Verfahren und Vorrichtung zur Schnellkühlung einer HIP-Anlage

Abstract

 Verfahren und Vorrichtung zur schnellen Abkühlung des Inhaltes einer HIP-Anlage, wobei im Behälter zur Kühlung ein Gasstrom vom aufgeheizten HIP-Gut zur Behälterinnenwand hin eingestellt wird und im Innenraum des Behälters in einer wesentlich kälteren Zone ein oder mehrere aus einer beispielsweise in einem Käfig liegenden Schüttung von Kugeln aus wärmespeicherndem und/oder wärmeleitenden Material bestehende Wärmespeicher angeordnet sind, durch die der vom HIP-Gut kommende Kühlgasstrom hindurchgeleitet wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Abkühlung des Inhaltes einer HIP-Anlage, wobei im Behälter zur Kühlung zwangsweise ein Gasstrom vom aufgeheizten HIP-Gut zur Behälterinnenwand eingestellt wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

[0002] Beim HIP- (Hot Isostatic Pressure) - Verfahren werden feste Werkstücke oder solche, die aus Pulver bestehend in einer Matrize vorliegen, unter hohem Druck (bis 2ooo bar) und hoher Temperatur (bis zu 2000°C) verpresst und verdichtet. Auch artgleiche oder unterschiedliche Werkstoffe können mit Hilfe dieser Technik miteinander verbunden werden. Dies geschieht im allgemeinen so, dass das Werkstück in einen Ofen (meist elektrische Widerstandsheizung), welcher in einem Hochdruckbehälter angeordnet ist, eingebracht und dort fast bis zum Erweichungspunkt aufgeheizt wird. Gleichzeitig wird durch allseitigen Druck eines Inertgases, meist Argon, für eine isostatische Verpressung bis zur vollen Dichte gesorgt. Diese sogenannte HIP-Phase erstreckt sich je nach Werkstoff und Werkstück über einen kürzeren oder längeren Zeitraum. Danach wird das Werkstück im Behälter soweit abgekühlt, dass es mit hinreichend niedriger Temperatur aus. dem Behälter entnommen werden kann.

[0003] Es ist nun bekannt, dass die Abkühlung nach der HIP-Phase eine wesentliche Rolle spielt, weil einerseits bei vielen Werkstoffen das Einhalten einer bestimmten Abkühlungsgeschwindigkeit aus Gründen der Werkstoffqualität notwendig ist und weil andererseits die Belegungszeiten einer HIP-Anlage sehr stark von der Länge der Abkühlphase abhängt, welche etwa die Hälfte der Gesamtbelegungszeit ausmacht.

[0004] Bei HIP-Anlagen mit kleinem Durchmesser des Arbeitsraums (D< 5₀o mm) kann die Wärmeabfuhr noch über die Wand des Druckbehälters an aussen am Behälter entlang strömendes Wasser erfolgen. Bei grösseren Durchmessern der Anlage werden bei dieser Kühlmethode die Wandtemperaturen zu hoch.

[0005] Bekannt ist ferner eine Verwirbelung des heissen Ofeninhaltsgases, um eine bessere Ableitung der Wärme nach aussen zu erreichen. Auch hier ist es nachteilig, dass bei grösseren Anlagen die Wand des Druckbehälters zu heiss wird.

[0006] Weiter ist bekannt, das Gas aus dem Behälter abzuziehen und in einem Wärmetauscher ausserhalb der Anlage zu kühlen und dann wieder in den Ofen zurückzugeben. Dies bedingt jedoch einen erheblichen technischen Aufwand.

[0007] Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur möglichst schnellen Abkühlung des HIP-Gutes zu schaffen, die Nachteile der bekannten Verfahren zu vermeiden und dies mit einem möglichst geringen technischen Aufwand.

[0008] Die Lösung der Aufgabe besteht darin, dass im Innenraum des Behälters in einer wesentlich kälteren Zone ein oder mehrere Wärmespeicher angeordnet sind, durch die der vom HIP-Gut kommende Gasstrom hindurchgeführt wird.

[0009] Vorteilhaft wird der Gasstrom nach dem Wärmespeicher direkt auf die Behälterinnenwand geführt.

[0010] Zweckmässig nimmt der Wärmespeicher zwischen 15% und 100% der insgesamt abzuführenden Wärme auf.

[0011] Vorteilhaft besteht die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens darin, dass ein Wärmespeicher verwendet wird, der aus einer beispielsweise in einem Käfig liegenden Schüttung von Kugeln etc. aus gut wärmeleitendem und/oder gut wärmespeicherndem Material.

[0012] Der Vorteil des erfindungsgemässen Verfahrens und der Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens besteht vor allem darin, dass die Abkühlungsgeschwindigkeit des HIP-Gutes innerhalb weiter Grenzen gesteuert und damitden Erfordernissen angepasst werden kann. Dabei kann der Wärmespeicher durch Vergrösserung oder Verringerung seiner Masse leicht den Verhältnissen angepasst werden. Diese Anpassung der Abkühlungsgeschwindigkeit führt zu einer wesentlichen Verbesserung der Qualität des HIP-Gutes und vor allem auch zu einer erheblichen Einsparung von Energie. Auch kann die Belegungszeit des HIP-Ofens wesentlich verringert werden, was zu einer besseren Ausnutzung der Anlage führt.

[0013] In den Zeichnungen sind beispielsweise Ausführungsformen der für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens zu verwendenden Vorrichtungen dargestellt und zwar zeigt :

Figur 1 einen schematischen Schnitt durch eine HiP-Anlage in der einfachsten Form,

Figur 2 eine Ausführung einer HIP-Anlage mit zusätzlich zu dem Wärmespeicher vorgesehener Kühlung,

Figur 3 eine Ausführung mit seitlich angeordnetem Wärmespeicher.

[0014] Nach Figur 1 besteht die HIP-Anlage aus einem Hochdruckbehälter 11, welcher durch den Deckel'12 geschlossen ist. Der Hochdruckbehälter 11 besitzt meist zylindrische Form und der Deckel 12 sowie ein of vorgesehener Bodendeckel sind an den Endflächen des Zylinders angeordnet. Im Behälter 11 ist ein Hitzeschild 13 aangeordnet, welcher den Behälter,11 gegenüber dem Ofenraum 14 abschirmt. Innerhalb des Hitzeschildes 13 ist ein Bodenstein 15 aus hitzebeständigem Material angebracht, welcher dicht im Hitzeschild 13 liegt und auf dem das HIP-Gut 16 liegt. Seitlich vom HIP-Gut 16 ist die Heizung 17, meist als elektrische Widerstandsheizung ausgeführt, untergebracht. Gegen das obere Ende des Hitzeschildes 13 hin ist eine Isolationsplatte 18 so im Hitzeschild 13 befestigt, dass der darüberliegende Raum 19 eine kältere Zone bildet, in der der aus einer Kugelschüttung 2o bestehende Wärmespeicher 21 den heissen Ofenraum abschliessend befestigt ist. Zwischen Isolationsplatte 18 und der kälteren Zone 19 sind Verbindungsöffnungen 22 mit relativ kleinem Querschnitt vorgesehen. Der Wärmespeicher 21 ist gegenüber dem Ringraum 23 zwischen Hitzeschild 13 und Bhälterinnenwand 24 offen. Durch den Bodenstein 15 ist die Zuleitung 25 für das Gas hindurchgeführt, welche mittels des Ventils 26 reguliert werden kann. Im übrigen sind in bekannter Weise im Boden des Behälters 11 die Zu- und Ableitungen für die elektrische Energie und Leitungen für den Druckausgleich etc. angeordnet

[0015] Bei der Benutzung dieser Anlage wird zuerst durch die Öffnung des Deckels 12 das HIP-Gut 16, gegebenenfalls in Körben auf den Bodenstein 15 gestapelt, anschliessend die Isolationsplatte 18 in den Hitzeschild 13 eingesetzt und dann der Wärmespeicher 21 auf den Hitzeschild 13 so aufgesetzt, dass der Raum 19 gegenüber dem Ringraum 23 abgedichtet ist. Nach dichtem Schliessen des Deckels 12 wird der Ofenraum 14 mit der Heizung 17 auf die erforderliche Temperatur gebracht, welche zwischen 12oo°C und 2ooo°C liegen kann. Während der Aufheizung des HIP-Gutes 16 wird ein inertes Gas, meist Argon, aber auch Helium etc. bei geöffnetem Ventil 26 durch die Zuleitung 25 in den Ofenraum 14 geblasen, bis sich am Ende der Aufheizzeit im Ofenraum 14 der gewünschte Druck eingestellt hat. Auch der erforderliche Druck ist vom HIP-Gut 16 abhängig und kann zwischen looo und 2ooo bar liegen. Nun beginnt bei geschlossenem Ventil 26 die Haltezeit, welche ebenfalls materialabhängig ist und bis zu 4 Stunden betragen kann. Wichtig ist die Tatsache, dass sich auch in dieser Zeit der Raum 19 hinter der Isolationsplatte 18 nicht aufheizen kann und höchstens Temperaturen von 500°C erreicht. Am Ende der Haltezeit wird der Ofenraum 14 druckentlastet und anschliessend bei geöffnetem Ventil 26 kaltes inertes Gas eingeleitet, welches das HIP-Gut 16 durchfliesst und dieses dabei abkühlt. Das nun erwärmte Gas fliesst dann durch die Öffnungen 22 an der Isolationsplatte 18 vorbei in den Raum 19 und von da aus durch den wesentlich kälteren Wärmespeicher 21, dessen Wände und Boden Bohrungen tragen und der mit Kugeln 2o gefüllt ist. Beim Durchfliessen des Gases durch den Wärmespeicher 21 gibt das Gas seine Wärme an die Kugeln 2o ab. Vom Wärmespeicher 21 fliesst das Gas in den Ringraum 23 und gibt dabei den letzten Rest Wärme an die Behälterinnenwand 24 ab, sofern es noch nicht genügend abgekühlt war. Vom Ringraum 23 fliesst das Gas entweder direkt aus dem Behälter 11 oder es wird wieder durch eine Öffnung im Hitzeschild 13 in das Zuleitungsrohr 25 gegeben. Dies geschieht mit bekannten Mitteln.

[0016] Damit lassen sich Abkühlungsgeschwindigkeiten von 2o bis 6o°C/min des HIP-Gutes einstellen, was weitgehend vom Material des HIP-Gutes und der gewünschten Wirkung der HIP-Phase abhängt. Die Füllung des Wärmespeichers 21 kann dabei ebenfalls den Gegebenheiten, wie gewünschte Abkühlungsgeschwindigkeit, ein oder mehrmaliger Durchlauf des Kühlgases, Verteilung der Wärme, etc. angepasst werden.

[0017] In Figur 2 ist eine modifizierte Vorrichtung dargestellt, wobei die gleichen Bezugszeichen wie in Figur 1 die gleichen Teile bezeichnen. Der wesentliche Unterschied zu der Vorrichtung nach Figur 1 besteht darin, dass das aus dem Wärmespeicher 21 kommende Kühlgas von einer entweder direkt im Deckel 12 des Hochdruckbehälters 11 angeordneten Kühlung 27 oder von einem zusätzlich unter dem Deckel 12 angeordneten Wärmetauscher 28 soweit heruntergekühlt werden kann, dass die Behälterinnenwand 24 nicht über eine Temperatur von 3₀₀⁰C erwärmt wird. In diesem Falle braucht auch das Kühlgas nicht mehrmals-im Kreislauf durch die HIP-Anlage hindurchgeführt zu werden, sondern kann direkt vom Boden des Behälters 11 abgezogen werden. Dies hat einige Vorteile.

[0018] Nach Figur 3, bei der ebenfalls gleiche Teile wie in Figur 1 mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, ist der Hitzeschild 29 so ausgeführt, dass er am Boden und Deckel 12 des Behälters 11 abgedichtet anliegt und somit den Ofenraum 14 umschliesst. Der Deckel 12 trägt an seiner Unterseite eine Isolationsplatte 3₀, damit das vom HIP-Gut 16 kommende aufgeheizte Kühlgas nicht seine Wärme an den Deckel 12 abgeben kann. Im oberen Teil des Hitzeschildes 29 sind seitliche Öffnungen 31 angeordnet, die in den Ringraum 32 zwischen Hitzeschild 29 und Behälterinnenwand 33 führen. Dieser Ringraum 32 ist seitlich der Heissgaszone 35 mit einer Kugelschüttung 34 aufgefüllt. Die Kugels bestehen z. B. aus Kupfer, Stahl o.ä., welches Material gut wärmeleitend und gut wärmespeiebernd ist. Unterhalb der Kugelschüttung 34 ist ein Raum 36 gebildet, welcher durch Ventile 37 und 38 entweder mit einem Ablass oder dem Gaszuführungsventil 26 verbunden werden kann. In diesem Falle wird das Kühlgas zuerst.durch das HIP-Gut 16 geführt, wo es Wärme aufnimmt, anschliessend am Deckel 12 vorbei ohne dort Wärme abzugeben durch die Öffnungen 31 im Hitzeschild 29 in den Wärmespeicher 34 geführt und gibt dort wenn nicht die gesamte so doch einen Grossteil der aufgenommenen Wärme an die Kugeln des Wärmespeichers 34 ab. Ist das Kühlgas genügend abgekühlt, so kann es durch Öffnen des Ventils 38 abgelassen werden. Ist das Kühlgas aber noch nicht genügend abgekühlt oder soll die Abkühlungsgeschwindigkeit des HIP-Gutes 16 merklich verlangsamt werden, so kann das Gas durch Öffnen des Ventils 37 und Schliessen des Ventils 38 aus dem Raum 36 wieder in den Ofenraum 14 zurückgeführt werden. Man kann auch durch teilweises Öffnen beider Ventile 37 und 38 den aus dem Wärmspei= cher 34 kommenden Gasstrom teilen, nämlich zum Teil ablassen und einen anderen Teil wieder in den Ofenraum 14 zurückführen. Dies hängt von den Erfordernissen ab.

[0019] Selbstverständlich können bei allen Ausführungen zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens die aus dem Wärmespeicher kommenden Gase aufgeteilt werden, wobei der Anteil, der in den Ofenraum 14 zurückgeführt wird, beliebig variiert werden kann.

[0020] Ebenso ist es ohne weiteres möglich, den Wärmespeicher in mehrere Einheiten aufzuteilen, z.B. die Ausführung nach Figur 1 mit der Ausführung nach Figur 3 zu kombinieren. Auch ist es möglich, den Wärmespeicher an anderer Stelle, z.B. am Boden des Behälters anzuordnen oder den Kühlgasstrom so zu leiten, dass er erst z.B. am Deckel oder Boden anläuft, dort vorgekühlt wird und erst dann durch den Wärmespeicher geleitet wird.

Ansprüche

1.)Verfahren zur schnellen Abkühlung des Inhaltes einer HIP-Anlage, wobei im Behälter zur Kühlung zwangsweise ein Gasstrom vom aufgeheizten HIP-Gut zur Behälterinnenwand hin eingestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass im Innenraum des Behälters (11) in einer wesentlich kälteren Zone (19) ein oder mehrere Wärmespeicher (21,34) angeordnet sind, durch die der vom HIP-Gut (16) kommende Kühlgasstrom hindurchgeführt wird.

2.)Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlgasstrom nach dem Wärmespeicher (21) direkt auf die Behälterinnenwand (24) geführt wird.

3.)Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlgasstrom vom HIP-Gut (16) zum gegebenenfalls gekühlten Deckel (12) oder Boden des Behälters (11) und anschliessend durch den Wärmespeicher hindurch zur Behälterinnenwand (24) geführt wird.

4.)Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung des Kühlgasstroms gesehen hinter dem Wärmespeicher (21) zusätzlich eine Kühlung, z.B. ein Wärmetauscher (28), ein gekühlter Deckel (27), eine Kühlplatte etc., angeordnet ist.

5.) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (34) seitlich der Heissgaszone (35) in einem wärmeisolierten Raum, gegebenenfalls unter Wärmeisolation gegenüber der Behälterinnenwand (33), angeordnet ist.

6.)Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher zwischen 15 und 100% der gesamtabzuführenden Wärme aufnimmt.

7.)Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchleitung des Kühlgasstromes durch den Wärmespeicher mehrfach, gegebenenfalls unter Reduzierung der Gasmenge, bis zur Abkühlung des Wärmespeichers auf eine für das HIP-Gut unbedenkliche Temperatur fortgesetzt wird.

8.)Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher nach Aufnahme. der Wärme aus dem HIP-Gut ausserhalb des Behälters gekühlt wird.

9.)Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom vollständig durch den oder die Wärmespeicher hindurchgeführt wird.

lo.)Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (21,34) aus einer beispielsweise in einem Käfig liegenden Schüttung von Kugeln (2o) etc. aus einem gut wärmeleitenden und/oder gut wärmespeichernden Material besteht.

11.)Vorrichtung nach Anspruch 1₀, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher in mehrere Einheiten aufgeteilt ist.

12.)Vorrichtung nach Anspruch 1o oder 11, dadurch gekennzeichnet dass die wesentlich kältere Zone (19) im Innenraum des Behälters (11) durch eine diese Zone (19) gegen den Ofenraum (14)abschiemende Isolationsplatte (18) gebildet wird und zwischen den beiden Räumen (14) und (19) Verbindungsöffnungen (22) wie Bohrung, Ringspalt, etc., mit relativ kleinem Querschnitt vorgesehen sind.

Zeichnung