DE3239656C2 - Heizvorrichtung für isostatische Heißpressen - Google Patents

Abstract

Es ist eine Heizvorrichtung für isostatische Heißpressen offenbart, welche wenigstens zwei Heizelemente im wesentlichen selbsttragender zylindrischer Gestalt aufweist, die übereinander angeordnet sind, um übereinanderliegende zylindrische Heizzonen zu bilden. Jedes Heizelement hat eine gitter artige Struktur und setzt sich aus vertikalen Abschnitten und diese abwechselnd am oberen und unteren Ende verbindenden horizontalen Brückenabschnitten zusammen. Auf die aneinander anschließenden Enden der aufeinandergesetzten Heizelemente sind blockförmige Isolatoren aufgesteckt, die aus einem auch bei der höchsten Betriebstemperatur der Heizelemente ausreichend elektrisch widerstandsfähigen Material bestehen. Zwischen den aneinander anschließenden Enden der übereinander angeordneten Heizelemente bzw. den dort befindlichen Isolatoren sind ringförmige Verbindungsstücke vorgesehen, welche eine mechanische Verbindung zwischen den übereinander angeordneten Heizelementen bilden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung für isostatische Heißpressen mit wenigstens zwei aufeinander stehenden formstabilen zylindrischen Heizelementen, deren Wand jeweils gitterartig ausgebildet ist und aus vertikalen Abschnitten und diese paarweise abwechselnd an jeweils einem Ende verbindenen horizontalen Überbrückungsabschnitten besteht, wobei zwischen den Heizelementen elektrische Isolatoren angeordnet sind, die auf die Enden der Heizelemente aufgesteckt sind.

Bekannte isostatische Heißpressen, welche eines oder mehrere Werkstücke in einer hohen Temperatur und hohen Druck aufweisenden Gasatmosphäre aufheizen und zusammenpressen, verwenden vielfach Heizvorrichtungen mit Heizelementen aus speziellem Material wie Graphit, ,um den schweren Betriebsbedingungen ■von isostatischensHeißpressen^HIP) bei Temperaturen von mehr als 1250°C und einem Druck von einigen hundert bis einigen tausend Atmosphären standzuhalten.

Heizelemente aus für diese Zwecke geeignetem nichtmetallischen Material haben eine hohe Druckfestigkeit, sind aber wegen ihrer Brüchigkeit, insbesondere wenn sie eine geringe Dicke haben, um den elektrischen Widerstand zu erhöhen, leichter zu biegen und selbst bei geringen mechanischen Stoßen schnell zu beschädigen. Daher ist es notwendig, bei der Handhabung und beim Einbau derartiger Heizvorrichtungen in den bei hohen Temperaturen und unter hohen Drücken betriebenen Ofen von isostatischen Heißpressen größtmögliche Vorsicht walten zu lassen.

Die bekannten Heizvorrichtungen dieser Art, haben sozusagen segmentförmige Heizelemente U-förmi^er

to oder W-förmiger Gestalt (JP-OS 54 97 907) oder sie weisen stangenförmige Heizelemente (Vortrag H. Seilstorfer. Int. Konferenz für isostatisches Pressen, 1978) auf. Heizsegmente dieser Formen sind zwar verhältnismäßig leicht herzustellen, jedoch ist im allgemeinen ein großer Arbeitsaufwand erforderlich, um die einzelnen Heizelemente im Ofen miteinander zu verbinden. Heizelemente in einstückiger Form (JP-OS 55-1 47 500) sind demgegenüber einfacher im Ofen anzubringen, dafür aber in der Herstellung kostspieliger. Die verschiedenen vorbekannten Heizelemente haben Vorteile und Nachteile. Was die Genauigkeit der Anbringung und Anordnung im Ofen angeht, ist es schwierig, die aus einzelnen Segmenten bestehenden Heizelemente in genau zylindrischer Anordnung im Ofen zu installieren. Demgegenüber können einstückige zylindrische Heizelemente einfacher und genauer im Ofen installiert werden, so daß in vielen Fällen diese Heizelemente bevorzugt werden.

In jüngerer Zeit besteht der Trend, größere isostatische Heißpressen (JP-OS 55-1 47 500) zu bauen, in denen man zylindrische Heizelemente übereinander anordnet, das heißt indem man zwei oder mehr Heizelemente aufeinander setzt. Bei der Herstellung größerer einstückiger Heizelemente ergeben sich weitere Schwierigkeiten. Es ist notwendig, die Heizvorrichtung in eine Anzahl von Heizzonen mit unterschiedlicher Leistung und Kapazität zu unterteilen, um Temperaturunterschiede zwischen den oberen und unteren Bereichen des Ofens auszuschalten. Die mehretagige Bauweise der Heizvorrichtung kann durch einfaches Festlegen und Verbinden der aufeinandergeseteten Heizelemente erzielt werden, beispielsweise durch Verwendung von Isolatorringen.

Die für große isostatische Heißpressen benötigten Heizvorrichtungen sind jedoch mit Problemen behaftet, denn die Isolatorringe oder die Heizelemente werden, je nachdem welches Element die geringere Festigkeit hat, von den großen thermischen Beanspruchungen aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung leicht beschädigt. Ein weiterei Nachteil besteht darin, daß Isolatoren. die gute elektrische Isoliereigenschaften bei hohen Temperaturen und befriedigende Widerstandsfähigkeit gegen Hitzeschocks haben, kostspielig und schwierig herzustellen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde,die vorstehend genannten Nachteile und Probleme der bekannten Heizvorrichtung zu beheben und eine mehreiagige Heizvorrichtung für isostatische Heißpressen zu schaffen, die gegen Hitzeschocks ausreichend widerstandsfähig ist und gleichzeitig in einfacher Weise und ohne wirtschaftliche Nachteile zusammengebaut und im Ofen der Heißpressen installiert werden kann.
■ Diese AüfgabeBwirdί iheiileiner !Heizvorrichtung ,der eingangs genannten Gattung'mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teiles des Hauptanspruches gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Gemäß der Erfindung wird eine Heizvorrichtung vorgeschlagen, die wenigstens zwei selbsttragende bzw.

stchfähige Heizelemente mit im wesentlichen zylindrischer Gestalt aufweist, die übereinander angeordnet sind, um eine Reihe von wenigstens zwei zylindrischen Heizzonen zu bilden. Jedes Heizelement hat gitterförmige Gestalt und besteht abwechselnd aus vertikalen Abschnitten und diese wechselweise an einem Ende verbindenden horizontalen Brückenabschnitten- Auf die aneinanderstoßenden Enden der übereinander angeordneten Heizelemente sind segmentförmige Isolatoren in Form von Blöcken aufgesteckt, die aus einem Material bestehen, das bei den höchsten Betriebstemperaturen der Heizelemente einen ausreichenden elektrischen Widerstand aufweist Ferner sind ringförmige Verbindungsstücke vorgesehen, welche in ihrer Größe den aufeinanderfolgenden Enden der oberen und unteren Heizelemente entsprechen und zwischen den an diesen Enden angebrachten Isolatoren liegen und eine mechanischen Verbindung zwischen den aufeinandergesetzten zylinderförmigen Heizelementen bilden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung in weiteren Einzelheiten erläutert, wobei diese Zeichnung bekannte Heizvorrichtungen unu bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäSen Heizvorrichtung schematisch darstellt, und zwar zeigt

Fi g. Ia-Ic schaubildliche Ansichten bekannter Heizelemente für Heizvorrichtungen von isostatischen Heißpressen,

Fi g. 2 einen schematischen Teilschnitt einer bekannten, aus übereinander angeordneten Heizelementen bestehenden Heizvorrichtung.

Fig.3 einen senkrechten Schnitt einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung und

F i g. 4 eine schaubildliche Teilansicht einer zweiten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung.

Fig. la zeigt ein einstöckiges Heizelement 3a für Heizvorrichtungen von isostatischen Heizpressen (JP-OS 55-1 47 500). F i g. Ib zeigt segmentförmige Heizelemente 3b mit U-förmiger oder W-förmiger Gestalt, stangenförmige Heizelemente 3c sind in Fig. Ic abgebildet. Fig. 2 zeigt eine mehretagige Bauweise einer Heizvorrichtung 2'. mit Heizelementen 3a, die über Isolaiorringe 5' verbunden sind.

In F i g. 3 ist mittels einer strichpunktierten Linie eine Ofenkammer 1 einer isostatischen Heißpresse angedeutet, die von einer hitzeisolierenden Wand umschlossen ist, so daß in ihr eine hohe Temperatur und hohen Druck aufweisende Gasatmospnäre gebildet werden kann.

In der Ofenkammer 1 ist eine Heizvorrichtung 2 angeordnet, welche die Form eines normalen Zylinders oder auch eines polygonalen Zylinders aufweisen kann und konzentrisch im zylindrischen Raum der Ofenkammer 1 installiert ist. um ein oder mehrere nicht dargestellte Werkstücke von außen gleichförmig zu erhitzen.

Die Heizvorrichtung 2 besteht aus wenigstens zwei übereinander angeordneten Heizelementen 3. im vorliegenden Falle aus drei Heizelementen 3, die jeweils die Form eines selbstragenden bzw. selbs-.stehenden zylindrischen Gitters aus nichtmetallischem Material wie Graphit aufweisen, das abwechselnd aus vertikal angeordneten Abschnitten und horizontal verlaufenden Überbrückungsabschnitten oder Brücken, welche abwechselnd jeweils zwei benachbarte vertikale Abschnitte an den oberen oder unteren Enden untereinander verbinden, gebildet ist. Die Heizvorrichtung 2 bildet dementsprechend wenigstens zwei aneinander anschließende Heizzonen, im Falle der Ausführungsform gemäß F i β. 3 insgesamt drei Heizzonen A, B und C. Die Heizvorrichtung 2 ist dementsprechend ein von selbst stehendes zylindrisches Gebilde und ruht auf einem Fundament 4 aus metallischem Material. Jedes Heizelement 3 besteht aus nichtmetallischem Material und kann ein 5 Oxid-Heizelement sein.

Die die Heizzonen A bis Cbildenden Heizelemente 3 sind am oberen und unteren Ende elektrisch isoliert, und zwar mittels einer Anzahl von segmentförmigen Isolatorblöcken 5, die für eine mechanische Verbindung zwi-

!0 sehen den aneinander anschließenden Enden der übereinander angeordneten Heizelemente 3 mit Hilfe eines Verbindungsstückes 6 aus wärmebeständigem Material, das zwischen segmentförmigen Isolatorblöcken 5 angeordnet ist, sorgen, so daß die Heizvorrichtung 2 aus einer Mehrzahl von übereinanderstehenden und zusammengesteckten Heizelementen 3, die gegeneinander elektrisch isoliert sind, gebildet ist.

Die einzelnen segmentförmigen Isolatorblöcke 5 bestehen aus einem Material, das bei der höchsten Betriebstemperatur der Heizelemente 3 einen ausreichenden elektrischen Widerstand aufweist. Jeder segmentförmige Isolatorblock 5 hat beispielweise eine der Länge der horizontalen Überbrückungsabschnitte an den oberen bzw. unteren Enden der Heizelemente 3 entsprechende Länge. Gemäß F i g. 3 haben die segmentförmigen Isolatorblöcke 5 einen im wesentlichen H-förmigen Querschnitt mit Nuten an der Oberseite und der Unterseite, welche zur Aufnahme der horizontalen Überbrückungsabschnitte der Heizelemente 3 bzw. von ringförmigen Vorsprüngen der Verbindungsstücke 6 dienen. Durch Aufstecken der segmentförmigen Isolatorblöcke 5 auf entsprechende horizontale Oberbrükkungsabschnitte der Heizelemente 3 werden diese ringförmig angeordnet.

Das Material der segmentförmigen Isolatorblöcke 5 wird in Abhängigkeit von der höchsten Betriebstemperatur gewählt. Beispielsweise kann man gesintertes AI2O3, S13N4, BN und andere Oxide ode- Nitride oder Gemische derselben benutzen.

Die Verbindungsstücke 6 bestehen aus hitzebeständig.-m Material und sind ringförmig ausgebildet, wobei sie als ein einstückiger Körper ausgebildet oder aus einer Anzahl von Segmenten zusammengesetzi sein können. Er entspricht der Form der oberen und unteren Enden der Heizelemente 3. Bei der Ausführungsfonn gemäß F i g. 3 ist das Verbindungsstück 6 an der Oberseite und der Unterseite mit ringförmigen Vorsprüngen versehen, die in eine entsprechende ringförmige Nut im segmentförmigen Isolatorblock 5 passen.

Die Verbindungsstücke 6 können in der gewünschten Form aus Material geformt werden, das eines von zahlreichen hitzebeständigen Materialien ist. Es ist jedoch be'-'jn.ugl die Verbindungsstücke 6 aus demselben Material wie die Heizelemente 3 zu formen, beispielsweise aus Graphit, wr.n die Heizelemente 3 ebenfalls aus Graphit bestehen. Es ist leicht verständlich, daß die Wahl desselben Materials für die Heizelemente 3 und die Verbindungsstücke 6 die Entstehung von thermischen Belastungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen dieser beiden Komponenten vermeidet.

.; .Die Verbindungsstücke 6 sind einfächerizu formen als "*- die segmentförmigen Isölatorblöcke SS 'so'idaß'ibei der Herstellung keine Probleme auftreten, selbst wenn die Verbindungsstücke 6 verhältnismäßig große einstückige Ringe sind.

Das obere Ende eines unteren Heizelementes 3 ist mechanisch mit dem unteren Ende eines darüber liegenden Heizelementes 3 mit Hilfe eines Verbindungsstük-

kes 6 verbunden, das mit ringförmigen Vorsprüngen in ringförmige Nuten an den aneinander anschließenden Enden der Heizelemente 3 eingreift, nämlich in Nuten der Isolatorblöcke 5. Auf diese Weise kann eine gewünschte Anzahl von Heizelementen 3 übereinander angeordnet werden, um eine mehretagige Heizvorrichtung 2 zu schaffen, bei der die Gewichte der oberen Heizelemente 3 jeweils von den darunter liegenden Heizelementen aufgefangen werden. Falls aufgrund von Ve'biegungen oder aus sonstigen Gründen Abweichungen der relativen Positionen der Heizelemente 3 auftreten sollten, können die Verbindungsstücke 6 solche Abweichungen ausgleichen und auch dann die Heizelemente 3 stabil und sicher zusammenhalten.

Unter dem Begriff >>meehanische Verbindung« ist hier nicht nur eine rein formschlüssige Verbindung zu verstehen, sondern auch andere Verbindungsarten, beispielsweise solche, bei denen kleinere gegenseitige Verschiebungen oder Abweichungen zweier aneinandergekuppelter Teile möglich sind.

Die Verbindungsstücke 6 brauchen dementsprechend auch nicht die in Fig. 3 dargestellte Querschnittsform aufzuweisen. In F i g. 4 ist gezeigt, daß das Verbindungsstück 6 auch einen T-förmigen Querschnitt aufweisen kann, wobei senkrecht verlaufende Flansche am Außenumfang einer flachen horizontalen Ringscheibe angeordnet sind, welch letztere zwischen einander gegenüberliegenden flachen bzw. ununterbrochenen Flächen der Isolatorblocke 5 liegen. In diesem Falle nimmt das Verbindungsstück 6 sowohl vertikale als auch horizontale Kräfte aufgrund der Wärmeausdehnung mittels des Ringscheibenkörpers und der äußeren Flansche auf, wodurch die erforderliche mechanische Verbindung zwischen den übereinander angeordneten Heizelementen 3 in ausreichender Weise erzielt wird.

Der Ringscheibenkörper oder auch die senkrechten Flansche des ringförmigen Verbindungsstückes gemäß F ι g. 4 kann ein Loch 7 an einer geeigneten Steile enthalten, das zum Durchführen einer elektrischen Leitung oc.er einer elektrisch leitenden Stange geeignet ist. mit deren Hilfe dem jeweils darüber liegenden Heizelement 3 Heizenergie zugeführt wird. Daher braucht man nicht die radialen Abmessungen der Heizvorrichtung für die Üoertragung der elektrischen Heizenergie zu vergrößern, so daß die Heizvorrichtung 2 kompakt gebaut werden kann.

Aus F ι g. 3 ist erkennbar, daß als oberer Abschluß der Heizvorrichtung 2 ein Ring 8 vorgesehen sein kann, der dem ringförmigen Verbindungsstück 6 in der Form ähnlich ist und aus demselben Material besteht. Dieser Ring ί! paßt auf und in die am oberen Ende des oberen Heizelementes 3 befindlichen segmentförmigen Isolatorblöcke 5.

Man kann aber auch den Ring S und die am oberen Ende des die obere Heizzone A bildenden oberen Heizelementes 3 befindlichen Isoiatorblöcke 5 weglassen, so daß hier keine Isolation vorgesehen ist

Gemäß F i g. 3 ist außerdem eine elektrodenförmige Heizleitung 9 zum Zuführen der Heizenergie vorgesehen, der über an der Bodenplatte der Ofenkammer 1 befindliche Anschlußklemmen 10 und 11 mit einer nicht dargestellten elektrischen Energiequelle verbunden ist.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsformen gemäß F i g. 3 und 4 wird die mechanische Verbindung zwischen oberen und unteren Heizelementen 3 mittels eines Verbindungsstückes 6 erzielt, das zwischen den sesmentförmigen Isolatorblöcken 5 erfaßt wird, was im Gegensatz zu bekannten Heizvorrichtungen, dieser Art steht, bei denen die mechanische Verbindung von den Isolatoren selbst hergestellt wird, wie F i g. 2 zeigt. Einer der wesentlichsten Vorteile der Ausführungsform gemäß Fig,3 und 4 besteht darin, daß die segmentförmigen Isolatorblöcke 5 mit kleinen Matrizen hergestellt werden können, wodurch sich verhältnismäßig geringe Herstellungskosten ergeben.

Die segmentförmigen Isolatorblöcke 5 jeder Heizzone A bis Cergreifen nur die Enden eines Heizelementes

ίο 3, so daß es sehr einfach ist, dieselben so auszubilden, daß ernsthafte Schäden sowohl der Heizelemente 3 als auch der segmentförmigen Isolatorblöcke 5 durch thermische Beanspruchungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeaiisdehnungen dieser Teile vermieden werden können, verbunden mit den Vorteilen der sigmentartigen Ausbildung der Isolatorblöcke 5 in praktischer und konstruktiver Hinsicht.

Die die Heizelemente 3 verbindenden Verbindungsstücke 6 haben zusätzlich eine Pufferwirkung, so daß d>G segmentförmigen Isolatorblöcke 5 ausschließlich für die elektrische Isolation benutzt werden, während die Verbindungsstücke 6 zum Absorbieren bzw. Abfangen von Wärmeschocks benutzt werden. Daher ist es möglich, das Herstellungsverfahren zu vereinfachen und eine Konstruktion der Heizvorrichtung zu benutzen, welche ausgezeichnete Eigenschaften sowohl bezüglich der elektrischen Isolation als auch der Beständigkeit gegen Wärmeschv-cks unter hohen Temperaturen und hohen Drücken gewährleistet. Daher hat die vorgeschlagene

Konstruktion der Heizvorrichtung große praktische Bedeutung fürisostatischs Heißpressen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Heizvorrichtung für isostatische Heißpressen mit wenigstens zwei aufeinander stehenden formstabilen zylindrischen Heizelementen, deren Wand jeweils gitterartig ausgebildet ist und aus vertikalen Abschnitten und diese paarweise abwechseld an jeweils einem Ende verbindenden horizontalen Oberbrückungsabschnitten besteht, wobei zwischen den Heizelementen elektrische Isolatoren angeordnet sind, die auf die Enden der Heizelemente aufgesteckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf jedes Heizelement (3) jeweils ein elektrischer Isolator aufgesteckt ist, der aus mehreren segmentförmigen Isolatorblöcken (5) besteht, und daß zwischen den Isolatorblöcken der aufeinander stehenden Heizelementen ein ringförmiges, profiliertes, einteiliges Verbindungsstück (6) angeordnet ist, das aus demselben Material besieht wie die Heizelemente.

2. Vorrichtung nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein Isolatorblock (5) auf einem horizontalen Überbrückungsabschnitt der Heizelemente (3) aufgesteckt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (6) auf der Oberseite und der Unterseite mit ringförmigen Vorsprüngen versehen ist, die jeweils in eine Nut im Isolatorblock (5) formschlüssig eingreifen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß da- Verbindungsstück (6) einen T-förmigen Querschnitt aufweist mit einem horizontalen Ringscheibenkörper, der zwischen den Isolatorblökken (5) aufeinander stehender Heizelemente (3) liegt, und einem über den Ringscheibenkorper an dessen äußeren Umfang nach oben und unten vorstehenden ringförmigen Flansch, an dem die Isolatorblöcke (5) mit ihrer Außenseite anliegen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungsstück (6) ein Loch (7) zum Durchführen einer Heizleitung (9) enthält.