurch vermeidet man elektrostatische Aufladungen, die unter Umständen zu einem Zusammenhaften der Wirbelschichtpartikel führen können.
  • Erfindungsgemäss besteht ferner die Möglichkeit, dass das Wirbelschichtmedium während des Be- und Entladens der Werkstücke regeneriert wird. Auf diese Weise kann man die Korngrösse des Wirbelschichtmediums konstant halten und, falls erforderlich, die Partikel ausserdem kühlen. Da die Regeneration während des Be- und Entladens der Wirbelschicht erfolgt, vermeidet man Störungen des Kühlvorgangs.
  • Im Falle des Zwischenstufenvergütens werden die Werkstücke vorzugsweise nur soweit unter die vorgesehene Haltetemperatur abgekühlt, dass die Haltetemperatur nach der Entnahme aus der Wirbelschicht durch den Wärmestrom vom Kern in die Randzonen der Werkstücke erreicht wird. In der anschliessenden Gefügeumwandlungsanlage ist also keine Wärmezufuhr zu den Werkstücken erforderlich. Letztere war bei der bekannten Badkühlung unumgänglich, da sich dort wegen des steilen Temperaturgradienten eine exakte Steuerung verbot und man daher aus Vorsicht gezwungen war, die Werkstücke stärker zu unterkühlen.
  • Eine besonders günstige Energienutzung ergibt sich bei Anwendung des erfindungsgemässen Verfahrens auf das Zwischenstufenvergüten dadurch, dass die mit dem Gasstrom aus der Wirbelschicht austretende Wärme zum Beheizen der Gefügeumwandlungsanlage benutzt wird.
  • Um dafür zu sorgen, dass die Abkühlungsbedingungen immer gleich sind, ist es vorteilhaft, dass die Transportdauer der Werkstücke von der Erwärmungsanlage bis in die Wirbelschicht in Abhängigkeit vom Strahlungsverhalten der Werkstücke bemessen wird. Je stärker die Strahlung, desto kürzer sollte die Transportzeit sein. Die Werkstücke gelangen dann immer mit derselben Temperatur in die Wirbelschicht hinein. Auch lassen sich die Temperaturunterschiede innerhalb einer Charge bzw. zwischen einzelnen Werkstückabschnitten beherrschen.
  • Das erfindungsgemässe Verfahren kann diskontinuierlich, also in einzelnen Chargen, oder kontinuierlich, beispielsweise im Durchlaufbetrieb, durchgeführt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zum Wärmebehandeln von Werkstücken, bei dem die aus einer Erwärmungsanlage kommenden Werkstücke zur Abkühlung in eine Wirbelschicht eingesetzt werden, die von wenigstens einem in einer Hauptströmungsrichtung geführten Gasstrom erzeugt wird, wobei ein Wirbelschichtmedium verwendet wird, das eine höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt als der Werkstoff der abzukühlenden Werkstücke, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke beim Abkühlen relativ zu dem die Wirbelschicht erzeugenden Gasstrom bewegt werden, während einzelne impulsartige Gasstrahlen im wesentlichen rechtwinklig zur Hauptströmungsrichtung des Gasstroms in die Wirbelschicht eingeleitet werden, und dass die Wirbelschicht während der Behandlungsdauer der Werkstücke in der Wirbelschicht auf im wesentlichen konstanter Temperatur gehalten wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aus der Erwärmungsanlage kommenden Werkstücke zum Zwischenstufenvergüten zunächst in der Wirbelschicht abgekühlt und danach in eine Gefügeumwandlungsanlage überführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Gasstrom Feuchtigkeit, vorzugsweise als Wasserdampf, in die Wirbelschicht eingetragen wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelschichtmedium über einen weiten Temperaturbereich eine konstante Strahlungszahl besitzt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das in der Wirbelschicht verwendete Gas dasselbe elektrische Ladungsvorzeichen besitzt wie die Partikel des Wirbelschichtmediums.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wirbelschichtmedium während der Chargierzeit der Werkstücke regeneriert wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke nur soweit bezüglich der erwünschten Haltetemperatur unterkühlt werden, dass ihre Haltetemperatur nach der Entnahme aus der Wirbelschicht durch den Wärmestrom vom Kern in die Randzonen der Werkstücke erreicht wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem Gasstrom aus der Wirbelschicht austretende Wärme zum Beheizen der Gefügeumwandlungsanlage benutzt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Transportdauer der Werkstücke von der Erwärmungsanlage bis in die Wirbelschicht in Abhängigkeit von dem Strahlungsverhalten der Werkstücke eingestellt wird.
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