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Die
Erfindung betrifft eine Wärmebehandlungsanlage,
insbesondere zur Wärmebehandlung von
metallischen Werkstücken,
mit einem in einem Stahlgehäuse
angeordneten, als Ofeninnenraum ausgebildeten Nutzraum, Einrichtungen
zum Beheizen und Abkühlen
des Ofeninnenraumes und Mitteln zum Zirkulieren des Gases im Ofeninnenraum
bzw. Stahlgehäuse.
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Wärmebehandlungsanlagen,
häufig
auch als Vakuum- oder Vakuum-Kammeröfen bezeichnet, sind in vielfältigen Ausführungen
bekannt. Vakuumöfen
mit Gasabschreckung im Unter- und Überdruckbereich werden heutzutage
im allgemeinen für
die verschiedensten Wärmebehandlungen
metallischer Werkstücke
eingesetzt (
DE 32 15
509 A1 ).
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Öfen mit
höheren
Gasdruckstufen werden vor allem zum Härten und Anlassen der unterschiedlichsten
Stahlqualitäten
benutzt. Öfen
mit niedrigen Gasdruckstufen dagegen kommen hauptsächlich bei Vakuumlötprozessen,
Glühprozessen
und anderen Wärmebehandlungen
von metallischen Chargen zum Einsatz.
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In
der Regel bestehen die Wärmebehandlungen
darin, die Werkstücke
innerhalb der Heizkammer, unter neutraler Atmosphäre (Schutzgas
oder Vakuum) auf eine bestimmte Temperatur zu erwärmen und
sie dann nach werkstoffbedingten Vorgaben oder nach Wirtschaftlichen
Gesichtspunkten wieder abzukühlen.
Ein solches Verfahren zur Wärmebehandlung
mittels Vakuumofen ist aus der
DE 34 16 902 A1 bekannt. Zu diesem Zweck
sind die bekannten Vakuumöfen
mit einer integrierten Gas-Schnellkühlung ausgerüstet. Als
Kühlgas
wird aus technischen und Kostengründen überwiegend Stickstoff eingesetzt.
Das Gas übernimmt
dabei im wesentlichen zwei Hauptaufgaben, es dient
- 1. zur Schaffung einer neutralen Atmosphäre im Ofen und
- 2. als Wärmeträger für die Heißgas- und
Kühlgasumwälzung.
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Unabhängig von
den vorgenannten Aufgaben, werden die Öfen auf verschiedene Gasdruckstufen
ausgelegt. Dies kann der reine Unterdruckbereich bis 105 Pa
(abs.) sowie auch der Überdruckbereich
bei verschiedenen Drücken
bis 106 Pa (abs.) oder höher sein.
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Bezogen
auf die Abkühlgeschwindigkeit
der Charge ist es wichtig, eine gleichmäßige, aber auf entsprechend
den Anforderungen angepasste, regelbare Kühlgeschwindigkeit innerhalb
einer Charge zu erreichen.
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Die
verfahrenstechnischen Anforderungen beruhen in erster Linie darauf,
dass es bei derartigen Wärmebehandlungen
wichtig ist, gezielte Veränderungen
von Werkstoffeigenschaften zu erreichen.
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Die
wirtschaftlichen Gründe
ergeben sich aus der allgemeinen Forderung, bei allen vorkommenden
Behandlungsprozessen eine möglichst
kostengünstige
Verfahrensweise zu erreichen.
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Aus
dem Patent Abstract zur
JP
10060524 A ist eine Wärmebehandlungsanlage
bekannt, mit der ein gleichmäßiges und
schnelles Abkühlen
von Granulat möglich
ist. Dazu wird in einen in einem Gehäuse angeordneten, und als Kühlraum ausgebildeten Nutzraum
Niedrigtemperaturgas wie beispielsweise flüssiger Stickstoff eingebracht. Über ein
Gebläse wird
das im Kühlraum
befindliche Granulat gleichmäßig mit
den Niedrigtemperaturgas beaufschlagt, so dass eine intensive und
gleichmäßige Kühlung erfolgt.
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Ferner
ist es bereits bekannt (Patent Abstract
JP 10081913 A ), dass eine
Gasabkühlung
auch bereits in einem Wärmbehandlungsofen
eingesetzt werden kann. Hierbei erfolgt die Kühlung des Gases im Ofeninnenraum
mit einem Wärmetauscher,
wobei das Kühlgas
mittels eines Gebläses
gleichmäßig im Ofen
verteilt wird.
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Das
Anwendungsfeld beschränkt
sich für
die bisher bekannten und beschriebenen Wärmebehandlungsanlagen in den
genannten Punkten auf die nachfolgend genannten Merkmale:
- 1. Die Anwendungstemperatur (Arbeitstemperatur)
im Nutzraum ist ausgelegt auf den Bereich zwischen Starttemperatur
(Raumtemperatur) von ca. +25 °C
und der max. Endtemperatur von +1.350 °C (oder höher). Nach Abkühlung ergibt sich
eine Entnahmetemperatur von ca. +40 bis +50 °C.
- 2. Die Kühlung
der Charge im Nutzraum erfolgt durch ein zirkulierendes Gassystem,
bei dem der Wärmeträger "Gas" die aufgenommene
Energie an einen Wärmetauscher,
beispielsweise Gas-Wasser-Wärmetauscher,
abgibt.
- 3. Zur "Schutzgasflutung" des Ofeninnenraumes gelangt
Schutzgas von einem externen Überdruckpufferbehälter oder
direkt aus dem Verdampfer der Gasversorgung, in gasförmiger Form in
den Rezipienten des Ofens.
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Das
bedeutet, dass bei den bisher bekannten Anlagen zirkulierende Gasströmungen,
die über Gas-Wasser-Wärmetauscher geführt werden,
zur Abkühlung
dienen. Dabei dient ein motorgetriebenes Gebläse als Antrieb, wobei der Motor
im Kesselraum angeordnet ist. Dieses Kühlsystem ist vor allem im unteren
Temperaturbereich, ab ca. 200°C
bis zur Entnahmetemperatur der Charge, langsam und träge.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bekannte und zuvor näher beschriebene Wärmebehandlungsanlagen
und ein Verfahren zu ihrem Betreiben so auszugestalten und weiterzubilden, dass
sie für
einen größeren Anwendungsbereich nutzbar
gemacht werden können.
Weiterhin soll die Effizienz des Kühlsystems hinsichtlich Temperaturbereich
und Abkühlgeschwindigkeit
gesteigert werden und damit auch die Wirtschaftlichkeit der gesamten
Anlage.
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Die
Lösung
der Aufgabe besteht darin, dass der Ofeninnenraum einen Einlass
für eine
Leitung für ein
Flüssiggas
umfasst, welche in einem als Verdampfungsrohr ausgebildeten sowie
Düsenauslässe aufweisenden
Verdampfungselement im Ofeninnenraum endet und dass der Ofeninnenraum
einen Auslass für
die Durchleitung von Abgas aufweist.
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Zur
Abkühlung
werden flüssige
inerte Stoffe oder Reaktionsstoffe ins Innere des Ofeninnenraumes
geleitet und dort verdampft Das Gas wird dazu direkt flüssig in
den Ofeninnenraum eingeleitet und dort verdampft und nicht mehr
gasförmig
zugeführt, wie
dies bei den bekannten Öfen
der Fall ist. Dadurch erfolgt eine wesentliche Erhöhung der
Kühlleistung.
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Als
flüssige
inerte Stoffe kommen flüssige Gase
wie Stickstoff, Argon, Helium, Neon oder Krypton in Frage, als Reaktionsstoff
beispielsweise Wasserstoff.
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Die
Steigerung der Schnellkühleigenschaften
der Anlage durch Verdampfung von flüssigen, inerten Stoffen erfolgt
unmittelbar im Ofeninnenraum, so dass die Kühlcharakteristik der Anlagen
während der
Schnellkühlphase
verbessert werden.
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Mit
der anfangs sehr großen
Temperaturdifferenz zwischen verdampfendem Flüssiggas, beispielsweise bei
Stickstoff von -196 °C,
und der heißen
Charge im Plusbereich, wird neben der Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit
auch eine Zeitverkürzung
des Gesamt-Chargenzyklusses erreicht.
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Erfindungsgemäß ist der
Bereich der Chargentemperatur im Nutzraum des Ofens von Raumtemperatur
auf eine Endtemperatur von -185 °C
erweitert worden.
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Dabei
dient der Tieftemperaturbereich zum „Tiefkühlen" von Stählen. Er findet Anwendung bei metallkundlichen
Vorgängen
wie Härten
oder Anlassen. Durch die Behandlung bis -185 °C wird Restaustenit in den stabileren
harten Martensit umgewandelt Bei dieser Umwandlung werden weitere
kleinere Kohlenstoffteilchen in Form von Carbiden freigesetzt und
in der Werkstoffmasse gleichmäßig verteilt.
Diese tragen zur Abstützung
der Martensit-Grundmasse bei,
die inneren Spannungen im behandelten Werkstück nehmen ab.
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Die
Vergütung
der erfindungsgemäß behandelten
Werkstücke
durch Abschrecken findet also im 'Ofen' selbst
statt. Dabei nehmen Verschleißfestigkeit,
Härte,
Zugfestigkeit, Biegefestigkeit und Zähigkeit zu. Die Lebens- und
Anspruchsdauer von Werkzeugstählen
für Bohrer,
Fräser
und allgemeinen Schneidwerkzeugen und auch Werkstücken aus
Vergütungsstählen nimmt
zu.
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Erfindungsgemäß erfolgt
die Schutzgaserzeugung durch direktes Verdampfen von Flüssiggas im
Nutzraum, d.h. Ofeninnenraum. Dadurch wird der Ausnutzungsgrad des
Gases gesteigert. Das verdampfende Flüssiggas gibt seine Energie
im Ofen ab und kann damit genutzt werden für eine
- – Schaffung
einer neutralen Ofenatmosphäre,
- – Erzeugung
des Kühlgas-
bzw. Überdrucks
im Ofen und
- – Kühlung der
Charge bzw. des Ofeninnenraumes.
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Damit
erstreckt sich der Bereich der Arbeitstemperatur der Wärmebehandlungsanlagen
von +1350 °C
(oder höher)
bis auf -185 °C.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand einer lediglich bevorzugte Ausführungsbeispiele
darstellenden Zeichnung näher
beschrieben. In der Zeichnung zeigen
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1 schematisch
eine erfindungsgemäße Wärmebehandlungsanlage
im Längsschnitt,
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2 den
Nutzraum einer erfindungsgemäßen wärmebehandlungsanlage
gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
im Querschnitt und
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3 den
Nutzraum einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsanlage
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
im Querschnitt.
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Im
dargestellten und insoweit bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein in einem
nur schematisch angedeuteten doppelwandigen zylindrischen Stahlgehäuse 1 angeordneter
Nutzraum 2 mit im wesentlichen rechteckigen Umrissen dargestellt.
Zur besseren Darstellung der Erfindung sind die notwendigen Einrichtungen
zum Beheizen und Abkühlen
des Nutzraumes 2 sowie Mittel zum Zirkulieren des Gases
im Nutzraum 2 bzw. Stahlgehäuse 1 nicht dargestellt.
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Erfindungsgemäß weist
der Nutzraum 2 einen Einlass 3 für eine nicht
näher bezeichnete
Leitung für
ein Flüssiggas
auf, die mit einem entsprechenden unter leichtem Druck stehenden
Flüssiggasspeicher
(nicht dargestellt) verbunden ist. Unterhalb des Einlasses 3 ist
ein Verdampfungselement erkennbar, welches im Ausführungsbeispiel
als Verdampfungsrohr 4 ausgeführt ist, das sich über die
gesamte Breite des Nutzraumes erstreckt und an seiner Unterseite
eine Vielzahl von Düsenauslässen 5 aufweist.
Ein entsprechender Auslass 6 sorgt dafür, dass das Abgas aus dem Nutzraum 2 entweichen kann.
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Nach
einer weiteren Lehre der Erfindung ist unterhalb des Verdampfungselementes
eine Zerstäubereinheit
vorgesehen, welche aus einem hitzebeständigen Flügelrad 8 besteht,
das über
eine Welle mit einem außerhalb
des Nutzraumes 2 angeordneten Antrieb 9 verbunden
ist.
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Die 2 und 3 zeigen
zwei denkbare Ausgestaltungen von Zerstäubereinheiten 7, einmal mit
einem Flügelrad 8 (2)
und einmal mit zwei Flügelrädern 8 (3),
wobei nach einer weiteren Lehre der Erfindung die Anordnung beider
Flügelräder 8 bezogen
auf den Nutzraum 2 symmetrisch erfolgt.
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Es
ist klar und nicht näher
ausgeführt,
dass die Zufuhrleitungen für
das Flüssiggas
mit einer speziellen Dämmung
und Ummantelung versehen sind, und dass sämtliche Bauteile so ausgelegt
sind, dass sie den hohen Temperaturen und den Temperaturwechseln
Stand halten.
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Gleichfalls
ist nicht dargestellt, dass der Einlass 3 und Auslass 6 jeweils
ein, vorzugsweise elektromagnetisch betätigbares, Ventil aufweisen.
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Der
Wärmebehandlungsvorgang
beim Verdampfen des Flüssiggases
im Nutzraum 2 läuft
nun wie folgt ab:
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Das
Flüssiggas
befindet sich in einem (nicht dargestellten) Tank unter leichtem Überdruck.
Durch Öffnen
eines automatisch betätigten
Einlassventils gelangt der flüssige
inerte Stoff über
eine Zuleitung und eine vakuum- und überdruckdichte (nicht dargestellte)
Durchführung
in das Stahlgehäuse 1. Über diese
Durchführung
wird der flüssige
Stickstoff in den Ofenrezipienten geführt. Von dort gelangt er über eine
weitere Zuleitung in den wärmegedämmten Nutzraum 2 zum
eigentlichen Verdampfungselement, dem Verdampfungsrohr 4, über dessen
Längsachse Austrittsöffnungen 5 in
Düsenform
angebracht sind.
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Im
Bereich des Verdampfungsrohres im Nutzraum 2 ist die Zerstäubereinheit 7 positioniert, die
im wesentlichen aus wenigstens einem hitzebeständigen Flügelrad 8 besteht.
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Das
Flüssiggas
tritt mit Überdruck
aus den Düsenauslässen 5 des
Verdampfungsrohres 4 aus. Dabei trifft es auf das sich
drehende Flügelrad 8 (bzw. die
sich drehenden Flügelräder 8)
und zerstäubt.
Diese Maßnahme
beschleunigt durch die Verwirbelung den Verdampfungsprozess erheblich.
Versuche haben gezeigt, dass ein Verdampfen ohne Verwirbelung zwar
auch funktioniert, doch dass dieser Vorgang wesentlich länger dauert.
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Der
flüssige
Stickstoff wandelt sich dabei von der Liquidusphase in die Gasphase
um. Die dabei nötige
Wärme wird
dem Material des Nutzraumes 2 sowie der Charge entzogen,
der Kühlprozeß läuft.
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Der
Umwandlungsfaktor dieser beiden Zustände liegt für Stickstoff bei 1 zu 700,
d.h. aus 1 Raumteil (flüssig)
werden 700 Raumteile (gasförmiger
Stickstoff).
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Der
dabei entstehende Überdruck
kann bis zum zulässigen
Kesseldruck genutzt werden.
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Das
erwärmte
Gas tritt über
den Auslass 6 wieder aus dem Nutzraum 2 aus und
gelangt zur vakuum- und überdruckdichten
Durchführung
am Ofenrezipienten.
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Eingeleitet
wird dieser Vorgang durch das Betätigen des Gas-Ablassventils 10.
Das Gas strömt über die
Abgasleitung ins Freie.
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Dieser
Funktionsablauf wird temperatur- und druckabhängig gesteuert. Hierfür kann der
bereits vorhandene, zur Ofengrundausstattung gehörende Prozeßregler eingesetzt werden.