DE1442550A1

DE1442550A1 - Vorrichtung zur Waermebehandlung eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE1442550A1
Application number: DE19621442550
Authority: DE
Inventors: Jung Charles H; Bennett Charles R
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 1961-11-15
Filing date: 1962-11-14
Publication date: 1970-02-26
Also published as: BE624740A; GB985247A; US3197328A

Description

Vorriehtung pur Wärmebehandlung eines Gegenstandes Di. Erfindung besicht sich auf ein. Vorrichtung, in der ein Gegenstand iner Wärmebehandlung unterzogen wird, und zwar entwede nur dieser Behandlung oder zugleicht auch noth einer anderen Behandlung, indes er in ein Bett aus kleinen Teilchen bestehenden strömungsfähig gemachten Material eingetaucht wird.
Mine soclche Vorrichtung weist in allgemeinen einen Behälter auf, der einen Kammer bildet, in der du mogenannte "Wirkbelbett' erwe@gt wird. Bin Wirbelbett entsteht dadurch, dass den festen Teilehen einer Masse eine Relativbewegund erteilt wird, dureh die sie in einen Zustand gelangt, in des sie sich wie ein strö-@@@den Medium oder eine Flüssigkeit verhält. Monmalerwes wird dieser @@wstand sit Hilfe einem Gestromm erreicht, der in einer selchen Menge und mit einer scleche Geschwindigkeit durch die M@@@ mach oben strömt, dass die Teilchen ins Schweben kommen und i@@@@ eine Relativbewegung erteilt wird, ohne dass sie dabei @@@ @@@ @@@älter herausgeblesen werden. Es ist fermer vorge-@@@@@@@ werden, die Teilchen mit Hilfe mechanischer Vorrichtungen su bewegen. die so in die Masse eingebettet sind, dass sie diese schlagen und auführen können, bis ein strömungsfähiger Wirbelzustand erreicht ist.
Die Erfindung bezweckt eine verbesserte Vorrichtung zur Erzeugung eines solchen Wirbelbettes, d.h. seines strömungsfähigen Zustandes ZU schaffen, und diesen insbesondere durch eine neue lit seiner Herstellung möglich zu machen, eine vollständige Kontrolle über die l@@ere Atmosphäre des das Bett enthaltenden Behältern aufrecht zu erhalten und gewünschtenfalls in der das Bett enthaltenden Kammer Über-oder Unterdruckbedingungen herzustellen.
Weiter sollem mit Hilfe der erfindungsgemässen Vorrichtung die Betriebskosten für eine solche Einrichtung gesenkt und insbesondere auch di. ftr die entsprechendne Arbeitsgänge, zum Beispiel für das Metall-Diffusionsbeschichten, unter Verwendung einen Wirbelbetts, benötigten Stoffmengen Terringert werden, und zwar sowohl der inertem als auch der reaktionsfähigen Stoffe. ferner bezweckt die Erfindung eine Vorrichtung der g@@@nnten Art zu schaffen, bei der grössere Veränderungen in der Dichte der strömungsfähigen Phase vorgenommen woerden können und dadurch auch grössere Veränderungen der Teilchengrö@@@ des Betts möglich gemacht weren.
Ausserdem erstrebt die Erfindung eine Wirbelbettvorrichtung, bei der eine bessere Kontrolle der Wärmeübertragung auf das Ma terial des Bettes und des Wärmeverlustes der Einrichtung autrechterhalten werde kann.
Schliesslich uofl die erfindungsgemässe Vorrichtung auch vielseitiger und zuverlässiger arbeiten als die bekannten Einrichtungen und eine für Reaktionen oder Stoffumsetzungen, wie sus Beispiel für das oben erwähnte Metall-Diffusionsbeschiuchte: geeignet. Anlage bilden, wobei der Vorgang in einer Staichen reaktionsfähigen Atmsphäre stattfindet und das Beschichtm@gsmetall oder ein sonstiger Reationsteilnehmer erneut in der Einrichtung verwendet werden kann.
Diese und weitere Ziele werden erfindungsgemäss nun dadurch erreicht, dass du Bett aus zerkleicnertes Material auf einen in der Kammer befindlichen Träger aufgelegt wird, der von einer Vibrationvorrichtung in Schwingung versetzt wird, wobei die Vibration sit einer solchen amplitude und Frequenz erfolgt, dass die Teilchen des Bettes in strömenden bzw. wirbelnden Zustand gelangen. Der als Auflage dienende Träger kann aus einer Fläche der Kammerwandung bestehen, wobei die Vibrationsvorrichtung den Teil des Behälters in Schwingung versetzt, der die Fläche bildet. Weiter kann, wie noch is einzelnen beschrieben wird, auch der ganze Behälter in Schwingung versetzt werden, wobei dann di. vibrationsvorrichtung entsprechend angeordnet und betätigt wird. Stattdessen kann der die Auflage bildende Träger auch aus einen flexibel gelagerten Tragglied bestehen, das in die Kammer hineinragt, wobei dann lediglich da Tragglied von der Vibrationevorrichtung in Schwingung versetzt werden muss. frn beiden Fällen ist es möglich, die Vibrationsvorrichtung innerha1 oder ausserhalb der Kammer anzurodmen; im ersten Fall wird sie jedoch vorzugswies ausserhalb des Behälter und im zweiten Fall vorzugsweise innerhalb der Kmamer angebracht.
Bei den üblichen Vorrichtungen und Systemen wird ein kontinuierlicher Gasstrom dazu verwende,t um die Wirbelbewegung des Bettes su erzeugen. Pur gewöhnlich wird hierbei ein inertes Gas wie Argon verwendet, das mit einem für das Jeweilige Behandlungsverfahren geeigneten rekationsfähigen Gas gemiseht wird. Selbstverständlich werden in einem solchen System grosse Mengfen an Gas oder Gasen benötigt, um das Bett in dem Wirbelzustand zu halten, und zwar insbesondere, wenn lange shandlungszeiten erforderlich sind oder die Einrichtung ein grosses Fasungsvermögen bzw. grosse Ausmasse hat. Nicht nur der Betrieb solcher Systems ist kostspielig, und zwar selbst dann, wenn die Einrichtung Mit einer Anlage zum Rückführen des Gases oder der Gase verschen ist, sondern es werden bei diesen Systemen auch Verunreinigungen in die Behandlungszone eingeführt und verursachen erhebliche Wärmeverluste und schlechte Wärmeausnutzung, gana abgesehen von den Schwierigkeiten, die die Aufrechterhaltung einer kontinuierlichen Strömung grosser Gasmmengen durch ein solches System hindurch itt sich bringt. Ausserdem kann man bei einer so@chen Vorrichtung Druck und temperatur nur auf eine durchschnittliche Höhe ihrer Wirksamkeit einstellen. Da nuF aber diese Systeme wegen des kontinuierlichen Durchrtrön+nr von Gas offen sind, besteht keine Möglichkeit nur Änderung des Druckes in der da Bett enthaltenden Kammer, so dass diese Systeme tatsächlich nur itt normalem oder nahezu normalem atmosphärischen luftdruck arbeiten können.
Dagegen kann die erfindungsgemässe Torriehtung vollständig geschlossen und gegen die Aussenluft abgeschlossen sein unb mit einer statischen reaktionsfähigen Ltnosphäre arbeiten.
Hierbei ist eine genaue Kontrolle der veränderlichen Grössen, Druck, TEmperatur, Zeit und chemischen Zusammensetzung der Innenatmosphäre, des Werkstücke oder des Erzes möglich, und di. Einstellung der atmpsphärischen Bedingungen kann mit dem gleicehn Bereich vom Veränderungmmägl@chkeiten wie bei anderen geschleszenes System vorgenommen werden. Der Innendruck kann erhöht oder gesenkt werden, wodurch sich die kritischen Disezitionzdrücke der verschiedenen Elsmente and ihrer Verbindungen vorteilhaft ausnutzen l@@@@en. Deim ist besondere für das Intfernen der Oxyde von verschiedenen Ermen von bedeutung. Die Teile können schnell auf die Reaktion temperatur erhitzt und schnell wieder aus der Vorrichtung herausgenommen werden. Die in die Behandlungszone eingeführte Gas-oder Daipfienge kann auf die fur die elgentliche chemische Reaktion erforderliche Menge beschränkt und bei späteren Arbeitsgängen wieder verwendet werden. In der erfindungsgemässem geschlossenen Vorrichtung kann entweder eine dichte in der Phass- d.h. eine Phase, die Teilchen des Bettes nur Brseugung des Wirbelzustandes nur innerhalb der üblichen Grenzen auseinandergetrieben werden - oder eine verdünnten Phase - d.h. eine Phase, in der die sich bewegendne Teilchen des Bettes zu einer stark wirbelnden 'Wolke' auseinandergetrieben werden - verwendet werden. Demgemäss können auch verschiedene Teilchengrpssen des Bettmzterils verwendet werden.
Einer der wesentlichsten Vorteile der erfindungsgemässen Borrichtung liegt darin, dass die Arbeitzgänge, zum Beispiel eine Wärmebehandlung, im Vakuum durchgeführt werden können. Die üblichen Vakuumöfen arbeiten mit Strahlungswärmeübertragung, um das Werkstück auf die gewünschte Temperatur zu bringen.
Eine wesentliche Übertragung von Wärmestrahlung erfolgt Jedoch nur bei Temperaturen über etwa 650 bis 705° Og bei niedrigere Temperaturen sind Vakuumöfen wenig g@@gnet. Bei einer Vorrichtung, bei der die Bett-telichen in erfindengegemässer Weise in Schwingung versetzt werden, kann die Vorrichtung dicht verschlossen und unter Vakuum gebracht werden, wobei dann die wirbelnden Teilchen, wie bei jedem Wirbelbett, als Träger für die Wärmeübertragung dienen. Tatscächlich sind die Teilchen sogar noch wirksamer, da die gasförmige Phase fehlt, die sonst die eins einen Teilchen voneinander isoliert. Eine solch. Vorrichtung kann nicht nur zur Erhöhung der Temperatur einer Werkstücke, sondern auch dauz verwendet werden, du Werkstück Wärme abgeben zu lassen. So kann eine solche Vorrichtung insbesondere auch als Abschreck-oder Härtebad für das Werkstück verwendet werden, zu Beispiel wenn zwei Wirbelbetteinrichtungen miteinander verbunden sind und unter Vakuum betrieben werden, wobei die ein. als Vakuumofen und die andere als Abschreck-oder Uärtebad dient. Da keine gasföritge Phase in der Wirbelbett-Kammer vorhanden, ist, werden die Teilchen auch nicht von der Vakuumvorrichtung aus der Kammer herausgeogen, vorausgesetzt, dass Amplitude und Frequenz der Vibrtionsvorrichtung so gewählt sind, daß die Teilchen nicht in die Vakuuumöffnung 'geworfen' werden. leiters Einzelheiten der erfindungsgemässen Vorrichtung ergebex: mich as der nachsteheden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen, und zwar zeigt beispielswies hier eine Ausführungsform: Pig. 1 eine erfindungsgemä@@@ Wirbelbett-Vorrichtung mit einer Fläche, die einen Träger als Auflage für das Bett bildet und so gelagert ist, das sie von einer Vibrationsvorrichtung in Schwinguhg versetzt werden kann, und Fig. 2 den unteren Teil einer erfindungagemässen Wirbelbett-Vorrichtung, bei der der Träger für das Wirbelbett mit elastischen bzw. flexiblen Mitteln in der Wirbelbettkammer angebracht ist, in der sich auch die Vibrationavorrichtung befindet.
Die Vorrichtung weist einen Behälter 1 auf, der eine Kammer 3 nit einer Trägerfläche 5 (im Falle der Ausführungsform der Fig. 1) bzw. einer tragenden Auflage 7 (im Falle der Ausführungsform der Fig. 2) bildet, auf der das Bett 9 aus kleinen Teilchen aufliegt. Die Vibrations vorrichtung 13 bzw. 13' ist mit dem Behälter 1 bzw. der Auflage 7 der einen bzw. der anderen Ausführungsform verbunden. Die Vibratlonßbeuegung dieser Vorrichtungen wird dazu benutzt, um die kleinen Teilchen in einen strömungsfähigen Zustand su versätzen. Diese Vorrichtung kann aus einem bekannten elektromagnetischen Vibrator oder einer anderen Vibrationsvorrichtung bestehen, die die erforderliche Amplitude und Frequenz erzeugen kann.
Das zerkleinerte Material aus kleinen Teilchen kann bestehen und besteht für gewöhnlich aug feuerfestem Material mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel Siliciumcarbid, Tonerde, zeritossenen Oliven, Zirkonoxyd, gemahlenen Ione-Schamotte (Ione grog) oder gebrannten Ton, weissen Kiesselerde-Sand. Im stabilen strömungsfähig gemachten Zustand befindet sich das Bett aus einen solchen Material in seiner sogenannten dichten Phase, und die Masse wird leicht aufgerührt bzw. in Wirbelbewegung gehalten und verhält sich ähnlich wie ein flüssiges Medium. In der sogenannten verdünnten Phase wird die Masse stärker durchgewirbelt und neigt zur Bildung einer wirbelnden Wolke, die in die Zone D der Kammer aufsteigt. In jedem Fall bringt die Berührung zwischen den Oberflächen der sich willkürlich bewegenden Teilchen einen hohen Grad von Gleichmässigkeit der Temperatur in der Raktionszone mit sich und bietet die idealen Bedingungen für ein Erhitzen auf niedrige oder hohe Temperatur oder für eine rasche Abkühlung. Ausserdem kann durch Einführen eines reatkionsfähigen Gases und/oder Dampfes durch die Leitung 15 in die Kammer, und zwar entweder eines Gases allein oder einer Mischung mit einem inerten Medium, die Kammer mit einer Reaktionen bewirkenden Atmosphäre gefüllt werden, die sich für eins Oberflächenbehandlung oder eine Stoffumsetzung eignet oder hestimmt ist.

atattde8sen

e"§ kann

die Kammer durch eine Vakuumleitung 17 evakuiert werden, die zusammen mit einer Reinigungsgas zuführendne Leitung 19 in Betrieb gesetzt wird. Die Leitungen 17 und 19 können auch susasiengelegt wer. den. Alle Leitungen sind, zumindest bei der Ausführungsform nach Figur 1, aber ein flexibles Verbindungastiick 20 angeschlossen, damit der Behälter zeine Vibrationsbeweungen ausführen kann.
Wärme kann entweder von aussen oder von innen zugeführt werden. Bin heizelement 21 in Form eines elektrischen Wideratandßgltters ist zum Beispiel wie bei Figur 2 schematisch gezeigt aussen am Behälter 1 angebracht.
Das Werkstück W wird in die erhitzte Kammer 3 auf dem Weg über eine Beschickungskammer 23 eingebracht, in der sich ein Kran oder Hebezeug 25 befindet, mit dem das Werkstück in die untere Reaktionskammer abgesenkt wird, Wenn das Werkstück in der richtigen weise in der Reaktionekammer hängt, wird die Kammer geschlossen und mit einer Verschlußvorrichtung oder Schliessplatte 27 dicht abgeschlossen; die Herstellung des strömungsfähigen Zustandes wird dann begonnen und etwaige Reatkionstellnehmer werden zugeführt, sobald das Werkstück die gewilnschte Temperatur erreicht hat.
Die Beschickung skammer weist ferner einen Türverschluss 29, einen Gleitveschluse 31, Kühlschlangen 33 und Reinigungeleitungen 35 und 37 auf.
Bei einem Vesuch zur Messung der Gleichmässigkeit der Temim peratur in der Wirbelbett-Kammer wurde ein Querschnitt 45 x 66 ca grosses Bett nit einem Magnetvibrat@onstisch verschraubt. Die Kammer wurde 50 cm hoch mit Olivinsand der Körnung 34-64 Maschen per/cm DIN (80-150 mesh) gefüllt @@ 15 bi. 20 Schwindungen je Sekunde bei einer Beschleunigung von 3 bis 5g ausgesezt. Die Wärme wurde mittels acht T-5-Lampen (alle mit einer Quarzröhre und einem Woframfaden), der mit einer Temperatur von 1815 bis 192700 betrieben wird) zugeführt, die unabhänging vom Vibrationstisch und 3,7 cm von der äusseren Wandung der Einrichtung entfernt angebracht wurden. Die Gleichmässigkeit der Temperatur betrug bei 1500C +1°C bzw. Q 2°F.
Bei einen zweiten Versuch wurden etwa 10 cm Olivinsand mit einer Kprnung bis su 82 Maschen per/cm DIN Überkorn (-200 ne eh) mit 30 Schinungen je Sekunde bie 2,5 G Beschleunigung bewegt. Die Gleichmässigkeit der Temperatur bei 1500 betrug ebenfalls t 100 bzw. # 2°F.

Claims

Patentansprüche X 1. Vorrichtung zur Wärmebehandlung ein Gegenstandes in einem aus kleinen Teilchen bestehenden, innerhalb einer Behandlungskaxner eines Behälters erzeugten Wirbelbett, dadurch gekennzeichnet, daß eine als Auflage für die Teilschon des Bett (9) dienende Trägerfläche (5 bzw. 7), die in der Behandlungskammer (3) vorgesehen ist, alt einer Vibrationsvorrichtung (13,13') verbunden ist, die die Trägerfläche mit einer solchen amplitude und Frequenz in Schwingungen versetzt. daß die Teilchen des Betts durch Erteilung genügender kinetischer Energie Relativbewegungen ausführen, und ein Wirbelbett um dem zur Behandlung in das Bett eingetauchten Gegenstand (W) herum bilden.
2. Torrichtung naoh Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung (27 oder 31) zum Abschliesen der Behandlungskammer (3) gegen die Atmosphäe.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, geknennziehcnet durch eine Vorrichtung (17) zum Evakuieren der Behndlungkkemmaer (3).
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsvorrichtung (13,13') mit dem Behälter (1) so verbunden ist, daß dieser selbst in Schwingungen rsetzt wird, und daX die Trägeflnche (5) mit dem Behälter (1) verbunden ist und zusmmane mit diesem ia Schwingungen versetzbar ist.
5. Vorrichtung naoh Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfläche (5) einen Teil der Behälter (1) bzw. der Behälterwand bildet.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (1) auf der Vibrationsvorrichtung (13) aufliegt.
7. Verrichtung nach Anspruch S, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsvorrichtung (13) mit dem in Schwingungen versetzbaren Teil des Behälters (1) verbunden ist.
8. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1-3, dadurch gekennaus zeichnet, daß die Trägerfläche (7) einem besonderen, biegsam oder elastisch in der Behandlungskammer (3) gelagerten Teil 7 besteht.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vibrationsvorrichtung (t3') in der Behandlungskammer angeordnet und mit der biegsam gelagerten Trägerfläche (7) verbunden ist. L e e r s e i t e