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WO2001020053A1 - Verfahren zur wärmebehandlung von metallischen pressbolzen - Google Patents

Verfahren zur wärmebehandlung von metallischen pressbolzen Download PDF

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WO2001020053A1
WO2001020053A1 PCT/EP2000/008828 EP0008828W WO0120053A1 WO 2001020053 A1 WO2001020053 A1 WO 2001020053A1 EP 0008828 W EP0008828 W EP 0008828W WO 0120053 A1 WO0120053 A1 WO 0120053A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
temperature
cooling
bolt
press
rod section
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2000/008828
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English (en)
French (fr)
Inventor
Carl Kramer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ingenieurgemeinschaft Wsp Prof Dr Ing C Kramer Prof Dr Ing Hj Gerhardt Ms
Original Assignee
Ingenieurgemeinschaft Wsp Prof Dr Ing C Kramer Prof Dr Ing Hj Gerhardt Ms
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE19943354A external-priority patent/DE19943354C1/de
Priority claimed from DE19946998A external-priority patent/DE19946998B4/de
Application filed by Ingenieurgemeinschaft Wsp Prof Dr Ing C Kramer Prof Dr Ing Hj Gerhardt Ms filed Critical Ingenieurgemeinschaft Wsp Prof Dr Ing C Kramer Prof Dr Ing Hj Gerhardt Ms
Priority to AU72861/00A priority Critical patent/AU7286100A/en
Priority to JP2001523420A priority patent/JP2003525347A/ja
Priority to DE50005095T priority patent/DE50005095D1/de
Priority to AT00960638T priority patent/ATE258236T1/de
Priority to EP00960638A priority patent/EP1218562B1/de
Publication of WO2001020053A1 publication Critical patent/WO2001020053A1/de
Priority to NO20021165A priority patent/NO20021165L/no
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Ceased legal-status Critical Current

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    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/62—Quenching devices
    • C21D1/667—Quenching devices for spray quenching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21C—MANUFACTURE OF METAL SHEETS, WIRE, RODS, TUBES, PROFILES OR LIKE SEMI-MANUFACTURED PRODUCTS OTHERWISE THAN BY ROLLING; AUXILIARY OPERATIONS USED IN CONNECTION WITH METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B21J1/00—Preparing metal stock or similar ancillary operations prior, during or post forging, e.g. heating or cooling
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    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C22F1/04—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon
    • C22F1/053—Changing the physical structure of non-ferrous metals or alloys by heat treatment or by hot or cold working of aluminium or alloys based thereon of alloys with zinc as the next major constituent
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    • C21D1/56—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering characterised by the quenching agents
    • C21D1/60—Aqueous agents
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    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/0081—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for slabs; for billets

Definitions

  • the invention relates to methods for the heat treatment of metallic press bolts or - when using a pair of warm shears - rod sections prior to being introduced into the extrusion press and devices for carrying out the method.
  • Cast, homogenized and then cooled blocks are subjected to a heat treatment immediately before being introduced into the pressing device, in which the blocks are reheated, then cooled and fed to the pressing device.
  • the press block which is cast in the usual way, primarily made of an AIMgSi alloy, is first homogenized and cooled after the casting process, in accordance with the prior art. Before pressing, it is heated to a temperature above the solubility temperature of the phases which have been eliminated in the cooling after the homogenization and is kept at this temperature until the phases are dissolved again. After this reheating, during which the block is at a temperature of more than 350 ° C. for a maximum of 20 minutes, the block is rapidly cooled to the pressing temperature, which is lower than the solubility temperature and not more than 510 ° C. With this cooling, the re-excretion of phases is to be prevented.
  • this method is not suitable for use in a heat treatment process that takes place with a highly productive extrusion press before the actual extrusion process.
  • Such a moderately fast cooling is disadvantageous, however, if a temperature profile falling against the pressing direction, a so-called temperature taper, is to be achieved in the block by the cooling before pressing, because with a relatively slow cooling there is also considerable temperature compensation in the longitudinal direction , which makes it difficult or impossible to produce the desired temperature taper with the help of controlled cooling.
  • a temperature taper is, however, a prerequisite for the advantageous isothermal pressing in direct-working extrusion presses.
  • the main purpose of the method described in EP-B1-0 302 623 is to improve the quality of the extruded products while increasing the pressing speed.
  • examples are described in the aforementioned document.
  • This is a method according to the prior art compared with the method according to EP-B1-0 302 623.
  • the surface quality as well as with regard to the strength values, namely RPO 2, RM and elongation, no noticeably positive effect can be determined when this method is used, taking into account the scatter of technical measurement values.
  • This is not surprising, since experience has shown that the most precise temperature control is very important when extruding, in particular light alloys with high productivity. With regard to this temperature control, however, the aforementioned document does not contain any statements as to which temperature accuracy is required or how this accuracy is to be achieved.
  • a device for heating press bolts and rods is described in WO 83/02661. Burners or hot gas jets generated by combustion are applied to the surface of the crop. The exhaust gas is collected with an exhaust gas duct above the heating area and fed to a preheating zone with convective heat transfer. The convective heat transfer takes place by blowing the heat material with slot nozzles arranged on the side, the gas flow for feeding these slot nozzles being circulated with fans in a closed circuit.
  • This device is only conditionally suitable for heating with narrow temperature tolerances at high throughput, since the temperature accuracy, which can be achieved with direct flame exposure, leaves something to be desired even with moderate throughputs.
  • the z. B. works with direct flame exposure to better exploit, a device is described in DE-OS 26 37 646 in which the hot exhaust gas is circulated in convection heating zones before the quick heating part with flame exposure and is inflated with jet jets onto the material before it is blown in the direction of good transport Leaves device through the exhaust stack.
  • the nozzles are slot nozzles arranged on both sides of the material with longitudinal axes of the nozzle openings perpendicular to the product axis.
  • This device also has the arrangement of the convection heating zone in front of the heating zone with direct flame exposure which is unfavorable with regard to the uniformity of the heating.
  • Devices with heating by direct flame exposure do allow quite high heating rates due to the high furnace chamber temperature - for devices for heating light metal alloys by 1000 ° C - but the temperature distribution in the material is very uneven. Particularly with changing crop surfaces, satisfactory temperature uniformity cannot be achieved due to the changing strong radiation influence, even with complex control and regulation technology. If the production process suddenly stops, e.g. B. because of a press or tool problem, it often even melts the heat. In addition, the energy utilization is low and consequently the heating power and energy requirements related to the material throughput are high.
  • US-A 5,027,634 describes a cooling device which consists of at least one cooling ring through which the block is pushed during the cooling process by means of an impact device. By changing the impact speed, the cooling caused by the cooling device over the block length can be influenced.
  • the cooling ring itself has numerous bores with a relatively small diameter, through which the water used as cooling fluid is sprayed onto the block.
  • the cooling ring is open at the top for the passage of the impact device.
  • Disadvantages of this device are, in addition to the complicated control of the block movements and the complex transport mechanism, in particular the small cooling nozzles, which tend to clog, and the uneven cooling effect over the circumference, which is caused by the opening at the top of the cooling ring for passage of the impact device, because in there are no cooling nozzles in this area.
  • this vapor film is different on the underside, on the top and on both sides of the block, where the tangent to the surface is vertical. As a result, it should also be possible to adapt the water supply to these different situations in order to achieve uniform cooling.
  • the device according to US Pat. No. 5,325,694 attempts to simplify the handling of the device and to automate the control by constructing a control loop which links the temperature reduction of the block caused by the cooling with the block feed rate.
  • the additional sensors required make the device not only more complex, but also more prone to failure.
  • US-A 5,337,768 describes a further embodiment of the control of such a device, but which has the same basic disadvantages as the aforementioned US-A 5,325,694.
  • the invention has for its object to provide methods for the heat treatment of metallic press bolts or rod sections before insertion into the extrusion press, and devices for carrying out the method, in which the above-mentioned disadvantages do not occur.
  • methods and devices are to be proposed which enable a very fast and at the same time very precise heat treatment from reheating and cooling. This is achieved by the features of the respective main claims, while expedient variants of these methods and devices are defined by the associated subclaims.
  • This temperature scanner as has long been known as the prior art, is required to compensate for the increasing mechanical energy input from the beginning of the block to the end of the block, which is converted into heat during the pressing process, so that the pressing process can nevertheless proceed isothermally.
  • bolts or rods that is to say blocks, are first heated as quickly as possible to a pressing temperature which is as high as possible and depends on the respective material, the temperature in the block being evenly distributed after this heating with a very low temperature tolerance.
  • Typical is e.g. B. for light metal alloys a temperature tolerance of less than ⁇ 10 K, z. B. ⁇ 5 K for block diameters from 250 mm to 300 mm.
  • the respective profile shape - and the desired starting temperature which is as high as possible for productivity reasons, has the optimum starting temperature on the side of the block facing the tool, and the optimum distribution of this temperature over the length of the block.
  • Typical for the fastest possible cooling is an active cooling time of approx. 30 s, which is followed by a time for temperature compensation by heat conduction, which takes place primarily over the cross-section of the block, which is typically somewhat longer than the active cooling time.
  • the method according to the invention allows the block to be provided with exactly the required temperature or temperature distribution, and this with the necessary low temperature tolerance.
  • the block has a defined higher temperature at the beginning than the pressing temperature, which is distributed as evenly as possible in the remaining block.
  • This is also easily possible with the method according to the invention, since in addition to a uniform temperature distribution, local temperature differences, e.g. B. higher temperature can only be generated at the beginning of the block.
  • Another advantage of the method according to the invention is its suitability for press operation with maximum productivity.
  • cooling time and temperature compensation time are longer than the pressing sequence, the so-called block sequence time, two cooling devices can be operated in parallel, so that regardless of the block sequence time, each block can individually experience the necessary cooling time and compensation time, even if the two time periods in the addition are longer than the block sequence time.
  • the method according to the invention has decisive advantages over the prior art.
  • rapid heating by means of direct flame exposure during the first part of the heating process is combined with convective heating in the final part.
  • convective heating any material overheating, even if the press is interrupted and consequently the block transport stops, can be prevented by suitable selection of the gas temperature.
  • a block with exactly the right press temperature is immediately available.
  • a significant advantage, which relates to the production costs, is the extremely low gas consumption compared to systems according to the prior art, which is achieved by the advantageous use of burners with an integrated exhaust gas recuperator for preheating the combustion air.
  • the use of recuperative burners with integrated combustion air preheating is also a great advantage in terms of control technology, since combustion air preheating and burner operation are clearly linked.
  • the exhaust gas from all the burners is collected, withdrawn at one point - usually the beginning of the flame exposure zone - and fed to a central heat exchanger for preheating the combustion air.
  • the central exhaust gas extraction creates a longitudinal flow in the furnace, which adversely affects the temperature control behavior of the individual zones.
  • recuperative burners with an exhaust gas detector ensures that exhaust gas in the same or almost the same amount as the combustion gas generated is only removed when the respective burner is actually switched on.
  • recuperator burners are operated at a very high flame exit speed. This creates a jet that flushes the block vigorously and ensures an increase in convective heat transfer even without the use of a special flow drive.
  • that in the Existing hot exhaust gas is circulated with the heating device, which in turn increases the convective heat transfer.
  • recuperator burners for heating
  • recuperator burners which operate in flox mode with flameless oxidation at correspondingly high furnace interior temperatures.
  • Flameless oxidation means that gas, exhaust gas and combustion air are mixed in the burner in such a way that no flame is visible and the thermal energy-releasing oxidation takes place in the burner jet to a certain extent. This has decisive advantages for the equalization of the heat transfer on the block surface.
  • recuperator burners some of which are also suitable for Flox operation, are described in DE 34 22 221 4, EP 0 463 218 Bl, EP 0 685 683 Bl and DE 195 41 922 C2.
  • recuperative burners according to the invention leads to a shortening of the required system length in comparison with a system of the same power according to the prior art.
  • the reason for this is that the preheating zone, which is required in systems according to the prior art in order to recuperate at least part of the exhaust gas heat, is eliminated.
  • This shorter overall length with greater performance not only means saving space, but is also advantageous in terms of process technology, since the block column contained in the system is shorter, which considerably simplifies the operation of the system with different alloys.
  • the method according to the invention has the following advantages with regard to heating: 1. Division of the heating into rapid heating by means of direct flame exposure only in the front part of the heating device, whereas at the end of the heating device the heat transfer takes place convectively. As a result, the high heating rate with direct flame exposure is combined with uniform heating without the risk of local overheating with convective heating.
  • the cooling method according to the invention and the device for carrying out this method have further advantages. This is because, as in the prior art, a block is not moved through a cooling ring in the longitudinal direction, but rather the block, held on its end faces, is introduced into a stationary cooling device as a whole.
  • the cooling takes place by means of an annular arrangement of individual nozzles, which are located in a precisely defined, fixed position in relation to the block during the cooling process.
  • the desired cooling effect necessary to achieve the required temperature or temperature distribution is achieved by operating these individual nozzles arranged in rings with different pressures and / or different switch-on times reached.
  • the effort for control and handling is much less than for devices according to the prior art; in addition, the accuracy with regard to the temperature and temperature distribution to be achieved is higher than in known devices and methods.
  • Figure 1 shows the temperature curve for a block over time from the start of rapid heating via the Schroff cooling until it is brought into the press;
  • FIG. 2 shows the arrangement of the individual units for performing the heat treatment according to the invention
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of a device according to the invention for carrying out the rapid heating with sectional views of the device parts arranged one behind the other, the heating being carried out with direct flame exposure according to the prior art;
  • FIG. 4 shows a flow diagram of the system for carrying out the rapid heating, shown schematically in FIG. 3;
  • FIG. 5 shows another embodiment of the zone according to the invention of the device with direct flame exposure using recuperator burners;
  • FIG. 6 advantageous nozzle shapes for high-speed recuperator burners;
  • FIG. 7 shows a typical temperature profile in the individual parts of the heating device and in the material heated with the device
  • Figure8 shows the Schroffabkühlvortechnische in a schematic, simplified cross section
  • FIG. 9 shows a schematically simplified longitudinal view of the rugged cooling device, in which the housing is shown in section;
  • Figure 10 is a diagram with typical cooling curves for the measuring points in the diagram to be cooled in the block.
  • FIG. 1 schematically shows the temperature profile for a block over time from the beginning of the heating to the time it is brought into the press.
  • the block undergoes rapid heating in a maximum of 20 minutes in the area of the device, which in the example of FIG. 1 works with direct flame exposure through recuperator or recuperator Flox burners, so that there is no preheating zone for exhaust gas cooling.
  • the heating is completed in at least one zone with convective heat transfer at a comparatively low overtemperature. This is also where the tempera compensation takes place for a maximum of 3 minutes. Then the transfer to the cooling station takes place. After the active cooling time of maximum 30 seconds, the block goes through a temperature compensation time.
  • FIG. 2 shows schematically how the individual units are arranged for performing the method according to the invention.
  • the press is indicated schematically by reference numerals 2 and 3. 2 denotes the recipient into which the block 1 is inserted and pressed with the press ram 3 during the extrusion process.
  • the extruded profile, or in the case of tools with several outlets, the profiles (not shown) are guided on the press outlet 12.
  • the block 1 is loaded into the press 2, 3 with a block loader 4, which is also only indicated schematically.
  • the heating takes place in the direction of flow 9, first by direct flame exposure in the front part of the heating device 7 and then, for example, in two convection zones 8a and 8b connected in series, the last convection zone 8b in the direction of flow 9 being operated with a lower gas temperature than the front zone 8a.
  • the block arrives in a transverse transport 5 from the heating device 7. The direction of movement is indicated by the arrow 10. From the transverse transport 5, the block is either introduced into the cooling station 6a or into the cooling station 6b and moves in the direction of the movement arrows 11a and 11b. As already mentioned, more than one cooling station makes sense if a system works with high productivity and short block sequence times.
  • the good 1 a column of individual bolts or rods which have already been sawn to length (only indicated in the figure for reasons of simplification), is conveyed via a transport device, e.g. B. as shown in Figure 3, a roller conveyor 20 through the Vorrichmng.
  • a transport device e.g. B. as shown in Figure 3, a roller conveyor 20 through the Vorrichmng.
  • the transport takes place via impact devices outside the device.
  • Other possibilities not shown in the figures, are the transport of the goods 1 through the device by means of a walking beam or a transport chain. It can also be powered Rolls or other transport options known from the prior art can be used.
  • the first part of the device essentially consists of the area of flame exposure.
  • two flame exposure zones 7a, 7b are shown as an example.
  • the separation zone 14 is followed by the first 8a of two convection zones 8a, 8b; the last convection zone 8b in the direction of transport, which primarily applies to temperature compensation, forms the end of the device.
  • the material 1 is heated by the flames generated with burner nozzles 15. To a large extent, the heat is transmitted to the material 1 via radiation from the surrounding furnace space.
  • the exhaust gas from the burners is collected in the input zone 13 and the separation zone 14 and is discharged from the apparatus via exhaust gas lines 16.
  • the convection zones 8a, 8b each have a flow system which contains at least one fan 17, at least one burner 22 for heating the heating gas and nozzles 18 arranged on both sides of the material for blowing, the material for the purpose of convective heat transfer.
  • the nozzles 18 are fed by the fan 17 via a flow channel system 19, see FIG. Fig. 3.
  • the exhaust gas is passed through a heat exchanger 21, with which the combustion air for the gas burners is preheated.
  • Recuperator burners 22 are expediently used for heating in the convection zones 8a, 8b, so that here the exhaust gas cooled by preheating the combustion air exits to the exhaust port of the burner.
  • a particularly advantageous embodiment of the flame exposure zone is shown schematically in FIG.
  • the heating takes place by means of a smaller number of recuperator burners 22 compared to the flame exposure zone shown in FIG. 3.
  • the external heat exchanger 21 for the combustion air preheating is therefore not required in this embodiment.
  • the recuperator burners used can be inexpensively designed as high-speed burners and / or high-speed Flox burners, which automatically switch from normal combustion mode to Flox mode when the corresponding furnace chamber temperature is reached.
  • the high-speed burner jets can act on the material to be heated on a comparatively large area using the Coanda effect with a favorable design of the burner nozzle, as shown in FIG. 5 by the schematic flow arrows 23.
  • the axes of the burners and thus of the flame jets 24 or burner jets during Flox operation can also be inclined against the vertical in order to improve the flow on the surface of the crop.
  • FIG. 6 shows such possible, advantageous examples for the nozzles of high-speed burners.
  • FIG. 6a shows a burner nozzle which deforms the round burner jet into a flat jet;
  • FIG. 6b shows a burner nozzle in which the flat jet has a web in the middle and the two partial jets are correspondingly stronger than in FIG. 6a.
  • FIG. 6c shows a burner nozzle with an outlet cross section of the "dog bone”type;
  • FIG. 6d shows the cross section of a burner nozzle with which the burner jet is deflected from the vertical.
  • FIG. 6e shows a burner nozzle which dissolves the burner jet into several — in the figure in three — individual jets which impinge on the surface of the crop in different directions. This way Achieve heat flow densities of 300 kW / m2 and more even over larger parts of the block surface.
  • FIGS. 8 to 10 An advantageous exemplary embodiment of a cooling device for carrying out the cooling of the block in accordance with the heat treatment method according to the invention is described with reference to FIGS. 8 to 10.
  • the block 1 is surrounded by groups of individual nozzles 25 which are arranged in a ring around the block 1 with a division 26 adapted to the spray pattern of the nozzles.
  • the nozzles 25 of a nozzle group are connected to one another by a supply pipe 27.
  • a supply pipe 27 is supplied with the cooling fluid from the supply pipe of a nozzle group 28. Water is used as the cooling fluid, which is specially prepared if necessary, e.g. B. is demineralized.
  • a water basin 32 from which the pump, not shown, conveys the cooling fluid back into the central supply line 29 via a suction line 33.
  • a filter unit and a recooler for removing the heat extracted from the cooling fluid from the block are also installed in this circuit.
  • a drop pipe can also be used instead of the return pump if a water tank with a corresponding height difference can be set up below the cooling device.
  • a pressure accumulator e.g. B. an elevated water tank can be used.
  • the block 1 is held by a clamp bracket 34 on both ends, see. Fig. 9.
  • the clamp bracket 34 similar to a screw clamp, consists of a fixed part 34a and a movable part 34b, the movable part z. B. is drawn to the fixed part by means of cylinders 35. Both pneumatic cylinders and hydraulic cylinders can be used.
  • the clamp bracket 34 is designed so that a nose 34 prevent the block from falling.
  • a linear guide 36 is used to guide the movable part 34b of the clamping bracket 34. This linear guide is firmly connected to guide rails 37, which are displaceable in guide rollers 38 in the longitudinal direction of the block.
  • This displacement causes the block accommodated by the loading and unloading position 39 to be moved in and out with the clamp holder.
  • the displacement can, like the clamping, by means of cylinder 45, pneumatically or hydraulically or with another linear output, e.g. B. by means of chain drive, spindle or rack.
  • the block arrives in the loading and unloading position 39 with a transverse displacement device 40, which brings the block 1 into the opened clamp holder 34.
  • a transverse displacement device 40 With the Clamp bracket 34, it is possible to clamp blocks of different lengths.
  • the tool side of the block is always in contact with the fixed clamping bracket 34a, so that there is a clear assignment between the temperature profile and the block.
  • FIG. 9 the possibility of clamping blocks of different lengths is indicated by the position 34b of the movable clamping bracket, shown in broken lines.
  • the spray area of the device is enclosed by a housing 41 which can be easily removed.
  • the housing has a door on the loading and unloading side, e.g. B. a lifting door 42. It is advantageous in the housing, for. B. with an appropriately sized fan to generate a vacuum by exhaust air from the housing to the outside, for. B. over the roof. This reliably prevents moisture and steam from entering the installation area of the cooling device and thus the working area of the press.
  • the entire Vorrichmng is carried by a profile steel frame 43, which can be placed on the flat hut floor.
  • the angular division 44 of the individual nozzles 25 depends on their spray pattern. In general, an angle of 45 ° is sufficient. This pitch angle permits the problem-free arrangement of the linear guide 36 without impairing the spray pattern of the nozzles on the block surface.
  • the nozzle groups can be individually activated with the help of the shut-off devices operated by the control.
  • the associated regulating valve 31 allows the individual setting of the desired nozzle pressure for each nozzle group.
  • the adjustment of the regulating valves 31 and the actuation of the shut-off elements 30 take place expediently by means of a process control.
  • all the nozzle groups are first switched on at the same time. After a time interval sufficient for total cooling, the nozzle groups are switched off one after the other, starting at the tool side of the block, so that the total cooling time increases from the beginning of the block (tool side) to the end of the block (press die side). The greater the time difference between switching off the nozzle group at the beginning and end of the block, the greater the temperature difference over the length of the block and the more pronounced the "temperature taper".
  • the clamping bracket 34 used according to the invention for the block 1 and engaging on the end faces of the block guarantees a uniform application of the cooling fluid to the block surface, which is not impaired by any deposits.
  • the clamping bracket also shields the end faces of the block, so that the heat flow in block 1 also takes place almost radially at the ends and the temperature distribution caused by the cooling is not disrupted by end effects on the end faces.
  • the uniform application of the cooling fluid, here water guarantees a uniform cooling in the area of the block surface temperatures of interest, since above the Leiden freezing temperature in the area of stable film evaporation, the heat transfer on a flat surface essentially depends only on the density of water.
  • FIG. 10 shows typical cooling curves for different measuring points in a block.
  • the position of the measuring points 1 to 12 is illustrated in the sketches in the figure.
  • the numbers on the curves refer to the numbers of the temperature measuring points. It can be seen that after a cooling time of approx. 18 s and a compensation time of approx. 60 s following the cooling time, the desired "temperature taper" of approx.
  • the cooling according to the invention in a fixed position with different cooling times over the block length uses the known physical property of temperature compensation processes, which take place more slowly with the square with increasing distance between points of the same temperature difference, that is to say take place much faster in the radial direction than in the axial direction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten und abgekühlten metallischen Pressbolzens, der, bezogen auf 200 mm Durchmesser in maximal 20 Minuten auf die erforderliche Temperatur wiedererwärmt und anschliessend für maximal 3 Minuten einen passiven Temperaturausgleich erworfen wird, der zu einer Temperaturgleichmässigkeit von weniger als +/- 10K führt. Diese Erwärmung erfolgt durch Gasbrennerflammen, sowie eine nachgeschaltete, erzwungene Konvektion mittels Heissgas-Düsenstrahlen. Der wiedererwärmte Pressbolzen wird dann an einer Schroffabkühlung mit Wasserspritzdüsen derart unterworfen, dass sich bezogen auf 200 mm Durchmesser innerhalb einer Düsenspritzdauer von maximal 30 Sekunden auf der Oberfläche des Pressbolzens eine Temperatur einstellt, die mindestens 150K unter der Presstemperatur liegt, wobei sich die gewünschte Temperaturverteilung nach Ablauf einer Temperaturausgleichszeit einstellt, die länger ist als die Düsenspritzdauer. Es werden auch Vorrichtungen zur Durchführung einer solchen Wärmebehandlung angegeben.

Description

Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Pressbolzen
Beschreibung
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Pressbolzen oder - bei Verwendung einer Warmschere - Stangenabschnitten vor dem Einbringen in die Strangpresse sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens .
Im Folgenden werden solche Bolzen bzw. Stangenabschnitte auch als „Blöcke" bezeichnet.
Gegossene, homogenisierte und anschließend abgekühlte Blöcke werden unmittelbar vor dem Einbringen in die Press Vorrichtung einer Wärmebehandlung unterzogen, bei der die Blöcke wieder erwärmt, anschließlich abgekühlt und der Press Vorrichtung zugeführt werden.
Ein solches Verfahren geht beispielsweise aus der EP-B1-0 302 623 hervor. Dabei wird der in üblicher Weise gegossene Pressblock, vornehmlich aus einer AIMgSi- Legierung, zunächst, dem Stand der Technik entsprechend, nach dem Gießvorgang homogenisiert und gekühlt. Vor dem Verpressen wird er auf eine Temperatur über der Löslichkeitstemperatur der bei der Abkühlung nach der Homogenisierung ausgeschiedenen Phasen erwärmt und auf dieser Temperatur so lange gehalten, bis die Phasen wieder aufgelöst sind. Nach dieser Wiedererwärmung, bei welcher sich der Block höchstens 20 Minuten auf einer Temperatur von mehr als 350 °C befindet, wird der Block schnell auf die Presstemperatur, die niedriger ist als die Löslichkeitstemperatur und höchstens 510 °C beträgt, abgekühlt. Bei dieser Abkühlung soll die erneute Ausscheidung von Phasen verhindert werden. Abgesehen davon, dass es technisch kaum möglich sein dürfte, in einer auf hohen Durchsatz angelegten Produktionsanlage so lange zu warten, bis alle Phasen wieder aufgelöst sind, und dass hierbei die Haltezeit noch auf eine Zeit unter 20 Minuten begrenzt ist, was die Auflösung der ausgeschiedenen Phasen in Frage stellt, ist dieses Verfahren nicht geeignet, in einem Wärmebehandlungsprozess eingesetzt zu werden, der vor dem eigentlichen Strangpressvorgang mit einer hochproduktiven Strangpresse stattfindet.
Aus der Beschreibung geht nämlich hervor, dass bei dem Verfahren nach der EP-Bl- 0 302 623 der Kühlvorgang zur Erreichung der niedrigsten Abkühltemperatur bis zu 20 Minuten dauerte. Es handelt sich folglich um einen Vorgang, der im Minutenbereich abläuft und bei welchem sich die Temperatur durch die Wärmeleitung auch über größere Distanzen, also auch merklich in Blocklängsrichtung, ausgleichen kann. Dies ist auch der Grund, warum in der vorgenannten Schrift jeweils nur von einer Temperatur die Rede ist.
Eine solche nur mittelmäßig schnelle Abkühlung ist jedoch von Nachteil, wenn durch die Abkühlung vor dem Verpressen ein gegen die Pressrichtung abfallendes Temperaturprofil, ein sogenannter Temperatur-Taper, im Block erreicht werden soll, weil bei einer relativ langsamen Abkühlung auch ein erheblicher Temperaturausgleich in Längsrichtung erfolgt, wodurch die Erzeugung des gewünschten Temperatur- Tapers mit Hilfe einer kontrollierten Abkühlung erschwert oder unmöglich wird. Ein solcher Temperatur-Taper ist aber bei direkt arbeitenden Strangpressen Voraussetzung für das vorteilhafte isotherme Pressen.
Der Hauptzweck des in der EP-B1-0 302 623 dargestellten Verfahrens ist eine Verbesserung der Qualität der Strangpresserzeugnisse bei gleichzeitiger Erhöhung der Pressgeschwindigkeit. Um diesen Vorteil zu belegen, werden in der vorgenannten Schrift Beispiele beschrieben. Dabei wird ein Verfahren nach dem Stand der Technik mit dem Verfahren nach der EP-B1-0 302 623 verglichen. Sowohl was die Oberflächenbeschaffenheit angeht als auch bezüglich der Festigkeits werte, nämlich RPO 2, RM und Dehnung, lässt sich jedoch unter Berücksichtigung der Streuung technischer Messwerte kein merklich positiver Effekt bei Anwendung dieses Verfahrens feststellen. Dies ist nicht verwunderlich, da die Erfahrung gezeigt hat, dass es beim Strangpressen insbesondere von Leichtmetalllegierungen mit hoher Produktivität sehr auf genaueste Temperaturführung ankommt. Bezüglich dieser Temperaturführung enthält aber die vorgenannte Schrift weder Aussagen darüber, welche Temperaturgenauigkeit erforderlich ist, noch darüber, wie diese Genauigkeit erzielt werden soll.
Weitere Druckschriften befassen sich mit der Erwärmung solcher Blöcke einerseits und ihrer Abkühlung andererseits.
So wird eine Vorrichtung zur Erwärmung von Pressbolzen und Stangen in der WO 83/02661 beschrieben. Dabei wird die Gutoberfläche mit Brennern bzw. Heißgasstrahlen, die durch Verbrennung erzeugt werden, beaufschlagt. Das Abgas wird mit einem oberhalb des Erwärmungsbereichs geführten Abgaskanal gesammelt und einer Vorwärmzone mit konvektiver Wärmeübertragung zugeführt. Die konvektive Wärmeübertragung erfolgt durch Beblasen des Wärmegutes mit seitlich angeordneten Schlitzdüsen, wobei der Gasstrom zur Speisung dieser Schlitzdüsen mit Ventilatoren im geschlossenen Kreislauf umgewälzt wird. Diese Vorrichtung ist zur Erwärmung mit engen Temperaturtoleranzen bei hoher Durchsatzleistung nur bedingt geeignet, da die Temperaturgenauigkeit, welche mit einer direkten Flammenbeaufschlagung erreicht werden kann, schon bei mäßigen Durchsätzen zu wünschen übrig lässt. Die Möglichkeit der Temperaturregelung wird nämlich dadurch nachteilig beeinflusst, dass der Abgassammelkanal unabhängig von dem Wärmeeintrag und damit der örtlichen Abgaserzeugung in einem bestimmten Bereich der Vorrichtung ständig in gleicher Weise Abgas abzieht. Nachteilig ist ferner, dass die konvektive Erwärmung, welche vom Prinzip her gleichmäßiger ist als die Erwärmung mit direkter Flammenbeaufschlagung, am Anfang der Vorrichtung erfolgt, wo es auf eine hohe Temperaturgenauigkeit wegen der dort noch niedrigen Materialtemperaturen nicht besonders ankommt, während am Ende des Aufheizvorganges, wo nur geringe Temperaturunterschiede toleriert werden können, ausschließlich mit direkter Flammenbeaufschlagung erwärmt wird, was verfahrensbedingt zu größeren örtlichen Temperaturunterschieden führt. Die Vorrichtung gemäß WO 83/02661 ist also im Sinne der Erwärmungsgenauigkeit ungünstig, nämlich falsch herum, aufgebaut.
Um die heißen Abgase der Erwärmungszone, die z. B. mit direkter Flammenbeaufschlagung arbeitet, besser auszunutzen, wird in der DE-OS 26 37 646 eine Vorrichtung beschrieben, bei welcher in Guttransportrichtung vor dem Schnellerwärmteil mit Flammenbeaufschlagung das heiße Abgas in Konvektionsheizzonen umgewälzt und mit Düsenstrahlen auf das Gut aufgeblasen wird, bevor es die Vorrichtung durch den Abgaskamin verlässt. Die Düsen sind auf beiden Seiten des Gutes angeordnete Schlitzdüsen mit senkrecht zur Gutachse stehenden Längsachsen der Düsenöffnungen. Auch diese Vorrichtung weist die im Hinblick auf die Gleichmäßigkeit der Erwärmung ungünstige Anordnung der Konvektionsheizzone vor der Heizzone mit direkter Flammenbeaufschlagung auf.
Weitere Vorrichtungen mit konvektiver Erwärmung ohne jegliche direkte Flammenbeaufschlagung des Gutes sind aus der DE-OS 35 09 483 AI , DE 34 18 603 Cl und DE 195 38 364 C2 bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird der zum Zweck der konvektiven Wärmeübertragung in den Konvektionszonen umgewälzte Gasstrom mit Heizeinrichtungen erwärmt und die Wärme von diesem Gasstrom auf das Gut übertragen. Alle diese Vorrichtungen weisen erhebliche Nachteile auf. Bei den Vorrichtungen mit konvektiver Erwärmung ohne direkte Flammenbeaufschlagung lässt sich zwar eine gleichmäßige Erwärmung mit hinreichend gleichförmiger Temperaturverteilung erzielen, durch die Begrenzung der Betriebstemperatur auf die maximal für das mit einem Heißgasventilator ausgestattete Konvektionssystem zuträgliche Temperatur ergibt sich jedoch eine Limitierung der auf die Gutoberfläche maximal übertragbaren Wärmestromdichte und damit eine Begrenzung der Aufheizgeschwindigkeit. Die Folge sind relativ kleine Durchsatzleistungen oder lange Anlagen mit den bekannten Nachteilen durch die relativ lange Gutsäule bei Legierungswechseln während der Produktion, die in der Regel auch eine Änderung der Gut-Endtemperatur erfordern. Dadurch sind solche Vorrichtungen im Produktionsbetrieb unflexibel und für die Durchführung von Verfahren die hohe Genauigkeit erfordern, ungeeignet. Weitere Nachteile sind die durch die größere Länge bedingten höheren Kosten sowie der höhere Platzbedarf.
Vorrichmngen mit Erwärmung durch direkte Flammenbeaufschlagung gestatten zwar durch die hohe Ofenraumtemperatur - bei Vorrichtungen zur Erwärmung von Leichtmetall-Legierungen um 1000° C - recht hohe Aufheizgeschwindigkeiten, jedoch ist die Temperaturverteilung im Gut sehr ungleichmäßig. Insbesondere bei wechselnden Gutoberflächen lässt sich wegen des wechselnden starken Strahlungseinflusses auch mit aufwendiger Steuerung und Regeltechnik keine zufriedenstellende Temperaturgleichmäßigkeit erreichen. Bei plötzlichem Stopp des Produktionsablaufes, z. B. wegen eines Pressen- oder Werkzeugproblems, kommt es sogar häufig zu Anschmelzungen des Wärmgutes. Außerdem ist die Energieausnutzung gering und folglich der auf den Gutdurchsatz bezogene Heizleistungs- und Energiebedarf hoch.
Auch bei der aus DE-OS 26 37 646 bekannten Vorrichtung mit konvektiver Vorwärmung sind diese Nachteile vorhanden. Die Energieausnutzung ist zwar etwas besser, bedingt durch die Verknüpfung der Vorwärmung mit der Schnellerwärmung, z. B. durch direkte Flammenbeaufschlagung: Es fällt nur Abgas an, wenn die Flammenbeaufschlagung arbeitet, dafür ist die Temperaturregelung noch schwieriger und die Temperaturgenauigkeit im Gut, insbesondere bei Produktionsunterbrechungen, z. B. bei Werkzeugwechsel, unbefriedigend. Daher ist eine derartige Vorrichtung nicht einsetzbar, wenn an die Temperaturgleichmäßigkeit besondere Ansprüche gestellt werden müssen, wie z. B. beim Erwärmen von Aluminiumlegierungen AIMgSi auf Presstemperaturen im Homogenisierungstemperaturbereich und nahe der Schmelztemperatur mit anschließender Schnellkühlung vor dem Strangpressen zwecks Erhöhung der Produktivität und Qualität.
Für die Durchführung des Abkühlvorganges sind eine Reihe von Kühleinrichtungen bekannt. Die US-A 5,027,634 beschreibt eine Kühleinrichtung, die aus zumindest einem Kühlring besteht, durch welchen der Block während des Kühlvorganges mittels einer Stoßeinrichtung geschoben wird. Durch die Veränderung der Stoßgeschwindigkeit lässt sich die mit der Kühleinrichtung bewirkte Abkühlung über der Blocklänge beeinflussen. Der Kühlring selbst weist zahlreiche Bohrungen mit relativ geringem Durchmesser auf, durch welche das als Kühlfluid benutzte Wasser auf den Block gespritzt wird. Zur Durchfahrt der Stoßeinrichtung ist der Kühlring oben offen. Nachteilig sind bei dieser Vorrichtung außer der komplizierten Steuerung der Blockbewegungen und der aufwendigen Transportmechanik insbesondere die kleinen Kühldüsen, die leicht zum Verstopfen neigen, und die ungleiche Kühlwirkung über dem Umfang, die durch die Öffnung oben im Kühlring zur Durchfahrt der Stoßeinrichtung bedingt ist, weil in diesem Bereich Kühldüsen fehlen.
Durch die Vorrichtung nach der US-A 5,425,386 wird versucht, den Nachteil der kleinen Bohrungen im Kühlring durch einen Kreisringschlitz als Düsenöffnung zu vermeiden. Die komplizierte Transportmechanik und die aufwendige Steuerung der Blockbewegung sind aber nach wie vor erforderlich. Außerdem wird der Kreisring als Düsenöffnung aus einer Vorkammer mit dem Kühlfluid versorgt, so dass um den Umfang des ganzen Düsenschlitzes der gleiche Druck zur Verfügung steht. Es gibt daher keine Möglichkeit, die Kühlung den Erfordernissen der Orientierung der Blockoberfläche anzupassen. Während eines beträchtlichen Teils des Kühlvorganges befindet sich die Blockoberflächentemperatur weit oberhalb der Leidenfrost-Temperatur, so dass der Kühlvorgang durch den Dampffilm unmittelbar an der Oberfläche des Blocks bestimmt wird. Bei horizontaler Lage des Blocks ist dieser Dampffilm auf der Unterseite, auf der Oberseite und an den beiden Seiten des Blocks, wo die Tangente an die Oberfläche vertikal verläuft, unterschiedlich. Folglich sollte auch die Wasserbeaufschlagung zwecks Erzielung einer gleichmäßigen Kühlung diesen unterschiedlichen Situationen angepasst werden können.
Mit der Vorrichtung nach der US-A 5,325,694 wird versucht, durch Aufbau eines Regelkreises, der die durch die Kühlung bewirkte Temperaturabsenkung des Blocks mit der Blockvorschubgeschwindigkeit verknüpft, die Handhabung der Vorrichtung zu vereinfachen und die Steuerung zu automatisieren. Dabei wird aber die Vorrichtung durch die zusätzlich erforderlichen Sensoren nicht nur aufwendiger, sondern auch störanfälliger.
Die US-A 5,337,768 beschreibt eine weitere Ausführungsform der Regelung einer solchen Vorrichtung, welche aber die gleichen prinzipiellen Nachteile wie die vorgenannte US-A 5,325,694 aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Verfahren zur Wärmebehandlung von metallischen Pressbolzen oder Stangenabschnitten vor dem Einbringen in die Strangpresse, sowie Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, bei denen die oben erwähnten Nachteile nicht auftreten. Insbesondere sollen Verfahren und Vorrichtungen vorgeschlagen werden, die eine sehr schnelle und gleichzeitig in der Temperaturführung sehr exakte Wärmebehandlung aus Wiedererwärmung und Kühlung ermöglichen. Dies wird durch die Merkmale der jeweiligen Hauptansprüche erreicht, während zweckmäßige Varianten dieser Verfahren und Vorrichtungen durch die zugehörigen Unteransprüche definiert werden.
Beim Strangpressen, insbesondere von Leichtmetalllegierungen, kommt es zur Erzielung einer hohen Produktivität darauf an, dass der gesamte Strang mit möglichst hoher Geschwindigkeit bei Einhaltung einer bestimmten und optimalen Strangaustrittstemperatur verpresst wird. Um dieses Ziel zu erreichen, sind, abhängig von Profilform und Werkzeug - also vom Umformgrad - und von der gewünschten, aus Produktivitätsgründen möglichst hohen Pressgeschwindigkeit -also abhängig von der Umformleistung - unterschiedliche Anfangstemperaturen des Blocks erforderlich. Bei direkt arbeitenden Strangpressen, wie sie üblicherweise für Leichtmetalllegierungen verwendet werden, kommt es zusätzlich noch darauf an, dass der Block zu Beginn des Pressvorganges ein entgegen der Pressrichtung abfallendes Temperaturprofil, einen sogenannten "Temperaturtaper", aufweist. Dieser Temperaturtaper ist, wie seit längerem als Stand der Technik bekannt, erforderlich, um den vom Blockanfang bis zum Blockende zunehmenden Eintrag an mechanischer Energie auszugleichen, die beim Pressvorgang in Wärme umgewandelt wird, so dass dennoch der Pressvorgang isotherm ablaufen kann. Je genauer dieser Temperaturtaper auf die jeweiligen Pressbedingungen abgestimmt ist, umso höher kann die Pressgeschwindigkeit gewählt werden und umso größer ist die Produktivität.
Erfindungsgemäß werden Bolzen bzw. Stangen, also Blöcke, zunächst möglichst rasch auf eine möglichst hohe, vom jeweiligen Material abhängige Presstemperatur erwärmt, wobei nach dieser Erwärmung die Temperatur im Block mit sehr geringer Temperaturtoleranz gleichmäßig verteilt ist. Typisch ist z. B. für Leichtmetalllegierungen eine Temperaturtoleranz von weniger als ± 10 K, z. B. ± 5 K für Blockdurchmesser von 250 mm bis 300 mm. Nach dieser Erwärmung ist es besonders bei hochproduktivem Stangpressbetrieb vorteilhaft, den Block in einer Schroffkühleinrichtung mit Wasser möglichst rasch zu kühlen, so dass nach dieser Schroffabkühlung und dem Temperaturausgleich infolge der vom Blockmaterial abhängigen Wärmeleitung dieser mit der gewünschten engen Toleranz, die für das jeweilige Presswerkzeug - also die jeweilige Profilform - und die jeweils gewünschte, aus Produktivitätsgründen möglichst hohe Pressgeschwindigkeit optimale Anfangstemperatur an der dem Werkzeug zugewandten Seite des Blocks sowie die jeweils optimale Verteilung dieser Temperatur über der Länge des Blocks aufweist. Typisch ist für die möglichst rasche Abkühlung eine aktive Kühlzeit von ca. 30 s, an welche sich eine Zeit für den Temperaturausgleich durch Wärmeleitung, der vornehmlich über dem Querschnitt des Blocks stattfindet, anschließt, die typisch etwas länger ist als die aktive Kühlzeit. Nach der raschen Abkühlung wird der Block in die Strangpresse verbracht und verpresst. Die hierzu erforderliche Transferzeit wird bei der Bemessung der Zeitspanne für den Temperaturausgleich infolge Wärmeleitung mitberücksichtigt.
Das erfmdungemäße Verfahren erlaubt im Gegensatz zum Stand der Technik die Bereitstellung des Blocks mit genau der jeweils erforderlichen Temperatur bzw. Temperaturverteilung und dies mit der notwendigen geringen Temperaturtoleranz.
Beim Verpressen schwer pressbarer Leichtmetalllegierungen, z. B. Legierungen mit den Nummern 7xxx und 2xxx, wozu üblicherweise indirekt arbeitende Strangpressen verwendet werden, um den Reibungseinfluss der Rezipientenwand auszuschließen, ist es vorteilhaft, dass der Block am Anfang eine definiert höhere Temperatur aufweist als die im übrigen Block möglichst gleichmäßig verteilte Presstemperatur. Auch dies ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren einfach möglich, da neben einer gleichmäßigen Temperaturverteilung auch über die Blocklänge örtlich Temperaturunterschiede, z. B. höhere Temperatur nur am Blockanfang, erzeugt werden können. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Eignung für den Pressbetrieb mit höchster Produktivität. Wenn nämlich Kühlzeit und Temperaturausgleichzeit länger sind als die Pressfolge, die sogenannte Blockfolgezeit, so können zwei Kühleinrichtungen parallel betrieben werden, so dass unabhängig von der Blockfolgezeit jeder Block individuell die notwendige Kühlzeit sowie Ausgleichszeit erfahren kann, auch wenn die beiden Zeitabschnitte in der Addition länger sind als die Blockfolgezeit.
Auch bei unbeabsichtigten Unterbrechungen des Pressbetriebs, deren Folgen umso gravierender sind, je höher die Produktivität der Strangpresse ist, weist das erfindungsgemäße Verfahren entscheidende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Es wird nämlich erfindungsgemäß die Schnellerwärmung mittels direkter Flammenbeaufschlagung während des ersten Teils des Erwärmungsvorganges mit einer konvektiven Erwärmung im abschließenden Teil kombiniert. Bei dieser konvektiven Erwärmung kann durch geeignete Wahl der Gastemperatur jegliche Materialüberhitzung auch bei einer Pressunterbrechung und folglich Stillstand des Blocktransports ausgeschlossen werden. Sobald die Presse wieder betriebsklar ist, steht sofort ein Block mit genau der richtigen Presstemperatur zur Verfügung.
Dieser erfindungsgemäße wesentliche Vorteil wird bereits dadurch erreicht, dass nach der Erfindung eine Schnellerwärmungseinrichtung mit direkter Flammenbeaufschlagung entsprechend dem bekannten Stand der Technik mit einer konvektiven Nacherwärmung, in welcher auch der Temperaturausgleich stattfindet, kombiniert wird. Diese Lösung erfordert wegen der geringeren Kosten der üblichen Brenner im Vergleich zu den besonders vorteilhaft einzusetzenden Rekuperatorbrennern einen etwas geringeren Kostenaufwand. Der Hauptvorteil dieser einfachen Lösung ist jedoch, dass sie sich für Nachrüstungen zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignet, indem an eine vorhandene Schnellerwärmungsanlage mit direkter Flammenbeaufschlagung einfach mindestens eine Konvektionserwärmungszone angebaut wird. Ein wesentlicher Vorteil, welcher die Produktionskosten betrifft, ist der im Vergleich zu Anlagen entsprechend dem Stand der Technik äußerst geringe Gasverbrauch, der durch den vorteilhaften Einsatz von Brennern mit integriertem Abgasrekuperator zur Vorwärmung der Verbrennungsluft erreicht wird. Neben diesem Kostenvorteil ist die Verwendung von Rekuperatorbrennern mit integrierter Verbrennungsluftvorwärmung auch regelungstechnisch von großem Vorteil, da Verbrennungsluftvorwärmung und Brennerbetrieb eindeutig miteinander verknüpft sind. Bei Anlagen gemäß dem Stand der Technik wird demgegenüber das Abgas aller Brenner gesammelt, an einer Stelle - üblich ist der Anfang der Flammenbeaufschlagungszone - abgezogen und einem zentralen Wärmetauscher für die Verbrennungsluftvorwärmung zugeführt. Durch die zentrale Abgasabsaugung entsteht im Ofen eine Längsströmung, welche das Temperaturregelverhalten der einzelnen Zonen nachteilig beeinflusst. Wenn bei der Entnahme eines Blocks die Tür auf der Austrittsseite der Erwärmungseinrichtung geöffnet wird, kann bei kontinuierlichem Betrieb der Abgasabsaugung sogar Kaltluft in den Ofen eintreten, was wiederum die Temperaturverteilung in der Materialsäule sowie die Temperaturregelung nachteilig beeinflusst. Beim Verfahren gemäß Erfindung und mit der erfindungsgemäßen Erwärmungsvorrichtung wird durch den Betrieb von Rekuperatorbrennern mit Abgaseduktor erreicht, dass nur dann Abgas in gleicher oder nahezu gleicher Menge wie das erzeugte Verbrennungsgas abgezogen wird, wenn der jeweilige Brenner auch wirklich eingeschaltet ist.
Zusätzlich zu diesem regelungstechnischen Vorteil ergibt sich auch noch ein Vorteil im Hinblick auf eine Verbesserung des Wärmeübergangs. Die Rekuperatorbrenner werden nämlich mit einer sehr hohen Flammenaustrittsgeschwindigkeit betrieben. Dadurch bildet sich ein Strahl, welcher den Block kräftig umspült und für eine Steigerung des konvektiven Wärmeübergangs auch ohne die Verwendung eines besonderen Strömungsantriebes sorgt. Hinzu kommt, dass durch die Induktionswirkung des impulsreichen Brenner Strahls auch das in der Erwärmungs Vorrichtung vorhandene heiße Abgas mit umgewälzt wird, was wiederum den konvektiven Wärmeübergang steigert.
Ferner besteht noch die Möglichkeit, beim erfindungsgemäßen Verfahren, welches zur Erwärmung Rekuperatorbrenner vorsieht, auch solche Rekuperatorbrenner einzusetzen, welche bei entsprechend hohen Ofeninnenraumtemperaturen im sogenannten Flox-Modus mit flammenloser Oxidation arbeiten. Flammenlose Oxidation bedeutet, dass im Brenner eine Vermischung zwischen Gas, Abgas und Verbrennungsluft derart erfolgt, dass keine Flamme sichtbar ist und die Wärmeenergie freisetzende Oxidation gewissermaßen im Brennerstrahl stattfindet. Dies hat entscheidende Vorteile für die Vergleichmäßigung des Wärmeübergangs an der Blockoberfläche.
Die vorerwähnten Rekuperatorbrenner, teilweise auch für Flox-Betrieb geeignet, sind in der DE 34 22 221 4, EP 0 463 218 Bl, EP 0 685 683 Bl sowie DE 195 41 922 C2 beschrieben.
Schließlich führt die erfindungsgemäße Verwendung von Rekuperatorbrennern zu einer Verkürzung der erforderlichen Anlagenlänge im Vergleich mit einer Anlage gleicher Leistung nach dem Stand der Technik. Der Grund hierfür ist, dass die Vorwärmzone, welche bei Anlagen gemäss Stand der Technik erforderlich ist, um wenigstens einen Teil der Abgaswärme zu rekuperieren, entfällt. Diese kürzere Baulänge bei größerer Leistung bedeutet nicht nur eine Platzersparnis, sondern ist auch verfahrenstechnisch von Vorteil, da die in der Anlage enthaltene Blocksäule kürzer ist, was den Betrieb der Anlage mit unterschiedlichen Legierungen wesentlich vereinfacht.
Zusammengefasst weist also das erfindungsgemäße Verfahren im Hinblick auf die Erwärmung folgende Vorteile auf: 1. Unterteilung der Erwärmung in Schnellerwärmung mittels direkter Flammenbeaufschlagung nur im vorderen Teil der Erwärmungsvorrichtung, wogegen am Ende der Erwärmungsvorrichtung die Wärmeübertragung konvektiv erfolgt. Dadurch wird die hohe Erwärmungsgeschwindigkeit bei direkter Flammenbeaufschlagung mit der gleichmäßigen Erwärmung ohne Gefahr der örtlichen Überhitzung bei konvektiver Erwärmung kombiniert.
2. Möglichkeit der Nachrüstung einer bestehenden Schnellerwärmungsanlage mit direkter Flammenbeaufschlagung durch Anfügen von mindestens einer Konvek- tionszone am Ende der vorhandenen Erwärmungs Vorrichtung.
3. Einsatz von Rekupratorbrennern mit integrierter Frischluftvorwärmung. Dadurch wird das Regelverhalten der Erwärmungsvorrichtung verbessert und zusätzlich der Brennstoffverbrauch erheblich reduziert. Reduzierung der Anlagenlänge durch Fortfall der Vorwärmzone.
4. Möglichkeit des Einsatzes von Brennern zum Betrieb mit flammenloser Oxidation und dadurch Vergleichmäßigung der Wärmeübertragung bei direkter Brennerstrahlbeaufschlagung .
Weitere Vorteile weisen das erfindungsgemäße Kühlverfahren sowie die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens auf. Es wird nämlich nicht, wie beim Stand der Technik, ein Block durch einen Kühlring in Längsrichtung hindurchbewegt, sondern der Block, an seinen Stirnflächen gehalten, insgesamt in eine stationäre Kühleinrichtung eingebracht. Die Kühlung erfolgt mittels ringförmiger Anordnung von Einzeldüsen, die sich während des Kühlvorganges in genau definierter, fester Position, bezogen auf den Block, befinden. Die gewünschte, zur Erzielung der geforderten Temperatur bzw. Temperaturverteilung notwendige Kühlwirkung wird durch den Betrieb dieser in Ringen angeordneten Einzeldüsen mit unterschiedlichen Drücken und/oder unterschiedlichen Einschaltzeit erreicht. Der Aufwand für Steuerung und Handhabung ist wesentlich geringer als für Einrichtungen gemäß dem Stand der Technik; zudem ist die Genauigkeit im Hinblick auf die zu erreichende Temperatur und Temperamrverteilung höher als bei bekannten Einrichtungen und Verfahren.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegende, schematische Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen
Figur 1 den Temperaturverlauf für einen Block über der Zeit von Beginn der Schnellerwärmung über die Schroff abkühlung bis zum Verbringen in die Presse;
Figur 2 die Anordnung der einzelnen Aggregate zur Durchführung der erfindungsgemäß Wärmebehandlung;
Figur 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Durchführung der Schnellerwärmung mit Schnittdarstellungen der hintereinander angeordneten Vorrichtungsteile, wobei die Erwärmung mit direkter Flammenbeaufschlagung nach dem Stand der Technik erfolgt;
Figur 4 ein Fließbild der in Figur 3 schematisch dargestellten Anlage zur Durchführung der Schnelleerwärmung;
Figur 5 eine andere erfindungsgemäße Ausführungsform der Zone der Vorrichtung mit direkter Flammenbeaufschlagung mit Verwendung von Rekuperatorbrennern ; Figur 6 vorteilhafte Düsen-Formen für Hochgeschwindigkeits-Rekuperator brenner;
Figur7 einen typischen Temperaturverlauf in den einzelnen Teilen der Erwärmungs Vorrichtung und im mit der Vorrichtung erwärmten Gut;
Figur8 die Schroffabkühlvorrichtung in einem schematisch dargestellten, vereinfachten Querschnitt;
Figur 9 eine schematisch vereinfachte Längsansicht der Schroffabkühlvorrichtung, bei welcher das Gehäuse im Schnitt dargestellt ist;
Figur 10 ein Diagramm mit typischen Abkühlkurven für die im Diagramm bezeichneten Messpunkte im abzukühlenden Block.
Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Figur 1 erläutert. In Figur 1 ist schematisch der Temperaturverlauf für einen Block über der Zeit vom Beginn der Erwärmung bis zum Verbringen in die Presse dargestellt ist. Zunächst erfährt der Block eine Schnellerwärmung in maximal 20 Minuten im Bereich der Vorrichtung, welche im Beispiel der Figur 1 mit direkter Flammenbeaufschlagung durch Rekuperator- bzw. Rekuperator-Flox-Brenner arbeitet, so dass keine Vorwärmzone zur Abgaskühlung vorhanden ist. Der Abschluss der Erwärmung erfolgt in mindestens einer Zone mit konvektiver Wärmeübertragung bei vergleichsweise geringer Ubertemperamr. Hier findet auch der Temperamrausgleich für maximal 3 Minuten statt. Anschließend erfolgt die Verbringung zur Kühlstation. Nach der aktiven Kühlzeit von maximal 30 Sekunden durchläuft der Block eine Temperaturausgleichszeit. Im Endteil dieser Ausgleichszeit wird der Block zur Presse verbracht und weist dann bei isothermem Pressen eine Temperaturdifferenz zwischen Blockende und Blockanfang auf. Figur 2 zeigt schematisch, wie die einzelnen Aggregate zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens angeordnet sind. Die Presse ist schematisch durch die Bezugszeichen 2 und 3 angedeutet. 2 bezeichnet den Rezipienten, in welchem der Block 1 eingeschoben und während des Extrusionsvorganges mit dem Pressenstempel 3 gepresst wird. Das extrudierte Profil, bzw. bei Werkzeugen mit mehreren Auslassen die Profile (nicht dargestellt), werden auf dem Pressenauslauf 12 geführt. Geladen wird der Block 1 in die Presse 2, 3 mit einem Blocklader 4, der ebenfalls nur schematisch angedeutet ist.
Die Erwärmung erfolgt in der Durchlaufrichtung 9 zunächst durch direkte Flammenbeaufschlagung in dem vorderen Teil der Erwärmungsvorrichtung 7 und anschließend beispielhaft in zwei hintereinander geschalteten Konvektionszonen 8a und 8b, wobei die in Durchlaufrichtung 9 letzte Konvektionszone 8b mit niedriger Gastemperatur betrieben wird als die vordere Zone 8a. Von der Erwärmungsvorrichtung 7 gelangt der Block in einen Quertransport 5. Die Bewegungsrichtung ist durch den Pfeil 10 angedeutet. Vom Quertransport 5 wird der Block entweder in die Kühlstation 6a oder in die Kühlstation 6b eingebracht und bewegt sich dabei in Richtung der Bewegungspfeile 11 a bzw. 11 b. Wie bereits erwähnt, ist mehr als eine Kühlstation dann sinnvoll, wenn eine Anlage mit hoher Produktivität und kurzer Blockfolgezeit arbeitet.
Das Gut 1, eine Säule aus bereits auf Länge abgesägten einzelnen Bolzen oder Stangen (in der Figur aus Gründen der Vereinfachung lediglich angedeutet), wird über eine Transporteinrichtung, z. B. wie in Figur 3 gezeigt, über einen Rollengang 20 durch die Vorrichmng geführt. Der Transport erfolgt bei nicht angetriebenen Rollen über Stoßeinrichmngen außerhalb der Vorrichmng. Andere, in den Figuren nicht dargestellte Möglichkeiten, sind der Transport des Gutes 1 durch die Vorrichmng mittels eines Hubbalken oder einer Transportkette. Es können auch angetriebene Rollen oder andere Transportmöglichkeiten, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, verwendet werden.
Der erste Teil der Vorrichmng besteht im wesentlichen aus dem Bereich der Flammenbeaufschlagung. In der Figur 3 sind beispielhaft zwei Flammenbeaufschlagungszonen 7a, 7b dargestellt. Vor der in Transportrichtung ersten Flammenbeaufschlagungszone 7 befindet sich eine Eingangszone 13 und hinter der zweiten (letzten) Flammenbeaufschlagungszone 7b eine Trennzone 14. An die Trennzone 14 schließt sich die erste 8a von zwei Konvektionszonen 8a, 8b an; die in Transportrichtung letzte Konvektionszone 8b, die vornehmlich dem Temperamrausgleich gilt, bildet den Abschluss der Vorrichtung. In den Flammenbeaufschlagungszonen 7a, 7b wird das Gut 1 durch die mit Brennerdüsen 15 erzeugten Flammen erwärmt. Dabei wird die Wärme zu einem wesentlichen Anteil über Strahlung von dem umgebenden Ofenraum auf das Gut 1 übertragen. In der Eingangszone 13 und der Trennzone 14 wird das Abgas der Brenner gesammelt und über Abgasleitungen 16 aus der Vorrichtung abgeleitet.
Die Konvektionszonen 8a, 8b verfügen über je ein Strömungssystem, das mindestens einen Ventilator 17, mindestens einen Brenner 22 zur Beheizung des Heizgases und zu beiden Seiten des Gutes angeordnete Düsen 18 zur Beblasung, des Gutes zum Zweck des konvektiven Wärmeübergangs enthält. Die Düsen 18 werden über ein Strömungskanalsystem 19 vom Ventilator 17 gespeist, s. Fig. 3.
Wie aus dem Fließbild nach Figur 4 ersichtlich, wird das Abgas durch einen Wärmetauscher 21 geleitet, mit welchem die Verbrennungsluft für die Gasbrenner vorgewärmt wird. In den Konvektionszonen 8a, 8b werden zweckmäßigerweise zur Beheizung Rekuperatorbrenner 22 eingesetzt, so dass hier das durch Vorwärmung der Verbrennungsluft abgekühlte Abgas an den Abgasstutzen der Brenner austritt. Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Flammenbeaufschlagungszone ist in Figur 5 schematisch dargestellt. Die Erwärmung erfolgt durch eine im Vergleich zur in Figur 3 dargestellten Flammenbeaufschlagungszone geringere Anzahl von Rekuperator-Brennern 22. Es entfällt also bei dieser Ausführungsform der externe Wärmetauscher 21 für die Verbrennungsluftvorwärmung. Außerdem lassen sich die verwendeten Rekuperatorbrenner günstig als Hochgeschwindigkeitsbrenner und/oder Hochgeschwindigkeits-Flox-Brenner, die selbsttätig bei Erreichen der entsprechenden Ofenraumtemperatur vom normalen Verbrennungsmodus in den Flox-Modus wechseln, ausführen.
Die Hochgeschwindigkeitsbrennerstrahlen können unter Nutzung des Coanda-Effekts bei günstiger Ausbildung der Brennerdüse das zu erwärmende Gut auf einer vergleichsweise großen Fläche beaufschlagen, wie in Figur 5 durch die schematischen Strömungspfeile 23 dargestellt ist. Die Achsen der Brenner und damit der Flammenstrahlen 24 bzw. Brennerstrahlen bei Flox-Betrieb können auch gegen die Senkrechte geneigt sein, um die Strömungsbeaufschlagung der Gutoberfläche zu verbessern. Es ist auch möglich, die Brennerstrahlen 24 zur Verbesserung der Gutbeaufschlagung durch Düsenmundstücke aus hochtemperaturbeständigem Werkstoff, z. B. Siliziumkarbid zu beeinflussen. Figur 6 stellt solche mögliche, vorteilhafte Beispiele für die Düsen von Hochgeschwindigkeitsbrennern dar. Figur 6a zeigt eine Brennerdüse, welche den runden Brennerstrahl zu einem Flachstrahl verform; Figur 6b zeigt eine Brennerdüse, bei welcher der Flachstrahl in der Mitte einen Steg aufweist und die beiden Teilstrahlen dementsprechend kräftiger ausgebildet sind als bei Figur 6a. Figur 6c zeigt eine Brennerdüse mit einem Austrittsquerschnitt von der Art eines "Hundeknochens"; Figur 6d zeigt den Querschnitt einer Brennerdüse, mit welcher der Brennerstrahl aus der Vertikalen abgelenkt wird. Figur 6e zeigt eine Brennerdüse, welche den Brennerstrahl in mehrere - in der Figur in drei - Einzelstrahlen auflöst, welche mit unterschiedlicher Richtung auf die Gutoberfläche auftreffen. Auf diese Weise lassen sich Wärmestromdichten von 300 kW/m2 und mehr auch über größere Anteile der Blockoberfläche erzielen.
Der große Vorteil des Schnellerwärmungsvorrichtung geht aus dem schematischen Temperaturverlauf für den Kern und die Oberfläche des Gutes 1 hervor, der in Figur 7 dargestellt ist. In den Flammenbeaufschlagungszonen, im Beispiel der Figur 7 sind zwei Zonen, FI und F2, angenommen, ist die Ofenraumtemperatur extrem hoch, wie auch bei den üblichen Flammenbeaufschlagungszonen nach dem Stand der Technik. Da diese Zonen nunmehr aber am Anfang der Vorrichmng eingesetzt sind, besteht keine Gefahr der Überhitzung, und die in Figur 7 schematisch dargestellte Spreizung der Guttemperaturkurve für verschiedene Punkte des Gutes spielt keine Rolle, da sich in den nachfolgenden beiden Konvektionszonen Kl und K2 die Temperatur ausgleichen kann. In der zweiten Zone K2 schließlich liegt die Gastemperatur (=Oferιraumternperatur) im Bereich der gewünschten Gutendtemperatur. Dadurch ist eine Überhitzung des Gutes auch bei ungeplanten Stillständen der Presse und dadurch bedingten Unterbrechungen des Guttransportes in der Vorrichtung ausgeschlossen.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel einer Kühlvorrichtung zur Durchführung der Abkühlung des Blocks entsprechend des erfindungsgemäßen Wärmebehandlungsverfahrens wird anhand der Figuren 8 bis 10 beschrieben.
Der Block 1 ist von Gruppen von Einzeldüsen 25 umgeben, die mit einer dem Spritzbild der Düsen angepassten Teilung 26 in Längsrichmng des Blocks 1 um diesen ringförmig angeordnet sind. Die Düsen 25 einer Düsengruppe sind dabei durch ein Versorgungsrohr 27 miteinander verbunden. Ein Versorgungsrohr 27 wird von dem Versorgungsrohr einer Düsengruppe 28 mit dem Kühlfluid versorgt. Als Kühlfluid wird Wasser verwendet, das bei Bedarf noch besonders aufbereitet, z. B. demineralisiert, wird. Zwischen dem zentralen Versorgungsrohr 29, in welches die nicht dargestellte Pumpe fördert, befinden sich ein von der Steuerung betätigtes Absperrorgan 30 und ein Druckregulierventil 31, das entweder von der Steuerung oder manuell verstellt werden kann. Unterhalb des Blocks 1 befindet sich ein Wasserbecken 32, aus welchem die nicht dargestellte Pumpe über eine Ansaugleitung 33 das Kühlfluid in die zentrale Versorgungsleitung 29 zurückfördert. In diesen Kreislauf sind, entsprechend dem allgemeinen Stand der Technik, noch eine Filtereinheit sowie ein Rückkühler zur Abfuhr der vom Kühlfluid dem Block entzogenen Wärme eingebaut. Statt der Rückförderpumpe kann auch eine Fall-Leitung verwendet werden, wenn ein Wassertank mit entsprechender Höhendifferenz unterhalb der Kühlvorrichtung aufgestellt werden kann.
Statt einer Pumpe kann zur Versorgung der Spritzdüsen 25 auch ein Druckspeicher, z. B. ein Wasser-Hochbehälter, verwendet werden.
Der Block 1 wird von einer Klemmhalterung 34 auf beiden Stirnseiten gehalten, s. Fig. 9. Die Klemmhalterung 34 besteht, ähnlich wie eine Schraubzwinge, aus einem festen Teil 34a und einem beweglichen Teil 34b, wobei der bewegliche Teil z. B. mittels Zylindern 35 zum festen Teil hingezogen wird. Es können sowohl Pneumatikzylinder als auch Hydraulikzylinder eingesetzt werden. Zusätzlich ist die Klemmhalterung 34 so ausgeführt, dass eine Nase 34 ein Herabfallen des Blocks verhindern. Zur Führung des beweglichen Teils 34b der Klemmhalterung 34 dient eine Linearführung 36. Diese Linearfuhrung ist mit Führungsschienen 37 fest verbunden, die in Führungsrollen 38 in Blocklängsrichtung verschieblich sind. Diese Verschiebung bewirkt das Ein- und Ausfahren des von der Be- und Entladeposition 39 mit der Klemmhalterung aufgenommenen Blocks. Die Verschiebung kann wie auch die Klemmung mittels Zylinder 45 pneumatisch oder hydraulisch oder mit einem anderen Linearabtrieb, z. B. mittels Kettentrieb, Spindel oder Zahnstange erfolgen.
In die Be- und Entladeposition 39 gelangt der Block mit eine Querverfahreinrichtung 40, welche den Block 1 in die geöffnete Klemmhalterung 34 einbringt. Mit der Klemmhalterung 34 ist es möglich, Blöcke unterschiedlicher Länge zu klemmen. Dabei liegt die Werkzeugseite des Blocks immer an der festen Klemmhalterung 34a an, so dass eine klare Zuordnung zwischen Temperaturprofil und Block gegeben ist. In Figur 9 ist die Möglichkeit des Klemmens von Blöcken unterschiedlicher Länge durch die gestrichelt dargestellte Position 34b der beweglichen Klemmhalterung angedeutet.
Der Spritzbereich der Vorrichmng ist von einem Gehäuse 41 umschlossen, das einfach entfernt werden kann. Das Gehäuse hat auf der Be- und Entladeseite eine Tür, z. B. eine Hubtür 42. Es ist vorteilhaft, in dem Gehäuse, z. B. mit einem entsprechend dimensionierten Ventilator, einen Unterdruck zu erzeugen, indem Abluft aus dem Gehäuse nach außen, z. B. über Dach, geleitet wird. Dadurch wird zuverlässig verhindert, dass Feuchtigkeit und Dampf in den Aufstellungsraum der Kühleinrichtung und damit in den Arbeitsbereich der Presse gelangen. Die gesamte Vorrichmng wird von einem Profilstahlgestell 43 getragen, das auf dem ebenen Hüttenboden aufgesetzt werden kann.
Abweichend von dieser beschriebenen Blockhalterung ist es auch möglich, bekannte Halterungen für den Block zu verwenden, wie sie von Block-Bürstmaschinen bekannt sind.
Die Winkelteilung 44 der Einzeldüsen 25 richtet sich nach deren Spritzbild. Im allgemeinen ist ein Teilungswinkel von 45° ausreichend. Dieser Teilungswinkel gestattet die problemlose Anordnung der Linearführung 36 ohne Beeinträchtigung des Spritzbildes der Düsen auf der Blockoberfläche.
Mit Hilfe der von der Steuerung betätigten Absperrorgane können die Düsengruppen individuell aktiviert werden. Das zugehörige Regulierventil 31 erlaubt die individuelle Einstellung des für jede Düsengruppe gewünschten Düsendruckes. Die Einstellung der Regulierventile 31 und die Betätigung der Absperrorgane 30 erfolgen zweckmäßigerweise mittels einer Prozesssteuerung. Für einen Abkühl vor gang, bei welchem der Block 1 sowohl insgesamt abgekühlt wird als auch einen "Temperaturtaper" erhalten soll, werden zunächst alle Düsengruppen zugleich eingeschaltet. Nach einem für die Gesamtabkühlung ausreichenden Zeitintervall werden die Düsengruppen, an der Werkzeugseite des Blocks beginnend, nacheinander abgeschaltet, so dass die Gesamtkühldauer vom Blockanfang (Werkzeugseite) zum Blockende (Pressstempelseite) zunimmt. Je größer die Zeitdifferenz zwischen Abschalten der Düsengruppe am Blockanfang und am Blockende, umso größer ist die Temperaturdifferenz über der Blocklänge und umso ausgeprägter der "Temperaturtaper".
Die erfindungsgemäß für den Block 1 verwendete und an den Stirnflächen des Blocks angreifende Klemmhalterung 34 garantiert eine gleichmäßige, nicht durch irgendwelche Auflagerungen beeinträchtigte Beaufschlagung der Blockoberfläche mit dem Kühlfluid. Die Klemmhalterung schirmt zudem die Stirnflächen des Blocks ab, so dass der Wärmefluss im Block 1 auch an den Enden nahezu radial erfolgt und die durch die Abkühlung bewirkte Temperaturverteilung nicht störend durch Endeffekte an den Stirnseiten beeinflusst wird. Die gleichmäßige Beaufschlagung mit dem Kühlfluid, hier Wasser, garantiert im interessierenden Bereich der Blockoberflächentemperaturen eine gleichmäßige Abkühlung, da oberhalb der Leidenfrosttemperatur im Bereich der stabilen Filmverdampfung der Wärmeübergang an einer planen Fläche im wesentlichen nur von der Wasserbeaufschlagungsdichte abhängt. Der Einfluss der unterschiedlichen Orientierung der zylindrischen Blockoberfläche auf die Kühl Wirkung - horizontal bei Kühlung von oben an der Blockoberseite, vertikal an den beiden Seiten und horizontal bei Kühlung von unten an der Blockunterseite - kann bei der erfindungsgemäßen Verwendung von Einzeldüsen durch entsprechend ausgewählte Spritzdüsen unterschiedlicher Größe, vorzugsweise des gleichen Typs, ausgeglichen werden. Figur 10 zeigt typische Abkühlkurven für verschiedene Messstellen in einem Block. Die Lage der Messstellen 1 bis 12 ist in den Skizzen in der Figur verdeutlicht. Die an den Kurven verzeichneten Ziffern beziehen sich auf die Nummern der Temperaturmessstellen. Man erkennt, dass sich nach einer Kühlzeit von ca. 18 s und einer sich an die Kühlzeit anschließenden Ausgleichszeit von ca. 60 s der gewünschte "Temperaturtaper" von ca. 10 K/100 mm Blocklänge einstellt und die Temperatur auch über den Blockquerschnitt bis auf max. ca. 20 K ausgeglichen ist. Dieser Temperaturausgleich setzt sich während der bis zum Pressbeginn verstreichenden und für die Bewegung und Positionierung des Blocks erforderlichen Zeitspanne von ca. 25 s weiter fort, so dass während des Pressvorganges sowohl die gewünschte Abkühlung als auch der gewünschte "Temperaturtaper" mit guter, reproduzierbarer Genauigkeit vorliegen. Da die mit der erfindungsgemäßen Abkühlvorrich ng bewirkte Abkühlung insbesondere der Steigerung der Pressgeschwindigkeit und damit der Produktion dient, lassen sich kurze Blockfolgezeiten von 60 s und weniger erreichen. Für solch kurze Blockfolgezeiten ist es daher sinnvoll, mehr als eine der beschriebenen erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen parallel zu betreiben, so dass trotz der kurzen Blockfolgezeit noch eine ausreichende Zeitspanne für den gewünschten Temperamrausgleich über dem Blockquerschnitt zur Verfügung steht.
Die erfindungsgemäße Abkühlung in fester Position bei unterschiedlicher Kühlzeit über die Blocklänge nutzt dabei die bekannte physikalische Eigenschaft von Temperaturausgleichvorgängen, die mit zunehmender Distanz zwischen Punkten gleicher Temperaturdifferenz mit dem Quadrat langsamer ablaufen, also in radiale Richtung wesentlich rascher erfolgen als in Achsrichtung.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten und anschließend abgekühlten metallischen Pressbolzens oder, bei Verwendung einer Warmschere, eines Stangenabschnitts, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, unmittelbar vor dem Einbringen in die Pressvorrichtung, a) bei dem der Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) wiedererwärmt wird, b) der wieder erwärmte Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) anschließend abgekühlt und c) der Pressvorrichtung zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, dass d) der Pressbolzen/Stangenabschnitt (1), bezogen auf 200 mm Durchmesser, in maximal 20 Minuten auf die erforderlich Temperatur wiedererwärmt wird, und dass e) der wieder erwärmte Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) für maximal 3 Minuten einem passiven Temperamrausgleich unterworfen wird, f) der zu einer Temperaturgleichmäßigkeit, bezogen auf 200 mm Durchmesser, von weniger als ± 10 K führt.
2. Verfahren zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten und anschließend abgekühlten metallischen Pressbolzens oder, bei Verwendung einer Warmschere, eines Stangenabschnitts, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, unmittelbar vor dem Einbringen in die Press vorrichmng, a) bei dem der Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) wiedererwärmt wird, b) der wiedererwärmte Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) anschließend abgekühlt und c) der Press vorrichmng zugeführt wird, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass d) der wiedererwärmte Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) einer Schroffabkühlung mit Wasserspritzdüsen (25) derart unterworfen wird, dass sich, bezogen auf 200 mm Durchmesser, innerhalb einer Düsenspritzdauer von maximal 30 Sekunden auf der Oberfläche des Pressbolzens/Stangenabschnitts (1) eine Temperatur einstellt, die mindestens 150 K unter der Presstemperatur liegt, und dass e) sich die gewünschte Temperamrverteilung im Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) sowohl über dem Querschnitt als auch in der Länge nach Ablauf einer Temperaturausgleichszeit einstellt, die länger ist als die Düsenspritzdauer.
3. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Pressbolzens/Stangenabschnitts (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Pressbolzen /Stangenabschnitt (1) auf die für die jeweilige Legierung höchste optimale Temperatur erwärmt wird und bei einer gegenüber dieser Temperatur aufgrund der Erfordernisse des Pressvorganges niedrigeren Presstemperatur im Anschluss an die Erwärmung eine Schroffabkühlung erfolgt, bei welcher der Pressbolzen/Stangenabschnitt (1) derart abgekühlt wird, dass er nach aktiver Kühlzeit und einer sich daran anschließenden Temperaturausgleichszeit die geforderte, niedrigere Presstemperatur aufweist, insbesondere, wenn bei der Abkühlung von der höchsten optimalen Temperatur für die jeweilige Legierung auf die für den Pressvorgang erforderliche niedrigere Presstemperatur ein sogenannter Temperaturtaper erzeugt wird.
4. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Pressbolzens/Stangenabschnitts, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Teil (7) eine Erwärmung durch Gasbrennerflammen, welche die Oberfläche berühren, und in einem zweiten Teil (8) eine Erwärmung durch erzwungene Konvektion mittels auf die Gutoberfläche aufgeblasener Heißgas-Düsenstrahlen erfolgen, und dass der in Guttransportrichtung betrachtet letzte Unterbereich (8b) der Erwärmung durch erzwungen Konvektion im wesentlichen dem Temperamrausgleich im Gut dient und mit nur geringer Obertemperatur gegenüber der Endtemperatur betrieben wird.
5. Verfahren zur Wärmebehandlung eines Pressbolzens/Stangenabschnitts, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar im Anschluss an eine vorangegangene Schnellerwärmung eine Schroffabkühlung mit einzelnen Wasserspritzdüsen (25) vorweggenommen wird, deren Achsen radial zur horizontalen Gutachse gerichtet sind und die einzeln oder in Gruppen mit unterschiedlichen Drücken und/oder unterschiedlichen Einschaltzeiten betreibbar sind.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass als
Kühlfluid demineralisiertes Wasser verwendet wird.
7. Vorrichmng zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten metallischen
Pressbolzens oder, bei Verwendung einer Warmschere, eine Stangenabschnittes, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, unmittelbar vor dem Eindringen in die Press vorrichmng, a) mit einer Erwärmungs vorrichmng (7, 8) und b) mit einer Abkühlungs vorrichmng, dadurch gekennzeichnet, dass c) die Erwärmungsvorrichtung einen ersten Teil (7) mit Erwärmung durch
Gasbrennerflammen, welche die Oberfläche berühren, und einen zweiten Teil (8) mit Erwärmung durch erzwungene Konvektion mittels auf die Gutoberfläche aufgeblasene Heißgas-Düsenstrahlen aufweist, d) wobei der in Guttransportrichtung betrachtet letzte Unterbereich (8b) der
Erwärmung durch erzwungene Konvektion im Wesentlichen dem Temperamrausgleich im Gut dient und mit nur geringer Temperatur über der Endtemperatur betrieben wird.
8. Vorrichmng zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten metallischen
Pressbolzens oder, bei Verwendung einer Warmschere, eines Stangenabschnittes, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, unmittelbar vor dem Eindringen in die Press vorrichmng, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass a) die Abkühlvorrichtung zur Schroff-Abkühlung des wiedererwärmten Pressbolzens/Stangenabschnitts (1) mit einzelnen Wasserspritzdüsen (25) dient, b) deren Achsen radial zur horizontalen Gutachse gerichtet sind und c) die einzelnen in Gruppen mit unterschiedlichen Drücken und/oder unterschiedlichen Einschaltzeiten betreibbar sind.
9. Vorrichtung zur Wärmebehandlung eines gegossenen, homogenisierten metallischen
Pressbolzens oder, bei Verwendung einer Warmschere, eines Stangenabschnittes, vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung, unmittelbar vor dem Eindringen in die Pressvorrichtung, insbesondere nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass a) die verwendeten Brenner Rekuperator-Brenner sind, bei denen der Rekuperator zur
Verbrennungsluftvorwärmung jeweils individuell in jeden Brenner integriert ist und b) die Brennerstrahlen mit hoher Geschwindigkeit aus der Brennerdüse austreten, wobei insbesondere zumindest einige Rekuperator-Benner im Flox-Modus betrieben werden können.
10. Vorrichmng nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen der Rekuperatorbrenner (22) mit Mundstücken aus hoch hitzebeständigem Werkstoff zur Querschnittsveränderung der Brennerstrahlen (24) ausgestattet sind, wobei insbesondere die Düsen der Rekuperatorbrenner (22) die Richtung der Brennerstrahlen (24) verändern und/oder die Mundstücke die Brenner strahlen (24) jeweils in mindestens zwei Einzelstrahlen aufteilen.
11. Vorrichmng nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Pressbolzen oder Stangenabschnitt (1) während des Kühlvorganges in einer festen Position in der Schroff-Abkühlvorrichmng befindet, die aus ringförmigen Anordnungen von Einzeldüsen (25) besteht, wobei insbesondere eine Düsengruppe jeweils durch die Düsen einer ringförmigen Düsenanordnung gebildet wird und/oder die Düsen je nach Orientierung zur Mantelfläche des Bolzens unterschiedliche Größen aufweisen.
12. Vorrichmng nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen während des Kühlvorganges von einer an den Bolzenstirnflächen angreifenden, auf verschiedene Bolzenlängen einstellbaren Klemmhalterung (34) gehalten ist, die insbesondere an der Bolzenunterseite Nasen (34c) zur zusätzlichen Sicherung des Bolzens durch Formschluss aufweist.
13. Vorrichmng nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch eine Be- und Entladeposition für die Klemmvorrichtung (34) vor der Kühleinrichtung.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlzeit für die einzelnen Düsengruppen unterschiedlich ist, wobei sich insbesondere an die Kühlzeit eine Zeitspanne zum Temperamrausgleich anschließt.
15. Vorrichmng nach mindestens einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass bei kurzen Bolzenfolgezeiten mindestens zwei Abkühl Vorrichtungen parallel betrieben werden.
16. Vorrichmng nach einem der Ansprüche 7 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen der Schroff-Abkühlvorrichmng aus einem Druckspeicher mit dem Kühlfluid versorgt werden.
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