DE2812888A1

DE2812888A1 - Hochtemperatur-autoklav

Info

Publication number: DE2812888A1
Application number: DE19782812888
Authority: DE
Inventors: Jun Charles W Smith; William H Walker; Franz X Zimmerman
Original assignee: Autoclave Engineers Inc
Current assignee: Autoclave Engineers Inc
Priority date: 1977-03-24
Filing date: 1978-03-23
Publication date: 1978-11-02
Also published as: FR2385060B1; DE2812888C2; GB1586033A; FR2385060A1

Description

DR. ING. F. WUESTHOFF POOO UtTSCIZES DR. E. ν. PECIIMANN ^sc" »«lOEKST.'iASSr DR. ING. D. BEHRENS τιμ-ερο* C 089) 06 20

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PATENTANWÄLTE PHOTKCTPATEKT JIOSCBES

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Anmelder: Autoclave Engineers, Inc.

2930 West 22nd Street The Fred Gasche Building Erie, Pennsylvania, USA

Titel: "Hochtemperatur-Autoklav"

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DR. ING. F.WTTESTHOFF HOCO MUr:CIIEIS. 9O

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DR. E. ν. IMiClIMANN

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PATENTANWÄLTE *Γ ΐ'Κϋΐΐίϋϊΐ'ΛϊΚΝΤ

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Hochtemperatur-Autoklav

BESCHREIBU1T(J

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, die es ermöglicht, ein Werkstück zu einem bestimmten Zweck einer hohen Temperatur und einem hohen Druck auszusetzen.

Es sind bereits Hochdrucköfen bekannt, bei denen eine gleichmäßige Temperaturverteilung angestrebt wird; zu diesem Zweck wird entweder die unter einem Druck stehende Atmosphäre in dem Ofen umgewälzt, oder die Heizelemente werden genau in der erforderlichen Weise angeordnet und einzeln geregelt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, bei der die Umwälzung der Atmosphäre bzw. des Gases verbessert ist, und bei der keine mechanischen Einrichtungen benötigt werden, um die Zirkulation zu fördern.

Verfahren zum Fördern der Gasumwälzung ohne Benutzung mechanischer Einrichtungen wie Gebläse sind bereits bekannt und in den US-PSen 3 419 935, 3 543 062 und 3 571 850 beschrieben. In der US-PS 3 548 062 ist ein Verfahren zum Fördern der Gasumwälzung beschrieben, bei dem ein Umlenk- oder Leitorgan

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zwischen dem Werkstück undcfen Heizelementen so angeordnet ist, daß es sich mehr oder weniger gleichmäßig längs der Innenwand erstreckt, so daß Gase von unten nach oben durch den Raum zwischen dem Leitorgan und den Heizelementen hindurchgesaugt werden und dann von oben nach unten über das Werkstück hinwegströmen können, wobei sie dadurch abgekühlt werden, daß sie Wärme an das Werkstück abgeben. Wenn das Werkstück aufgeheizt wird, werden die über das Werkstück hinwegstreichenden heißen Gase weniger schnell abgekühlt, so daß sich die Zirkulationsgeschwindigkeit der Gase verringert. Bei den Vorrichtungen nach den US-PSen 3 419 935 und 3 571 wird das Zirkulieren der Gase dadurch gefördert, daß zwischen dem Werkstück und einer Wand des Ofens eine Auskleidung vorhanden, ist, daß die Gase kurz unterhalb des Werkstücks erhitzt werden, und daß es den Gasen ermöglicht wird, hochzusteigen und Wärme an das Werkstück abzugeben, woraufhin die Gase zwischen der Auskleidung und der Ofenwand wieder nach unten strömen können. Wegen der jeweiligen Gestaltung des Herdes und des Ofenbodens ist es bei diesen bekannten Öfen nur in einem begrenzten Ausmaß möglich, Widerstandselemente aus Metall zu verwenden. Dies stellt einen erheblichen Nachteil dar, denn Heizelemente aus Graphit und Siliziumkarbid bieten unter bestimmten Betriebsbedingungen deutliche Vorteile .

Gegenwärtig bestehen zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für Vorrichtungen, die es gestatten, ein Probestück oder ein Werkstück einem hohen Druck und einer hohen Temperatur auszusetzen; hierzu gehören z.B. Öfen zum Herstellen von Verbindungen durch Aufbringen von Druck sowie isostatische Heißpreßvorrichtungen. Solche Vorrichtungen dienen gewöhnlich dazu, ein Werkstück einer Temperatur von 1000⁰C und einem Druck von etwa 1000 bar auszusetzen, doch wird auch mit noch höheren Temperaturen und Drücken gearbeitet. In solchen Fällen wird gewöhnlich von einem Ofen Gebrauch gemacht, der in einem

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Druckbehälter oder Autoklaven angeordnet ist. Hierbei dient der Ofen dazu, das Werkstück zu erhitzen und den Druckbehälter gegen zu hohe Temperaturen zu schützen. Mit Hilfe des Druckbehälters werden der Ofen und das Werkstück dem gewünschten Druck ausgesetzt.

Bei gegebenem Druck bestimmt der Durchmesser des Druckbehälters den Mindestwert der aus Sicherheitsgründen vorzusehenden Wandstärke des Druckbehälters. Um die Verwendung übermäßig schwerer Druckbehälter zu vermeiden, ist es erwünscht, den Durchmesser des Druckbehälters möglichst zu verkleinern. Mit anderen Worten, der von dem Ofen eingenommene Raum zwischen der Innenwand der Auskleidung des Druckbehälters und dem Werkstück soll möglichst klein gehalten werden.

Bei den meisten Verfahren ist es wichtig, daß das Werkstück auf eine möglichst gleichmäßige Temperatur gebracht wird. Geschieht dies nicht, können sich infolge einer unterschiedlichen thermischen Ausdehnung des Werkstücks Probleme ergeben. Daher ist es erforderlich, daß der Ofenteil der mit hohem Druck und hoher Temperatur arbeitenden Vorrichtung die Wärme gleichmäßig an das Werkstück abgibt.

Durch die Erfindung ist ein Autoklav bzw. eine Ofen- und Druckbehälterkonstruktion geschaffen worden, bei welcher der Durchmesser des Druckbehälters auf einem möglichst kleinen Wert gehalten wird, während gleichzeitig eine gleichmäßige Verteilung der einem Werkstück zuzuführenden Wärme erreicht wird, so daß es möglich ist, das Werkstück auf eine gleichmäßige Temperatur zu bringen.

Genauer gesagt ist durch die Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen von Verbindungen durch Aufbringen von Gasdruck, zum isostatischen Heißpressen od„dgl. geschaffen worden, die es ermöglicht, ein Werkstück dadurch zu behandeln, daß es

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AO

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einer hohen Temperatur und einem hohen Druck ausgesetzt wird. Zu der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehört ein langgestreckter zylindrischer Druckbehälter, der mit einer isolierten Haube versehen ist, welche das Werkstück umschließt; außerdem ist ein Herd vorhanden, auf dem sich das Werkstück abstützt. Der Herd ist auf einem langgestreckten Sockel aus feuerfestem Material angeordnet, der von einem zylindrischen Heizelement umgeben ist, welches vollständig unterhalb des Herdes angeordnet ist. Das Heizelement besteht vorzugsweise aus Kohlenstoff oder Graphit. Bei oxidierenden Atmosphären oder geringeren Ansprüchen bezüglich der Heizleistung kann das Heizelement aus Siliziumkarbid bestehen. Eine reflektierende zylindrische Abschirmung aus hitzebeständigem Material umschließt den Sockel und das Heizelement derart, daß eine Wärmekonvektion möglich ist, um Wärme von dem Heizelement zu dem auf dem Herd angeordneten Werkstück zu übertragen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen verkürzten Axialschnitt einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ofens;

Fig. 2 einen Querschnitt des Ofens nach Fig. 1;

Fig. 3 einen verkürzten Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 einen Querschnitt der Ausführungsform nach Fig. 3>

Fig. 5 einen Axialschnitt einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 6 einen Querschnitt der Ausführungsform nach Fig. 5; und

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Fig. 7 eine Schrägansicht des Sockels und der Heizelemente der Ausfuhrungsform nach Fig. 5.

In Fig. 1 ist ein Druckbehälter 1, 2 dargestellt, der einen Ofen umschließt, zu dem eine Haube 4, eine reflektierende Auskleidung 9 und ein Heizelement 8 gehören. Ein Werkstück 7 stützt sich an einem Herd 6 ab, der von einem langgestreckten Sockel 5 getragen wird.

Genauer gesagt ist in Fig. 1 ein Druckbehälter oder Autoklav mit einer Grundplatte 1 und einem allgemein hutförmigen Hantelteil 2 dargestellt. Der Flansch an der Basis des Mantelteils weist Öffnungen auf, durch die Befestigungseinrichtungen 3 ragen, mittels welcher das Mantelteil an der Grundplatte befestigt ist. Ein O-Ring oder eine Dichtung 21 bewirkt eine druckdichte Abdichtung zwischen der Grundplatte und dem Mantelteil. Die Grundplatte oder die Haube ist mit nicht dargestellten Öffnungen versehen, die an eine Einrichtung angeschlossen sind, mittels welcher der Innenraum des Behälters einem Druck ausgesetzt werden kann, z.B. durch Zuführen einer inerten Atmosphäre. Der Innendruck kann z.B. etwa 1000 bar betragen. Die Wandstärke des Mantelteils 2 richtet sich nach dem vorgesehenen Innendruck und dem Durchmesser des Mantelteils. Das Mantelteil besteht gewöhnlich aus Stahl von hoher Festigkeit.

Gemäß der Erfindung ist auf der Grundplatte 1 ein Sockel 5 angeordnet, der einen Herd 6 trägt, welch letzterer eine ausreichende Festigkeit haben muß, um das Werkstück 7 bei der Betriebstemperatur zu unterstützen. Das Wärmeaufnahmevermögen des Sockels 5 soll möglichst gering sein, damit ein größerer Teil der dem Ofen zugeführten Wärmeenergie zum Erhitzen des Werkstücks zur Verfügung steht, und damit weniger Wärmeenergie zum Aufheizen des SockeHs verbraucht wird. Auf dem oberen Ende des Sockels ist ein Herd 6 angeordnet, der einen größeren

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Durchmesser hat als der Sockel, so daß das Werkstück 7 eine größere Grundfläche haben kann als das obere Ende des Sockels 5.

Zu dem Sockel 5 gehört vorzugsweise ein Fuß 22, der einen Ofenboden 23 etwas oberhalb der Grundplatte 1 unterstützt. Der Fuß 22 und der Ofenboden 23 können aus Kohlenstoffstahl hergestellt sein. An dem Ofenboden 23 stützt sich eine thermisch und elektrisch isolierende Unterstützung 24 ab, die aus einem hitzebeständigen Isoliermaterial oder einem gießbaren Material mit hohem Aluminiumgehalt bestehen kann und einen oberen Abschnitt von kleinerem Durchmesser aufweist, der eine Sockelverlängerung 25 aus Graphit trägt, auf welcher der Herd 6 aus Graphit angeordnet ist. In die isolierende Unterstützung 24 ist ein Verankerungsteil 26 eingebaut, das in einer entsprechenden Öffnung der Sockelverlängerung 25 aus Graphit gleitend geführt ist, um die beiden Teile in Fluchtung miteinander zu halten.

Ein elektrisches Widerstandsheizelement 8 von zylindrischer Form aus Kohlenstoff, Graphit oder Siliziumkarbid umschließt den Sockel 5, ohne ihn zu berühren. Das Heizelement 8 kann als gerader Hohlzylinder ausgebildet und mit sich abwechselnd in entgegengesetzten Richtungen erstreckenden Einschnitten versehen sein, so daß es gemäß Fig. 1 und 2 einen allgemein zickzackförmigen Leitungsweg bildet. Alternativ kann das Heizelement durch einen zylindrischen Käfig gebildet sein, zu dem Stäbe 8· gehören, wobei gemäß Fig. 3 und 4 je zwei benachbarte Stäbe an ihren oberen Enden durch Brückenteile 8'a verbunden sind. Der Sockel 5 ist von leitfähigen Ringen umschlossen; hierzu gehören ein Ring 8'b mit äußeren Zähnen und ein weiterer Ring 8'c mit inneren Zähnen, an denen sich die zylindrischen Stäbe 8' so abstützen, daß sie paarweise mit Strom versorgt werden. Diese Anordnung erweist sich insbesondere dann als vorteilhaft, wenn das Heizelement aus

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Siliziumkarbid besteht.

Gemäß Fig. 1 und 3 ragen elektrische Anschlüsse 27 und 28 durch die Grundplatte 1, damit dem Heizelement ein elektrischer Strom mit einer geeigneten Spannung zugeführt werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind der Ofenboden 23 und die isolierende Unterstützung 24 mit Öffnungen versehen, damit aus Graphit oder Kohlenstoff bestehende Stäbe 29, die in das Heizelement 8 eingeschraubt sind, nach unten in den Raum unterhalb des Ofenbodens ragen können, wo Einrichtungen 30 dazu dienen, die Stäbe jeweils mit einer Klemme 31 zu verbinden, die an eine sich durch die Grundplatte 1 erstrekkende elektrische Leitung angeschlossen ist.

Wie erwähnt, ist das Heizelement 8 in einem Abstand von einer hitzebeständigen reflektierenden Abschirmung 9 umschlossen, deren Hauptaufgabe bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 darin besteht, eine direkte Abstrahlung von Wärme von dem Heizelement nach außen in Richtung auf die Haube 4 zu verhindern.

Gemäß Fig. 1 kann sich die reflektierende Abschirmung aus zwei Elementen zusammensetzen, und zwar aus einem kürzeren Rohr 35 aus Graphit oder keramischem Material, das gegenüber dem Heizelement 8 radial nach außen versetzt ist, und einer hitzebeständigen Abschirmung aus Metall, die z.B. aus der unter der gesetzlich geschützten Bezeichnung "Inconel 601" erhältlichen Legierung besteht und das Werkstück 7 sowie den Sockel 5 umschließt. Gemäß Fig. 1 kann zu der reflektierenden Abschirmung ein Belastungsgewicht gehören, und sie kann aus Graphit oder einem keramischen Material bestehen.

Gemäß Fig. 1 und 2 gehört zu der reflektierenden Abschirmung

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eine dicht verschlossene Haube aus einem hitzebeständigen Metall. Die Zirkulation der Gase findet innerhalb der Haube wegen der Wärmeverluste durch die Seitenwand und die obere Stirnwand der Haube wie folgt statt: Von dem Heizelement 8 aus strömt heißes Gas infolge seiner Auftriebswirkung beschleunigt von unten nach oben längs der Seitenwand der Haube. Während sich das heiße Gas längs der Seitenwand der Haube bewegt, bis es das obere Ende erreicht, wird es abgekühlt, so daß es schwerer wird und nach unten zu dem Heizelement zurückströmt. Diese Zirkulation trägt dazu bei, das Werkstück 7 auf eine gleichmäßige Temperatur zu bringen. Wäre die Haube 9 isoliert, würde das heiße Gas langsam hochsteigen, im oberen Teil der Haube stagnieren und dann nur sehr langsam wieder nach unten strömen. Unter diesen Umständen könnte sich längs des Werkstück ein Temperaturgradient ausbilden.

In Fig. 3 und 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der die Strahlungsabschirmung 9^? aus einem isolierenden feuerfesten Material besteht, z.B. aus leichten isolierenden Ziegeln oder einem feuerfesten Beton. Daher ist es in der aus Fig. 3 ersichtlichen Weise erforderlich, die Abschirmung am oberen und unteren Ende zu entlüften. Gemäß Fig. 3 ist die obere Stirnwand der isolierten Abschirmung mit Öffnungen 45 versehen, die in bestimmten Mittenabständen verteilt sind und einen solchen Querschnitt haben, daß eine ausreichende Gasmenge hindurchströmen kann, um das Werkstück auf einer gleichmäßigen Temperatur zu halten. Rückströmöffnungen 46 am unteren Ende der Haube 9' ermöglichen das Zirkulieren der Gase durch alle Teile der Haube. Ein Vergleich der Abschirmungen nach Fig. 1 und 3 zeigt, daß die Abschirmung dann, wenn sie nicht isoliert ist, auch nicht belüftet wird, und daß beim Vorhandensein einer Isolierung auch eine Belüftung erforderlich ist.

In Fig. 5, 6 und 7 ist eine Ausführungsform der Erfindung dar-

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gestellt, die sich als besonders vorteilhaft erwiesen hat. Der Druckbehälter bzw. der Autoklav 1, 2 und die Haube 4 sind im wesentlichen ebenso ausgebildet, wie es in Fig. 1 und 3 gezeigt ist. Auch der Fuß 22, der Ofenboden 23, die isolierende Unterstützung sowie die durch die Grundplatte 1 ragenden elektrischen Anschlüsse mit den Teilen 27 - 31 sind im wesentlichen in der gleichen Weise ausgebildet.

Im vorliegenden Fall gehört zu dem Sockel ein langgestreckter Hohlzylinder 51 aus Kohlenstoff oder Graphit, der gemäß Fig. 7 mit radial nach außen ragenden plattenförmigen Rippen 52 versehen ist. Zu dem Heizelement gehören fünf hohlzylindrische Elemente 53 aus Kohlenstoff oder Graphit, von denen jedes mit einer eigenen Zuleitung versehen ist, so daß die Stromzufuhr bei jedem Element unabhängig geregelt werden kann. Gemäß Fig. 7 v/eisen die Elemente 53 jeweils sich in entgegengesetzten Richtungen erstreckende, miteinander abwechselnde Schlitze auf, so daß ein gewundener Leitungsweg vorhanden ist. Jedes der zylindrischen Heizelemente 53 ähnelt dem einzigen Heizelement 8, das bei der Ausführungsform nach Fig. 1 und 2 vorhanden ist. Gemäß der Erfindung ist daran gedacht, daß die Stromzufuhr bei sämtlichen Elementen 53 gleichzeitig verstärkt oder abgeschwächt wird, um die Erzeugung von Wärme zu regeln. Nur wenn bei dem elektrischen Anschluß eines Elements oder bei einem Element 53 selbst eine Störung auftritt, würde man für eine unterschiedliche Stromzufuhr sorgen. Eine solche Störung würde es in den meisten Fällen nicht erforderlich machen, die Vorrichtung außer Betrieb zu setzen, denn hierbei würde nur ein Fünftel der möglichen Leistungsaufnahme ausfallen.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5-7 weist der Herd 6 mehrere Öffnungen 61 auf, um es den in der Umgebung der Heizelemente 53 erhitzten, unter Druck stehenden Gasen zu ermöglichenj nach oben zu dem Arbeitsraum oberhalb des Herdes zu strömen«,

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Die Öffnungen 61 sind so dimensioniert und angeordnet, daß die Zufuhr von Wärme zu dem Werkstück 7 durch Strahlung möglichst gering gehalten wird.

Die radial nach außen ragenden plattenförmigen Rippen 52 des Sockels 51 tragen dazu bei, Wärme von den Elementen 53 auf die Gase zu übertragen, da sie durch Strahlung übertragene Wärme aufnehmen und diese Wärme durch Wärmeleitung wieder abgeben. Die aus Kohlenstoff, Graphit oder Siliziumkarbid bestehenden Elemente bieten den Vorteil, daß sie je Flächeneinheit mehr Energie abgeben können als Heizelement aus hitzebeständigem Metall. Daher läßt sich die Vorrichtung schneller aufheizen. Außerdem ist diese Ausführungsform für hohe Werte der Leistungsaufnahme und ein schnelles Aufheizen besonders gut geeignet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 bis 7 ist im Gegensatz zu den Ausführungsformen nach Fig. 1 und 3 keine reflektierende Abschirmung vorhanden, die sich über die ganze Länge des Behälters längs des Sockels und des Arbeitsraums erstreckt. Vielmehr dient ein Rohr 35 aus Graphit, das radial außerhalb der Heizelemente 53 angeordnet ist, dazu, eine direkte Abstrahlung von Wärme von den Heizelementen zu der Haube zu verhindern und den Konvektionsstrom weiterzuleiten. Öffnungen 46 an der Basis des Rohrs 35 ermöglichen das Hindurchtreten von KonvektionsStrömungen. An dem Herd 6 stützt sich ein zylindrischer Korb 65 ab, der aus hitzebeständigem Metalldrahtgeflecht oder dgl. besteht, für Gase relativ undurchlässig ist, und nicht als guter Wärme isolator zur Wirkung kommt. Der Korb 65 ist so eingerichtet, daß er sich gegenüber dem Arbeitsraum heben und senken läßt, wobei sich das Werkstück 7 am Boden 66 des Korbes abstützt, der einen zweiten Herd bildet, welcher von dem Herd 6 durch Klötze 67 getrennt gehalten wird. Wenn sich der Korbboden 66 an den Klötzen 67 abstützt, ist zwischen dem Herd 6 und dem Korbboden 66 ein niedriger runder Raum vor-

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handen, der es den Gasen ermöglicht, Konvektionsströmungen zu bilden, welche sich seitlich an dem Werkstück 7 vorbei nach oben bewegen. Der Korb 65 und das Rohr 35 erfüllen gemeinsam die Aufgabe der Abschirmung 9 nach Fig. 1 und 3, d.h. sie dienen der Abschirmung und der Führung der Gase.

Es wurde ein Autoklav-Ofen ähnlich dem in Fig. 5 bis 7 gezeigten hergestellt, der sämtliche Merkmale der Erfindung aufwies und einen Arbeitsraum mit einer Höhe von etwa 1100 mm und einen Durchmesser von etwa 470 mm hatte. Dieser Ofen wurde mit Thermoelementen versehen, die in dem Arbeitsraum etwa 25 mm oberhalb des Bodens sowie am oberen Ende sowie in im wesentlichen gleichmäßigen Abständen angeordnet waren; diese Thermoelemente tragen im folgenden die Bezeichnungen Ty, T₈, Tq und T₁Q. Weitere fünf Thermoelemente wurden nahe den Heizelementen angeordnet. Da die letzteren Thermoelemente stets die gleiche Temperatur anzeigten, sind sie im folgenden insgesamt mit T^ bezeichnet. Ein mit T,, λ bezeichnetes weiteres Thermoelement wurde kurz außerhalb der Öffnungen 46 angeordnet, Weitere Thermoelemente, auf die im folgenden nicht näher eingegangen wird, waren in der Umgebung des Ofens verteilt.

Die Thermoelemente ermöglichten es, die Gleichmäßigkeit der Arbeitsraumtemperatur während des Aufheizens sowie bei der Haltetemperatur unter verschiedenen Belastungsbedingungen zu ermitteln. In der folgenden Tabelle sind die dem Beharrungszustand entsprechenden Meßwerte für Null-Last, halbe Last (etwa 113 kg) und Vollast (etwa 226 kg) zusammengestellt.

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Thermoelemente, C

Belastungsztis tand

leer

halbvoll
voll

Tr

1278 1227* 1200 1209 1210

1270 1215 1205 1205 1200

1270 1210 1205 1202 1200

14

1102

1080

1130

Leistungsaufnähme

50 - 55 kW 50 - 55 kW 50 - 55 kW

Thermoelement nicht 25 mm über dem Boden, sondern längs des Bodenrandes
angeordnet.

OO OO OO

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Die vorstehende Tabelle zeigt, daß bei den erfindungsgemäßen Autoklav-Öfen nach dem Erreichen des Beharrungszustandes der Arbeitsraum innerhalb von 10 - 2O⁰C eine gleichmäßige Temperatur aufweist. In allen Fällen wurden die Öfen auf einen Innendruck von etwa 1000 bar gebracht»

Die Gleichmäßigkeit der Temperatur während des Aufheizens richtet sich nach der Belastung. Im schwierigsten Fall, d.h. bei Vollast, variierte bei Aufheizgeschwindigkeiten von etwa 300°C/h die Temperaturstreuung in dem Arbeitsraum um bis zu 100⁰C. Diese Temperaturstreuung verringert sich bei der Annäherung an die Haltetemperatur. Während des Aufheizens schwankte die Le is tvings aufnahme zwischen 10OkW und 120 kW.

Das Abkühlen eines mit einem Werkstück beschickten Ofens bereitet erhebliche Schwierigkeiten. Selbst bei niedrigen Abkühlungsgeschwindigkeiten von z.Bο 150°C/h entstehen Temperaturunterschiede von bis zu 300⁰C₀ In diesem Zeitpunkt erweisen sich jedoch Temperaturgradienten im Arbeitsraum bei den meisten Verfahren und Werkstücken als unschädlich. Außerdem tritt der Spitzenwert des Temperatürgradienten erst auf, wenn sich der oberste Teil des Arbeitsraums in einem erheblichen Ausmaß abgekühlt hat, z.B. auf 700⁰C₀

Der Temperaturunterschied zwischen den Thermoelementen T₁^ und T₁, der aus der vorstehenden Tabelle ersichtlich ist, repräsentiert die Antriebskraft, welche die Ausbildung zirkulierender Konvektionsströmungen gewährleistet. Die an den Heizelementen vorbeiströmenden Gase nehmen eine um 100 - 150⁰C höhere Temperatur an. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 spielt sich nach dem Erreichen des Beharrungszustandes ein erheblicher Teil des Temperaturabfalls zwischen dem oberen Ende des Rohrs 35 und den Öffnungen 46 ab. Hierbei wird die Übertragung von Wärme durch die Wand des Rohrs 35 hinreichend eingeschränkt, so daß sich der Temperaturgradient ein-

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stellen kann, der zur Erzeugung von Konvektionsströmungen führt. Das Vorhandensein des kleinen Ringraums zwischen dem oberen Ende des Rohrs 35 und dem Raum, welcher zwischen der Haube 4 einerseits und dem Rohr 35 und dem Korb 65 andererseits vorhanden ist, führt in der Praxis zu einer geringen Steigerung der Temperatur des Gases, das zwischen dem oberen und dem unteren Ende des Korbes durch den Raum zwischen dem Korb und der Haube strömt. Hierauf kann mindestens teilweise die hervorragende Gleichmäßigkeit der Temperatur beruhen, auf der das Werkstück gehalten wird. Zwar ähnelt die Ausführungsform nach Fig. 5 weitgehend derjenigen nach Fig. 3, bei welcher das Hindurchströmen der Gase durch den der Haube benachbarten Raum gefördert wird, doch ist es nicht erforderlich, diesen Raum gegenüber dem Werkstück zu isolieren.

Die isolierende Haube 4 bildet die wichtigste Wärmeisolationseinrichtung, die das Werkstück und das Heizelement vom Mantel des Druckbehälters getrennt hält. Die Haube ist so ausgebildet, daß sie eine möglichst geringe Wärmemenge auf den Behältermantel überträgt, und daß sie nur ein geringes Wärmeaufnahmevermögen aufweist. Zu diesem Zweck läßt sich die Haube in der verschiedensten Weise ausbilden. Beispielsweise zeigt Fig. 1 eine Haube mit einer inneren Verkleidung 40 aus nichtrostendem Stahl und einer äußeren Verkleidung 41 aus Kohlenstoffstahl, zwischen denen eine Wärmeisolierung 42 aus keramischen Fasern angeordnet ist. Bei anderen Haubenkonstruktionen könnte man die innere Verkleidung fortlassen und anstelle des Fasermaterials feuerfeste Isolierziegel verwenden. Sollen optimale Ergebnisse erzielt werden, kann man gemäß Fig. 1 am oberen Ende der Haube 4 eine Wärmeabschirmung 43 anordnen, die eine Abschirmung in axialer Richtung bewirkt. Diese Abschirmung soll aus einem hitzebeständigen Metall bestehen, z.B. aus der schon genannten Legierung Inconel 601. Je weniger Wärmeenergie von der Haube aufgenommen wird, was auch für den Sockel 5 gilt, desto mehr Wärmeenergie steht zur

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Erhöhung der Temperatur des Werkstücks zur Verfügung. Daher soll das Wärinespeichervermögen der Haube möglichst gering gehalten v/erden.

Gemäß der Erfindung ist das bzw. jedes Heizelement vollständig unterhalb des Werkstücks angeordnet, so daß es nicht zu einer Verkleinerung des Raums zwischen dem Werkstück 7 und der Haube 4 beiträgt. Daher ist es möglich, den Durchmesser der Haube und damit auch den Durchmesser des Behältermantels zu verkleinern, woraus sich die weiter oben genannten Vorteile ergeben. Obwohl das bzw. jedes Heizelement vollständig unterhalb des Werkstücks angeordnet ist, hat es sich überraschenderweise gezeigt, daß der Ofen zusammen mit dem darin angeordneten Werkstück bei hohen Temperaturen eine sehr gleichmäßige Temperatur annimmt. Diese Wirkung wird gemäß der Erfindung erzielt, ohne daß es erforderlich ist, mechanische Einrichtungen zu verwenden, um im Innenraum des Ofens Konvektionsströmungen zu erzeugen. Die beschriebenen einfachen Konstruktionen nach der Erfindung ermöglichen es auf eine noch nicht vollständig geklärte Weise, Werkstücke mit Hilfe von Konvektionsströmungen gleichmäßig zu erwärmen, ohne daß von direkter Wärmestrahlung oder Wärmeleitung Gebrauch gemacht wird.

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Leerseite

Claims

ANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zum Herstellen von Verbindungen durch Aufbringen von Gasdruck, zum isostatischen» Heißpressen oder dgl., in der ein Werkstück zur Durchführung einer Behandlung der Wirkung hoher Temperaturen und Drücke ausgesetzt werden kann, wobei die Vorrichtung einen langgestreckten, zylindrischen Druckbehälter aufweist, ferner eine isolierende Haube zum Einschließen des Werkstücks sowie einen Herd zum Unter= stützen des Werkstücks, dadurch gekennzeichnet , daß der Herd (6) auf einem langgestreckten Sockel (5) aus hitzebeständigem Material angeordnet ist, daß ein zylindrisches Heizelement (8) vorhandei/ist, das aus einem Material besteht, welches aus der Kohlenstoff, Graphit und Siliziumkarbid umfassenden Gruppe gewählt worden ist, wobei das Heizelement einen elektrischen Widerstandsweg bildet, daß das Heizelement unterhalb des Herdes so angeordnet ist, daß es den Sockel in einem Abstand umschließt und sich im wesentlichen über die ganze Länge des Sockels erstreckt, daß eine sich um den Sockel und das Heizelement herum erstreckende zylindrische reflektierende Abschirmung (9|> 9⁵) vorhanden ist, und daß der Sockel, das Heizelement und die Abschirmung so ausgebildet und angeordnet sind, daß sich Konvektionsströmungen ausbilden können, um Wärme von dem Heizelement auf ein auf dem Herd angeordnetes Werkstück (7) zu übertragen, wobei die Übertragung von Wärme auf das Werkstück durch Wärmestrahlung auf einem möglichst kleinen Wert gehalten wird_o

2_e Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet₅ daß der Sockel (5) oberhalb der Basis (1) des Druckbehälters durch einen Fuß (22) so unterstützt wirds, daß zwischen dem Sockel und dem Unterbau ein Raum zum Unterbringen elektrischer

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Anschlußteile (27 - 31) vorhanden ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Stäbe (29) aus Kohlenstoff, Graphit oder Siliziumkarbid durch Öffnungen des Sockels (5) und des Fußes (22) ragen, daß diese Stäbe jeweils mit einem Ende in Eingriff mit den zylindrischen Heizelement (8) stehen, und daß die Stäbe an ihren anderen Enden mit den elektrischen Anschluß te ilen verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der reflektierenden Abschirmung ein zylindrisches Rohr (35) aus einem hitzebeständigen keramischen Material gehört, das das Heizelement (8) in einem radialen Abstand umschließt, und daß eine Haube (9) aus hitzebeständigem Metall das Werkstück (7), den Sockel (5) und das Heizelement umschließt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement als Zylinder (8) aus Kohlenstoff oder Graphit ausgebildet ist und axiale Schlitze aufweist, die so angeordnet sind, daß ein gewundener elektrischer Leitungsweg vorhanden ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu der reflektierenden Abschirmung eine isolierende Haube (9^f) gehört, die am oberen Ende mit Belüftungsöffnungen (45) und nahe ihrer Basis mit Belüftungsöffnungen (46) versehen ist«

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement als Käfig aus zylindrischen Stäben (53) ausgebildet ist, die eine den Sockel (51) umschließende kranzförmige Anordnung bilden, daß die Stäbe zu Paaren zusammengefaßt sind, und daß je zwei benachbarte Stäbe durch ein Brückenteil (8'a) verbunden sind, so daß ein zusammenhängender elektrischer Leitungsweg vorhanden ist.

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_ 3 —

8. Vorrichtung zum Herstellen von Verbindungen durch Aufbringen von Gasdruck, zum isostatischen Heißpressen oder dgl,, die es ermöglicht, ein zu behandelndes Werkstück erhöhten Temperaturen und Drücken auszusetzen, wobei zu der Vorrichtung ein langgestreckter zylindrischer Druckbehälter gehört, ferner eine isolierende Haube zum Einschließen des Werkstücks sowie ein Herd zum Unterstützen des Werkstücks, dadurch g e kennzeichnet , daß der Herd (6) auf einem langgestreckten Sockel (5) aus hitzebeständigem Material angeordnet ist, daß ein Heizelement (8) vorhanden ist, das aus einem Material besteht, welches aus der Kohlenstoff, Graphit und Siliziumkarbid umfassenden Gruppe gewählt ist, daß das Heizelement einen elektrischen Widerstandsweg bildet, daß das Heizelement so angeordnet ist, daß es den Sockel unterhalb des Herdes in einem radialen Abstand umschließt und sich im wesentlichen über die ganze Länge des Sockels erstreckt, daß der Sockel und das Heizelement von einer zylindrischen reflektierenden Abschirmung (9) umschlossen sind, und daß der Sockel, das Heizelement und die Abschirmung so ausgebildet und angeordnet sind, daß die Entstehung von Konvektionsströmungen möglich ist, durch die Wärme von dem Heizelement auf ein auf dem Herd angeordnetes Werkstück (7) übertragen wird, wobei die Übertragung von Wärme auf das Werkstück durch Wärmestrahlung möglichst weitgehend verhindert wird.

9. Vorrichtung zum Herstellen von Verbindungen durch Aufbringen von Gasdruck, zum isostatischen Heißpressen od.dgl., die es ermöglicht, ein Werkstück dadurch zu behandeln, daß es erhöhten Temperaturen und Drücken ausgesetzt wird, wobei zu der Vorrichtung ein langgestreckter zylindrischer Druckbehälter gehört, ferner eine isolierende Haube zum Einschliessen des Werkstücks sowie ein das Werkstück untersützender Herd, dadurch gekennzeichnet , daß der Herd (6) auf einem langgestreckten So©kel (51) aus hitzebeständigem Material angeordnet ist, daß mehrere hohlzylindrische Heiz-

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elemente (53) aus Kohlenstoff oder Graphit vorhanden sind, von denen jedes einen gewundenen elektrischen Widerstandsweg bildet, daß die Heizelemente in ümfangsabständen verteilt und in einem Abstand von dem Sockel unter dem Herd angeordnet sind, und sich im wesentlichen über die ganze Länge des Sokkels erstrecken, daß der Sockel und die Heizelemente von einer reflektierenden zylindrischen Abschirmung (-35) umschlossen sind, und daß der Sockel, die Heizelemente und die Abschirmung so ausgebildet und angeordnet sind, daß die Entstellung von Konvektionsströmungen möglich ist, durch welche Wärme von den Heizelementen auf ein auf dem Herd angeordnetes Werkstück (7) übertragen wird, wobei die Übertragung von Wärme auf das Werkstück durch Wärmestrahlung möglichst weitgehend verhindert wird. '

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (51) oberhalb der Basis (1) des Druckbehälters durch einen Fuß (22) so unterstützt ist, daß zwischen dem Sokkel und der Basis ein Raum zum Aufnehmen elektrischer Anschlußteile (27 - 31) vorhanden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß Stäbe (29) aus Kohlenstoff oder Graphit durch öffnungen des Sockels (51) und des Fußes ragen, daß diese Stäbe jeweils mit einem Ende in Eingriff mit den zylindrischen Heizelementen (53) stehen, und daß diesStäbe an ihren anderen Enden mit den elektrischen Anschlußteilen verbunden sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß zu 4er reflektierenden Abschirmung ein zylindrisches Rohr (35) aus einem hitzebeständigen keramischen Material gehört, das eine Wärmeisolation gegenüber den Heizelementen (53) radial nach außen bewirkt, und daß auf dem Herd (6) ein Korb (65) aus hitzebeständigem Metall angeordnet ist, der das Werkstück (7) oberhalb des Herdes umschließt.

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13. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (5Ό eine zylindrische Form hat und mit radial nach außen ragenden plattenförmigen Rippen (52) versehen ist.

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