DE69200933T2

DE69200933T2 - Kühlvorrichtung und Kühlverfahren von einer HIP-Anlage.

Info

Publication number: DE69200933T2
Application number: DE69200933T
Authority: DE
Inventors: Takahiko Ishii; Tomomitsu Nakai
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1991-03-04
Filing date: 1992-03-04
Publication date: 1995-05-11
Anticipated expiration: 2012-03-05
Also published as: US5251880A; JPH04110396U; JPH0754799Y2; DE69200933D1; EP0502704B1; EP0502704A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kühlvorrichtung und Kühlverfahren für eine Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung (HTP).
Einer der Nachteile des HIP-Prozesses ist die lange Kreislaufzeit. Ein Weg, die Kreislaufzeit zu verringern, ist, die Kühlzeit nach dem Erhitzen so schnell wie möglich zu verkürzen. Dies wird üblicherweise durch eine schnelle Kühlung des für die Erwärmung verwendeten heißen Gases durchgeführt. Das herkömmliche Kühlverfahren schließt einen Auslaß des heißen Gases durch ein oben bei einem Wärmeisolator gebildetes Lüftungsloch aus dem wärmeisolierten Ofen, eine Einführung des ausgelassenen heißen Gases in eine Hochdruckkammer und die Herstellung einer Zirkulation in derselben infolge erzwungener oder natürlicher Konvektion ein, so daß das heiße Gas einem Wärmeaustausch mit dem Hochdruckkessel und dem Oberverschluß unterworfen ist.
Eine Kühlvorrichtung für dieses Verfahren ist in dem japanischen offengelegten Gebrauchsmuster Nr. 123999/1988 gezeigt. Diese Vorrichtung hat einen Rührventilator für die gleichmäßige Kühlung in dem Ofen und einen inneren Bodenverschluß, der zusammen mit einem darauf angeordneten bearbeiteten Werkstück nach unten entfernt werden kann, wobei die Heizeinrichtung in dem Kessel verbleibt.
Diese Anordnung erleichert die Handhabung des Werkstückes.
Ein Nachteil dieser aus dem Stand der Technik bekannten Technologie ist, daß, um heißes Gas auszulassen, das Ventil aufgrund thermisch bedingter Verformung beschädigt wird, weil es an das Obere des Wärmeisolators angebracht und daher heißem Gas ausgesetzt ist. Ein weiterer Nachteil ist, daß der Wärmeisolator durch die während der Betätigung des Ventils aufgetragene Axialkraft verformt wird, weil die Axialkraft des Stellglieds auf den Wärmeisolator übertragen wird.
Eine Vorrichtung, mit deren Hilfe diese Nachteile beseitigt werden, ist in dem japanischen offengelegten Patent Nr. 87032/1984 gezeigt. Diese Vorrichtung hat einen Dämpfungsring, welcher an dem unteren Teil des Ofens angebracht ist, um die Auswirkung von heißem Gases zu vermeiden. Ein Nachteil dieser Vorrichtung ist, daß der Dämpfer (einschließlich dem Stellglied) einen großen Raum einnimmt, welcher es notwendig macht, den Durchmesser des Kessels zu erhöhen. Dieser Nachteil wiegt in dem Falle wirtschaftlich schwer, daß eine für hohen Druck ausgelegte HIP-Vorrichtung 100 MPa überschreitet.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Kühlvorrichtung für die HIP-Anlage zu schaffen, welche so ausgelegt ist, daß das Ventil und sein Stellglied vor Verformung durch heißes Gas geschützt ist und ohne nachteilige Wirkung auf den Mechanismus, der das Werkstück durch den Boden auslädt und ohne den Bedarf, den Durchmesser des Kessels zu erhöhen, untergebracht sind.
Eine Kühlvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist für eine HIP-Anlage ausgelegt. Die HIP-Anlage hat eine Hochdruckkammer, welche mit Hilfe des Hochdruckkessels, eines Oberverschlusses und eines Bodenverschlusses (, welcher aus einemm inneren Bodenverschluß und einem äußeren Bodenverschluß besteht,) gebildet ist. In der Hochdruckkammer ist ein Isoliermantel untergebracht, welcher mit einer Heizeinrichtung an dessen Innenseite vorgesehen ist. In dem Isoliermantel ist ein Ofen untergebracht, in welchem ein Werkstück einen HIP-prozeß durchläuft, und zwar mit einem gasförmigen Druckmittel. Nach Beendigung des HIP-Prozesses wird das heiße Gas durch ein im oberen Teil des Ofens gebildetes Lüftungsloch ausgelassen. Das ausgelassene heiße Gas wird in den außerhalb des Ofens befindlichen Durchlaß eingeführt und anschließend über ein im unteren Teil des Ofens gebildetes Lüftungsloch zurückgeführt. Gleichzeitig wird das heiße Gas vorzugsweise im Ofen gerührt. Somit wird das heiße Gas gekühlt, während es wie vorstehend erwähnt zirkuliert und gekühlt wird.
Die Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das vorstehend erwähnte untere Lüftungsloch in radialer Richtung in einem an dem inneren Bodenverschluß befestigten Stütz-Zylinder gebildet und mit einem Ventil vorgesehen ist, welches vorgespannt ist, um das Lüftungsloch zu schließen, und mit Hilfe eines Stellgliedes geöffnet wird, welches auf dem äußeren, von dem inneren Bodenverschluß lösbaren Bodenverschluß montiert ist.
Die Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung wirkt nach dem HIP-Prozeß wie nachstehend beschrieben, welcher eine Druckbeaufschlagung des gasförmigen Druckmittels und ein Erwärmen eines Werkstückes mittels der Heizeinrichtung in dem Ofen einschließt. Ist die Heizeinrichtung ausgeschaltet, so öffnet das Stellglied das Ventil, so daß das Gas über ein oberes Lüftungsloch im oberen Teil des Ofens, einem Durchlaß zwischen der Hochdruckkammer und dem Isoliermantel und dem unteren Lüftungsloch zirkuliert. Während der Zirkulation kühlt das Gas aufgrund des Wärmeaustausches schnell ab. Ist eine gleichmäßige Kühlung im Ofen notwendig, so wird ein Rührventilator verwendet, um eine erzwungene Gasströmung im Ofen zu bewirken.
Während des HIP-Prozesses und der Gaskühlung wird der untere Teil des Hochdruckkessels bei vergleichsweise niedriger Temperatur gehalten, so daß das Stellglied kaum für Verformung anfällig ist. Zusätzlich trägt das Stellglied während des HIP-Prozesses keine Axialkraft auf den Isoliermantel auf, um diesen zu verformen. Außerdem ist das Stellglied vom Ventil getrennt, jedoch an dem äußeren Bodenverschluß befestigt. Dies erlaubt, daß das Hochleistungsstellglied eingebaut wird, ohne daß eine Erhöhung des Durchmessers des Kessels (Hochdruckkessels) nötig ist und ohne daß überdies die Bodenentladestruktur aufgegeben werden muß.
Die folgende Beschreibung läßt die Erfindung leichter verständlich und verschiedene weitere Aspekte und Merkmale der Erfindung offensichtlich werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 eine vertikale Schnittansicht einer HIP-Anlage, welche mit einer gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Kühlvorrichtung vorgesehen ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Schnittansicht eines Teils der Anlage aus Fig. 1; und
Fig. 3 eine senkrechte Schnittansicht der HIP-Anlage, welche mit einer alternativen vergleichbaren Gestaltung einer Kühlvorrichtung gemäß der Erfindung vorgesehen ist.
Gemäß Fig. 1 und 3 hat eine Gesamtstruktur der HIP-Anlage einen Hochdruckkessel 1 mit einem Oberverschluß 2 und einem Bodenverschluß 3, welche jeweils hermetisch in die Boden- und Oberöffnungen des Hochdruckkessels 1 eingepaßt sind. Der Hochdruckkessel 1 und die Ober- und Bodenverschlüsse 2, 3 schaffen eine Hochdruckkammer 4. Der Bodenverschluß 3 besteht aus einem an das untere Ende des Hochdruckkessels 1 befestigten kreisförmigen inneren Bodenverschluß 3A und einem lösbar in die Öffnung des inneren Bodenverschlusses 3A eingepaßten äußeren Bodenverschluß 3B.
In der Hochdruckkammer 4 ist ein Kühlkörper 6 und ein Isoliermantel 8 untergebracht. Der Kühlkörper 6 ist an dem oberverschluß 2 angebracht, wobei zwischen den beiden ein Durchlaß 5 angeordnet ist. Der Isoliermantel 8 hat die Form eines umgekehrten Glas-Bechers, auf seiner Innenseite eine Heizeinrichtung 7 und in seinem Oberteil ein Lüftungsloch 9. Der Isoliermantel 8 definiert einen Ofen 10, in welchem ein Untersatz 13 und ein Halter 16 für ein Werkstück 15 angeordnet ist. Der Untersatz 13 wird mit Hilfe eines unteren Rahmens 11 getragen, welcher auf dem äußeren Bodenverschluß 3B steht. Der Untersatz 13 hat ebenfalls eine Öffnung, in welcher ein Rührmotor 12 angeordnet ist. Der Halter 16 wird mittels einem Zylinder 14 und einem auf dem Untersatz 13 stehenden Unterrahmen 14A getragen. Auf dem Halter 16 steht ein das Werkstück 15 umgebender Führungszylinder 17.
Der Untersatz 13 ist mit einem unteren Wärmeisolator 18 vorgesehen, durch welchen eine Motorwelle für den Rührventilator 19 verläuft. Der Isoliermantel 8 wird mittels einem auf dem inneren Bodenverschluß 3 stehenden Stütz- Zylinder 20 getragen.
Die vorstehende Konstruktion erlaubt dem Werkstück 15 in vertikaler Richtung in den Ofen 10 geladen und von diesem entladen zu werden, wobei der äußere Bodenverschluß 3B an der HIP-Anlage angebracht und von derselben abgenommen wird. Der äußere Bodenverschluß 3B bewegt sich zusammen mit dem Führungszylinder 17, dem Rührmotor 12, etc., wobei die Heizeinrichtung 7 und der Isolationsmantel 8 an Ort und Stelle verbleiben.
Während des HIP-Prozesses werden der Oberverschluß 2 und der Bodenverschluß 3 durch eine Axialkraft zusammengepresst, was mit Hilfe eines abnehmbaren Pressrahmens (nicht gezeigt) unterstützt wird.
Gemäß der Erfindung ist eine in den Fig. 1 und 2 gezeigte Kühlvorrichtung geschaffen.
Bezogen auf Fig. 2 ist ein Ventil 22 gezeigt, welches einen Durchlaß 21 außerhalb vom Ofen mit dem unteren Teil des Ofens 10 verbindet und abtrennt. Der Durchlaß 21 ist zwischen dem Hochdruckkessel 1 und dem Isoliermantel 8 und dem Stütz- Zylinder 20 gebildet. Bei der Anwendung ist eine Vielzahl derartiger Ventile 22 vorzuziehen, welche radial in dem Stütz-Zylinder 20 angeordnet sind (siehe oben).
Jedes Ventil 22 ist ein Tellerventil mit einem Kopf, der mit einem Ventilsitz 24A in oder außer Arbeitsberührung ist, um ein unteres in einem an dem Stütz-Zylinder 20 befestigtes Ventilgehäuse 23 gebildetes Lüftungsloch 24 zu schließen oder zu öffnen. Die Stange des Ventils 22 ist an dem sich gegenüber dem Kopf befindlichen Ende mit einem Führungsflansch vorgesehen, welcher verschiebbar in dem Gehäuse 23 angeordnet ist und eine Anzahl von Durchgangslöcher 25 aufweist. Eine Feder 26 ist um die Stange des Ventils 22 herum gewickelt, um den Ventilkopf gegen den Sitz 24A anzupressen.
Jedes Ventil 22 ist einem Stellglied 28 zugeordnet, welches dem Führungsflansch gegenübersteht und in Radialrichtung an einem an den Unterrahmen 11 angebrachten Träger 27 positioniert ist. Jedes Stellglied 28 öffnet das zugeordnete Venti1 22 mit Hilfe eines motorgetriebenen Zylinders 29, und zwar gegen die Kraft der Feder 26.
Die vorstehend erwähnte Öf fnungs- und Schließeinrichtung (bestehend aus dem Ventil 22 und seinem Stellglied 28) kann durch eine gemäß Fig. 3 an dem Stütz-Zylinder 20 angebrachte elektromagnetisch betriebene Drehvorrichtung 30 ausgetauscht werden. Jedoch hat diese Anordnung den Nachteil, daß die Schließkraft unvermeidbar gering ist. Dies ist bei dem Ausführungsbeispiel aus Fig. 1 und 2 nicht der Fall, bei dem jedes Ventil 22 an dein Stütz-Zylinder 20 angebracht ist, wobei sein Stellglied 28 an dem äußeren Bodenverschluß 3B so angebracht ist, daß Ventil 22 und Stellglied 28 voneinander getrennt sind. Diese Anordnung erlaubt dem Stellglied 28, nach unten entfernt zu werden, und erlaubt zudem das Montieren eines großen, eine größere Wirkkraft erzeugenden Stellglieds.
Der HIP-Prozeß wird auf das in dem Ofen 10 angeordnete Werkstück 15 angewendet, wobei ein gasförmiges Druckmittel in dem Ofen 10 verdichtet und die Heizeinrichtung 7 angeregt wird. Während des HIP-Prozesses werden die Ventile 22 mittels der Federn 26 geschlossen gehalten.
Nach Beendigung des HIP-Prozesses beginnt der Kühlkreislauf auf folgende Weise.
Zuerst werden die motorgetriebenen Zylinder 29 betätigt, um die Stellglieder 28 vorwärts zu bewegen. Jedes Stellglied 28 drückt anschließend das zugeordnete Ventil 22 gegen die Kraft der Feder 26, so daß sich der Ventilkopf von dem Sitz 24A des Ventilgehäuses 23 trennt. Somit sind die unteren Lüftungslöcher 24 geöffnet. Aufgrund der Ventilöffnungen erfolgt ein Zirkulationsstrom A (in Figur 1 durch die Pfeile mit durchgezogener Linie gezeigt) durch das Lüftungsloch 9, den Durchlaß 5, den Durchlaß 21 und den unteren Lüftungslöchern 24. Der Zirkulationsstrom bewirkt, daß das heiße Gas mit dem Kühlkörper 6 in Kontakt tritt, wobei die Innenwand des Hochdruckkessels 1 und das heiße Gas durch Wärmeaustausch gekühlt wird. Gleichzeitig wird der Rührmotor 12 eingeschaltet, so daß der Rührventilator 19 einen erzwungenen Strom an heißem Gas bewirkt (in Figur 1 durch eine gestrichelte Linie gezeigt), um die Temperatur in dem Ofen zu halten. Auf diesem Weg schreitet eine einheitliche Kühlung fort.
Nachdem der Kühlkreislauf vervollständigt ist, werden die Stellglieder 28 zurückgezogen und anschließend nach unten entfernt, während der äußere Bodenverschluß 3B nach unten abgenommen wird, um das HIP-bearbeitete Werkstück 15 auszuladen, wobei die Ventile 22, die Heizeinrichtung 7 und der Isoliermantel 8 an Ort und Stelle verbleiben.
Wie vorstehend erwähnt, erlaubt das Kühlvorrichtung der vorliegenden Erfindung nach dem HIP-Prozeß die schnelle Kühlung des heißen Gases, und zwar mit Hilfe von Zirkulation und Rühren des heißen Gases. Während des Kühlkreislaufes sind die Ventile 22 und die Stellglieder 28 vor hohen Temperaturen geschützt, weil sie am unteren Teil der HIP-Anlage eingebaut sind.
Überdies sind die Stellglieder 28 derart eingebaut, daß sie ihre Arbeitskraft nicht in Axialrichtung auf den Isoliermantel 8 ausüben. Dies schützt den Isoliermantel 8 vor einer Verformung.
Die Ventile 22 sind auf dem, auf dem inneren Bodenverschluß 3A stehenden Stütz-Zylinder 20 eingebaut, wohingegen die Stellglieder 28 am lösbaren äußeren Bodenverschluß 3B eingebaut sind, so daß sie voneinander getrennt sind. Diese Konstruktion erlaubt, daß die Stellgleider 28 zusammen mit dem äußeren Bodenverschluß 3B nach unten entfernt werden, und ermöglicht eine leichtere Handhabung.

Claims

1. Kühlvorrichtung für die Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung der Bauart, welche einen Hochdruckkessel (1), einen in eine obere Öffnung des Hochdruckkessels (1) eingepaßten Oberverschluß (2), einen in eine untere Öffnung des Hochdruckkessels (1) eingepaßten Bodenverschluß (3), wobei der Bodenverschluß (3) aus einem inneren Bodenverschluß (3A) und einem äußeren Bodenverschluß (3B) besteht, welche 20 voneinander lösbar sind, und einen Isoliermantel (8) hat, welcher oberhalb des inneren Bodenverschlusses (3A) eingebaut ist, und zwar mit einer auf dessen Innenseite gelegenen Heizeinrichtung (7), welche einen Ofen (10) bildet, in dem ein Werkstück (15) mittels Gasdruck mit heißem isostatischen Druck beaufschlagt wird, wobei der Isoliermantel (8) in einer mit Hilfe des Hochdruckkessels (1) und der Boden- und Oberverschlüsse (2, 3) gebildeten Hochdruckkammer (4) angeordnet ist, wobei die Kühlvorrichtung ein im oberen Teil des Ofens (10) gebildetes oberes Lüftungsloch (9), einen zwischen der Hochdruckkammer (4) und dem Isoliermantel (8) gebildeten Durchlaß (21), ein in dem unteren Teil des Ofens (10) gebildetes unteres Lüftungsloch (24), ein Ventil (22) für das Öffnen und Schließen des unteren Ventilloches (24) und ein Stellglied (28) für die Betätigung des an dem äußeren Bodenverschluß (3B) eingebauten Ventils aufweist, wodurch Gaszirkulation durch das obere Lüftungsloch (9), den Durchlaß (21), das untere Lüftungsloch (24) und den Ofen (10) nach der Druckbeaufschlagung eine Kühlung des Werkstückes bewirken.

2. Kühlvorrichtung für die Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung gemäß Anspruch 1, mit einer Vielzahl von unteren Lüftungslöchern (24) mit einer Vielzahl von Ventilen (22) und Stellgliedern (28).

3. Kühlvorrichtung für die Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei das oder jedes Stellglied (28) von der motorgetriebenen Zylinder- Bauart ist.

4. Kühlvorrichtung für die Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung gemäß Anspruch 1, 2 oder 3, wobei das oder jedes Ventil (22) in einem zwischen dem Isoliermantel (8) und dem inneren Bodenverschluß (3A) gehaltenen Stütz- Zylinder (20) eingebaut ist.

5. Kühlvorrichtung für die Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung gemäß Anspruch 4, wobei das oder jedes Ventil (22) vorgespannt ist, um das zugehörige untere Lüftungsloch (24) zu schließen.

6. Kühlvorrichtung für die Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung nach Anspruch 5, wobei das oder jedes Ventil aus einem an dem Stütz-Zylinder (20) angebrachten Ventilgehäuse (23), einer zu dem, im Gehäuse (23) ausgebildeten Lüftungsloch (24) führenden Sitzfläche (24A), einem Ventilkopf, der mit dem Sitz (24A) in und außer Arbeitsberührung gebracht werden kann, einer an dem Ventilkopf befestigten Ventilstange, einem an das Ende der Ventilstange angebrachten Führungsflansch mit Durchgangslöchern (25) und einer Feder (26) besteht, um den Ventilkopf gegen den Sitz (24A) anzupressen.

7. Kühlvorrichtung für die Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, welche ferner einen in dem unteren Teil des Ofens (10) eingebauten Rührventilator (19) aufweist.

8. Kühlvorrichtung für die Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, ferner mit einem das Werkstück umgebenden Führungszylinder (17).

9. Kühlvorrichtung für die Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner mit einem Kühlkörper (6), der zwischen dem Oberverschluß (2) und dem Isolationsmantel (8) eingebaut ist, wobei dazwischen ein Durchlaß (5) gebildet ist.

10. Verfahren für die Kühlung eines Werkstückes (15), welches in einem Ofen (10) der Anlage für heiße isostatische Druckbeaufschlagung angeordnet ist, die einen Hochdruckkessel (1), einen in eine obere Öffnung des Hochdruckkessels (1) eingepaßten Oberverschluß (2), einen in eine untere Öffnung des Hochdruckkessels (1) eingepaßten Bodenverschluß (3), wobei der Bodenverschluß (3) aus einem inneren Bodenverschluß (3A) und einem äußeren Bodenverschluß (3B) besteht, und einen Isoliermantel (8), welcher oberhalb des inneren Bodenverschlusses (3A) eingebaut und mit einer auf dessen Innenseite gelegenen Heizeinrichtung (7) vorgesehen ist, wobei der Isoliermantel (8) einen Ofen (10) bildet, ein im oberen Teil des Ofens (10) gebildetes oberes Lüftungsloch (9), einen zwischen dem Hochdruckkessel (1) und dem Isoliermantel (8) gebildeten Durchlaß (21), ein in dem unteren Teil des Ofens (10) gebildetes unteres Lüftungsloch (24), ein Ventil (22) für das Öffnen und Schließen des unteren Ventilloches (24) und ein Stellglied (28) für die Betätigung des an dem äußeren Bodenverschluß (3B) eingebauten Ventils aufweist; wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Anordnung eines Werkstückes (15) in dem mit Hilfe des äußeren Bodenverschlusses (3B) getragenen Ofen (10), Einführen eines Hochdruckgases in den Ofen (10) und Anregen der Heizeinrichtung (7) bei geschlossenem Ventil (22), wodurch das Werkstück einer heißen isostatischen Druckbeaufschlagung des Arbeitsstückes (15) ausgesetzt und das Ventil (22) mit Hilfe des Stellgliedes (28) geöffnet wird, um das Gas durch das obere Lüftungsloch (9), den Durchlaß (21), das untere Lüftungsloch (24) und den Ofen (10) zu zirkulieren, um das Werkstück (15) zu kühlen, wobei das Ventil (22) mit Hilfe des Stellgliedes (28) geschlossen und das bearbeitete Werkstück (15) zusammen mit dem äußeren Bodenverschluß (3B) von dem Ofen (10) ausgeladen wird.

11. Kühlverfahren gemäß Anspruch 10, wobei die erzwungene Gaszirkulation mit Hilfe eines am unteren Teil des Ofens (10) eingebauten Rührventilators (19) stattfindet.