EP0690138A1 - Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken durch Gase und Wärmebehandlungsanlage zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken durch Gase und Wärmebehandlungsanlage zur Durchführung des Verfahrens Download PDF

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EP0690138A1
EP0690138A1 EP95104784A EP95104784A EP0690138A1 EP 0690138 A1 EP0690138 A1 EP 0690138A1 EP 95104784 A EP95104784 A EP 95104784A EP 95104784 A EP95104784 A EP 95104784A EP 0690138 A1 EP0690138 A1 EP 0690138A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
refrigerant
quenching
heat treatment
cooling
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EP95104784A
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English (en)
French (fr)
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EP0690138B1 (de
Inventor
Paul Dipl.-Ing. Heilmann
Klaus Dr.-Ing. Löser
Friedrich Preisser
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ALD Vacuum Technologies GmbH
Original Assignee
ALD Vacuum Technologies GmbH
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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
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/767—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material with forced gas circulation; Reheating thereof
    • 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
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    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/613—Gases; Liquefied or solidified normally gaseous material
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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/74—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material
    • C21D1/773—Methods of treatment in inert gas, controlled atmosphere, vacuum or pulverulent material under reduced pressure or vacuum

Definitions

  • the invention relates to a method for quenching workpieces by gases in a heat treatment system and recooling the gases conveyed in the circuit on cooling surfaces in at least one heat exchanger.
  • the heat treatment of high-quality tools made of hot and cold work steels as well as high-performance high-speed steels is mainly carried out today in vacuum heat treatment plants with high-pressure gas quenching.
  • This technology necessarily leads to the use of high-pressure tanks for heat treatment and gas quenching, or heat treatment plants with large wall thicknesses.
  • the formation and sealing of the flange connections and the doors and covers of the heat treatment systems is particularly complex.
  • the level of quenching intensity that can be achieved is significantly influenced by the choice of gas type, gas pressure, gas velocity and gas temperature.
  • the level of the gas temperature influences the amount of heat to be dissipated from the batch and thus the quenching intensity via the heat transfer coefficient ⁇ and the driving temperature difference between the batch and quenching gas.
  • the level of the gas temperature is influenced, among other things, by the heat exchanger used to recool the quench gas.
  • the level of the gas outlet temperature behind the heat exchanger remains limited to an order of magnitude of around 30 to 50 ° C, even with optimum efficiency.
  • the invention is therefore based on the object of increasing the quenching intensity even with larger workpieces and / or batches.
  • the object is achieved in that the cooling surfaces of the at least one heat exchanger are cooled to temperatures below 0 ° C. by a refrigeration unit and a refrigerant.
  • cooling surfaces of the heat exchanger are cooled to temperatures below -1 ° C, preferably even below -40 ° C.
  • the lowering of the gas temperature results in a significant increase in the heat transfer coefficient, provided the same pressure, via the material parameters density, thermal conductivity, dynamic viscosity and specific heat capacity.
  • the cooling time can be shortened significantly by using the method according to the invention.
  • the method according to the invention now also enables a high quenching intensity to be achieved with larger workpieces and / or batches.
  • the quenching intensity can be increased considerably.
  • the quenching gas is passed in succession through at least one heat exchanger with conventional water cooling and at least one further heat exchanger with cooling by a refrigerant.
  • Such a measure makes it possible to cool the quenching gas emerging from the batch, which can briefly have temperatures of more than 400 ° C., in a first heat exchanger with water cooling to a temperature of 50 ° C. and to supply it to the second heat exchanger at this temperature, which is cooled by a refrigerant, whereby the temperature can be lowered to, for example, -50 ° C.
  • This very strongly cooled gas is then fed back to the batch to be quenched via a blower in the circuit, as a result of which the game is repeated and the batch temperature can be lowered very quickly.
  • a batch of several hundred kilograms can be cooled from an initial temperature of 1,000 ° C to a temperature of 200 ° C within only 3 minutes.
  • a refrigeration unit must be designed in terms of its size and performance so that the amount of heat can also be dissipated within the specified time.
  • a storage volume of an at least largely pressure-less stored second refrigerant is first cooled to a temperature below 0 ° C. using the refrigeration unit and a first refrigerant, and this second Refrigerant is passed through the at least one heat exchanger.
  • a cooling brine is advantageously used as the second refrigerant, i.e. a salt solution with a salt concentration such that freezing is reliably prevented.
  • a salt solution with a salt concentration such that freezing is reliably prevented.
  • another anti-freeze can be added to the water, e.g. monohydric and / or polyhydric alcohols.
  • the storage volume of the second refrigerant is advantageously chosen to be as large as possible, the necessary output of the refrigeration unit decreasing with increasing size of the storage volume.
  • the refrigerant in question can therefore absorb to a considerable extent the amount of heat dissipated during quenching. Since there is a sufficient time interval between the heat treatment and the quenching of successive batches, the refrigeration unit can cool the second refrigerant down to the required low temperature of, for example, -50 to -60 ° C. in the course of this time.
  • the invention also relates to a heat treatment system for quenching workpieces by gases with and with a heat treatment furnace at least one heat exchanger for recooling the gases conveyed in a circuit on cooling surfaces.
  • such a heat treatment system is characterized according to the invention in that the at least one heat exchanger is connected to a refrigeration unit.
  • At least one heat exchanger with a connected water circuit and at least one heat exchanger with a connected refrigerant circuit are connected in series in the flow direction of the quenching gas.
  • a particularly advantageous heat treatment system is characterized in the course of the further embodiment of the invention in that the refrigeration unit has an evaporator which is immersed in a storage tank for an at least largely pressure-less storable second refrigerant, and in that this storage tank is connected to at least one of the heat exchangers via a circuit line connected.
  • a particularly compact system results, according to yet another embodiment of the invention, in that the interior of the heat treatment furnace is divided into a batch area and a cooling area through which the quenching gas can flow in succession and that in the cooling area at least one heat exchanger for cooling water operation and at least one Heat exchangers for refrigerant operation are arranged.
  • the heat treatment system is divided into a heat treatment furnace and a quenching chamber, and if the at least one is directly or indirectly connected to the cooling unit connected heat exchanger is assigned exclusively to the quenching chamber.
  • FIGS. 1 to 4 Three exemplary embodiments of the subject matter of the invention are explained in more detail below with reference to FIGS. 1 to 4.
  • FIG. 1 shows a heat treatment system 1, the heat treatment furnace 1a of which is designed as a vacuum furnace. Its interior is divided into a batch area 2 and a cooling area 3. In the batch area 2 there is a batch 4, which consists of numerous workpieces and is surrounded by thermal insulation 5. This thermal insulation includes two movable flaps 6 and 7, which control a flow of cooling gas through the openings 8 and 9 in the sense of drawn flow arrows serve. The heating devices required for heating batch 4 are not shown for the sake of simplicity.
  • the batch area 2 is separated from the cooling area 3 by a wall 10, which belongs to the thermal insulation 5.
  • first heat exchanger 11 In the cooling area 3 there is a first heat exchanger 11 with first cooling surfaces 12, on the secondary side of which cooling water is conducted in a water circuit, of which only the circuit line 13 is indicated.
  • the two heat exchangers 11 and 14 are surrounded by a further heat insulation 17.
  • a fan 18 with a drive motor 19 the quenching gas can be guided in a circuit with the flaps 6 and 7 open in the sense of the flow arrows shown.
  • the refrigerant circuit with the circuit line 16 includes a refrigeration unit 20 which is of conventional construction and contains a compressor 21, a condenser 22 and a throttle device 23.
  • a conventional refrigerant is passed through the circuit line 16 through the second heat exchanger 14, the cooling surfaces 15 of which thereby form the wall surfaces of an evaporator, so that a strong heat removal is exerted on the quenching gas.
  • the mode of operation of the device according to FIG. 1 is as follows: Charge 4 is heated, for example, to a temperature of 1,000 ° C. During the quenching process, the fan 18 conveys cold quenching gas through the open upper flap 6 into the batch area 2, which acts as a heating chamber is trained. When flowing through the hot batch 4, the quenching gas heats up while cooling the batch. The quenching gas which has now been heated leaves the heating chamber through the open lower flap 7 and flows through the water-cooled first heat exchanger 11. The quenching gas cools to a temperature of approximately 50.degree. For further cooling, the gas now flows through the second heat exchanger 14, which is operated on the secondary side with the refrigerant already described as the cooling medium.
  • the quenching gas within the second heat exchanger 14 is cooled to approximately -50 ° C., and this cooled gas stream is guided by the blower 18 back into the batch area 2 and passed over the batch.
  • the cooling surfaces 15 of the second heat exchanger 14 form the evaporator of the refrigeration unit 20.
  • the refrigerant enters the second heat exchanger 14, for example at a temperature of -60 ° C.
  • the refrigerant evaporates by absorbing heat from the quenching gas flowing on the primary side. After exiting the heat exchanger 14 or from its evaporator, the refrigerant vapor is compressed by the compressor 21 and liquefied in the downstream condenser 22.
  • the refrigerant After throttling in the throttling device 23, the refrigerant re-enters the second heat exchanger 14. In this way it is possible to reduce the batch temperature from 1,000 ° C to 200 ° C within 3 minutes and thereby quench the batch.
  • the pressure of the refrigerant in the second heat exchanger 14 is approximately 30 bar here.
  • the heat treatment furnace 1a according to FIG. 2 is identical to that in FIG. 1, so that repetitions are unnecessary.
  • a storage container 24 is present, in which a second refrigerant 25, which can be stored without pressure and which, for example, consists of a salt solution or cooling brine, is accommodated, so that freezing within the temperature ranges sought here is excluded.
  • the storage container 24 is a pressureless container, which is, however, surrounded by strong thermal insulation 26 and has a relatively large volume in which, for example, several thousand liters of the refrigerant 25 can be accommodated.
  • the refrigeration unit 20 has an evaporator 27 through which a first refrigerant is passed.
  • the evaporator is immersed in the second refrigerant 25 already described, so that it is cooled to the required operating temperature of -50 to -60 ° C.
  • the storage tank 24 is connected to the second heat exchanger 14 via a circuit line consisting of the supply line 28 and the return line 29.
  • the second refrigerant 25 forms a type of buffer which, depending on the amount of refrigerant stored, heats up slightly during the quenching process of batch 4, but in the intervals between the individual quenching processes, however, by the refrigeration unit 20 is cooled down again.
  • the cooling time t in seconds is shown on the abscissa in FIG. 3, while the workpiece temperatures T are plotted in ° C. on the ordinate. These curves were determined for steel bolts with a diameter of 25 mm and in a helium atmosphere with a pressure of 20 bar.
  • each curve represents the mean gas temperature in batch area 2 of the heat treatment furnace. It can clearly be seen that the quenching rate or quenching intensity increases sharply with decreasing temperature of the quenching gas. Conversely, the cooling time t is reduced accordingly. Alloys can be quenched, especially by increasing the quenching rate by frozen gases, which can no longer be quenched sufficiently quickly with pure high-pressure gas quenching.
  • FIG. 4 shows a heat treatment system 30, which is designed as a clocked multi-chamber system and is equipped with four gas-tight lock valves S1, S2, S3 and S4.
  • the batch 4 is brought in by means of a charging carriage 32 and is pushed into a prechamber 33 with the lock valve S1 open.
  • the atmosphere and pressure in the pre-chamber 33 are adapted to the values in the heat treatment furnace 30a, in which the charge 4 introduced by the lock valve S2 is also surrounded here by thermal insulation 5 and a heating device 5a.
  • the parts 5c and 5d of the thermal insulation 5 located in the transport direction are movably connected to the lock valves S2 and S3.
  • the lock valve S3 is opened and the charge 4 is introduced into a quenching chamber 31.
  • the lock valve S3 is then closed.
  • the quenching chamber 31 is assigned at least one heat exchanger, not shown here, via which the quenching gas is circulated through the fan 18 and cooled to temperatures well below 0 ° C.
  • the quenching chamber 31 is brought to atmospheric pressure and the batch 4 is transported to the atmosphere on a further batch wagon 34 through the lock valve S4 which is then opened.
  • the temperature of the components in the heat treatment furnace 30a is at least largely maintained, and likewise the temperature in the quenching chamber 31 when a new batch is introduced corresponds at least largely to the low temperature level which at the end of the quenching process of the previous batch in in the quenching chamber.
  • very abrupt temperature changes and unnecessary energy losses are largely avoided, and the cooling unit is additionally relieved.

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Abstract

Beim Abschrecken von Werkstücken durch Gase in einer Wärmebehandlungsanlage (1) und Rückkühlung der im Kreislauf geförderten Gase an Kühlflächen (12, 15) in mindestens einem Wärmetauscher (11, 14) werden zur Erhöhung der Abschreckintensität die Kühlflächen (15) des mindestens einen Wärmetauschers (14) durch ein Kälteaggregat (20) und ein Kältemittel auf Temperaturen unterhalb von 0 °C, vorzugsweise auf Temperaturen unterhalb von -20 °C, oder sogar von -40 °C, gekühlt. Zur Verringerung von Größe und Leistung des Kälteaggregats (20) wird das Abschreckgas nacheinander durch mindestens einen Wärmetauscher (11) mit Wasserkühlung und mindestens einen Wärmetauscher (14) mit Kühlung durch das Kältemittel geleitet. Zur weiteren Verringerung von Größe und Leistung des Kälteaggregats (20) wird mittels desselben und eines ersten Kältemittels zunächst ein Speichervolumen eines zumindest weitgehend drucklos gespeicherten zweiten Kältemittels, beispielsweise einer Kühlsole, auf eine Temperatur unterhalb von 0 °C abgekühlt, und dieses zweite Kältemittel wird durch den mindestens einen Wärmetauscher (14) geleitet. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken durch Gase in einer Wärmebehandlungsanlage und Rückkühlung der im Kreislauf geförderten Gase an Kühlflächen in mindestens einem Wärmetauscher.
  • Die Wärmebehandlung von hochwertigen Werkzeugen aus Warm- und Kaltarbeitsstählen sowie Hochleistungs-Schnellarbeitsstählen wird heute überwiegend in Vakuum-Wärmebehandlungsanlagen mit Hochdruck-Gasabschreckung durchgeführt.
  • Durch Weiterentwicklung der Hochdruck-Gasabschreckung in Richtung höherer Gasdrücke- und Gasgeschwindigkeiten sowie durch die Wahl geeigneter Abschreckgase ist es möglich, den Einsatz dieser Technologie auf das Gebiet der niedriglegierten Stähle sowie der Einsatzstähle zu erweitern. Hierbei wird mit Gasdrücken bis 20 bar gearbeitet. Die derzeitige Anlagentechnik ermöglicht allerdings nur die Behandlung von Werkstücken mit relativ geringen Wandstärken bzw. Querschnitten und kleinen Chargengrößen.
  • Diese Technologie führt notwendigerweise zur Anwendung von Hochdruckbehältern für die Wärmebehandlung und Gasabschreckung, bzw. von Wärmebehandlungsanlagen mit großen Wandstärken. Besonders aufwendig ist hierbei die Ausbildung und Abdichtung der Flanschverbindungen sowie der Türen bzw. Deckel der Wärmebehandlungsanlagen.
  • Die Höhe der erreichbaren Abschreckintensität wird maßgeblich von der Wahl der Gasart, dem Gasdruck, der Gasgeschwindigkeit sowie der Gastemperatur beeinflußt. Die Höhe der Gastemperatur beeinflußt die aus der Charge abzuführende Wärmemenge und damit die Abschreckintensität über die Wärmeübergangszahl α sowie über die treibende Temperaturdifferenz zwischen Charge und Abschreckgas.
  • Die Höhe der Gastemperatur wird unter anderem von dem zur Rückkühlung des Abschreckgases eingesetzten Wärmetauscher beeinflußt. Durch die Verwendung von Kühlwasser als Kühlmedium auf der Sekundärseite des Wärmetauschers bleibt die Höhe der Gasaustrittstemperatur hinter dem Wärmetauscher selbst bei optimalem Wirkungsgrad auf eine Größenordnung von etwa 30 bis 50 °C beschränkt.
  • Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Abschreckintensität auch bei größeren Werkstücken und/oder Chargen zu erhöhen.
  • Die Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen Verfahren erfindungsgemäß dadurch, daß die Kühlflächen des mindestens einen Wärmetauschers durch ein Kälteaggregat und ein Kältemittel auf Temperaturen unterhalb von 0 °C gekühlt werden.
  • Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn die Kühlflächen des Wärmetauschers auf Temperaturen unterhalb von -1 °C, vorzugsweise sogar unterhalb von -40 °C gekühlt werden.
  • Die Absenkung der Gastemperatur bewirkt über die Stoffparameter Dichte, Wärmeleitfähigkeit, dynamische Viskosität und spezifische Wärmekapazität eine deutliche Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten, gleichen Druck vorausgesetzt. Insbesondere läßt sich durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Abkühldauer deutlich verkürzen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht nunmehr auch die Erzielung einer hohen Abschreckintensität bei größeren Werkstücken und/oder Chargen. Außerdem ist es möglich, bei gleicher Abschreckintensität mit niedrigeren Drücken zu arbeiten, wodurch die Investitionskosten für eine derartige Anlage erheblich gesenkt werden können. Umgekehrt läßt sich im Falle einer Beibehaltung eines hohen Druck die Abschreckintensität erheblich vergrößern.
  • Um dabei die Größe bzw. die Leistung des Kälteaggregats in Grenzen zu halten, ist es gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung besonders vorteilhaft, wenn man das Abschreckgas nacheinander durch mindestens einen Wärmetauscher mit herkömmlicher Wasserkühlung und mindestens einen weiteren Wärmetauscher mit Kühlung durch ein Kältemittel leitet.
  • Durch eine solche Maßnahme ist es möglich, das aus der Charge austretende Abschreckgas, das kurzzeitig Temperaturen von mehr als 400 °C aufweisen kann, in einem ersten Wärmetauscher mit Wasserkühlung auf eine Temperatur von 50 °C abzukühlen und mit dieser Temperatur dem zweiten Wärmetauscher zuzuführen, der durch ein Kältemittel gekühlt wird, wodurch die Temperatur auf beispielsweise -50 °C abgesenkt werden kann. Dieses sehr stark abgekühlte Gas wird nun über ein Gebläse im Kreislauf wieder der abzuschreckenden Charge zugeführt, wodurch sich das Spiel wiederholt und die Chargentemperatur sehr schnell abgesenkt werden kann. Auf diese Art und Weise kann zum Beispiel eine Charge von mehreren 100 Kilogramm innerhalb von nur 3 Minuten von einer Anfangstemperatur von 1.000 °C auf eine Temperatur von 200 °C abgekühlt werden.
  • Nun muß üblicherweise ein Kälteaggregat hinsichtlich seiner Größe und Leistung so ausgelegt werden, daß die anfallende Wärmemenge innerhalb der vorgegebenen Zeit auch abgeführt werden kann.
  • Um Größe und Leistung des Kälteaggregats weiter zu reduzieren, wird im Zuge einer wiederum weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorteilhaft mittels des Kälteaggregats und eines ersten Kältemittels zunächst ein Speichervolumen eines zumindest weitgehend drucklos gespeicherten zweiten Kältemittels auf eine Temperatur unterhalb von 0 °C abgekühlt, und dieses zweite Kältemittel wird durch den mindestens einen Wärmetauscher geleitet.
  • Es ist dabei wiederum von Vorteil, wenn bei einer Wärmebehandlungsanlage, die in einen Wärmebehandlungsofen und in eine Abschreckkammer unterteilt ist, die Charge aus dem Wärmebehandlungsofen in die Abschreckkammer überführt und dort der Wirkung des Abschreckgases ausgesetzt wird.
  • Durch diese Maßnahme ist es nicht mehr erforderlich, auch noch die in dem Wärmebehandlungsofen, insbesondere in dessen Einbauteilen, enthaltenen Wärmemengen über den oder die Wärmetauscher abzuführen, und der Wärmebehandlungsofen kann auf seiner Betriebstemperatur gehalten werden. Dadurch wird insbesondere das Kälteaggregat entlastet.
  • Als zweites Kältemittel wird dabei vorteilhaft eine Kühlsole verwendet, d.h. eine Salzlösung mit einer solchen Salzkonzentration, daß ein Einfrieren sicher verhindert wird. Alternativ kann dem Wasser ein anderes Frostschutzmittel zugesetzt werden, wie z.B. ein- und/oder mehrwertige Alkohole.
  • Das Speichervolumen des zweiten Kältemittels wird vorteilhaft möglichst groß gewählt, wobei mit zunehmender Größe des Speichervolumens die notwendige Leistung des Kälteaggregats zurückgeht. Das betreffende Kältemittel kann daher in erheblichem Umfange die beim Abschrecken abgeführte Wärmemenge aufnehmen. Da zwischen der Wärmebehandlung und dem Abschrecken aufeinanderfolgender Chargen ein genügender zeitlicher Abstand gegeben ist, kann das Kälteaggregat im laufe dieser Zeit das zweite Kältemittel wieder auf die erforderliche niedrige Temperatur von beispielsweise -50 bis -60 °C herunterkühlen.
  • Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist es auch im einfachsten Fall möglich, bisher nicht härtbare Werkstoffe, sogenannte abkühlkritische Werkstoffe, durch Abschreckung zu härten und die Prozeßdauer zu verkürzen.
  • Die Erfindung betrifft auch eine Wärmebehandlungsanlage zum Abschrecken von Werkstücken durch Gase mit einem Wärmebehandlungsofen und mit mindestens einem Wärmetauscher zur Rückkühlung der in einem Kreislauf geförderten Gase an Kühlflächen.
  • Zur Lösung der gleichen Aufgabe ist eine solche Wärmebehandlungsanlage erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmetauscher an ein Kälteaggregat angeschlossen ist.
  • In besonders vorteilhafter Weise sind dabei mindestens ein Wärmetauscher mit einem angeschlossenen Wasserkreislauf und mindestens ein Wärmetauscher mit einem angeschlossenen Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung des Abschreckgases in Reihe geschaltet.
  • Eine besonders vorteilhaft gestaltete Wärmebehandlungsanlage ist im Zuge der weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß das Kälteaggregat einen Verdampfer besitzt, der in einen Speicherbehälter für ein zumindest weitgehend drucklos speicherbares zweites Kältemittel eingetaucht ist, und daß dieser Speicherbehälter über eine Kreislaufleitung an mindestens einen der Wärmetauscher angeschlossen ist.
  • Eine besonders kompakte Anlage ergibt sich gemäß einer wiederum weiteren Ausgestaltung der Erfindung dadurch, daß der Innenraum des Wärmebehandlungsofens in einen Chargenbereich und in einen Kühlbereich unterteilt ist, die nacheinander von dem Abschreckgas durchströmbar sind und daß im Kühlbereich hintereinander mindestens ein Wärmetauscher für Kühlwasserbetrieb und mindestens ein Wärmetauscher für Kältemittelbetrieb angeordnet sind.
  • Es ist dabei aus den weiter oben angegebenen Gründen besonders vorteilhaft, wenn die Wärmebehandlungsanlage in einen Wärmebehandlungsofen und eine Abschreckkammer unterteilt ist und wenn der mindestens eine an das Kälteaggregat mittelbar oder unmittelbar angeschlossene Wärmetauscher ausschließlich der Abschreckkammer zugeordnet ist.
  • Drei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes werden nachstehend anhand der Figuren 1 bis 4 näher erläutert.
  • Es zeigen:
    • Figur 1
    ein Anlagen- und Verfahrensschema mit zwei Wärmetauschern, von denen einer unmittelbar an ein Kälteaggregat angeschlossen ist,
    Figur 2
    ein Anlagen- und Verfahrensschema mit zwei Wärmetauschern, von denen der eine unter Zwischenschaltung eines Speicherbehälters mittelbar mit einem Kälteaggregat verbunden ist,
    Figur 3
    eine Parameterdarstellung zur Erläuterung der Abhängigkeit der Abschreckintensität von der Temperatur des Abschreckgases und
    Figur 4
    ein Anlagenschema, bei dem die Wärmebehandlungsanlage in einen Wärmebehandlungsofen und eine Abschreckkammer unterteilt ist.
  • In Figur 1 ist eine Wärmebehandlungsanlage 1 dargestellt, deren Wärmebehandlungsofen 1a als Vakuumofen ausgebildet ist. Sein Innenraum ist in einen Chargenbereich 2 und in einen Kühlbereich 3 unterteilt. Im Chargenbereich 2 befindet sich eine Charge 4, die aus zahlreichen Werkstücken besteht und von einer Wärmedämmung 5 umgeben ist. Zu dieser Wärmedämmung gehören zwei bewegliche Klappen 6 und 7, die zur Steuerung einer Kühlgasströmung durch die Öffnungen 8 und 9 im Sinne der eingezeichneten Strömungspfeile dienen. Die für die Aufheizung der Charge 4 erforderlichen Heizeinrichtungen sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. Der Chargenbereich 2 ist von dem Kühlbereich 3 durch eine Wand 10 getrennt, die zur Wärmedämmung 5 gehört.
  • Im Kühlbereich 3 befindet sich ein erster Wärmetauscher 11 mit ersten Kühlflächen 12, auf deren Sekundärseite Kühlwasser in einem Wasserkreislauf geführt wird, von dem nur die Kreislaufleitung 13 angedeutet ist.
  • In Strömungsrichtung der Abschreckgase befindet sich hinter dem ersten Wärmetauscher 11 ein zweiter Wärmetauscher 14 mit Kühlflächen 15, deren Sekundärseite an einen Kältemittelkreislauf mit den Kreislaufleitungen 16 angeschlossen ist.
  • Die beiden Wärmetauscher 11 und 14 sind von einer weiteren Wärmedämmung 17 umgeben. Durch ein Gebläse 18 mit einem Antriebsmotor 19 läßt sich das Abschreckgas bei geöffneten Klappen 6 und 7 in einem Kreislauf im Sinne der eingezeichneten Strömungspfeile führen.
  • Zum Kältemittelkreislauf mit der Kreislaufleitung 16 gehört ein Kälteaggregat 20, das in herkömmlicher Bauweise ausgeführt ist und einen Verdichter 21, einen Verflüssiger 22 und eine Drosseleinrichtung 23 enthält. Ein übliches Kältemittel wird durch die Kreislaufleitung 16 durch den zweiten Wärmetauscher 14 geführt, dessen Kühlflächen 15 dadurch die Wandflächen eines Verdampfers bilden, so daß ein starker Wärmeentzug auf das Abschreckgas ausgeübt wird.
  • Die Wirkungsweise der Vorrichtung nach Figur 1 ist folgende: Die Charge 4 ist beispielsweise auf eine Temperatur von 1.000 °C aufgeheizt. Während des Abschreckens fördert das Gebläse 18 kaltes Abschreckgas durch die geöffnete obere Klappe 6 in den Chargenbereich 2, der als Heizkammer ausgebildet ist. Beim Durchströmen der heißen Charge 4 erwärmt sich das Abschreckgas bei gleichzeitiger Abkühlung der Charge. Das nunmehr aufgeheizte Abschreckgas verläßt die Heizkammer durch die geöffnete untere Klappe 7 und strömt durch den wassergekühlten ersten Wärmetauscher 11. Dabei kühlt sich das Abschreckgas auf eine Temperatur von etwa 50 °C ab. Zur weiteren Abkühlung strömt das Gas nun durch den zweiten Wärmetauscher 14, der auf der Sekundärseite mit dem bereits beschriebenen Kältemittel als Kühlmedium betrieben wird. Dadurch wird das Abschreckgas innerhalb des zweiten Wärmetauschers 14 auf etwa -50 °C abgekühlt, und dieser abgekühlte Gasstrom wird vom Gebläse 18 wieder in den Chargenbereich 2 geführt und über die Charge geleitet. Wie bereits gesagt, bilden die Kühlflächen 15 des zweiten Wärmetauschers 14 den Verdampfer des Kälteaggregats 20. In dem zweiten Wärmetauscher 14 tritt das Kältemittel beispielsweise mit einer Temperatur von -60 °C ein. Durch Wärmeaufnahme aus dem auf der Primärseite strömenden Abschreckgas verdampft dabei das Kältemittel. Nach dem Austritt aus dem Wärmetauscher 14 bzw. aus dessen Verdampfer, wird der Kältemitteldampf über den Verdichter 21 komprimiert und in dem nachgeschalteten Verflüssiger 22 verflüssigt. Nach einer Drosselung in der Drosseleinrichtung 23 tritt das Kältemittel wieder in den zweiten Wärmetauscher 14 ein. Auf diese Weise gelingt es, die Chargentemperatur von 1.000 °C innerhalb von 3 Minuten auf 200 °C abzusenken und hierbei die Charge abzuschrecken. Der Druck des Kältemittels im zweiten Wärmetauscher 14 liegt hier bei etwa 30 bar.
  • Der Wärmebehandlungsofen 1a nach Figur 2 ist mit demjenigen in Figur 1 identisch, so daß sich Wiederholungen erübrigen. Zusätzlich ist bei diesem Ausführungsbeispiel jedoch ein Speicherbehälter 24 vorhanden, in dem ein drucklos speicherbares zweites Kältemittel 25 untergebracht ist, das beispielsweise aus einer Salzlösung bzw. Kühlsole besteht, so daß ein Einfrieren innerhalb der hier angestrebten Temperaturbereiche ausgeschlossen ist. Der Speicherbehälter 24 ist infolgedessen ein druckloser Behälter, der allerdings von einer starken Wärmedämmung 26 umgeben ist und ein relativ großes Volumen aufweist, in dem beispielsweise mehrere tausend Liter des Kältemittels 25 untergebracht werden können. In diesem Falle besitzt das Kälteaggregat 20 einen Verdampfer 27, durch den ein erstes Kältemittel hindurchgeführt wird. Der Verdampfer taucht in das bereits beschriebene zweite Kältemittel 25 ein, so daß dieses auf die erforderliche Betriebstemperatur von -50 bis -60 °C abgekühlt wird. Der Speicherbehälter 24 ist an den zweiten Wärmetauscher 14 über eine Kreislaufleitung angeschlossen, die aus der Zufuhrleitung 28 und aus der Rückflußleitung 29 besteht. Dadurch wird der gleiche starke Abkühleffekt im zweiten Wärmetauscher 14 erzielt, wobei allerdings das zweite Kältemittel 25 eine Art Puffer bildet, der sich je nach der gespeicherten Kältemittelmenge während des Abschreckvorgangs der Charge 4 geringfügig erwärmt, in den Intervallen zwischen den einzelnen Abschreckvorgängen jedoch durch das Kälteaggregat 20 wieder heruntergekühlt wird.
  • In Figur 3 ist auf der Abszisse die Abkühldauer t in Sekunden dargestellt, während auf der Ordinate die Werkstücktemperaturen T in °C aufgetragen sind. Diese Kurven wurden für Stahlbolzen mit einem Durchmesser von 25 mm und in einer Helium-Atmosphäre mit einem Druck von 20 bar ermittel..
  • Der an jeder Kurve angegebene Zahlenwert stellt die mittlere Gastemperatur im Chargenbereich 2 des Wärmebehandlungsofens dar. Es ist deutlich zu erkennen, daß die Abschreckgeschwindigkeit bzw. Abschreckintensität mit abnehmender Temperatur des Abschreckgases stark zunimmt. Umgekehrt wird die Abkühldauer t entsprechend verringert. Speziell durch die Erhöhung der Abschreckgeschwindigkeit durch tiefgekühlte Gase können Legierungen abgeschreckt werden, die mit einer reinen Hochdruck-Gasabschreckung nicht mehr ausreichend schnell abgeschreckt werden können.
  • Bei Verwendung eines Speichervolumens mit einem Kältemittel kann bevorzugt nur ein einziger Wärmetauscher vorgesehen werden.
  • Figur 4 zeigt eine Wärmebehandlungsanlage 30, die als getaktete Mehrkammeranlage ausgeführt und mit vier gasdichten Schleusenventilen S1, S2, S3 und S4 ausgestattet ist. Die Charge 4 wird mittels eines Chargierwagens 32 herangeführt und bei geöffnetem Schleusenventil S1 in eine Vorkammer 33 eingeschoben. Nach Schließen des Schleusenventils S1 werden Atmosphäre und Druck in der Vorkammer 33 den Werten in dem Wärmebehandlungsofen 30a angepaßt, in dem die durch das Schleusenventil S2 eingebrachte Charge 4 auch hier von einer Wärmedämmung 5 und einer Heizeinrichtung 5a umgeben ist. Die in Transportrichtung befindlichen Teile 5c und 5d der Wärmedämmung 5 sind mit den Schleusenventilen S2 und S3 beweglich verbunden.
  • Nach dem Aufheizen und gegebenenfalls einer Gasbehandlung wird das Schleusenventil S3 geöffnet und die Charge 4 in eine Abschreckkammer 31 eingebracht. Danach wird das Schleusenventil S3 geschlossen. Der Abschreckkammer 31 ist analog den Figuren 1 und 2 mindestens ein hier nicht gezeigter Wärmetauscher zugeordnet, über den bzw. die das Abschreckgas durch das Gebläse 18 im Kreislauf geführt und auf Temperaturen deutlich unter 0 °C abgekühlt wird. Nach dem Abschrecken wird die Abschreckkammer 31 auf Atmosphärendruck gebracht und die Charge 4 durch das danach geöffnete Schleusenventil S4 an die Atmosphäre auf einen weiteren Chargenwagen 34 transportiert.
  • In diesem Fall ergibt sich der zusätzliche Vorteil, daß die Temperatur der Bauteile im Wärmebehandlungsofen 30a zumindest weitgehend erhalten bleibt, desgleichen entspricht die Temperatur in der Abschreckkammer 31 beim Einführen einer neuen Charge zumindest weitgehend dem tiefen Temperaturpegel, der am Ende des Abschreckprozesses der vorausgegangenen Charge in der Abschreckkammer geherrscht hat. Dadurch werden weitgehend sehr schroffe Temperaturwechsel und unnötige Energieverluste vermieden, und das Kälteaggregat wird zusätzlich entlastet.

Claims (12)

  1. Verfahren zum Abschrecken von Werkstücken durch Gase in einer Wärmebehandlungsanlage (1, 30) und Rückkühlung der im Kreislauf geförderten Gase an Kühlflächen (12, 15) in mindestens einem Wärmetauscher(11, 14), dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen (15) des mindestens einen Wärmetauschers (14) durch ein Kälteaggregat (20) und ein Kältemittel auf Temperaturen unterhalb von 0 °C gekühlt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflächen (15) auf Temperaturen unterhalb von -1 °C, vorzugsweise unterhalb von -40 °C, gekühlt werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abschreckgas nacheinander durch mindestens einen Wärmetauscher (11) mit Wasserkühlung und mindestens einen Wärmetauscher (14) mit Kühlung durch ein Kältemittel geleitet wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mittels des Kälteaggregats (20) und eines ersten Kältemittels zunächst ein Speichervolumen eines zumindest weitgehend drucklos gespeicherten zweiten Kältemittels (25) auf eine Temperatur unterhalb von 0 °C abgekühlt wird und daß dieses zweite Kältemittel (25) durch den mindestens einen Wärmetauscher (14) geleitet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Wärmebehandlungsanlage (30), die in einen Wärmebehandlungsofen (30a) und in eine Abschreckkammer (31) unterteilt ist, die Charge (4) aus dem Wärmebehandlungsofen (30a) in die Abschreckkammer (31) überführt und dort der Wirkung des Abschreckgases ausgesetzt wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites Kältemittel (25) eine Kühlsole verwendet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als zweites Kältemittel mit einem organischen Frostschutzmittel versetztes Wasser verwendet wird.
  8. Wärmebehandlungsanlage zum Abschrecken von Werkstücken durch Gase mit einem Wärmebehandlungsofen (1a, 30a) und mit mindestens einem Wärmetauscher (11,14) zur Rückkühlung der in einem Kreislauf geförderten Abschreckgase an Kühlflächen (12, 15), dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Wärmetauscher (14) an ein Kälteaggregat (20) angeschlossen ist.
  9. Wärmebehandlungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Wärmetauscher (11) mit einem angeschlossenen Wasserkreislauf und mindestens ein Wärmetauscher (14) mit einem angeschlossenen Kältemittelkreislauf in Strömungsrichtung des Abschreckgases in Reihe geschaltet sind.
  10. Wärmebehandlungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Kälteaggregat (20) einen Verdampfer (27) besitzt, der in einen Speicherbehälter (24) für ein zumindest weitgehend drucklos speicherbares zweites Kältemittel (25) eingetaucht ist, und daß dieser Speicherbehälter (24) über eine Kreislaufleitung an mindestens einen der Wärmetauscher (14) angeschlossen ist.
  11. Wärmebehandlungsanlage nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenraum des Wärmebehandlungsofens (1a) in einen Heiz- und Chargenbereich (2) und in einen Kühlbereich (3) unterteilt ist, die nacheinander von dem Abschreckgas durchströmbar sind, und daß im Kühlbereich (3) hintereinander mindestens ein Wärmetauscher (11) für Kühlwasserbetrieb und mindestens ein Wärmetauscher (14) für Kältemittelbetrieb angeordnet sind.
  12. Wärmebehandlungsanlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmebehandlungsanlage (30) in einen Wärmebehandlungsofen (30a) und eine Abschreckkammer (31) unterteilt ist und daß der mindestens eine an das Kälteaggregat (20) mittelbar oder unmittelbar angeschlossene Wärmetauscher (14) ausschließlich der Abschreckkammer (31) zugeordnet ist.
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