DE3335283A1 - Verfahren zur waermebehandlung von metallen in topf- oder haubenoefen - Google Patents

Description

P 233 ■

Patentanneidung

der Firma:

Dr. Werner Herdieckerhoff,

Nachf.

Industrieöfen und Apparatebau,

Viktoriastr. 10-12, 4750 Unna

Verfahren zur Wärmebehandlung von Metallen in Topf- oder Haubenöfen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Aufheizen, Glühen und Abkühlen von in Rezipienten eingeschlossenen Chargen bei der Wärmebehandlung von Metallen mit Hilfe von Topf- oder Haubenöfen, sowie einer zusätzlichen Kühlvorrichtung, (DE-PS 22 56 676)

In der Metallindustrie ist während der Bearbeitung und der Verformung zur Erzielung bestimmter Gefügezustände zwischen den einzelnen Fertigungsschritten eine Glühbehandlung erforderlich. Hierzu werden die Metall produkte in Glühofen mit und ohne Glühschützhauben (Rezipienten) auf eine den gewünschten Gefügezustand entsprechende Temperatur erhitzt, und anschließend außerhalb des Ofens wieder abgekühlt. Die bei der Abkühlung anfallende Ab-

wärme geht hierbei heute noch in den meisten Fällen verloren, da eine effektive Rückführung in den Wärmebehandlungsprozeß bisher nicht möglich ist. Zum Glühen in Rezipienten hat die Anmelderin das sogenannte Doppelvakuumsystem entwickelt. Dabei befindet sich die Charge in einem Rezipienten, der evakuiert werden kann. Dieser, aus hitzebeständigem Blech bestehende Rezipient, würde implodieren, wenn er bei hoher Erhitzung und dadurch nachlassender Festigkeit dem vollen Vakuum ausgesetzt würde. Darum wird in dem Mantelraum zwischen der Ofenwandung und dem Rezipienten ein sogenanntes Stützvakuum gebildet, das den Außendruck auf die Rezipientenwandung je nach Stärke des Stützvakuums mindert. (Prospekt Firma Dr. Werner Herdieckerhoff "Heiße Probleme, gelöst durch glühende Technik" - Doppelvakuumglühanlage -)

Die Ofentechnik zur Wärmebehandlung von Metallen aller Art hat eine weitgehende Optimierung erfahren. Nur auf Einzel gebieten ist noch eine sprunghafte Weiterentwicklung zu erwarten. Die Energiekosten treten immer mehr in den Vordergrund., Es sind daher auch Überlegungen gemacht worden, wie durch eine geeignete Wärmerückgewinnung eine Energieeinsparung erzielt werden kann.

Die Überlegungen sind auf erhebliche Schwierigkeiten gestoßen. Bisher wurde nur der Austausch der außerhalb des Rezipienten anfallenden Wärme über Gebläse und Wärmetauscher, beispielsweise zur-Wärmespeicherung der Heizungs anlagen od. dgl., in Erwägung gezogen.

Um den Kühlprozeß nicht in dem Ofen stattfinden zu lassen, in dem die Glühe stattgefunden hat, ist es üblich, die Charge unter Kühlhauben od. dgl. bis auf Atmosphärentemperatur herunterzukühlen. Die Kühlhauben sind für diesen Zweck mit Wasserberieselungsanlagen und/oder Kühlluftventilatoren versehen. (DE-PS 22 56 676)

Zur beschleunigten, direkten Erwärmung von Werkstücken, sind bereits öfen vorgeschlagen worden, bei denen die Erhitzung des Werkstoffes über ein Wärmeübertragungsfluid erfolgt. Dieses Wärmeübertragungsfluid entsteht in sogenannten Wirbelbetten. Dabei wird Gas durch einen porösen Boden des beheizbaren Behälters geblasen und dadurch eine Füllung aus sehr fein gekörntem Alluminium-Qxyd od. dgl. aufgewirbelt. Die feinen Partikel werden durch die Verwirbelung sowie die starke Molekularbewegung des tragenden Gasstromes so zu einer Art Flüssigkeit umgewandelt, so daß die Wärme wesentlich schneller als durch Strahlung und Konvektion auf das Werkstück übertragen wird. Die Beheizung erfolgt jneist über die Zündung eines brennbaren Gasgemisches im Wirbelbett. Versuche mit dieser neuen Technik haben ergeben, daß sich ein großer Teil der sonst eingesetzten Wärmemenge ersparen läßt. Dies ist auch darauf zurückzuführen, daß der Zeitaufwand wesentlich geringer wird. Diese neue Technik ist bisher nur zögernd von der Praxis aufgenommen worden und mehr oder weniger eine Außenseitertechnik geblieben. (Britische Patentspecification 1 537 486)

Aufgabe der Erfindung ist es, ein rationell arbeitendes Verfahren für in der Glühtechnik einzusetzende Haubenoder Topfofen zu finden, bei dem die Verluste an Energie durch geeignete Wärmetauschverfahren verringert werden.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die Lehre des Verfahrensanspruchs 1, dessen Merkmale kombinieren eine Kühlhaube, die eine abzukühlende heiße Charge umgibt, und eine Vorheizhaube, die eine noch kühle Charge umgibt in einem Wärmetauschverbund.

Mit in den Wandungen einer Glühhaube oder eines GVühtopfes bzw. -Schachtes nach der Erfindung sind Ringkammerwirbelbetten vorgesehen, die für eine beschleunigte Wärmeabtragung von der Rezipientenwandung auf das für den Wärme-

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tausch vorgesehene Gas sorgen. Dieses überträgt die Wärme dann auf die Charge in der Vorheizhaube. Der Einsatz von Wirbelbetten innerhalb des Verfahrens nach der Erfindung verwendet im Gegensatz zum Stand der Technik im wesentlichen eine indirekte Arbeitsweise.

Die Erfindung kann konventionellen Glühverfahren zu einer erheblich erhöhten Wirtschaftlichkeit verhelfen.

Mit Hilfe der Erfindung kann nun nach Beendigung des Wärmebehandlungsprozesses der Rezipient mit der Glühcharge aus dem Glühofen ausgesetzt und dem Wirbelbettwärmetauscher zugeführt werden. Dieser fst bei Haubenofen als kombinierte Kühl-Wärmetauschhaube ausgebildet, bzw. bei Topfofen als kombinierter Kühl- oder Wärmetauschschacht. Die Rezipientenräume sind zunächst noch'von dem Wärmetauschsystem ausgenommen, doch kann, wie spätere Merkmale der Erfindung zeigen, durch geeignete Maßnahmen auch eine Einbeziehung der Rezipientenräume erfolgen. Bei diesem unmitelTbaren Gasaustausch treten Schwierigkeiten auf, weil innerhalb des Rezipienten der Vorheizhaube die kalte Charge meist nicht mit Sicherheit absolut rein ist. Dies hat zur Folge, daß durch Ziehfette od. dgl. das Inertgas verunreinigt wird. Es kann auch uner-

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wünschter Sauerstoff oder CO durch Undichtigkeiten beigemengt worden sein. Dies führt dann zu einer Wertmindung der noch heißen, gerade geglühten Charge. Diese Schwierigkeiten lassen sich jedoch durch nicht unmittelbar zur Erfindung gehörende bekannte Maßnahmen überwinden.

Das Verfahren nach Anspruch 1 läßt sich durch den Anspruch 2 verbessern, wenn die indirekt arbeitenden Wärmetauschgase zusätzlich den zumindest bei Doppelvakuumöfen abgeschlossenen Mantelraum zwischen dem Rezipienten und der Ofeninnenwandung durchströmen.

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Eine wesentlich rationellere Arbeitsweise ergibt sich durch die Verwendung des Verfahrens nach Anspruch 3. Hier wird vorgeschlagen, zwei annähernd identisch ausgebildete Hauben oder Schächte zu verwenden und die beiden Rezipienten, sowohl der Kühlvorrichtung als auch der Vorheizhaube, unmittelbar im Wärmetausch miteinander zu verbinden, wobei in den beiden Rezipienteninnenräumen und in den Leitungen natürlich eine Inertisierung vorab erfolgen muß, wie dies im Einzelnen der Anspruch 3 lehrt.

Während der Anspruch 4 die Lehren der Vorhergehenden vorrichtungsmäßig ergänzt, gibt der Anspruch 5 die konstruktive Lehre, wie sich bei den in Frage kommenden Hauben- oder Schacht- bzw. Topfofen das Wirbelbettverfahren konstruktiv einordnen läßt. Die Ansprüche 6 bis 11 sind erfindungsgemäße wesentliche Ausgestaltungen, deren vorteilhafte Wirkungen sich aus Zeichnung und Beschreibung ergeben.

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Die Zeichnung zeigt mit

Figur 1 die Kombination einer Kühlhaube mit einer Vorheizhaube und Wärmetauschsystem,

Figur 2 einen Teilschnitt durch eine der Hauben mit Wirbelbetten für das Wärmetauschsystem.

Als Haube ausgebildet ist links eine Kühlvorrichtung 5 und rechts eine Vorheizvorrichtung 2, dargestellt. Diese Hauben sind mit ihren isolierten Wandungen 3 über die Rezipienten 11 und 12 gestülpt, unter denen sich rechts die kühle Charge 1 und links die abzukühlende Charge 4 befindet.

Nach Art bekannter Doppelvakuumglühöfen, sind die Rezipienten 11 und 12 vakuumdicht mit je einer Sockelkonstruktion 25 verbunden, in der vakuumdichte Umwä'l ζ Ventilatoren 23 für die Gasumwälzung innerhalb der Rezipienteninnenräume 14 und 15 sorgen.

Beide Hauben für die Kühlvorrichtung 5 und für die Vorheizvorrichtung 2 können mit deckelseitig angeordneten zusätzlichen Deckellüfter 24 versehen sein. Die Kühlvorrichtung kann zusätzlich Wasserberieselungsvorrichtungen aufweisen, die nicht dargestellt sind.

Fürdie Durchführung verschiedener Variationen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zweckmäßig, die Durchlässe der Deckellüfter 24 zur Atmosphäre vakuumdicht verschließbar zu machen, und wenigstens den Mantelraum 7 der Kühlvorrichtung 5 und vorzugsweise auch den Mantelraum 8 der Vorheizvorrichtung 2 in den Wärmetauschkreislauf mit einzubeziehen.

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In den isolierten Wandungen 3 der Kühlvorrichtung 5 sind an der Innenwandung 9 Wirbelbetten 6 vorgesehen, die als mehrfach übereinander angeordnete Ringkammern ausgebildet sind, wobei die porösen Einblasöffnungen in der oberen Wandung 20 der Ringkanäle.19, bzw. in dem Boden der Ringkammern 18 angeordnet sind. Das gleiche gilt ggf. auch zwischen den isolierten Wandungen 3 der Vorh,eizvorrichtung 2 und deren Innenwandung 10.

Die Blasgeschwindigkeit innerhalb der Wirbelbetten 6 ist so eingestellt, daß die Feststoffe nicht über die Ausgänge der Wirbelbetten 6 in das Leitungssystem 27 sowie den Ventilator 16 geraten können. Die Regulierung der vertikalen Luftströmung bzw. der Gasstromgeschwindigkeit ist daher von ausschlaggebender Bedeutung.

Zwischen der Kühlvorrichtung 5 und der Vorheizvorrichtung sind isolierte Leitungssysteme 27 vorgesehen. Die Zeichnung zeigt nicht alle ggf. erforderlichen Varianten der Leitungsführung. Sie soll lediglich darstellen, daß je nach der verwendeten Verfahrensvariante verschiedene Anordnungen zweckmäßig sind.

Dargestellt in der Figur 1 ist eine Leitungsführung mit stark ausgezogenen Linien, die über die isolierte Leitung 13 aus dem Wirbelbettbereich der Kühlvorrichtung 5 unmittelbar in den Innenraum 15 des Rezipienten 12 für die Vorheizvorrichtung 2 führt. Dort wird das Gas über den Umwälzventilator 23 umgewälzt und abgekühlt über Ventilatoren 16 den Wirbelbetten 6 der Kühlvorrichtung 5 zugeleitet, in denen sie wieder Wärme aufnehmen, um dann den Kreislauf zu wiederholen.

Eine solche Verbindung ohne Verwendung von Inertgas ist nur dann möglich, wenn die in die Charge 1 indizierte Temperatur noch vergleichsweise gering ist. So können

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beispielsweise Ziehfette abgedampft werden, bevor die Erhitzung der Charge 1 so weit forgeschritten ist, daß eine schädliche Auswirkung eintritt.

Es kann aber auch der Innenraum 15 des Rezipienten nach abwechselndem Vakuumziehen und anschließendem Spülen eine InertgasfUliung erhalten und die Leitungsschaltung so gewählt werden, daß ein Tauschkreislauf zwischen den Rezipienteninnenräumen 14 und 15 erfolgt.

Auch ist es denkbar, den Rezipienteninnenraum 15 zu Wärmetauschzwecken dann mit den Mantelräumen 8 der Vorheizvorrichtung 2 zu verbinden, wenn diese und die Leitungen ebenfalls inertisiert sind.

Der Gaskreislauf kann bei bestimmten Einsatzfällen auch einer .Beheizung unterzogen werden; dies geschieht durch eine externe Heizvorrichtung 26. Es ist aber auch möglich, innerhalb der Wirbelbetten 6, vorzugsweise bei der Vorheizvorrichtung 2 extern Beheizungseinrichtungen 22 anzuordnen. Weniger wichtig ist eine derartige Zusatzheizung bei der Kühlvorrichtung 5, obwohl auch das ggf. aus verfahrenstechnischen Gründen zweckmäßig sein kann.

Die beschleunigte Aufheizung innerhalb der Vorheizvorrichtung 2 kann auch durch Combustionserhitzung erfolgen. In diesem Falle wird in die.Wirbelbetten 6 der Vorheizvorrichtung 2 brennbares Gas eingeführt und in den Wirbelbetten kontrolliert gezündet. Es lassen sich damit erheblich beschleunigte Vorheizvorgänge erzeugen. Dann ist eine Einbeziehung von Rezipienteninnenräumen nicht sinnvoll.

Es liegt auf der Hand, daß auch die Innenräume 14, der Rezipienten 11 und 12 nach Art bekann.ter Wirbelbettöfen so ausgebildet werden könnten, daß das jeweils dort.

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gebildete WärmeUbergangsfluid sowohl der Wärmeabfuhr, als auch, der Wärmezufuhr dienen kann. Dabei ist es von besonderem Vorteil, daß das verwendete Aluminiumoxyd oder andere geeignete chemisch neutrale Feststoffpartikel keine chemische Reaktionen mit den Chargen eingehen können, so daß lediglich auf die Reinheit des verwendeten Trägergases bzw. Wärmetauschgases geachtet werden muß.

Strichpunktiert angedeutete Leitungssysteme 27, an denen Flansche 28 angedeutet sind, sollen die Abkuppelbarkeit der einzelnen Leitungen zur Herstellung variabeler Funktionsabläufe andeuten. Es erübrigt sich im einzelnen anhand des Beispiels die verschiedenen möglichen Schaltungen zu beschreiben, weil dies aus den erfindungsgemäßen Verfahrensabläufen bzw. den vorgeschlagenen Vorrichtungen ohne weiteres hervorgeht.

Die Zeichnung nach Figur 2 ergänzt lediglich die Figur 1, die Anordnung der Wirbelbetten 6 zu einem der Rezipienten 11, 12 die interne Beheizungseinrichtungen 22, die porösen Einblasöffnungen 21, die Ringkammern 18 und die Ringkanäle 19 sowie durch entsprechende Pfeile die möglichen Umlaufverlaufe des Wärmetauschgases sind in der vergrößerten Darstellung deutlicher. Der Mantelraum sei abgeschlossen, aber mit den Ablaufkanälen 29 der Wirbelbetten 6 verbunden. Dabei kann es sehr vorteilhaft sein, wenn beispielsweise anders als in der Zeichnung Fig. 2 dargestellt, der von der Vorheizvorrichtung 2 kommende gekühlte Gasstrom ohne vorher die Wirbelbetten zu durchströmen, den zwischen der Rezipientenwandung und der Innenwandung 9 der Kühlvorrichtung 5 Mantelraum durchströmt, bevor das Gas in die Ringkanäle 19 und von dort aus über die porösen Einlassöffnungen 21 in die Ringkammern 18 der Wirbelbetten 6 einströmen kann.

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Weiche der vielen Möglichkeiten, die sich aus der erfindungsgemäßen Anordnung und den erfindungsgemäßen Verfahren ergeben, jeweils zum Einsatz kommen, ist eine Frage der Wirtschaftlichkeit für den jeweils geplanten Einsatzzweck der Vorrichtungen. Es wird jeweils abzuwägen sein, ob beide Hauben mit Wirbelbetten versehen sein müssen, oder ob nicht ggf. bei identischer Ausbildung der beiden Vorrichtungen, der scheinbare Mehraufwand eher zu Verbilligungen führt.

Für den Fachmann ergibt sich offensichtlich eine Vielfältigkeit der Anwendungsmöglichkeiten, die im Rahmen der zeichnerischen Darstellungen keine Beschreibung erforderlich machen.

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27.09.1983 P ο s i 11 ο η s ζ ah 1 en 1 i s te -/»V'

1 kühle Charge

2 Vorheizvorrichtung 3335283

3 isolierte Wandung

4 abzukühlende Charge

5 Kühlvorrichtung

6 Wirbelbetten

7 Mantelraum zur Kühlvorrichtung

B Mantelraum zur Vorheizvorrichtung

9 Innenwandung der Kühlvorrichtung

10 Innenwandung der Vorheizvorrichtung

11 Rezipient der Kühlvorrichtung

12 Rezipient aer Vorheizvorrichtung

13 isolierte Leitung

14 Innenraum des Rezipienten

15 Innenraum des Rezipienten

16 Ventilator

17 Kreisleitungen

18 Ringkammer

19 Ringkanal

20 obere Wandung

21 poröse Eirtblas'öffnungen

22 Beheizungseinrichtung.en

23 Umwälzventilator

24 Deckellüfter

25 Sockelkonstruktion

26 externe Heizvorrichtung

27 Leitungssysteme

28 Flansche

29 Ablaufkanal

30 Rezipientenwandung

- Leerseite -

Claims (11)

p 233 333S283 26.09.1983 Patentansprüche

1. Verfahren zum Aufheizen, Glühen und Abkühlen von in Rezipienten eingeschlossenen Chargen bei der Wärmebehandlung von Metallen mit Hilfe von Topfoder Haubenöfen sowie einer zusätzlichen Kühlvorrichtung, dadurch gekennzeichnet,, daß aus einer, eine vorzuheizende noch kühle Charge (1) umgebenden Vorheizvorrichtung (2) (Haube oder Topf) kommendes kühles Gas innerhalb der Wandung (3) einer, eine heiße, abzukühlende Charge (4) umgebenden Kühlvorrichtung (5) angeordnete Wirbelbetten (6) durchströmt, in denen sich durch das als Wärmetauscher dienende strömende Gas im Schwebezustand gehaltenes, pulverisiertes Aluminiumoxyd oder dergleichen befindet, welches Gas dann über isolierte Leitungen und entsprechende Ventilatoren innerhalb des Kreislaufes der Vorheizvorrichtung (Z) als Heizmedium wieder zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet. daß Wärmetauschgase zusätzlich den Mantelraum (7) der Kühlvorrichtung (5) und/oder (8) der Vorheizvorrichtung (2) zwischen der Irtnenwandung (9) der Kühlvorrichtung (5) bzw. (10) der Vorheizvorrichtung (2) und dem Rezipienten (11) der Kühlvorrichtung

(5) bzw. (12) der Vorheizvorrichtung (2) durchströmen.

3. Verfahren nach einem der Verfahrensansprüche 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in .dem Rezipienten (12) der Vorheizvorrichtung (2) zusätzlich zu der Inertisierung in dem Rezipienten (11) der Kühlvorrichtung (5) eine Inertisierung stattfindet, derart, daß im Wechsel durch Vakuumziehen und anschließender Inertgasflutung glühschädliche Bestandteile entfernt

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werden, um dann über isolierte Leitungen (13) durch eine entsprechende Klappensteuerung den so gefüllten Rezipienten (12) zum unmittelbaren Gasaustausch mit dem Rezipienteninnenraum (14) des Rezipienten (11) zu verbinden.

4. Vorrichtung zur Durchführung einer oder mehrerer der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kühlvorrichtung (5) und der Vorheizvorrichtung (H) abkuppelbare über einen oder mehrere Ventilatoren (16) geführte Kreisleitungen (17) so angeordnet, sind, daß der Gasstrom im Kreislauf zwischen beiden Vorrichtungen (2 und 5) wenigstens einmal ein aus mehreren Wirbelbetten (6) bestehendes Wärmetauschsystem durchströmt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelbetten (6) aus Ringkammern (18), die übereinander angeordnet sind, bestehen, wobei unter jeder Ringkammer (18) sich ein Ringkanal (19) befindet, dessen obere Wandung (20) poröse Einblasöffnungen (21) zu den darüberliegenden Wirbelbetten (6) aufweist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kühlvorrichtung durch den Mantelraum (7) gekühltes Gas geleitet .wird und dieses erst dann in die Wirbelbetten (6) einströmt, sowie der Mantelraum gegenüber der Atmosphäre und/oder dem Wirbelbettbereich abschottbar ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Vorheizvorrichtung (2) mit als Wirbelbetten (6) ausgebildeten Wärmetauschern versehen ist..

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche-4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Innenräume der Rezipienten im Leitungskreislauf mit den Wirbelbetten (6) zusammengeschaltet sind, und in diesem gebildeten Kreislauf ausschließlich Inertgas umläuft.

9. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, dadurch cjekennzeichent_t daß die Kühlvorrichtung (5) und/oder die Vorheizvorrichtung (2) mit Beheizungseinrichtungen (22) vorzugsweise innerhalb der Wirbelbetten (6) versehen sind.

10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche

4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rezipienten (8, mit vakuumdichten Umwälzventilatoren (23) versehen sind.

11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 10,- dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelbetten (6) vorzugsweise der Vorheizvorrichtung mit einer Combustionsheizung versehen sind.