Ofen zur Wärmebehandlung von Eisen- und Stahlteilen

Abstract

 Bei einem Ofen zur Wärmebehandlung von Chargen aus Eisen- und Stahlteilen ist innerhalb eines Ofengehäuses (1) eine zylin­drische, vertikal ausgerichtete Heizkammer (2) angeordnet, in der sich mehrere vertikal ausgerichtete Heizelemente (7) befin­den. Um die Aufheizung der innerhalb dieser Heizelemente (7) an­geordneten Charge (6) insbesondere im unteren Temperaturbereich zu beschleunigen, sind die Heizelemente (7) rohrförmig ausgebil­det und an ihrem unteren Ende mit einer Austrittsöffnung ver­sehen. Das durch einen Ventilator (11) geförderte Gas durch­strömt die Heizelemente (7), heizt sich dabei konvektiv auf und gelangt dann in das Innere der Heizkammer (2). Im oberen Tem­peraturbereich geben die Heizelemente (7) ihre Wärme als Strah­lung direkt an die Charge (6) ab, wobei der Ofen dann im Vakuum­betrieb arbeiten kann.

Beschreibung

[0001] Gegenstand der Erfindung ist ein Ofen zur Wärmebehandlung von Chargen aus Eisen- und Stahlteilen mit einem Ofengehäuse und einer darin angeordneten Heizkammer sowie in der Heizkammer an­geordneten, elektrisch betätigten Heizelementen zur Aufheizung der Charge.

[0002] Es sind bereits Öfen zur Wärmebehandlung von Eisen- und Stahl­teilen bekannt, die zur Aufheizung der Charge über innerhalb der Heizkammer angeordnete Heizelemente verfügen, die entweder aus Graphit oder, für höhere thermische Beanspruchung, aus Molybdän bestehen. Zumeist werden diese Heizelemente an der Innenwand der Heizkammer befestigt, wobei die elektrischen Anschlüsse der Heizelemente durch die Wand der Heizkammer hindurchgeführt sind.

[0003] Die in dieser Weise ausgeführten Öfen werden überwiegend als Va­kuumöfen betrieben. Hierbei wird für die Dauer der Aufheizung der Charge der Ofen evakuiert. Die Aufheizung der Charge erfolgt also nahezu ausschließlich durch die von den Heizelementen abge­strahlte Wärme.

[0004] Zur gesteuerten Abkühlung der Charge verfügt der bekannte Ofen über ein System zur Kühlgasführung, bei dem die Charge über mehrere Kühlgasöffnungen in der Heizkammer gezielt anströmbar ist. Insbesondere kann durch eine nur abschnittsweise Beauf­schlagung von Kühlgasöffnungen eine zielgerichtete Abkühlung be­stimmter Bereiche der Charge vorgenommen werden. Die Beschickung des bekannten Ofens erfolgt in vertikaler Richtung, indem der mit der Charge beladene Boden von unten an den Ofen herangefahren wird, wobei die Charge in die Heizkammer gelangt.

[0005] Diese bekannte Konstruktion hat den Nachteil einer nur geringen Aufheizgeschwindigkeit im unteren Temperaturbereich, in dem die Wärmeübertragung durch Strahlung noch gering ausfällt. Konvektion kann in diesem Temperaturbereich deutliche Verbesserungen bringen, jedoch braucht die innerhalb der Heizkammer zirkulierende Luft eine lange Zeit, um sich an den Heizelementen zu erwärmen und diese Wärme konvektiv an die Charge zu übertragen. Hinzu kommt, daß durch die geringe Oberfläche der aus Vollmaterial hergestellten Heizelemente ihre Abstrahlfläche gering ausfällt. Die Größe der Abstrahlfläche bedingt jedoch proportional die Größe der durch Strahlung ausgetauschten Wärmemenge. Außerdem strahlen die Heizelemente aufgrund ihrer großen Materialstärke auch noch nach Beendigung der Energiezufuhr Wärme ab, wodurch sich der Beginn der darauf­folgenden Abkühlungsphase verzögert.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ofen zur Wärmebehandlung von Eisen- und Stahlteilen zu schaffen, der in jedem Temperaturbereich eine schnelle und gleichmäßige Aufheizung gestattet, der mit gutem Wirkungsgrad arbeitet und der in der Abkühlphase eine schnelle Temperaturabsenkung ermög­licht.

[0007] Zur technischen Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß die Heizelemente rohrförmig ausgebildet und von Gas unter Aufheizung durchströmbar sind.

[0008] Ein in dieser Weise ausgeführter Ofen hat den Vorteil, daß sowohl im Bereich tiefer Temperatur (< 600^o C) als auch im Bereich reiner Strahlungswärme (> 600^o C) eine schnelle Aufhei­zung der Charge erreicht werden kann. Hierzu wird im unteren Temperaturbereich das unter Atmosphären- oder Überdruck stehende Gas zwangsweise durch die Heizelemente hindurch in die Heizkam­mer geführt, wodurch sich eine sehr gute konvektive Wärmeüber­tragung zwischen Heizelement und Gas und damit eine hohe Aus­trittstemperatur des Gases ergibt. Wird der Ofen im Bereich höherer Temperatur betrieben, so ermöglicht die große spezifische Oberfläche der Heizelemente eine starke Abgabe von Wärmestrahlung. Außerdem unterstützt die geringe Wandstärke der Heizelemente deren Temperaturabsenkung beim Beginn der Abkühl­phase. Die Erfindung ermöglicht es also, den Ofen sowohl in der Aufheiz- als auch in der Abkühlphase mit höherem Wirkungsgrad zu betreiben.

[0009] Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Heizelemente vertikal in der Heizkammer angeordnet sind und von oben nach unten durchströmt werden. Auf diese Weise wird die konstruktive Ausführung des Ofens besonders einfach, wobei das aus den Heizelementen austretende Heizgas in den unteren Bereich der Charge gelangt und dort zu einer gewünschten, bevorzugten Aufheizung führt. Hierzu kann gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung auch beitragen, daß die Heizelemente unten offen aus­gebildet sind.

[0010] Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann es vor­teilhaft sein, die Heizelemente mit radialen Öffnungen zu ver­sehen, um so bereits in der konvektiven Aufheizphase die Charge gezielt termisch zu beaufschlagen.

[0011] Bei einer weiteren Ausgestaltung sind die Heizelemente an ihrem oberen Ende in der Heizkammer befestigt, wodurch sie eine nur geringe Kontaktfläche mit Elementen der Heizkammer aufweisen, so daß die von ihnen erzeugte Wärme vollständig zur Aufheizung des Heizgases bzw. der Charge zur Verfügung steht.

[0012] Mit der Erfindung wird auch vorgeschlagen, die Heizelemente un­ter Zwischenlage von Keramikhülsen zu befestigen. Hierdurch wird ein Wärmeübergang von den Heizelementen an die Heizkammer weit­gehend vermieden, um insbesondere die wärmeempfindlichen Bautei­le des Ventilators zu schützen.

[0013] Weitere Einzelheiten und Vorteile des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnung, in der eine bevorzugte Ausführungsform eines erfin­dungsgemäßen Ofens zur Wärmebehandlung von Eisen- und Stahl­teilen im Schnitt dargestellt ist.

[0014] In einem behälterförmigen, in erster Linie zylindrischen Ofenge­häuse 1 ist eine aus hitzebeständigen Materialien aufgebaute, zylindrische Heizkammer 2 angeordnet. Die Heizkammer 2 ist, ebenso wie das Ofengehäuse 1, zweiteilig ausgebildet, wobei der untere Teil durch einen Heizkammerboden 3 sowie einen Boden 4 des Ofengehäuses 1 gebildet wird. Am Boden 4 des senkrecht stehenden Ofengehäuses 1 sind mehrere Herdstützen 5 befestigt, die, den Heizkammerboden 3 durchragend, einen Rost zur Aufnahme der einer Wärmebehandlung zu unterziehenden Charge 6 bilden. Während der Wärmebehandlung steht die Charge 6 auf den Herd­stützen 5 innerhalb der Heizkammer 2.

[0015] In der Nähe der inneren Mantelfläche der Heizkammer 2 sind meh­rere axial verlaufende, rohrförmige Heizelemente 7 angeordnet.

[0016] Sie erstrecken sich über eine Länge, die zumindest der maximalen Chargenhöhe entspricht, so daß die Charge 6 von den einzelnen Heizelementen 7 umgeben ist. Die Heizelemente 7 sind sowohl oben als auch unten offene, zylindrische Graphitrohre. Je nach Ein­satzgebiet können auch Heizelemente aus Molybdän zur Anwendung gelangen. Die Heizelemente 7 sind an ihrem oberen Ende unter Zwischenlage von Keramikhülsen 8 an einem Deckel 9 der Heizkam­mer 2 befestigt. Dabei können die Heizelemente 7 sowohl in den Keramikhülsen 8 fest sitzen als auch mittels geeigneter Bünde in die Keramikhülsen eingehängt sein, wobei ihre senkrechte Aus­richtung dann durch die Schwerkraft erfolgt.

[0017] Oberhalb des Deckels 9 der Heizkammer 2 befindet sich eine Ven­tilatorkammer 10, in der zentral ein Flügel eines Ventilators 11 angeordnet ist, der von einem darauf befestigten Ventilatormotor 12 angetrieben wird. Über einen an der Oberseite der Heizkammer 2 mündenden, ringförmigen Ansaugkanal 13 wird Gas aus dem Inneren der Heizkammer 2 zur Stirnseite des Ventilators 11 ge­saugt und von diesem radial nach außen in die Ventilatorkammer 10 gefördert, von wo das Gas nach Durchströmung der Keramikhül­sen 8 in die rohrförmigen Heizelemente 7 gelangt. Der Ventilator 11 besteht aus hitzebeständigem Material und ist durch eine ge­eignete, wärmeabschirmende Wand 14 zum Ventilatormotor 12 hin abgeschirmt. Zum Schutz des Ventilators 11 vor der Wärmestrah­lung der Charge 6 wird durch den ringförmigen Ansaugkanal 13 des Deckels 9 eine Abschirmung 15 gebildet.

[0018] Die Heizelemente 7 sind an ihren unteren und oberen Enden mit elektrischen Anschlüssen 16,17 versehen, über die ein elek­trischer Strom zur Aufheizung der Heizelemente 7 zugeführt wird. Durch geeignete bauliche Maßnahmen sind die elektrischen An­schlüsse 16,17 weitgehend thermisch entkoppelt von den Bauteilen der Heizkammer 2 und des Ofengehäuses 1, so daß hier keine uner­wünschten Wärmeabflüsse auftreten können.

[0019] Die Heizelemente 7 sind, unten offen und weisen, wie in der Zeichnung dargestellt, in Richtung auf die Charge 6 ausgerichte­te, zusätzliche seitliche Öffnungen 18 auf, wobei die Größe, die Lage und die Anzahl der Öffnungen 18 je nach Anwendungsfall va­riieren kann. Auf jeden Fall ist es vorteihaft, das aus den Heizelementen 7 austretende heiße Gas in den unteren Bereich der Charge zu bringen, wo erfahrungsgemäß die aufzuheizende Masse am größten ist, was u.a. durch Wärmeabgänge über die Herdstützen 5 bedingt ist.

[0020] In der Mantelfläche sowie im Heizkammerboden 3 befinden sich eine Vielzahl von Kühlgasöffnungen 19, über die von einem nicht dargestellten Gebläse gefördertes Kühlgas in das Innere der Heizkammer 2 gelangt. Die in Form von Düsen ausgebildeten Kühl­gasöffnungen 19 sind dabei vorzugsweise so ausgerichtet, daß sie die Charge 6 direkt anblasen. Um eine gerichtete Abkühlung ein­zelner Bereiche der Charge zu erreichen, können die Kühlgasöff­nungen 19 gruppenweise zusammengefaßt sein. In der Zeichnung ist dargestellt, wie über einen unteren Ringverteiler 20 sowie einen oberen Ringverteiler 21 die weiter unten bzw. weiter oben lie­genden Kühlgasöffnungen 19 getrennt beaufschlagt werden können. Die Zuführung des Kühlgases zum unteren Ringverteiler 20 und oberen Ringverteiler 21 erfolgt dabei über jeweilige Anschluß­stutzen 23,24. Weitere Kühlgasöffnungen 19 befinden sich am Bo­den der Heizkammer 2. Aus ihnen strömt das über einen Bodenver­teiler 22 zugeführte Kühlgas. Der beschriebene Ofen arbeitet al­so mit drei, unabhängig voneinander beaufschlagbaren Kühlzonen. Das aus dem Inneren der Kühlkammer 2 austretende, erwärmte Kühl­gas gelangt über den Ansaugkanal 13, die Ventilatorkammer 10 und in diesem Fall geöffnete Lukenöffnungen 25 in das Innere des Ofengehäuses 1 und von dort über einen Absaugstutzen 26 zurück zu einem Wärmetauscher. Die Lukenöffnungen 25 befinden sich an der Oberseite der Ventilatorkammer 10 und werden nur während der Kühlphase geöffnet, bleiben jedoch während der Aufheizphase des Ofens geschlossen.

[0021] Der Ofen arbeitet in der folgenden Weise:

[0022] Bei abgelassenem Boden 4 wird die Charge 6 auf die Herdstützen 5 gelegt und der Boden 4 von unten senkrecht gegen das Ofengehäuse 1 gefahren, wodurch die Charge 6 in das Innere der Heizkammer 2 gelangt. Der Boden 4 wird über entsprechende Befestigungsele­mente vakuumdicht am Ofengehäuse 1 befestigt. Danach wird der Ofen evakuiert und ein Schutzgas, z.B. Stickstoff oder Argon, eingefüllt. Nach Beendigung der Flutung mit Schutzgas wird über den Ventilatormotor 12 der Ventilator 11 betätigt und es werden über die elektrischen Anschlüsse 16,17 die Heizelemente 7 aufgeheizt. Der Druck im Ofengehäuse 1 beträgt dabei zwischen 500 und 2000 mbar. Das vom Ventilator 11 geförderte Schutzgas gelangt über die Ventilatorkammer 10 in die Heizelemente 7, durchströmt diese unter konvektiver Aufheizung und gelangt in den unteren Bereich der Heizkammer 2. Das innerhalb der Heizkam­mer 2 aufsteigende heiße Gas durchströmt die Charge, heizt diese konvektiv auf und gelangt über den Ansaugkanal 13 zurück zum Ventilator 11. Diese konvektive Aufheizungsphase wird bei einer Chargentemperatur von etwa 600^o C beendet. Der Ventilator 11 wird gestoppt und die weitere Wärmeübertragung erfolgt fast aus­schließlich nur noch über die auf die Charge 6 übertragene Strahlungswärme der Heizelemente 7. Zu Beginn dieser zweiten Aufheizphase wird das Innere des Ofengehäuses 1 wiederum evakuiert, damit die Strahlungswärme der Heizelemente 7 nicht zur weiteren Aufheizung des Schutzgases verwendet werden muß. Im Vakuum erfolgt die Wärmeübertragung ausschließlich noch durch Strahlung, wobei die Größe dieser Strahlung außer von der Größe der abstrahlenden Fläche der Heizelemente 7 sehr stark von deren Temperatur abhängt. Der Wärmeaustausch während der im Vakuum stattfindenden Aufheizphase findet mit denselben Heizelementen statt wie die in erster Linie konvektive Wärmeübertragung am Beginn der Aufheizung. Durch die konvektive Wärmeübertragung im Niedertemperatur-Bereich wird zu Beginn der Aufheizphase die Chargenerwärmung deutlich beschleunigt.

[0023] Nachdem die gewünschte Endtemperatur erreicht ist, werden die Heizelemente 7 abgeschaltet. Anschließend wird der Kühlkreislauf in Gang gesetzt, so daß das über die Ringverteiler 20,21 und den Bodenverteiler 22 verteilte Kühlgas über die Kühlgasöffnungen 19 in das Innere der Heizkammer 2 einströmt und die Charge 6 ab­kühlt. Durch Steuerung der Kühlgasmenge kann dieses Abkühlen in gerichteter Weise erfolgen, um in der Charge ein bestimmtes Werkstoffgefüge zu erreichen. Da sich die Heizelemente 7 im Be­reich der Mündung der in den Mantel der Heizkammer 2 eingelasse­nen Kühlgasöffnungen 19 befinden, werden die Heizelemente 7 be­reits unmittelbar nach Beginn des Kühlvorganges stark abgekühlt, so daß sie eine nennenswerte Wärmestrahlung nicht mehr abgeben können. Nachdem die Charge 6 bis auf Entnahmetemperatur herun­tergekühlt ist, werden Ofengehäuse 1 und Boden 4 wieder vonein­ander getrennt, so daß der Boden 4 vertikal zur Entnahme der Charge 6 herabgesenkt werden kann.

Bezugsziffernliste

[0024] 

1 Ofengehäuse

2 Heizkammer

3 Heizkammerboden

4 Boden

5 Herdstützen

6 Charge

7 Heizelemente

8 Keramikhülsen

9 Deckel

10 Ventilatorkammer

11 Ventilator

12 Ventilatormotor

13 Ansaugkanal

14 Wand

15 Abschirmung

16 elektr. Anschlüsse

17 elektr. Anschlüsse

18 Öffnungen

19 Kühlgasöffnungen

20 unterer Ringverteiler

21 oberer Ringverteiler

22 Bodenverteiler

23 Anschlußstutzen

24 Anschlußstutzen

25 Lukenöffnungen

26 Absaugstutzen

Ansprüche

1. Ofen zur Wärmebehandlung von Chargen aus Eisen- und Stahl­teilen mit einem Ofengehäuse und einer darin angeordneten Heizkammer sowie in der Heizkammer angeordneten, elektrisch betätigten Heizelementen zur Aufheizung der Charge,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Heizelemente (7) rohrförmig ausgebildet und von Gas unter Aufheizung durchströmbar sind.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz­elemente (7) vertikal in der Heizkammer (2) angeordnet sind und von oben nach unten durchströmt werden.

3. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz­elemente (7) unten offen ausgebildet sind.

4. Ofen nach Anspruch 2 und Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizelemente (7) mit radialen Öffnungen (18) versehen sind.

5. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz­elemente (7) an ihrem oberen Ende in der Heizkammer (2) befestigt sind.

6. Ofen nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heiz­elemente (7) unter Zwischenlage von Keramikhülsen (8) be­festigt sind.

7. Ofen nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Ventilator (11) zur Umwälzung des Gases.

8. Ofen nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen an der Ober­seite der Heizkammer (2) mündenden, ringförmigen Ansaugkanal (13), der andererseits zum Ventilator (11) führt und durch eine zwischen der Heizkammer (2) und dem Ventilator (11) an­geordnete Abschirmung (15) begrenzt ist.

9. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Heizelemente (7) im Bereich der Mündung von in den Mantel der Heizkammer (2) eingelassenen Kühlgasöffnungen (19) befinden.

Zeichnung