[0001] Die Erfindung betrifft Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Pressbolzen
oder - bei Verwendung einer Warmschere - Stangenabschnitten vor dem Einbringen in
die Strangpresse sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.
[0002] Im Folgenden werden solche Bolzen bzw. Stangenabschnitte auch als "Blöcke" bezeichnet.
[0003] Gegossene, homogenisierte und anschließend abgekühlte Blöcke werden unmittelbar vor
dem Einbringen in die Pressvorrichtung einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der die
Blöcke wiedererwärmt, anschließlich abgekühlt und der Pressvorrichtung zugeführt werden.
[0004] Ein solches Verfahren geht beispielsweise aus der EP-B1-0 302 623 hervor. Dabei wird
der in üblicher Weise gegossene Pressblock, vornehmlich aus einer AIMgSi-Legierung,
zunächst, dem Stand der Technik entsprechend, nach dem Gießvorgang homogenisiert und
gekühlt. Vor dem Verpressen wird er auf eine Temperatur über der Löslichkeitstemperatur
der bei der Abkühlung nach der Homogenisierung ausgeschiedenen Phasen erwärmt und
auf dieser Temperatur so lange gehalten, bis die Phasen wieder aufgelöst sind. Nach
dieser Wiedererwärmung, bei welcher sich der Block höchstens 20 Minuten auf einer
Temperatur von mehr als 350 °C befindet, wird der Block schnell auf die Presstemperatur,
die niedriger ist als die Löslichkeitstemperatur und höchstens 510 °C beträgt, abgekühlt.
Bei dieser Abkühlung soll die erneute Ausscheidung von Phasen verhindert werden.
[0005] Abgesehen davon, dass es technisch kaum möglich sein dürfte, in einer auf hohen Durchsatz
angelegten Produktionsanlage so lange zu warten, bis alle Phasen wieder aufgelöst
sind, und dass hierbei die Haltezeit noch auf eine Zeit unter 20 Minuten begrenzt
ist, was die Auflösung der ausgeschiedenen Phasen in Frage stellt, ist dieses Verfahren
nicht geeignet, in einem Wärmebehandlungsprozess eingesetzt zu werden, der vor dem
eigentlichen Strangpressvorgang mit einer hochproduktiven Strangpresse stattfindet.
[0006] Aus der Beschreibung geht nämlich hervor, dass bei dem Verfahren nach der EP-B1-0
302 623 der Kühlvorgang zur Erreichung der niedrigsten Abkühltemperatur bis zu 20
Minuten dauerte. Es handelt sich folglich um einen Vorgang, der im Minutenbereich
abläuft und bei welchem sich die Temperatur durch die Wärmeleitung auch über größere
Distanzen, also auch merklich in Blocklängsrichtung, ausgleichen kann. Dies ist auch
der Grund, warum in der vorgenannten Schrift jeweils nur von einer Temperatur die
Rede ist.
[0007] Eine solche nur mittelmäßig schnelle Abkühlung ist jedoch von Nachteil, wenn durch
die Abkühlung vor dem Verpressen ein gegen die Pressrichtung abfallendes Temperaturprofil,
ein sogenannter Temperatur-Taper, im Block erreicht werden soll, weil bei einer relativ
langsamen Abkühlung auch ein erheblicher Temperaturausgleich in Längsrichtung erfolgt,
wodurch die Erzeugung des gewünschten Temperatur-Tapers mit Hilfe einer kontrollierten
Abkühlung erschwert oder unmöglich wird. Ein solcher Temperatur-Taper ist aber bei
direkt arbeitenden Strangpressen Voraussetzung für das vorteilhafte isotherme Pressen.
[0008] Der Hauptzweck des in der EP-B1-0 302 623 dargestellten Verfahrens ist eine Verbesserung
der Qualität der Strangpresserzeugnisse bei gleichzeitiger Erhöhung der Pressgeschwindigkeit.
Um diesen Vorteil zu belegen, werden in der vorgenannten Schrift Beispiele beschrieben.
Dabei wird ein Verfahren nach dem Stand der Technik mit dem Verfahren nach der EP-B1-0
302 623 verglichen. Sowohl was die Oberflächenbeschaffenheit angeht als auch bezüglich
der Festigkeitswerte, nämlich RPO 2, RM und Dehnung, lässt sich jedoch unter Berücksichtigung
der Streuung technischer Messwerte kein merklich positiver Effekt bei Anwendung dieses
Verfahrens feststellen. Dies ist nicht verwunderlich, da die Erfahrung gezeigt hat,
dass es beim Strangpressen insbesondere von Leichtmetalllegierungen mit hoher Produktivität
sehr auf genaueste Temperarurführung ankommt. Bezüglich dieser Temperaturführung enthält
aber die vorgenannte Schrift weder Aussagen darüber, welche Temperaturgenauigkeit
erforderlich ist, noch darüber, wie diese Genauigkeit erzielt werden soll.
[0009] Weitere Druckschriften befassen sich mit der Erwärmung solcher Blöcke einerseits
und ihrer Abkühlung andererseits.
[0010] So wird eine Vorrichtung zur Erwärmung von Pressbolzen und Stangen in der WO 83/02661
beschrieben. Dabei wird die Gutoberfläche mit Brennern bzw. Heißgasstrahlen, die durch
Verbrennung erzeugt werden, beaufschlagt. Das Abgas wird mit einem oberhalb des Erwärmungsbereichs
geführten Abgaskanal gesammelt und einer Vorwärmzone mit konvektiver Wärmeübertragung
zugeführt. Die konvektive Wärmeübertragung erfolgt durch Beblasen des Wärmegutes mit
seitlich angeordneten Schlitzdüsen, wobei der Gasstrom zur Speisung dieser Schlitzdüsen
mit Ventilatoren im geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird. Diese Vorrichtung ist
zur Erwärmung mit engen Temperaturtoleranzen bei hoher Durchsatzleistung nur bedingt
geeignet, da die Temperaturgenauigkeit, welche mit einer direkten Flammenbeaufschlagung
erreicht werden kann, schon bei mäßigen Durchsätzen zu wünschen übrig lässt. Die Möglichkeit
der Temperaturregelung wird nämlich dadurch nachteilig beeinflusst, dass der Abgassammelkanal
unabhängig von dem Wärmeeintrag und damit der örtlichen Abgaserzeugung in einem bestimmten
Bereich der Vorrichtung ständig in gleicher Weise Abgas abzieht. Nachteilig ist ferner,
dass die konvektive Erwärmung, welche vom Prinzip her gleichmäßiger ist als die Erwärmung
mit direkter Flammenbeaufschlagung, am Anfang der Vorrichtung erfolgt, wo es auf eine
hohe Temperaturgenauigkeit wegen der dort noch niedrigen Materialtemperaturen nicht
besonders ankommt, während am Ende des Aufheizvorganges, wo nur geringe Temperaturunterschiede
toleriert werden können, ausschließlich mit direkter Flammenbeaufschlagung erwärmt
wird, was verfahrensbedingt zu größeren örtlichen Temperaturunterschieden führt. Die
Vorrichtung gemäß WO 83/02661 ist also im Sinne der Erwärmungsgenauigkeit ungünstig,
nämlich falsch herum, aufgebaut.
[0011] Um die heißen Abgase der Erwärmungszone, die z. B. mit direkter Flammenbeaufschlagung
arbeitet, besser auszunutzen, wird in der DE-OS 26 37 646 eine Vorrichtung beschrieben,
bei welcher in Guttransportrichtung vor dem Schnellerwärmteil mit Flammenbeaufschlagung
das heiße Abgas in Konvektionsheizzonen umgewälzt und mit Düsenstrahlen auf das Gut
aufgeblasen wird, bevor es die Vorrichtung durch den Abgaskamin verlässt. Die Düsen
sind auf beiden Seiten des Gutes angeordnete Schlitzdüsen mit senkrecht zur Gutachse
stehenden Längsachsen der Düsenöffnungen. Auch diese Vorrichtung weist die im Hinblick
auf die Gleichmäßigkeit der Erwärmung ungünstige Anordnung der Konvektionsheizzone
vor der Heizzone mit direkter Flammenbeaufschlagung auf.
[0012] Weitere Vorrichtungen mit konvektiver Erwärmung ohne jegliche direkte Flammenbeaufschlagung
des Gutes sind aus der DE-OS 35 09 483 A1, DE 34 18 603 C1 und DE 195 38 364 C2 bekannt.
Bei diesen Vorrichtungen wird der zum Zweck der konvektiven Wärmeübertragung in den
Konvektionszonen umgewälzte Gasstrom mit Heizeinrichtungen erwärmt und die Wärme von
diesem Gasstrom auf das Gut übertragen.
[0013] Alle diese Vorrichtungen weisen erhebliche Nachteile auf. Bei den Vorrichtungen mit
konvektiver Erwärmung ohne direkte Flammenbeaufschlagung lässt sich zwar eine gleichmäßige
Erwärmung mit hinreichend gleichförmiger Temperaturverteilung erzielen, durch die
Begrenzung der Betriebstemperatur auf die maximal für das mit einem Heißgasventilator
ausgestattete Konvektionssystem zuträgliche Temperatur ergibt sich jedoch eine Limitierung
der auf die Gutoberfläche maximal übertragbaren Wärmestromdichte und damit eine Begrenzung
der Aufheizgeschwindigkeit. Die Folge sind relativ kleine Durchsatzleistungen oder
lange Anlagen mit den bekannten Nachteilen durch die relativ lange Gutsäule bei Legierungswechseln
während der Produktion, die in der Regel auch eine Änderung der Gut-Endtemperatur
erfordern. Dadurch sind solche Vorrichtungen im Produktionsbetrieb unflexibel und
für die Durchführung von Verfahren die hohe Genauigkeit erfordern, ungeeignet. Weitere
Nachteile sind die durch die größere Länge bedingten höheren Kosten sowie der höhere
Platzbedarf.
[0014] Vorrichtungen mit Erwärmung durch direkte Flammenbeaufschlagung gestatten zwar durch
die hohe Ofenraumtemperatur - bei Vorrichtungen zur Erwärmung von Leichtmetall-Legierungen
um 1000° C - recht hohe Aufheizgeschwindigkeiten, jedoch ist die Temperaturverieilung.
im Gut sehr-ungleichmäßig. Insbesondere bei wechselnden Gutoberflächen lässt sich
wegen des wechselnden starken Strahlungseinflusses auch mit aufwendiger Steuerung
und Regeltechnik keine zufriedenstellende Temperaturgleichmäßigkeit erreichen. Bei
plötzlichem Stopp des Produktionsablaufes, z. B. wegen eines Pressen- oder Werkzeugproblems,
kommt es sogar häufig zu Anschmelzungen des Wärmgutes. Außerdem ist die Energieausnutzung
gering und folglich der auf den Gutdurchsatz bezogene Heizleistungs- und Energiebedarf
hoch.
[0015] Auch bei der aus DE-OS 26 37 646 bekannten Vorrichtung mit konvektiver Vorwärmung
sind diese Nachteile vorhanden. Die Energieausnutzung ist zwar etwas besser, bedingt
durch die Verknüpfung der Vorwärmung mit der Schnellerwärmung, z. B. durch direkte
Flammenbeaufschlagung: Es fällt nur Abgas an, wenn die Flammenbeaufschlagung arbeitet,
dafür ist die Temperaturregelung noch schwieriger und die Temperaturgenauigkeit im
Gut, insbesondere bei Produktionsunterbrechungen, z. B. bei Werkzeugwechsel, unbefriedigend.
Daher ist eine derartige Vorrichtung nicht einsetzbar, wenn an die Temperaturgleichmäßigkeit
besondere Ansprüche gestellt werden müssen, wie z. B. beim Erwärmen von Aluminiumlegierungen
AIMgSi auf Presstemperaturen im Homogenisierungstemperaturbereich und nahe der Schmelztemperatur
mit anschließender Schnellkühlung vor dem Strangpressen zwecks Erhöhung der Produktivität
und Qualität.
[0016] Für die Durchführung des Abkühlvorganges sind eine Reihe von Kühleinrichtungen bekannt.
Die US-A 5,027,634 beschreibt eine Kühleinrichtung, die aus zumindest einem Kühlring
besteht, durch welchen der Block während des Kühlvorganges mittels einer Stoßeinrichtung
geschoben wird. Durch die Veränderung der Stoßgeschwindigkeit lässt sich die mit der
Kühleinrichtung bewirkte Abkühlung über der Blocklänge beeinflussen. Der Kühlring
selbst weist zahlreiche Bohrungen mit relativ geringem Durchmesser auf, durch welche
das als Kühlfluid benutzte Wasser auf den Block gespritzt wird. Zur Durchfahrt der
Stoßeinrichtung ist der Kühlring oben offen. Nachteilig sind bei dieser Vorrichtung
außer der komplizierten Steuerung der Blockbewegungen und der aufwendigen Transportmechanik
insbesondere die kleinen Kühldüsen, die leicht zum Verstopfen neigen, und die ungleiche
Kühlwirkung über dem Umfang, die durch die Öffnung oben im Kühlring zur Durchfahrt
der Stoßeinrichtung bedingt ist, weil in diesem Bereich Kühldüsen fehlen.
[0017] Durch die Vorrichtung nach der US-A 5,425,386 wird versucht, den Nachteil der kleinen
Bohrungen im Kühlring durch einen Kreisringschlitz als Düsenöffnung zu vermeiden.
Die komplizierte Transportmechanik und die aufwendige Steuerung der Blockbewegung
sind aber nach wie vor erforderlich. Außerdem wird der Kreisring als Düsenöffnung
aus einer Vorkammer mit dem Kühlfluid versorgt, so dass um den Umfang des ganzen Düsenschlitzes
der gleiche Druck zur Verfügung steht. Es gibt daher keine Möglichkeit, die Kühlung
den Erfordernissen der Orientierung der Blockoberfläche anzupassen. Während eines
beträchtlichen Teils des Kühlvorganges befindet sich die Blockoberflächentemperatur
weit oberhalb der Leidenfrost-Temperatur, so dass der Kühlvorgang durch den Dampffilm
unmittelbar an der Oberfläche des Blocks bestimmt wird. Bei horizontaler Lage des
Blocks ist dieser Dampffilm auf der Unterseite, auf der Oberseite und an den beiden
Seiten des Blocks, wo die Tangente an die Oberfläche vertikal verläuft, unterschiedlich.
Folglich sollte auch die Wasserbeaufschlagung zwecks Erzielung einer gleichmäßigen
Kühlung diesen unterschiedlichen Situationen angepasst werden können.
[0018] Mit der Vorrichtung nach der US-A 5,325,694 wird versucht, durch Aufbau eines Regelkreises,
der die durch die Kühlung bewirkte Temperaturabsenkung des Blocks mit der Blockvorschubgeschwindigkeit
verknüpft, die Handhabung der Vorrichtung zu vereinfachen und die Steuerung zu automatisieren.
Dabei wird aber die Vorrichtung durch die zusätzlich erforderlichen Sensoren nicht
nur aufwendiger, sondern auch störanfälliger.
[0019] Die US-A 5,337,768 beschreibt eine weitere Ausführungsform der Regelung einer solchen
Vorrichtung, welche aber die gleichen prinzipiellen Nachteile wie die vorgenannte
US-A 5,325,694 aufweist.
[0020] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen
Pressbolzen oder Stangenabschnitten vor dem Einbringen in die Strangpresse, sowie
Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei denen die oben erwähnten
Nachteile nicht auftreten. Insbesondere sollen Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen
werden, die eine sehr schnelle und gleichzeitig in der Temperaturführung sehr exakte
Wärmebehandlung aus Wiedererwärmung und Kühlung ermöglichen.
[0021] Dies wird durch die Merkmale der jeweiligen Hauptansprüche erreicht, während zweckmäßige
Varianten dieser Verfahren und Vorrichtungen durch die zugehörigen Unteransprüche
definiert werden.
[0022] Beim Strangpressen, insbesondere von Leichtmetalllegierungen, kommt es zur Erzielung
einer hohen Produktivität darauf an, dass der gesamte Strang mit möglichst hoher Geschwindigkeit
bei Einhaltung einer bestimmten und optimalen Strangaustrittstemperatur verpresst
wird. Um dieses Ziel zu erreichen, sind, abhängig von Profilform und Werkzeug - also
vom Umformgrad - und von der gewünschten, aus Produktivitätsgründen möglichst hohen
Pressgeschwindigkeit -also abhängig von der Umformleistung - unterschiedliche Anfangstemperaturen
des Blocks erforderlich. Bei direkt arbeitenden Strangpressen, wie sie üblicherweise
für Leichtmetalllegierungen verwendet werden, kommt es zusätzlich noch darauf an,
dass der Block zu Beginn des Pressvorganges ein entgegen der Pressrichtung abfallendes
Temperaturprofil, einen sogenannten "Temperaturtaper", aufweist. Dieser Temperaturtaper
ist, wie seit längerem als Stand der Technik bekannt, erforderlich, um den vom Blockanfang
bis zum Blockende zunehmenden Eintrag an mechanischer Energie auszugleichen, die beim
Pressvorgang in Wärme umgewandelt wird, so dass dennoch der Pressvorgang isotherm
ablaufen kann. Je genauer dieser Temperaturtaper auf die jeweiligen Pressbedingungen
abgestimmt ist, umso höher kann die Pressgeschwindigkeit gewählt werden und umso größer
ist die Produktivität.
[0023] Erfindungsgemäß werden Bolzen bzw. Stangen, also Blöcke, zunächst möglichst rasch
auf eine möglichst hohe, vom jeweiligen Material abhängige Presstemperatur erwärmt,
wobei nach dieser Erwärmung die Temperatur im Block mit sehr geringer Temperaturtoleranz
gleichmäßig verteilt ist. Typisch ist z. B. für Leichtmetalllegierungen eine Temperaturtoleranz
von weniger als ± 10 K, z. B. ± 5 K für Blockdurchmesser von 250 mm bis 300 mm.
[0024] Nach dieser Erwärmung ist es besonders bei hochproduktivem Stangpressbetrieb vorteilhaft,
den Block in einer Schroffkühleinrichtung mit Wasser möglichst rasch zu kühlen, so
dass nach dieser Schroffabkühlung und dem Temperaturausgleich infolge der vom Blockmaterial
abhängigen Wärmeleitung dieser mit der gewünschten engen Toleranz, die für das jeweilige
Presswerkzeug - also die jeweilige Profilform - und die jeweils gewünschte, aus Produktivitätsgründen
möglichst hohe Pressgeschwindigkeit optimale Anfangstemperatur an der dem Werkzeug
zugewandten Seite des Blocks sowie die jeweils optimale Verteilung dieser Temperatur
über der Länge des Blocks aufweist. Typisch ist für die möglichst rasche Abkühlung
eine aktive Kühlzeit von ca. 30 s, an welche sich eine Zeit für den Temperaturausgleich
durch Wärmeleitung, der vornehmlich über dem Querschnitt des Blocks stattfindet, anschließt,
die typisch etwas länger ist als die aktive Kühlzeit. Nach der raschen Abkühlung wird
der Block in die Strangpresse verbracht und verpresst. Die hierzu erforderliche Transferzeit
wird bei der Bemessung der Zeitspanne für den Temperaturausgleich infolge Wärmeleitung
mitberücksichtigt.
[0025] Das erfmdungemäße Verfahren erlaubt im Gegensatz zum Stand der Technik die Bereitstellung
des Blocks mit genau der jeweils erforderlichen Temperatur bzw. Temperaturverteilung
und dies mit der notwendigen geringen Temperaturtoleranz.
[0026] Beim Verpressen schwer pressbarer Leichtmetalllegierungen, z. B. Legierungen mit
den Nummern 7xxx und 2xxx, wozu üblicherweise indirekt arbeitende Strangpressen verwendet
werden, um den Reibungseinfluss der Rezipientenwand auszuschließen, ist es vorteilhaft,
dass der Block am Anfang eine definiert höhere Temperatur aufweist als die im übrigen
Block möglichst gleichmäßig verteilte Presstemperatur. Auch dies ist mit dem erfindungsgemäßen
Verfahren einfach möglich, da neben einer gleichmäßigen Temperaturverteilung auch
über die Blocklänge örtlich Temperaturunterschiede, z. B. höhere Temperatur nur am
Blockanfang, erzeugt werden können.
[0027] Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Eignung für den Pressbetrieb
mit höchster Produktivität. Wenn nämlich Kühlzeit und Temperaturausgleichzeit länger
sind als die Pressfolge, die sogenannte Blockfolgezeit, so können zwei Kühleinrichtungen
parallel betrieben werden, so dass unabhängig von der Blockfolgezeit jeder Block individuell
die notwendige Kühlzeit sowie Ausgleichszeit erfahren kann, auch wenn die beiden Zeitabschnitte
in der Addition länger sind als die Blockfolgezeit.
[0028] Auch bei unbeabsichtigten Unterbrechungen des Pressbetriebs, deren Folgen umso gravierender
sind, je höher die Produktivität der Strangpresse ist, weist das erfindungsgemäße
Verfahren entscheidende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Es wird nämlich
erfindungsgemäß die Schnellerwärmung mittels direkter Flammenbeaufschlagung während
des ersten Teils des Erwärmungsvorganges mit einer konvektiven Erwärmung im abschließenden
Teil kombiniert. Bei dieser konvektiven Erwärmung kann durch geeignete Wahl der Gastemperatur
jegliche Materialüberhitzung auch bei einer Pressunterbrechung und folglich Stillstand
des Blocktransports ausgeschlossen werden. Sobald die Presse wieder betriebsklar ist,
steht sofort ein Block mit genau der richtigen Presstemperatur zur Verfügung.
[0029] Dieser erfindungsgemäße wesentliche Vorteil wird bereits dadurch erreicht, dass nach
der Erfindung eine Schnellerwärmungseinrichtung mit direkter Flammenbeaufschlagung
entsprechend dem bekannten Stand der Technik mit einer konvektiven Nacherwärmung,
in welcher auch der Temperaturausgleich stattfindet, kombiniert wird. Diese Lösung
erfordert wegen der geringeren Kosten der üblichen Brenner im Vergleich zu den besonders
vorteilhaft einzusetzenden Rekuperatorbrennern einen etwas geringeren Kostenaufwand.
Der Hauptvorteil dieser einfachen Lösung ist jedoch, dass sie sich für Nachrüstungen
zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet, indem an eine vorhandene
Schnellerwärmungsanlage mit direkter Flammenbeaufschlagung einfach mindestens eine
Konvektionserwärmungszone angebaut wird.
[0030] Ein wesentlicher Vorteil, welcher die Produktionskosten betrifft, ist der im Vergleich
zu Anlagen entsprechend dem Stand der Technik äußerst geringe Gasverbrauch, der durch
den vorteilhaften Einsatz von Brennern mit integriertem Abgasrekuperator zur Vorwärmung
der Verbrennungsluft erreicht wird.. Neben diesem Kostenvorteil ist die Verwendung
von Rekuperatorbrennern mit integrierter Verbrennungsluftvorwärmung auch regelungstechnisch
von großem Vorteil, da Verbrennungsluftvorwärmung und Brennerbetrieb eindeutig miteinander
verknüpft sind. Bei Anlagen gemäß dem Stand der Technik wird demgegenüber das Abgas
aller Brenner gesammelt, an einer Stelle - üblich ist der Anfang der Flammenbeaufschlagungszone
- abgezogen und einem zentralen Wärmetauscher für die Verbrennungsluftvorwärmung zugeführt.
Durch die zentrale Abgasabsaugung entsteht im Ofen eine Längsströmung, welche das
Temperaturregelverhalten der einzelnen Zonen nachteilig beeinflusst. Wenn bei der
Entnahme eines Blocks die Tür auf der Austrittsseite der Erwärmungseinrichtung geöffnet
wird, kann bei kontinuierlichem Betrieb der Abgasabsaugung sogar Kaltluft in den Ofen
eintreten, was wiederum die Temperaturverteilung in der Materialsäule sowie die Temperaturregelung
nachteilig beeinflusst. Beim Verfahren gemäß Erfindung und mit der erfindungsgemäßen
Erwärmungsvorrichtung wird durch den Betrieb von Rekuperatorbrennern mit Abgaseduktor
erreicht, dass nur dann Abgas in gleicher oder nahezu gleicher Menge wie das erzeugte
Verbrennungsgas abgezogen wird, wenn der jeweilige Brenner auch wirklich eingeschaltet
ist.
[0031] Zusätzlich zu diesem regelungstechnischen Vorteil ergibt sich auch noch ein Vorteil
im Hinblick auf eine Verbesserung des Wärmeübergangs. Die Rekuperatorbrenner werden
nämlich mit einer sehr hohen Flammenaustrittsgeschwindigkeit betrieben. Dadurch bildet
sich ein Strahl, welcher den Block kräftig umspült und für eine Steigerung des konvektiven
Wärmeübergangs auch ohne die Verwendung eines besonderen Strömungsantriebes sorgt.
Hinzu kommt, dass durch die Induktionswirkung des impulsreichen Brennerstrahls auch
das in der Erwärmungsvorrichtung vorhandene heiße Abgas mit umgewälzt wird, was wiederum
den konvektiven Wärmeübergang steigert.
[0032] Ferner besteht noch die Möglichkeit, beim erfindungsgemäßen Verfahren, welches zur
Erwärmung Rekuperatorbrenner vorsieht, auch solche Rekuperatorbrenner einzusetzen,
welche bei entsprechend hohen Ofeninnenraumtemperaturen im sogenannten Flox-Modus
mit flammenloser Oxidation arbeiten. Flammenlose Oxidation bedeutet, dass im Brenner
eine Vermischung zwischen Gas, Abgas und Verbrennungsluft derart erfolgt, dass keine
Flamme sichtbar ist und die Wärmeenergie freisetzende Oxidation gewissermaßen im Brennerstrahl
stattfindet. Dies hat entscheidende Vorteile für die Vergleichmäßigung des Wärmeübergangs
an der Blockoberfläche.
[0033] Die vorerwähnten Rekuperatorbrenner, teilweise auch für Flox-Betrieb geeignet, sind
in der DE 34 22 221 4, EP 0 463 218 B1, EP 0 685 683 B1 sowie DE 195 41 922 C2 beschrieben.
[0034] Schließlich führt die erfmdungsgemäße Verwendung von Rekuperatorbrennern zu einer
Verkürzung der erforderlichen Anlagenlänge im Vergleich mit einer Anlage gleicher
Leistung nach dem Stand der Technik. Der Grund hierfür ist, dass die Vorwärmzone,
welche bei Anlagen gemäss Stand der Technik erforderlich ist, um wenigstens einen
Teil der Abgaswärme zu rekuperieren, entfällt. Diese kürzere Baulänge bei größerer
Leistung bedeutet nicht nur eine Platzersparnis, sondern ist auch verfahrenstechnisch
von Vorteil, da die in der Anlage enthaltene Blocksäule kürzer ist, was den Betrieb
der Anlage mit unterschiedlichen Legierungen wesentlich vereinfacht.
[0035] Zusammengefasst weist also das erfindungsgemäße Verfahren im Hinblick auf die Erwärmung
folgende Vorteile auf:
1. Unterteilung der Erwärmung in Schnellerwärmung mittels direkter Flammenbeaufschlagung
nur im vorderen Teil der Erwärmungsvorrichtung, wogegen am Ende der Erwärmungsvorrichtung
die Wärmeübertragung konvektiv erfolgt. Dadurch wird die hohe Erwärmungsgeschwindigkeit
bei direkter Flammenbeaufschlagung mit der gleichmäßigen Erwärmung ohne Gefahr der
örtlichen Überhitzung bei konvektiver Erwärmung kombiniert.
2. Möglichkeit der Nachrüstung einer bestehenden Schnellerwärmungsanlage mit direkter
Flammenbeaufschlagung durch Anfügen von mindestens einer Konvektionszone am Ende der
vorhandenen Erwärmungsvorrichtung.
3. Einsatz von Rekupratorbrennern mit integrierter Frischluftvorwärmung. Dadurch wird
das Regelverhalten der Erwärmungsvorrichtung verbessert und zusätzlich der Brennstoffverbrauch
erheblich reduziert. Reduzierung der Anlagenlänge durch Fortfall der Vorwärmzone.
4. Möglichkeit des Einsatzes von Brennern zum Betrieb mit flammenloser Oxidation und
dadurch Vergleichmäßigung der Wärmeübertragung bei direkter Brennerstrahlbeaufschlagung.
[0036] Weitere Vorteile weisen das erfindungsgemäße Kühlverfahren sowie die Vorrichtung
zur Durchführung dieses Verfahrens auf. Es wird nämlich nicht, wie beim Stand der
Technik, ein Block durch einen Kühlring in Längsrichtung hindurchbewegt, sondern der
Block, an seinen Stirnflächen gehalten, insgesamt in eine stationäre Kühleinrichtung
eingebracht. Die Kühlung erfolgt mittels ringförmiger Anordnung von Einzeldüsen, die
sich während des Kühlvorganges in genau definierter, fester Position, bezogen auf
den Block, befinden. Die gewünschte, zur Erzielung der geforderten Temperatur bzw.
Temperaturverteilung notwendige Kühlwirkung wird durch den Betrieb dieser in Ringen
angeordneten Einzeldüsen mit unterschiedlichen Drücken und/oder unterschiedlichen
Einschaltzeit erreicht. Der Aufwand für Steuerung und Handhabung ist wesentlich geringer
als für Einrichtungen gemäß dem Stand der Technik; zudem ist die Genauigkeit im Hinblick
auf die zu erreichende Temperatur und Temperaturverteilung höher als bei bekannten
Einrichtungen und Verfahren.
[0037] Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegende, schematische Zeichnung näher erläutert.
[0038] Es zeigen
- Figur 1
- den Temperaturverlauf für einen Block über der Zeit von Beginn der Schnellerwärmung
über die Schroffabkühlung bis zum Verbringen in die Presse;
- Figur 2
- die Anordnung der einzelnen Aggregate zur Durchführung der erfindungsgemäß Wärmebehandlung;
- Figur 3
- eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung
der Schnellerwärmung mit Schnittdarstellungen der hintereinander angeordneten Vorrichtungsteile,
wobei die Erwärmung mit direkter Flammenbeaufschlagung nach dem Stand der Technik
erfolgt;
- Figur 4
- ein Fließbild der in Figur 3 schematisch dargestellten Anlage zur Durchführung der
Schnelleerwärmung;
- Figur 5
- eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform der Zone der Vorrichtung mit direkter
Flammenbeaufschlagung mit Verwendung von Rekuperatorbrennern;
- Figur 6
- vorteilhafte Düsen-Formen für Hochgeschwindigkeits-Rekuperator brenner;
- Figur 7
- einen typischen Temperaturverlauf in den einzelnen Teilen der Erwärmungsvorrichtung
und im mit der Vorrichtung erwärmten Gut;
- Figur 8
- die Schroffabkühlvorrichtung in einem schematisch dargestellten, vereinfachten Querschnitt;
- Figur 9
- eine schematisch vereinfachte Längsansicht der Schroffabkühlvorrichtung, bei welcher
das Gehäuse im Schnitt dargestellt ist;
- Figur 10
- ein Diagramm mit typischen Abkühlkurven für die im Diagramm bezeichneten Messpunkte
im abzukühlenden Block.
[0039] Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Figur 1 erläutert. In Figur
1 ist schematisch der Temperaturverlauf für einen Block über der Zeit vom Beginn der
Erwärmung bis zum Verbringen in die Presse dargestellt ist. Zunächst erfährt der Block
eine Schnellerwärmung in maximal 20 Minuten im Bereich der Vorrichtung, welche im
Beispiel der Figur 1 mit direkter Flammenbeaufschlagung durch Rekuperator- bzw. Rekuperator-Flox-Brenner
arbeitet, so dass keine Vorwärmzone zur Abgaskühlung vorhanden ist. Der Abschluss
der Erwärmung erfolgt in mindestens einer Zone mit konvektiver Wärmeübertragung bei
vergleichsweise geringer Übertemperatur. Hier findet auch der Temperaturausgleich
für maximal 3 Minuten statt. Anschließend erfolgt die Verbringung zur Kühlstation.
Nach der aktiven Kühlzeit von maximal 30 Sekunden durchläuft der Block eine Temperaturausgleichszeit.
Im Endteil dieser Ausgleichszeit wird der Block zur Presse verbracht und weist dann
bei isothermem Pressen eine Temperarurdifferenz zwischen Blockende und Blockanfang
auf.
[0040] Figur 2 zeigt schematisch, wie die einzelnen Aggregate zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens angeordnet sind. Die Presse ist schematisch durch die Bezugszeichen 2 und
3 angedeutet. 2 bezeichnet den Rezipienten, in welchem der Block 1 eingeschoben und
während des Extrusionsvorganges mit dem Pressenstempel 3 gepresst wird. Das extrudierte
Profil, bzw. bei Werkzeugen mit mehreren Auslassen die Profile (nicht dargestellt),
werden auf dem Pressenauslauf 12 geführt. Geladen wird der Block 1 in die Presse 2,
3 mit einem Blocklader 4, der ebenfalls nur schematisch angedeutet ist.
[0041] Die Erwärmung erfolgt in der Durchlaufrichtung 9 zunächst durch direkte Flammenbeaufschlagung
in dem vorderen Teil der Erwärmungsvorrichtung 7 und anschließend beispielhaft in
zwei hintereinander geschalteten Konvektionszonen 8a und 8b, wobei die in Durchlaufrichtung
9 letzte Konvektionszone 8b mit niedriger Gastemperatur betrieben wird als die vordere
Zone 8a. Von der Erwärmungsvorrichtung 7 gelangt der Block in einen Quertransport
5. Die Bewegungsrichtung ist durch den Pfeil 10 angedeutet. Vom Quertransport 5 wird
der Block entweder in die Kühlstation 6a oder in die Kühlstation 6b eingebracht und
bewegt sich dabei in Richtung der Bewegungspfeile 11 a bzw. 11 b. Wie bereits erwähnt,
ist mehr als eine Kühlstation dann sinnvoll, wenn eine Anlage mit hoher Produktivität
und kurzer Blockfolgezeit arbeitet.
[0042] Das Gut 1, eine Säule aus bereits auf Länge abgesägten einzelnen Bolzen oder Stangen
(in der Figur aus Gründen der Vereinfachung lediglich angedeutet), wird über eine
Transporteinrichtung, z. B. wie in Figur 3 gezeigt, über einen Rollengang 20 durch
die Vorrichtung geführt. Der Transport erfolgt bei nicht angetriebenen Rollen über
Stoßeinrichtungen außerhalb der Vorrichtung. Andere, in den Figuren nicht dargestellte
Möglichkeiten, sind der Transport des Gutes 1 durch die Vorrichtung mittels eines
Hubbalken oder einer Transportkette. Es können auch angetriebene Rollen oder andere
Transportmöglichkeiten, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden.
[0043] Der erste Teil der Vorrichtung besteht im wesentlichen aus dem Bereich der Flammenbeaufschlagung.
In der Figur 3 sind beispielhaft zwei Flammenbeaufschlagungszonen 7a, 7b dargestellt.
Vor der in Transportrichtung ersten Flammenbeaufschlagungszone 7 befindet sich eine
Eingangszone 13 und hinter der zweiten (letzten) Flammenbeaufschlagungszone 7b eine
Trennzone 14. An die Trennzone 14 schließt sich die erste 8a von zwei Konvektionszonen
8a, 8b an; die in Transportrichtung letzte Konvektionszone 8b, die vornehmlich dem
Temperaturausgleich gilt, bildet den Abschluss der Vorrichtung. In den Flammenbeaufschlagungszonen
7a, 7b wird das Gut 1 durch die mit Brennerdüsen 15 erzeugten Flammen erwärmt. Dabei
wird die Wärme zu einem wesentlichen Anteil über Strahlung von dem umgebenden Ofenraum
auf das Gut 1 übertragen. In der Eingangszone 13 und der Trennzone 14 wird das Abgas
der Brenner gesammelt und über Abgasleitungen 16 aus der Vorrichtung abgeleitet.
[0044] Die Konvektionszonen 8a, 8b verfügen über je ein Strömungssystem, das mindestens
einen Ventilator 17, mindestens einen Brenner 22 zur Beheizung des Heizgases und zu
beiden Seiten des Gutes angeordnete Düsen 18 zur Beblasung, des Gutes zum Zweck des
konvektiven Wärmeübergangs enthält. Die Düsen 18 werden über ein Strömungskanalsystem
19 vom Ventilator 17 gespeist, s. Fig. 3.
[0045] Wie aus dem Fließbild nach Figur 4 ersichtlich, wird das Abgas durch einen Wärmetauscher
21 geleitet, mit welchem die Verbrennungsluft für die Gasbrenner vorgewärmt wird.
In den Konvektionszonen 8a, 8b werden zweckmäßigerweise zur Beheizung Rekuperatorbrenner
22 eingesetzt, so dass hier das durch Vorwärmung der Verbrennungsluft abgekühlte Abgas
an den Abgasstutzen der Brenner austritt.
[0046] Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Flammenbeaufschlagungszone ist in
Figur 5 schematisch dargestellt. Die Erwärmung erfolgt durch eine im Vergleich zur
in Figur 3 dargestellten Flammenbeaufschlagungszone geringere Anzahl von Rekuperator-Brennern
22. Es entfällt also bei dieser Ausführungsform der externe Wärmetauscher 21 für die
Verbrennungsluftvorwärmung. Außerdem lassen sich die verwendeten Rekuperatorbrenner
günstig als Hochgeschwindigkeitsbrenner und/oder Hochgeschwindigkeits-Flox-Brenner,
die selbsttätig bei Erreichen der entsprechenden Ofenraumtemperatur vom normalen Verbrennungsmodus
in den Flox-Modus wechseln, ausführen.
[0047] Die Hochgeschwindigkeitsbrennerstrahlen können unter Nutzung des Coanda-Effekts bei
günstiger Ausbildung der Brennerdüse das zu erwärmende Gut auf einer vergleichsweise
großen Fläche beaufschlagen, wie in Figur 5 durch die schematischen Strömungspfeile
23 dargestellt ist. Die Achsen der Brenner und damit der Flammenstrahlen 24 bzw. Brennerstrahlen
bei Flox-Betrieb können auch gegen die Senkrechte geneigt sein, um die Strömungsbeaufschlagung
der Gutoberfläche zu verbessern. Es ist auch möglich, die Brennerstrahlen 24 zur Verbesserung
der Gutbeaufschlagung durch Düsenmundstücke aus hochtemperaturbeständigem Werkstoff,
z. B. Siliziumkarbid zu beeinflussen. Figur 6 stellt solche mögliche, vorteilhafte
Beispiele für die Düsen von Hochgeschwindigkeitsbrennern dar. Figur 6a zeigt eine
Brennerdüse, welche den runden Brennerstrahl zu einem Flachstrahl verform; Figur 6b
zeigt eine Brennerdüse, bei welcher der Flachstrahl in der Mitte einen Steg aufweist
und die beiden Teilstrahlen dementsprechend kräftiger ausgebildet sind als bei Figur
6a. Figur 6c zeigt eine Brennerdüse mit einem Austrittsquerschnitt von der Art eines
"Hundeknochens"; Figur 6d zeigt den Querschnitt einer Brennerdüse, mit welcher der
Brennerstrahl aus der Vertikalen abgelenkt wird. Figur 6e zeigt eine Brennerdüse,
welche den Brennerstrahl in mehrere - in der Figur in drei - Einzelstrahlen auflöst,
welche mit unterschiedlicher Richtung auf die Gutoberfläche auftreffen. Auf diese
Weise lassen sich Wärmestromdichten von 300 kW/m2 und mehr auch über größere Anteile
der Blockoberfläche erzielen.
[0048] Der große Vorteil des Schnellerwärmungsvorrichtung geht aus dem schematischen Temperaturverlauf
für den Kern und die Oberfläche des Gutes 1 hervor, der in Figur 7 dargestellt ist.
In den Flammenbeaufschlagungszonen, im Beispiel der Figur 7 sind zwei Zonen, F1 und
F2, angenommen, ist die Ofenraumtemperatur extrem hoch, wie auch bei den üblichen
Flammenbeaufschlagungszonen nach dem Stand der Technik. Da diese Zonen nunmehr aber
am Anfang der Vorrichtung eingesetzt sind, besteht keine Gefahr der Überhitzung, und
die in Figur 7 schematisch dargestellte Spreizung der Guttemperaturkurve für verschiedene
Punkte des Gutes spielt keine Rolle, da sich in den nachfolgenden beiden Konvektionszonen
K1 und K2 die Temperatur ausgleichen kann. In der zweiten Zone K2 schließlich liegt
die Gastemperatur (= Ofenraumtemperatur) im Bereich der gewünschten Gutendtemperatur.
Dadurch ist eine Überhitzung des Gutes auch bei ungeplanten Stillständen der Presse
und dadurch bedingten Unterbrechungen des Guttransportes in der Vorrichtung ausgeschlossen.
[0049] Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung zur Durchführung der
Abkühlung des Blocks entsprechend des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens
wird anhand der Figuren 8 bis 10 beschrieben.
[0050] Der Block 1 ist von Gruppen von Einzeldüsen 25 umgeben, die mit einer dem Spritzbild
der Düsen angepassten Teilung 26 in Längsrichtung des Blocks 1 um diesen ringförmig
angeordnet sind. Die Düsen 25 einer Düsengruppe sind dabei durch ein Versorgungsrohr
27 miteinander verbunden. Ein Versorgungsrohr 27 wird von dem Versorgungsrohr einer
Düsengruppe 28 mit dem Kühlfluid versorgt. Als Kühlfluid wird Wasser verwendet, das
bei Bedarf noch besonders aufbereitet, z. B. demineralisiert, wird. Zwischen dem zentralen
Versorgungsrohr 29, in welches die nicht dargestellte Pumpe fördert, befinden sich
ein von der Steuerung betätigtes Absperrorgan 30 und ein Druckregulierventil 31, das
entweder von der Steuerung oder manuell verstellt werden kann. Unterhalb des Blocks
1 befindet sich ein Wasserbecken 32, aus welchem die nicht dargestellte Pumpe über
eine Ansaugleitung 33 das Kühlfluid in die zentrale Versorgungsleitung 29 zurückfördert.
In diesen Kreislauf sind, entsprechend dem allgemeinen Stand der Technik, noch eine
Filtereinheit sowie ein Rückkühler zur Abfuhr der vom Kühlfluid dem Block entzogenen
Wärme eingebaut. Statt der Rückförderpumpe kann auch eine Fall-Leitung verwendet werden,
wenn ein Wassertank mit entsprechender Höhendifferenz unterhalb der Kühlvorrichtung
aufgestellt werden kann.
[0051] Statt einer Pumpe kann zur Versorgung der Spritzdüsen 25 auch ein Druckspeicher,
z. B. ein Wasser-Hochbehälter, verwendet werden.
[0052] Der Block 1 wird von einer Klemmhalterung 34 auf beiden Stirnseiten gehalten, s.
Fig. 9. Die Klemmhalterung 34 besteht, ähnlich wie eine Schraubzwinge, aus einem festen
Teil 34a und einem beweglichen Teil 34b, wobei der bewegliche Teil z. B. mittels Zylindern
35 zum festen Teil hingezogen wird. Es können sowohl Pneumatikzylinder als auch Hydraulikzylinder
eingesetzt werden. Zusätzlich ist die Klemmhalterung 34 so ausgeführt, dass eine Nase
34 ein Herabfallen des Blocks verhindern. Zur Führung des beweglichen Teils 34b der
Klemmhalterung 34 dient eine Linearführung 36. Diese Linearführung ist mit Führungsschienen
37 fest verbunden, die in Führungsrollen 38 in Blocklängsrichtung verschieblich sind.
Diese Verschiebung bewirkt das Ein- und Ausfahren des von der Be- und Entladeposition
39 mit der Klemmhalterung aufgenommenen Blocks. Die Verschiebung kann wie auch die
Klemmung mittels Zylinder 45 pneumatisch oder hydraulisch oder mit einem anderen Linearabtrieb,
z. B. mittels Kettentrieb, Spindel oder Zahnstange erfolgen.
[0053] In die Be- und Entladeposition 39 gelangt der Block mit eine Querverfahreinrichtung
40, welche den Block 1 in die geöffnete Klemmhalterung 34 einbringt. Mit der Klemmhalterung
34 ist es möglich, Blöcke unterschiedlicher Länge zu klemmen. Dabei liegt die Werkzeugseite
des Blocks immer an der festen Klemmhalterung 34a an, so dass eine klare Zuordnung
zwischen Temperaturprofil und Block gegeben ist. In Figur 9 ist die Möglichkeit des
Klemmens von Blöcken unterschiedlicher Länge durch die gestrichelt dargestellte Position
34b der beweglichen Klemmhalterung angedeutet.
[0054] Der Spritzbereich der Vorrichtung ist von einem Gehäuse 41 umschlossen, das einfach
entfernt werden kann. Das Gehäuse hat auf der Be- und Entladeseite eine Tür, z. B.
eine Hubtür 42. Es ist vorteilhaft, in dem Gehäuse, z. B. mit einem entsprechend dimensionierten
Ventilator, einen Unterdruck zu erzeugen, indem Abluft aus dem Gehäuse nach außen,
z. B. über Dach, geleitet wird. Dadurch wird zuverlässig verhindert, dass Feuchtigkeit
und Dampf in den Aufstellungsraum der Kühleinrichtung und damit in den Arbeitsbereich
der Presse gelangen. Die gesamte Vorrichtung wird von einem Profilstahlgestell 43
getragen, das auf dem ebenen Hüttenboden aufgesetzt werden kann.
[0055] Abweichend von dieser beschriebenen Blockhalterung ist es auch möglich, bekannte
Halterungen für den Block zu verwenden, wie sie von Block-Bürstmaschinen bekannt sind.
[0056] Die Winkelteilung 44 der Einzeldüsen 25 richtet sich nach deren Spritzbild. Im allgemeinen
ist ein Teilungswinkel von 45° ausreichend. Dieser Teilungswinkel gestattet die problemlose
Anordnung der Linearführung 36 ohne Beeinträchtigung des Spritzbildes der Düsen auf
der Blockoberfläche.
[0057] Mit Hilfe der von der Steuerung betätigten Absperrorgane können die Düsengruppen
individuell aktiviert werden. Das zugehörige Regulierventil 31 erlaubt die individuelle
Einstellung des für jede Düsengruppe gewünschten Düsendruckes. Die Einstellung der
Regulierventile 31 und die Betätigung der Absperrorgane 30 erfolgen zweckmäßigerweise
mittels einer Prozesssteuerung. Für einen Abkühlvorgang, bei welchem der Block 1 sowohl
insgesamt abgekühlt wird als auch einen "Temperaturtaper" erhalten soll, werden zunächst
alle Düsengruppen zugleich eingeschaltet. Nach einem für die Gesamtabkühlung ausreichenden
Zeitintervall werden die Düsengruppen, an der Werkzeugseite des Blocks beginnend,
nacheinander abgeschaltet, so dass die Gesamtkühldauer vom Blockanfang (Werkzeugseite)
zum Blockende (Pressstempelseite) zunimmt. Je größer die Zeitdifferenz zwischen Abschalten
der Düsengruppe am Blockanfang und am Blockende, umso größer ist die Temperaturdifferenz
über der Blocklänge und umso ausgeprägter der "Temperaturtaper".
[0058] Die erfindungsgemäß für den Block 1 verwendete und an den Stirnflächen des Blocks
angreifende Klemmhalterung 34 garantiert eine gleichmäßige, nicht durch irgendwelche
Auflagerungen beeinträchtigte Beaufschlagung der Blockoberfläche mit dem Kühlfluid.
Die Klemmhalterung schirmt zudem die Stirnflächen des Blocks ab, so dass der Wärmefluss
im Block 1 auch an den Enden nahezu radial erfolgt und die durch die Abkühlung bewirkte
Temperaturverteilung nicht störend durch Endeffekte an den Stirnseiten beeinflusst
wird. Die gleichmäßige Beaufschlagung mit dem Kühlfluid, hier Wasser, garantiert im
interessierenden Bereich der Blockoberflächentemperaturen eine gleichmäßige Abkühlung,
da oberhalb der Leidenfrosttemperatur im Bereich der stabilen Filmverdampfung der
Wärmeübergang an einer planen Fläche im wesentlichen nur von der Wasserbeaufschlagungsdichte
abhängt. Der Einfluss der unterschiedlichen Orientierung der zylindrischen Blockoberfläche
auf die Kühlwirkung - horizontal bei Kühlung von oben an der Blockoberseite, vertikal
an den beiden Seiten und horizontal bei Kühlung von unten an der Blockunterseite -
kann bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Einzeldüsen durch entsprechend ausgewählte
Spritzdüsen unterschiedlicher Größe, vorzugsweise des gleichen Typs, ausgeglichen
werden.
[0059] Figur 10 zeigt typische Abkühlkurven für verschiedene Messstellen in einem Block.
Die Lage der Messstellen 1 bis 12 ist in den Skizzen in der Figur verdeutlicht. Die
an den Kurven verzeichneten Ziffern beziehen sich auf die Nummern der Temperaturmessstellen.
Man erkennt, dass sich nach einer Kühlzeit von ca. 18 s und einer sich an die Kühlzeit
anschließenden Ausgleichszeit von ca. 60 s der gewünschte "Temperaturtaper" von ca.
10 K/100 mm Blocklänge einstellt und die Temperatur auch über den Blockquerschnitt
bis auf max. ca. 20 K ausgeglichen ist. Dieser Temperaturausgleich setzt sich während
der bis zum Pressbeginn verstreichenden und für die Bewegung und Positionierung des
Blocks erforderlichen Zeitspanne von ca. 25 s weiter fort, so dass während des Pressvorganges
sowohl die gewünschte Abkühlung als auch der gewünschte "Temperaturtaper" mit guter,
reproduzierbarer Genauigkeit vorliegen. Da die mit der erfindungsgemäßen Abkühlvorrichtung
bewirkte Abkühlung insbesondere der Steigerung der Pressgeschwindigkeit und damit
der Produktion dient, lassen sich kurze Blockfolgezeiten von 60 s und weniger erreichen.
Für solch kurze Blockfolgezeiten ist es daher sinnvoll, mehr als eine der beschriebenen
erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen parallel zu betreiben, so dass trotz der kurzen
Blockfolgezeit noch eine ausreichende Zeitspanne für den gewünschten Temperaturausgleich
über dem Blockquerschnitt zur Verfügung steht.
[0060] Die erfindungsgemäße Abkühlung in fester Position bei unterschiedlicher Kühlzeit
über die Blocklänge nutzt dabei die bekannte physikalische Eigenschaft von Temperaturausgleichvorgängen,
die mit zunehmender Distanz zwischen Punkten gleicher Temperaturdifferenz mit dem
Quadrat langsamer ablaufen, also in radiale Richtung wesentlich rascher erfolgen als
in Achsrichtung.
1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten und anschließend abgekühlten
metallischen Pressbolzens oder, bei Verwendung einer Warmschere, eines Stangenabschnitts,
vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, unmittelbar vor dem Einbringen in die
Pressvorrichtung,
a) bei dem der Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) wiedererwärmt wird,
b) der wieder erwärmte Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) anschließend abgekühlt und
c) der Pressvorrichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
d) der Pressbolzen/Stangenabschnitt (1), bezogen auf 200 mm Durchmesser, in maximal
20 Minuten auf die erforderlich Temperatur wiedererwärmt wird, und dass
e) der wieder erwärmte Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) für maximal 3 Minuten einem
passiven Temperaturausgleich unterworfen wird,
f) der zu einer Temperaturgleichmäßigkeit, bezogen auf 200 mm Durchmesser, von weniger
als ± 10 K führt.
2. Verfahren zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten und anschließend abgekühlten
metallischen Pressbolzens oder, bei Verwendung einer Warmschere, eines Stangenabschnitts,
vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, unmittelbar vor dem Einbringen in die
Pressvorrichtung,
a) bei dem der Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) wiedererwärmt wird,
b) der wiedererwärmte Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) anschließend abgekühlt und
c) der Pressvorrichtung zugeführt wird, insbesondere nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
d) der wiedererwärmte Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) einer Schroffabkühlung mit
Wasserspritzdüsen (25) derart unterworfen wird, dass sich, bezogen auf 200 mm Durchmesser,
innerhalb einer Düsenspritzdauer von maximal 30 Sekunden auf der Oberfläche des Pressbolzens/Stangenabschnitts
(1) eine Temperatur einstellt, die mindestens 150 K unter der Presstemperatur liegt,
und dass
e) sich die gewünschte Temperaturverteilung im Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) sowohl
über dem Querschnitt als auch in der Länge nach Ablauf einer Temperaturausgleichszeit
einstellt, die länger ist als die Düsenspritzdauer.
3. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Pressbolzens/Stangenabschnitts (1) nach einem
der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressbolzen /Stangenabschnitt (1) auf die für die jeweilige Legierung höchste
optimale Temperatur erwärmt wird und bei einer gegenüber dieser Temperatur aufgrund
der Erfordernisse des Pressvorganges niedrigeren Presstemperatur im Anschluss an die
Erwärmung eine Schroffabkühlung erfolgt, bei welcher der Pressbolzen/Stangenabschnitt
(1) derart abgekühlt wird, dass er nach aktiver Kühlzeit und einer sich daran anschließenden
Temperaturausgleichszeit die geforderte, niedrigere Presstemperatur aufweist, insbesondere,
wenn bei der Abkühlung von der höchsten optimalen Temperatur für die jeweilige Legierung
auf die für den Pressvorgang erforderliche niedrigere Presstemperatur ein sogenannter
Temperaturtaper erzeugt wird.
4. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Pressbolzens/Stangenabschnitts, insbesondere nach
einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Teil (7) eine Erwärmung durch Gasbrennerflammen, welche die Oberfläche
berühren, und in einem zweiten Teil (8) eine Erwärmung durch erzwungene Konvektion
mittels auf die Gutoberfläche aufgeblasener Heißgas-Düsenstrahlen erfolgen, und dass
der in Guttransportrichtung betrachtet letzte Unterbereich (8b) der Erwärmung durch
erzwungen Konvektion im wesentlichen dem Temperaturausgleich im Gut dient und mit
nur geringer Obertemperatur gegenüber der Endtemperatur betrieben wird.
5. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Pressbolzens/Stangenabschnitts, insbesondere nach
einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar im Anschluss an eine vorangegangene Schnellerwärmung eine Schroffabkühlung
mit einzelnen Wasserspritzdüsen (25) vorweggenommen wird, deren Achsen radial zur
horizontalen Gutachse gerichtet sind und die einzeln oder in Gruppen mit unterschiedlichen
Drücken und/oder unterschiedlichen Einschaltzeiten betreibbar sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlfluid demineralisiertes Wasser verwendet wird.
7. Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten metallischen Pressbolzens
oder, bei Verwendung einer Warmschere, eine Stangenabschnittes, vorzugsweise aus einer
Leichtmetalllegierung, unmittelbar vor dem Eindringen in die Pressvorrichtung,
a) mit einer Erwärmungsvorrichtung (7, 8) und
b) mit einer Abkühlungsvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass
c) die Erwärmungsvorrichtung einen ersten Teil (7) mit Erwärmung durch Gasbrennerflammen,
welche die Oberfläche berühren, und einen zweiten Teil (8) mit Erwärmung durch erzwungene
Konvektion mittels auf die Gutoberfläche aufgeblasene Heißgas-Düsenstrahlen aufweist,
d) wobei der in Guttransportrichtung betrachtet letzte Unterbereich (8b) der Erwärmung
durch erzwungene Konvektion im Wesentlichen dem Temperaturausgleich im Gut dient und
mit nur geringer Temperatur über der Endtemperatur betrieben wird.
8. Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten metallischen Pressbolzens
oder, bei Verwendung einer Warmschere, eines Stangenabschnittes, vorzugsweise aus
einer Leichtmetalllegierung, unmittelbar vor dem Eindringen in die Pressvorrichtung,
insbesondere nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die Abkühlvorrichtung zur Schroff-Abkühlung des wiedererwärmten Pressbolzens/Stangenabschnitts
(1) mit einzelnen Wasserspritzdüsen (25) dient,
b) deren Achsen radial zur horizontalen Gutachse gerichtet sind und
c) die einzelnen in Gruppen mit unterschiedlichen Drücken und/oder unterschiedlichen
Einschaltzeiten betreibbar sind.
9. Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten metallischen Pressbolzens
oder, bei Verwendung einer Warmschere, eines Stangenabschnittes, vorzugsweise aus
einer Leichtmetalllegierung, unmittelbar vor dem Eindringen in die Pressvorrichtung,
insbesondere nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
a) die verwendeten Brenner Rekuperator-Brenner sind, bei denen der Rekuperator zur
Verbrennungsluftvorwärmung jeweils individuell in jeden Brenner integriert ist und
b) die Brennerstrahlen mit hoher Geschwindigkeit aus der Brennerdüse austreten, wobei
insbesondere zumindest einige Rekuperator-Benner im Flox-Modus betrieben werden können.
10. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen der Rekuperatorbrenner (22) mit Mundstücken aus hoch hitzebeständigem Werkstoff
zur Querschnittsveränderung der Brennerstrahlen (24) ausgestattet sind, wobei insbesondere
die Düsen der Rekuperatorbrenner (22) die Richtung der Brennerstrahlen (24) verändern
und/oder die Mundstücke die Brennerstrahlen (24) jeweils in mindestens zwei Einzelstrahlen
aufteilen.
11. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Pressbolzen oder Stangenabschnitt (1) während des Kühlvorganges in einer
festen Position in der Schroff-Abkühlvorrichtung befindet, die aus ringförmigen Anordnungen
von Einzeldüsen (25) besteht, wobei insbesondere eine Düsengruppe jeweils durch die
Düsen einer ringförmigen Düsenanordnung gebildet wird und/oder die Düsen je nach Orientierung
zur Mantelfläche des Bolzens unterschiedliche Größen aufweisen.
12. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen während des Kühlvorganges von einer an den Bolzenstirnflächen angreifenden,
auf verschiedene Bolzenlängen einstellbaren Klemmhalterung (34) gehalten ist, die
insbesondere an der Bolzenunterseite Nasen (34c) zur zusätzlichen Sicherung des Bolzens
durch Formschluss aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Be- und Entladeposition für die Klemmvorrichtung (34) vor der Kühleinrichtung.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlzeit für die einzelnen Düsengruppen unterschiedlich ist, wobei sich insbesondere
an die Kühlzeit eine Zeitspanne zum Temperaturausgleich anschließt.
15. Vorrichtung nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei kurzen Bolzenfolgezeiten mindestens zwei Abkühlvorrichtungen parallel betrieben
werden.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen der Schroff-Abkühlvorrichtung aus einem Druckspeicher mit dem Kühlfluid
versorgt werden.