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(11) | EP 0 129 701 A1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTANMELDUNG |
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| (54) | Ofenanlage zur Kühlung einer Charge, insbesondere aus metallischen Werkstücken |
| (57) Bei diesem Verfahren wird die Charge die sich innerhalb einer geschlossenen Kammer
befindet, durch Anblasen mit einem Kühlgas gekühlt. Hierbei kommt es darauf an, die
Abkühlung in Abhängigkeit von den Gegebenheiten der Charge mit einer vorgegebenen
Geschwindigkeit ablaufen zu lassen und eine gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb
der Charge sicherzustellen. Zu diesem Zweck wird die Temperaturverteilung in der Charge
mittels Temperaturfühlern wie Thermoelemente oder dergleichen gemessen und bei Abweichungen
von vorgegebenen Soll-Werten die Strömung des Kühlgases hinsichtlich Intensität und/oder
Richtung verändert. Bei der Ofenanlage zur Durchführung des Verfahrens sind in der
Wandung der geschlossenen Kammer (3) eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen (11.)
enthalten, die entweder verschließbar oder durchlässig für Gase aber undurchlässig
für Wärmestrahlen sind. Ober Steuerventile erfolgt das gezielte Hindurchleiten des
Kühlgases durch die Kammer (3), welches mit Hilfe einer Gebläseeinrichtung (14) über
einen Gaskühler (15) im Kreislauf geführt wird. Dabei dient ein Temperaturregler-System
auf der Basis von Soll-Ist-Vergleichen zur Betätigung der Steuerventile und der Verschlußelemente
der Gasdurchtrittsöffnungen. |
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung einer Charge, insbesondere aus metallischen Werkstücken, nach einer Wärmebehandlung innerhalb einer geschlossenen Kammer einer Ofenanlage durch Anblasen mit einem Kühlgas. Weiter ist die Erfindung auf eine Ofenanlage zur Durchführung dieses Verfahrens gerichtet.
[0002] Zu den gebräuchlichen Verfahren zum Härten von metallischen Werkstücken ist seit einiger Zeit als neues Verfahren das sogenannte Vakuum-Härten hinzugekommen. Dieses Verfahren besteht im wesentlichen darin, das Behandlungsgut (Charge) unter Vakuum auf die erforderliche Härtetemperatur zu erwärmen und hiernach durch Anblasen mit einem Kühlgas, wie z.B. Stickstoff oder Argon, abzuschrecken. Die Vorteile, die ein solches Verfahren vor allem hinsichtlich der Oberflächenqualität des Härtegutes bietet, können jedoch nicht ausgeschöpft werden, wenn der Abschreckvorgang innerhalb der Charge so ungleichmäßig verläuft, daß daraus stark unterschiedliche Härtewerte resultieren, oder wenn an einem einzelnen Behandlungsstück beachtliche Temperaturdifferenzen zwischen verschiedenen Stellen des Behandlungsstückes auftreten, die bleibende Formänderungen (Verzug) verursachen können. Solche Unzulänglichkeiten können verstärkt auftreten, wenn die einzelnen Behandlungsteile oder die ganze Charge unterschiedliche Massenverteilungen aufweisen oder wenn durch den Chargenaufbau die Durchströmung mit Kühlgas behindertwird.
[0003] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für das Kühlen einer Charge nach einer Wärmebehandlung innerhalb einer geschlossenen Kammer einer Ofenanlage durch Anblasen mit einem Kühlgas ein Verfahren zu entwickeln, welches die Möglichkeit bietet, die Abkühlung einer Charge in Abhängigkeit von ihren Gegebenheiten mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit ablaufen zu lassen und bei dem zugleich die Einhaltung einer gleichmäßigen Temperaturverteilung innerhalb der Charge möglich ist.
[0004] Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ein Verfahren vor,bei dem die Temperaturverteilung in der Charge mittels Temperaturfühlern wie Thermoelemente oder dergleichen gemessen wird und zur Erzielung einer gewünschten Abkühlgeschwindigkeit sowie weitgehend gleichmäßigen Temperaturverteilung in der Charge bei Abweichungen von den vorgegebenen Soll-Werten der gemessenen Temperaturen die Strömung des Kühlgases hinsichtlich Intensität und/oder Richtung verändert wird.
[0005] Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Ausgestaltung einer Ofenanlage zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens.
[0006] Eine Ofenanlage mit einer zylindrischen Behandlungskammer ist erfindungsgemäß durch nachstehende Merkmale gekenn- zeichnet:
- die Kammer ist mit aufrechtstehender Zylinderachse konzentrisch in einem geschlossenen zylindrischen Gehäuse mit allseitigem Zwischenraum angeordnet,
- im Ringraum zwischen Kammer und Gehäuse sind rechtwinklig zu den Wänden der Kammer und des Gehäuses Trennwände zum einen in der Nähe des oberen und unteren Endes der Kammer und zum anderen in einer Axialebene zwischen der unteren und oberen Trennwand angeordnet, so daß oberhalb und unterhalb der Kammer je ein abgeschlossener Raum und um die Kammer herum zwei abgeschlossene Räume gebildet sind,
- in den Wandungen der Kammer sind eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen enthalten, die entweder verschließbar oder durchlässig für Gase, aber undurchlässig für Wärmestrahlen sind,
- in der Gehäusewandung sind im Bereich jedes der vier Zwischenräume je zwei Rohranschlüsse für das Einleiten bzw. Ableiten von Kühlgas angeordnet,
- an jedem Zwischenraum ist jeweils ein Anschluß über eine Verbindungsleitung und ein Steuerventil an die Druckseite und der zweite Anschluß über eine Verbindungsleitung mit einem Steuerventil an die Saugseite' der Gebläseeinrichtung für Kühlgas angeschlossen und
- ein Temperaturregler-System auf der Basis von Soll-Ist- Vergleichen zwischen den Soll-Werten der Temperaturvorgabe und den gemessenen Ist-Werten dient zur Betätigung der Steuerventile und der Verschlußelemente der Gasdurchtrittsöffnungen.
[0007] Eine Ofenanlage mit einer würfelförmigen Behandlungskammer ist erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gekennzeichnet:
- die Kammer ist einem geschlossenen zylindrischen Gehäuse mit horizontaler Zylinderachse mit Abstand von den Stirnwänden des Gehäuses angeordnet,
- im Bereich jeder der vier in Richtung der Zylinderachse des Gehäuses verlaufenden Wandungen der Kammer sind in der Nähe der Enden der Wandungen den Zwischenraum über-i brückende Trennwände angebracht, so daß zwischen jeder Kammerwandung und der Innenwandung des Gehäuses in sich abgeschlossene Räume gebildet sind,
- in den Wandungen der Kammer sind eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen enthalten, die entweder verschließbar oder durchlässig für Gase, aber undurch- lässig für Wärmestrahlen sind,
- in der Behälterwandung sind im Bereich jedes der sechs Zwischenräume je zwei Rohranschlüsse für das Ein- bzw. Ableiten von Kühlgas angeordnet,
- an jedem Zwischenraum ist jeweils ein Anschluß über eine Verbindungsleitung und ein Steuerventil an die Druckseite und der zweite Anschluß über eine Verbindungsleitung und ein Steuerventil an die Saugseite der Gebläseeinrichtung für Kühlgas angeschlossen und
- ein Temperaturregler-System auf der Basis von Soll-Ist-Vergleichen zwischen den Soll-Werten der Temperaturvorgabe und den gemessenen Ist-Werten dient zur Betätigung der Steuerventile und der Verschlußelemente der Gasdurchtrittsöffnungen.
[0008] Für die Behandlung einer Anzahl gleichbleibender Chargen ist es vorteilhaft, einen elektrischen Speicher in das Temperaturregler-System einzubeziehen, der dazu dient, die Steuersignale einer Erstcharge für eine programmierte Steuerung von Wiederholchargen zu speichern.
[0009] Die Vorteile, die mit der Erfindung erzielt werden, be- j stehen im wesentlichen darin, daß durch den gezielten Einsatz des Kühlgases in der Behandlungskammer hinsichtlich Intensität und/oder Richtung unter Berücksichtigung der Gegebenheiten der Charge zum einen die Abkühlung mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit durchgeführt und zum anderen eine weitgehend gleichmäßige Verteilung der Temperatur innerhalb der Charge bewirkt werden kann. Gleichmäßige Temperaturverteilung bedeutet hierbei die Einhaltung von Temperaturdifferenzen innerhalb einer vorgegebenen Bandbreite. Die nach der Erfindung ferner vorgeschlagenen Ofenanlagen ermöglichen bei den verschiedenen gebräuchlichen Ausführungen der Behandlungskammer eine sichere Durchführung der vorgenannten Verfahrensschritte. Die Einbeziehung eines Temperaturregler-Systems auf der Basis von Soll-Ist-Vergleichen zwischen den Soll-Werten der Temperaturvorgabe und den gemessenen Ist-Werten bietet ferner den Vorteil, den gesamten Kühlvorgang automatisch durchführen zu können.
[0010] Ausführungsbeispiels der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachstehend näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Ofenanlage mit zylindrischer Behandlungskammer,
Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Ofenanlage mit würfelförmiger Behandlungskammer,
Fig. 3 Schemata der verschiedenen Betriebszustände hinsichtlich der Strömung des Kühlgases in der Behandlungskammer der Ofenanlage nach Fig. 1 und
Fig. 4 Schemata der verschiedenen Betriebszustände hinsichtlich der Strömung des Kühlgases in der Behandlungskammer der Ofenanlage nach Fig. 2.
[0011] Zu der in Fig. l abgebildeten Ofenanlage gehört ein Vakuum-Kammerofen, der im wesentlichen aus einem doppelwandigen zylindrischen Stahlgehäuse 1, das an der Unterseite einen abnehmbaren Deckel 2 aufweist, und einer im Innern befindlichen zylindrischen Behandlungskammer 3 mit aufrecht- stehender Zylinderachse und allseitigem Zwischenraum zur Innenwandung des Stahlgehäuses 1 besteht. Die Beschickung erfolgt von der Unterseite nach Abnahme des Deckels 2. Ebensogut kann der Deckel oben am Stahlgehäuse angeordnet sein.
[0012] Im Zwischenraum zwischen der Behandlungskammer 3 und dem Stahlgehäuse 1 sind in der Nähe des oberen und unteren Endes der Behandlungskammer 3 Trennwände 4 und 5 in Form von Ringscheiben angeordnet. Durch diese Trennwände sind im Zwischenraum ein unterer und ein oberer Raum 6 bzw. 7 und ein mittlerer Raum gebildet. Der mittlere Raum ist durch zwei in einer gemeinsamen Axialebene verlaufende Trennwände 8 in zwei im Grundriß halbrunde Räume 9, 10 unterteilt.
[0013] Im Boden, in der Decke und in der Zylinderwandung der Behandlungskammer 3 sind jeweils eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen 11 enthalten, die entweder durchlässig für Gase, jedoch undurchlässig für Wärmestrahlen sind oder; durch nicht dargestellte Klappen verschließbar sind. Zur Betätigung der Klappen dienen Stellgeräte wie Hubzylinder oder dergleichen. In jeden der Räume 6, 7, 9 und 10 münden je zwei Rohranschlüsse für das Einleiten bzw. Ableiten ! von Kühlgas. Diese Rohranschlüsse sind über Verbindungsleitungen und je ein Steuerventil einerseits an die Druckseite 12 und andererseits an die Saugseite 13 einer Gebläseeinrichtung 14 angeschlossen. Auf der Saugseite ist der Gebläseeinrichtung ein Gaskühler 15 vorgeschaltet.
[0014] Die Steuerventile für den Einlaß sind mit E und für den Auslaß des Kühlgases mit A bezeichnet, wobei durch die zusätzliche Ziffer die Zugehörigkeit zu dem jeweiligen Zwischenraum 6, 7, 9 oder 10 kenntlich gemacht ist. Bei den Steuerventilen handelt es sich um Zwei-Wege-Ventile, die elektromagnetisch oder in anderer Weise betätigt werden.
[0015] Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Behandlungskammer 3 sind hinsichtlich der Führung des Kühlgases im Innern der Behandlungskammer 3 sechs unterschiedliche Betriebszustände einstellbar. Dargestellt sind diese Betriebszustände in Fig. 3, wobei in der am unteren Rand abgebildeten Tabelle für jeden Betriebszustand die Schaltstellungen der insgesamt acht Steuerventile angegeben sind. Hierbei bedeutet: I = Ventil geöffnet und 0 = Ventil geschlossen.
[0016] Fig. 2 zeigt eine Ofenanlage mit würfelförmiger Behandlungskammer 3' im Innern eines zylindrischen Stahlgehäuses 1' , welches mit waagerecht verlaufender Zylinder- achse angeordnet ist. Der Deckel 2', mit dem die Be- schickungsöffnung verschlossen wird, befindet sich hier an einer Stirnseite des Stahlgehäuses 1'.
[0017] In der Prinzipdarstellung der Fig. 2 ist das Stahlgehäuse 1' links im Querschnitt und rechts im Längsschnitt dargestellt. Die Behandlungskammer 3' in der Gestalt eines Würfels hat in den Diagonalen eine Länge, die etwa dem Innendurchmesser des zylindrischen Stahlgehäuses 1' entspricht. Im Zwischenraum zwischen Behandlungskammer 3' und Stahlgehäuse 1' sind in der Nähe der Enden - in Richtung der Zylinderachse - der Behandlungskammer 3' an jeder der vier Wandungen der Behandlungskammer 3' Trennwände 16, 17 in Form von Kreisabschnitten angeordnet. Durch diese Trennwände 16 und 17 sind insgesamt sechs abgeschlossene Räume gebildet, nämlich an den Stirnseiten je ein Raum 18, 19 und an den Längswandungen der Behandlungskammer 3' die Räume 20, 21, 22 und 23.
[0018] Auch hier münden in jeden dieser Räume je zwei Rohranschlüsse für das Einleiten bzw. Ableiten von Kühlgas. Diese sind über Steuerventile und Verbindungsleitungen einerseits an die Druckseite 12 und andererseits an die Saugseite 13 einer Gebläseeinrichtung 14 mit einem Gas- kühler 15 angeschlossen. In allen sechs Wandungen der Behandlungskammer 3' sind eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen 11' enthalten, die entweder durchlässig für Gase, jedoch undurchlässig für Wärmestrahlen sind oder durch nicht dargestellte Verschlußelemente verschließbar sind.
[0019] Die einzelnen Steuerventile sind wie bei der Ofenanlage nach Fig. 1 mit den Buchstaben E und A unter Hinzufügung einer Ziffer, die mit der Bezugszahl des zugehörigen Raumes übereinstimmt, bezeichnet.
[0020] Bei der hier vorgesehenen Behandlungskammer 3' in Form eines Würfels sind acht unterschiedliche Betriebszustände hinsichtlich der Führung des Kühlgases im Innern der Behandlungskammer 3' möglich. Dargestellt sind diese unterschiedlichen Betriebszustände in Fig. 4 in der gleichen Weise wie in Fig. 3 für die Ofenanlage nach Fig. 1. Bei den Betriebszuständen 5 bis 8 sind Gasströmungen einstellbar, die senkrecht zur Zeichenebene in entgegengesetzten Richtungen verlaufen. Dies ist durch Kreuze bzw. Punkte angedeutet. Die am unteren Rand befindliche Tabelle zeigt für alle acht Betriebszustände die Schaltstellungen der insgesamt zwölf Steuerventile.
- die Kammer (3) ist mit aufrechtstehender Zylinderachse konzentrisch in einem geschlossenen zylindrischen Gehäuse (1) mit allseitigem Zwischenraum angeordnet,
- im Ringraum zwischen Kammer (3) und Gehäuse (1) sind rechtwinklig zu den Wänden der Kammer (3) und des Gehäuses (1) Trennwände (4, 5 bzw. 8) zum einen in der Nähe des oberen und unteren Endes der Kammer (3) und zum anderen in einer Axialebene zwischen der unteren und oberen Trennwand (4, 5) angeordnet, so daß oberhalb und unterhalb der Kammer (3) je ein abgeschlossener Raum (6, 7) und um die Kammer (3) herum zwei abgeschlossene Räume (9, 10) gebildet sind,
- in den Wandungen der Kammer (3) sind eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen (11) enthalten, die entweder verschließbar oder durchlässig für Gase, aber undurchlässig für Wärmestrahlen sind,
- in der Gehäusewandung sind im Bereich jedes der vier Zwischenräume (6, 7, 9 u. 10) je zwei Rohranschlüsse für das Einleiten bzw. Ableiten von Kühlgas angeordnet,
- an jedem Zwischenraum (6, 7, 9 u. 10) ist jeweils ein Anschluß über eine Verbindungsleitung und ein Steuerventil an die Druckseite und der zweite Anschluß über eine Verbindungsleitung mit einem Steuerventil an die Saugseite der Gebläseeinrichtung (14) für Kühlgas angeschlossen und
- ein Temperaturregler-System auf der Basis von Soll-Ist-Vergleichen zwischen den Soll-Werten der Temperavorgabe und den gemessenen Ist-Werten dient zur Betätigung der Steuerventile und der Verschlußelemente der Gasdurchtrittsöffnungen (11).
- die Kammer (3') ist einem geschlossenen zylindrischen Gehäuse (1') mit horizontaler Zylinderachse mit Abstand von den Stirnwänden des Gehäuses (1') angeordnet,
- im Bereich jeder der vier in Richtung der Zylinderachse des Gehäuses (1') verlaufenden Wandungen der Kammer (3') sind in der Nähe der Enden der Wandungen den Zwischenraum überbrückende Trennwände (16, 17) angebracht, so daß zwischen jeder Kammerwandung und der Innenwandung des Gehäuses (1') in sich abgeschlossene Räume (18, 19, 20, 21, 22 u. 23) gebildet sind,
- in den Wandungen der Kammer (3') sind eine Vielzahl von Gasdurchtrittsöffnungen (11') enthalten, die entweder verschließbar oder durchlässig für Gase, aber undurchlässig für Wärmestrahlen sind,
- in der Behälterwandung sind im Bereich jedes der sechs Zwischenräume (18, 19, 20, 21, 22 u. 23) je zwei Rohranschlüsse für das Ein- bzw. Ableiten von Kühlgas angeordnet,
- an jedem Zwischenraum (18, 19, 20, 21, 22 u. 23) ist jeweils ein Anschluß über eine Verbindungsleitung und ein Steuerventil an die Druckseite und der zweite Anschluß über eine Verbindungsleitung und ein Steuerventil an die Saugseite der Gebläseeinrichtung (14) für Kühlgas angeschlossen und
- ein Temperaturregler-System auf der Basis von Soll-Ist-Vergleichen zwischen den Soll-Werten der Temperaturvorgabe und den gemessenen Ist-Werten dient zur Betätigung der Steuerventile und der Verschlußelemente der Gasdurchtrittsöffnungen (11').