EP0312909B1 - Vakuum-Kammerofen - Google Patents
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- EP0312909B1 EP0312909B1 EP88116992A EP88116992A EP0312909B1 EP 0312909 B1 EP0312909 B1 EP 0312909B1 EP 88116992 A EP88116992 A EP 88116992A EP 88116992 A EP88116992 A EP 88116992A EP 0312909 B1 EP0312909 B1 EP 0312909B1
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- European Patent Office
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- gas
- workpieces
- heating chamber
- vacuum chamber
- inlet openings
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/74—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
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- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C21—METALLURGY OF IRON
- C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
- C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
- C21D1/74—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
-
- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27B—FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS IN GENERAL; OPEN SINTERING OR LIKE APPARATUS
- F27B5/00—Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated
- F27B5/04—Muffle furnaces; Retort furnaces; Other furnaces in which the charge is held completely isolated adapted for treating the charge in vacuum or special atmosphere
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- F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
- F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
- F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
- F27D7/00—Forming, maintaining, or circulating atmospheres in heating chambers
- F27D7/04—Circulating atmospheres by mechanical means
Definitions
- the invention relates to a vacuum chamber furnace for the heat treatment of metallic workpieces, consisting of an essentially cylindrical housing which contains a heating chamber insulated from the housing wall, in the interior of which a support device for receiving the workpieces to be treated is arranged and the walls of which are diametrically opposed to one another with heating elements opposite sides are provided with gas inlet openings in the form of nozzles and gas outlet openings in the form of slots which extend over the axial length of the heating chamber, the gas inlet openings and the gas outlet openings being connected to a gas circulation system which has a blower for the gas circulation and a heat exchanger for the gas cooling .
- the invention proposes to achieve this object starting from a vacuum chamber furnace of the type mentioned above, that the gas inlet openings opposite one another can be acted upon with gas at the same time, that the supporting devices hold the workpieces to be treated in the area in which the gas streams generated by the gas inlet openings colliding with one another and that the gas outlet openings are arranged in the wall areas adjacent to this area.
- the workpieces are cooled from above and below simultaneously and evenly.
- the vortices that form in the impact zone of the gas flows directed against each other ensure intensive mixing and swirling of the gases in the area of the workpieces to be treated, so that a largely homogeneous cooling zone is formed.
- the gas outlet openings in the form of slots arranged laterally next to the impact zone result in a pressure gradient directed from the impact zone to both sides, through which the cooling gas heated on the workpieces flows out laterally.
- a preferred embodiment of the invention provides that the nozzles forming the gas inlet openings are aligned with the workpieces received by the carrier device. This ensures that the inflowing cooling gas first comes into contact with the workpieces in the impact zone before it flows into the slots serving as gas outlet openings.
- the slits serving as gas outlet openings in the interior of the heating chamber are of cover plates against radiant heat covered, which are arranged at a distance from the respective opening cross section of the slots. Although these cover plates prevent the escape of radiant heat, they do not hinder the escape of the cooling gas.
- Control devices can be assigned to the gas circulation system, with which the amount of gas passed through can be controlled. This makes it possible to precisely adapt the amount of gas to the respective need.
- the heating chamber also expediently has an approximately elliptical cross section, the workpieces being held by the carrying device in the plane in which the longer ellipse axis runs.
- This design of the heating chamber results in a particularly favorable use of space in the volume of the heating chamber without the cooling uniformity suffering.
- the substantially cylindrical housing of the vacuum chamber furnace is designated by the reference number 1.
- This housing 1 is mounted on feet 2 and provided on one end with a tightly closing door 3 (see FIG. 2).
- the housing 1 is provided with a blower 4 and a heat exchanger 5, which are components of the gas circulation described in more detail below.
- a heating chamber 6 In the interior of the housing 1, a heating chamber 6 is arranged, which is approximately elliptical in cross-section and is thermally insulated from the walls of the housing 1. On the inside of the walls of the heating chamber 6, heating rods 8 are attached by means of suitable holders 7, which extend over the axial length of the heating chamber 6.
- 6 gas outlet openings in the form of nozzles 9 are provided on the ceiling and on the bottom of the heating chamber, which cooling gas can be acted upon at the same time via gas supply lines 10 and produce gas flows directed towards the center plane of the heating chamber 6.
- the workpieces 11 to be treated are arranged in the interior of the heating chamber 6 and are carried by a suitable carrying device 12, which can be designed, for example, as a grid pallet.
- a suitable carrying device 12 which can be designed, for example, as a grid pallet.
- cover plates 14 against radiant heat which are arranged at a distance from the respective opening cross section of the slot 13.
- the slots 13 serving as gas outlet openings are connected to the suction side of the fan 4 via gas return channels 15 and the heat exchanger 5.
- the pressure side of the blower 4 is connected to the nozzles 9 via the gas supply lines 10.
- the gas circulation system consisting of the blower 4, the gas supply lines 5, the nozzles 9, the slots 13, the gas return lines 15 and the heat exchanger 5 is also at suitable locations Provide control and regulation procedures, by means of which the circulated gas quantity can be adapted to the requirements. These control and regulating elements are not shown in the drawing.
- the workpieces to be treated are arranged where the gas flows generated by the opposing nozzles 9 collide with one another.
- the gas flows colliding with one another produce a largely homogeneous cooling zone around the workpieces 11 through intensive swirling, which guarantees a uniform cooling of the workpieces 11 on all surfaces that come into contact with the cooling gas.
- the impact area lies horizontally in the middle of the heating chamber.
- this impact area can of course also be arranged differently in the interior of the heating chamber 6, for example in the vertical plane. It is only essential that the gas flows generated by the nozzles are directed in opposite directions, that the workpieces to be treated are arranged in the impact area and that the gas discharge openings designed as slots are located in the walls of the heating chamber adjacent to the impact area.
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Description
- Die Erfindung betrifft einen Vakuum-Kammerofen zur Wärmebehandlung von metallischen Werkstücken, bestehend aus einem im wesentlichen zylindrischen Gehäuse, welches eine gegen die Gehäusewand isolierte Heizkammer enthält, in deren Innenraum eine die zu behandelnden Werkstücke aufnehmende Tragvorrichtung angeordnet ist und deren Wände mit Heizelementen und aneinander diametral gegenüberliegenden Seiten mit Gaseinlaßöffnungen in Form von Düsen und Gasauslaßöffnungen in Form von sich über die axiale Länge der Heizkammer erstreckenden Schlitzen versehen sind, wobei die Gaseinlaßöffnungen und die Gasauslaßöffnungen an ein Gasumwälzsystem angeschlossen sind, welches ein Gebläse für die Gasumwälzung und einen Wärmetauscher für die Gaskühlung aufweist.
- Bei derartigen Vakuum-Kammeröfen, die vorzugsweise für das Vakuum-Härten verwendet werden, ist es wichtig, daß in der Abkühlphase an allen Oberflächen der zu behandelnden Werkstücke eine möglichst gleichmäßige Abkühlung erzielt wird, damit das sich ausbildende Gefüge überall gleichmäßig gut ist und keine durch Wärmespannungen verursachten Verformungen der Werkstücke auftreten.
- Bei einem nach dem Stande der Technik (vergl. DE-OS 3215509) bekannten Vakuum-Kammerofen der eingangs genannten Art ist versucht worden, eine gleichmäßige Abkühlung der Werkstücke dadurch zu erreichen, daß das zur Kühlung dienende Gas abwechselnd einerseits von in der Decke der Heizkammer angeordneten Einblasdüsen zu zwei seitlich am Boden der Heizkammer angeordneten Gasauslaßschlitzen und andererseits von im Boden der Heizkammer angeordneten Gaseinblasdüsen zu zwei seitlich an der Decke der Heizkammer angeordneten Gasauslaßschlitzen geführt wird. Durch häufige Umkehrung der die Werkstücke beaufschlagenden Gasströmung ist es möglich, die Abkühlung der Werkstücke gleichmäßiger zu gestalten, als wenn das Kühlgas nur in einer Richtung strömt. Dennoch läßt sich nicht vermeiden, daß die Abkühlung über die Zeit an der Ober- und Unterseite der Werkstücke von einander abweicht, so daß sich Gefügeunterschiede und Wärmespannungen ergeben.
- Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, den Vakuum-Kammerofen der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die zu behandelnden Werkstücke an allen Oberflächen gleichzeitig und gleichmäßig abgekühlt werden, so daß das sich ausbildende Gefüge an allen Oberflächen vollständig gleich ist und durch Wärmespannungen verursachte Verformungen noch zuverlässiger vermieden werden.
- Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einem Vakuum-Kammerofen der eingangs genannten Art vor, daß die einander gegenüberliegenden Gaseinlaßöffnungen gleichzeitig mit Gas beaufschlagbar sind, daß die Tragvorrichtungen die zu behandelnden Werkstücke in dem Bereich halten, in dem die von den gegenüberliegenden Gaseinlaßöffnungen erzeugten Gasströme aufeinander prallen und daß die Gasauslaßöffnungen in den diesem Bereich benachbarten Wandbereichen angeordnet sind.
- Beim Vakuum-Ofen gemäß der Erfindung werden die Werkstücke von oben und unten gleichzeitig und gleichmäßig gekühlt. Die sich in der Aufprallzone der gegeneinander gerichteten Gasströmungen ausbildenden Wirbel sorgen im Bereich der zu behandelnden Werkstücke für eine intensive Mischung und Durchwirbelung der Gase, so daß sich eine weitestgehend homogene Kühlzone ausbildet. Durch die seitlich neben der Aufprallzone angeordneten Gasauslaßöffnungen in Form von Schlitzen ergibt sich ein von der Aufprallzone nach beiden Seiten hin gerichtetes Druckgefälle, durch welches das an den Werkstücken erwärmte Kühlgas seitlich abströmt.
- Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß die die Gaseinlaßöffnungen bildenden Düsen auf die von der Tragvorrichtung aufgenommenen Werkstücke ausgerichtet sind. Hierdurch wird erreicht, daß das zuströmende Kühlgas zunächst in der Aufprallzone mit den Werkstücken in Berührung kommt, ehe es den als Gasauslaßöffnungen dienenden Schlitzen zuströmt.
- Um während der Aufheizphase den Verlust von Strahlungswärme aus der Heizkammer zu vermeiden, sind die als Gasauslaßöffnungen dienenden Schlitze im Inneren der Heizkammer von Abdeckblechen gegen Strahlungswärme abgedeckt, die mit Abstand zum jeweiligen Öffnungsquerschnitt der Schlitze angeordnet sind. Diese Abdeckbleche verhindern zwar den Austritt von Strahlungswärme, behindern jedoch den Austritt des Kühlgases nicht.
- Dem Gasumwälzsystem können Steuervorrichtungen zugeordnet sein, mit denen die durchgesetzte Gasmenge steuerbar ist. Hierdurch ist es möglich, die Gasmenge dem jeweiligen Bedarf genau anzupassen.
- Zweckmäßig hat weiterhin die Heizkammer einen etwa elliptischen Querschnitt, wobei die Werkstücke von Tragvorrichtung in der Ebene gehalten werden, in der die längere Ellipsen-Achse verläuft. Durch diese Ausbildung der Heizkammer ergibt sich eine besonders günstige Raumausnutzung des Volumens der Heizkammer ohne daß die Gleichmäßigkeit der Abkühlung leidet.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- einen Querschnitt durch einen Vakuum-Kammerofen gemäß der Erfindung;
- Fig. 2
- einen horizontalen Längsschnitt zu Fig. 1, jedoch ohne die Tragvorrichtung und die zu behandelnden Werkstücke.
- In der Zeichnung ist das im wesentlichen zylinderförmige Gehäuse des Vakuum-Kammerofens mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Dieses Gehäuse 1 ist auf Standfüßen 2 aufgeständert und an einer Stirnseite mit einer dicht schließenden Tür 3 versehen (vergl. Fig. 2). An der gegenüberliegenden Stirnseite ist das Gehäuse 1 mit einem Gebläse 4 und einem Wärmetauscher 5 versehen, die Bestandteile der nachfolgend näher erläuterten Gasumwälzung sind.
- Im Innenraum des Gehäuses 1 ist eine Heizkammer 6 angeordnet, die im Querschnitt etwa ellipsenförmig ausgebildet ist und zu den Wänden des Gehäuses 1 hin wärmeisoliert ist. Innen an den Wänden der Heizkammer 6 sind mittels geeignet Halter 7 Heizstäbe 8 befestigt, die sich über die axiale Länge der Heizkammer 6 erstrecken.
- Außerdem sind an der Decke und am Boden der Heizkammer 6 Gasauslaßöffnungen in Form von Düsen 9 vorgesehen, die über Gaszuführungsleitungen 10 gleichzeitig mit Kühlgas beaufschlagbar sind und in Richtung auf die Mittenebene der Heizkammer 6 gerichtete Gasströmungen erzeugen. Im Bereich der Mittenebene, d.h. dort wo die von den einander entgegengerichteten Düsen 9 erzeugten Gasströmungen aufeinander prallen, sind im Inneren der Heizkammer 6 die zu behandelnden Werkstücke 11 angeordnet, die von einer geeigneten Tragvorrichtung 12 getragen werden, welche beispielsweise als Gitterpalette ausgebildet sein kann. Seitlich neben der in der Mittenebene befindlichen Aufprallzone befinden sich in den Wänden der Heizkammer 6 Gasauslaßöffnungen in Form von Schlitzen 13. Diese Schlitze 13 sind von Abdeckblechen 14 gegen Strahlungswärme abgedeckt, die mit Abstand zum jeweiligen Öffnungsquerschnitt des Schlitzes 13 angeordnet sind.
- Die als Gasauslaßöffnungen dienenden Schlitze 13 stehen über Gasrückführungskanäle 15 und den Wärmetauscher 5 mit der Saugseite des Gebläses 4 in Verbindung. Die Druckseite des Gebläses 4 steht demgegenüber über die Gaszuleitungen 10 mit den Düsen 9 in Verbindung. Das aus dem Gebläse 4, den Gaszuleitungen 5, den Düsen 9, den Schlitzen 13, den Gasrückführungsleitungen 15 und dem Wärmetauscher 5 bestehende Gasumwälzsystem ist außerdem an geeigneten Stellen mit Steuer- und Regelorgangen versehen, durch welche die umgewälzte Gasmenge dem Bedarf angepaßt werden kann. Diese Steuer- und Regelorgane sind in der Zeichnung nicht näher dargestellt.
- Wie aus den in Fig. 1 dargestellten Strömungspfeilen sichtlich ist, sind beim Kammerofen gemäß der Erfindung die zu behandelnden Werkstücken dort angeordnet, wo die von den einander entgegengerichteten Düsen 9 erzeugten Gasströmungen aufeinander prallen. Die aufeinander prallenden Gasströmungen erzeugen um die Werkstücke 11 herum durch intensive Verwirbelung eine weitestgehend homogene Kühlzone, die eine gleichmäßige Abkühlung der Werkstücke 11 an allen mit dem Kühlgas in Berührung kommenden Oberflächen garantiert. Aufgrund des sich im Aufprallbereich ausbildenden Überdruckes und der seitlich neben dem Aufprallbereich befindlichen Gasabführungsöffnungen in Form Schlitzen 13 ergibt sich vom Aufprallbereich zu den Schlitzen 13 hin ein verhältnismäßig großes Druckgefälle, so daß das Kühlgas im Aufprallbereich verhältnismäßig schnell ausgetauscht wird.
- Beim dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Aufprallbereich waagerecht in der Mitte der Heizkammer. Bei entsprechender Anordnung der Düsen 9 und der Schlitze 13 sowie der Tragvorrichtung 12 kann dieser Aufprallbereich natürlich auch anders im Inneraum der Heizkammer 6 angeordnet sein, beispielsweise in der vertikalen Ebene. Wesentlich ist nur, daß die von den Düsen erzeugten Gasströmungen einander entgegengerichtet sind, daß die zu behandelnden Werkstücke im Aufprallbereich angeordnet sind und daß die als Schlitze ausgebildeten Gasabführungsöffnungen sich in dem an den Aufprallbereich angrenzenden Wandungen der Heizkammer befinden.
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