NO123300B

NO123300B -

Info

Publication number: NO123300B
Application number: NO3632/69A
Authority: NO
Inventors: H Lundstroem
Original assignee: Asea Ab
Priority date: 1968-09-12
Filing date: 1969-09-11
Publication date: 1971-10-25
Also published as: CH497674A; BE738378A; CA930158A; AT288722B; IE33393L; SE317145B; IE33393B1; DE1945191B2; US3598378A; FR2017879A1; GB1271116A; FI49223C; DE1945191A1; NL6913383A; DK120719B; FI49223B

Description

Vertikal rørovn for høyt arbeidstrykk. Vertical tube furnace for high working pressure.

Oppfinnelsen angår en sylinderformet, lang, fortrinnsvis vertikal ovn for samtidig behandling av materiale ved hoyt trykk, fortrinnsvis 500 bar og derover, og ved hdy temperatur av inntil 1500°C. The invention relates to a cylindrical, long, preferably vertical furnace for the simultaneous treatment of material at high pressure, preferably 500 bar and above, and at a high temperature of up to 1500°C.

Som et eksempel på et anvendelsesområde for ovner av denne type kan nevnes varm, isostatisk pressing eller isostatisk trykksintring av metallpulver. Pulveret eller en på forhånd presset pulvergjen-stand innesluttes i en gasstett metallhylse og sintres under trykk. Hot, isostatic pressing or isostatic pressure sintering of metal powder can be mentioned as an example of an area of application for furnaces of this type. The powder or a previously pressed powder object is enclosed in a gas-tight metal sleeve and sintered under pressure.

Ved trykksintring kan sintringen gjennomføres ved lavere temperatur In pressure sintering, the sintering can be carried out at a lower temperature

enn når den gjennomføres på vanlig måte ved.atmosfæretrykk eller under vakuum. Det trykksintrede produkt blit til tross for den lavere sintringstemperåtur tett og porefri og har i flere tilfeller bedre mekaniske egenskaper, £eks. en hoyere seighet, enn vanlig sintrede produkter. Visse legeringer får ved vanlig smeltemetallurgisk frem- than when it is carried out in the usual way at atmospheric pressure or under vacuum. Despite the lower sintering temperature, the pressure-sintered product remains dense and pore-free and in several cases has better mechanical properties, eg. a higher toughness than usual sintered products. Certain alloys are produced by ordinary melting metallurgical

stilling en ugunstig struktur med ,kraftig signingsdannelse. Gjen-stander av disse legeringer med en meget finkornet struktur kan frem-stilles fra finkornet pulver, f.eks. fremstilt ved atomisering, som sintres under hoyt trykk ved en forholdsvis lav temperatur. position an unfavorable structure with strong signature formation. Objects of these alloys with a very fine-grained structure can be produced from fine-grained powder, e.g. produced by atomisation, which is sintered under high pressure at a relatively low temperature.

Ett for ovnens funksjon meget vesentlig element er den varmeisolerende mantel som skiller hele ovnsrommet fra veggene i det omgivende trykkammer som skal ta opp kreftene fra den i ovnen innesluttede og til hoyt trykk komprimerte gass og derfor må holdes kald eller eventuelt avkjoles. De hittil anvendte isoleringsmantler har som regel bestått at to konsentriske plateror og fiberformig isoleringsmateriale som pakkes i det ringformede rom mellom rorene. Når ovnen oppvarmes og det indre ror som omgir selve ovnsrommet oppvarmes til f.eks. 1300°C mens det ytre ror som ligger inntil trykk-kammerveggen avkjoles av denne og derfor bare oppvarmes til 50-100°C, minsker spalten mellom rorene inntil 10 %, og isoleringsmaterialet blir derved sammenpresset. Ved den hoye temperatur og det hoye trykk som forekommer ved det indre mantelror mister de kjente fiberformige isoleringsmaterialer en stor del av sin spenstighet og går derfor ikke tilbake til sin opprinnelige form når ovnen avkjoles og det indre mantelror kryper. Det dannes derfor en spalte mellom det indre ror og isoleringsmaterialet, og av og til radielle sprekker i isolasjonsskiktet. Den vanlig anvendte gass, argon, som ved det anvendte hoye arbeidstrykk har en meget hoy tetthet, men samtidig en meget lav viskositet som bare er <*>+-5 ganger hoyere enn lufts ved atmosfæretrykk, holder seg meget lett i bevegelse, Gassens kon-veksjon i den dannede spalte mellom det indre mantelror og isoleringen og i sprekkene blir derfor intensiv. Mantelens isoleringsevne kan nedsettes så sterkt at isoleringen mellom mantelrorene må pakkes om eller evnetuelt helt utbyttes mellom hver gang ovnen anvendes. ;Ifblge oppfinnelsen unngåes vanskelighetene ved de kjente ovner som består i å isolere selve ovnsrommet fra trykkammeret, ved at den varmeisolerende mantel er utformet med tre i hverandre konsentrisk anordnede rorformede deler, hvorav den indre består av et materiale som har mindre utvidelseskoeffisient enn materialet i de omgivende deler. De rorformede deler er på egnet måte utfort av plater, og de mellom delene dannede ringformige rom er fylt med et isoleringsmateriale uten lukkede porer, fortrinnsvis i fiber form og oppbygget på et aluminiunioxyd-, siliciumdioxyd- eller carbonunderlag, men det kan også anvendes visse finkornede isoleringsmaterialer på et aluminium oxyd- eller magnesiumoxyd-underlag. Rommet mellom den indre og den mellomste rorformige manteldel velges slik at manteldelenes absolutte utvidelse ved temperaturlikevekt blir omtrentlig like store både i forbindelse med en kald og en varm ovn. Påkjenningen på det mellom-liggende isoleringsmateriale blir da den minst mulige. Egnede materialer for den indre og den mellomste rorformige del er molybden hhv. austenittisk rustfritt stål,men andre materialkombinasjoner kan selvfølgelig også anvendes. Det er gunstig å velge rommene • mellom de tre rorformige deler slik at temperaturen i det mellomste ikke overstiger 700°C. Det ytre isoleringsskikt utsettes da ikke for en slik temperatur at dets spenstighet nedsettes. En kompresjon av det ytre isoleringsskikt er derfor uten betydning da isoleringsmaterialet igjen ekspanderer når spaltens storrelse oker. Materialet i den ytre rorformige del kan derfor velges efter onske. For å eliminere risikoen for en komprimering av det indre isoleringskikt ved en hurtig oppvarming av ovnsrommet på grunn av en forsinket oppvarming av den mellomste rorformige del kan det anordnes varmeelement inntil den mellomste rorformige manteldel for å oppvarme denne slik at denne og den indre manteldel utvides helt likt og spalten derved holdes konstant. Ved anvendelse av molybden i den indre manteldel og austenittisk rustfritt stål i den mellomste oppnåes samme-utvidelse dersom isolering sskiktene velges slik at den mellomste' del får en temperatur av <1>+50°C når den indre har en temperatur av 1300°C. Den mer likeartede aksielle forlengelse av disse manteldeler letter også . tetningen mellom de i mantelen dannede rom . og omgivelsen. Også dette bidrar til å minske konveksjonen og forbedre ovnen. I ovner ifolge oppfinnelsen beholder isoleringsmantelen sine isolerende egenskaper i lang. tid, og dette medforer store tekniske og økonomiske fordeler. ppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet i forbindelse med det på tegningene viste utforelseseksempel. Fig. 1.viser halvt i snitt en -ovn ifolge oppfinnelsen, og Fig. 2 separat den i ovnen anvendte varmeisolerende mantel som skiller selve ovnsrommet fra den trykkopptagende beholder, og Fig. 3 i storre skala en detalj av ovnens ovre del. ;Trykkammeret 1.består av et tykkvegget, sylindrisk stålror 2 med en under forspenning påviklet trådmantel 3 av hoyholdfast, kaldvalset ståltråd. Ved påviklingen dannes det så store trykkspenninger i ror-veggen at sylinderen kan motstå et innvendig overtrykk^-av . over 3000 bar og dessuten oppta av trykkmediet dannede aksielle krefter på bunnen og lokket. Som trykkgass kan det- anvendes argon.. Mellom trådmantelen 3 og den ytre mantelplate k er dét en ringformig spalte 5 for kjolevann som fores inn gjennom ;lnnlopet;6 ved trykk-kammerets bunn og ut gjennom utlopet 7 ved. kammerets ovre del. Sylinderens ender er ved bunnen stengt med..en piugg 8 og ved toppen med et innskrudd lokk 9. Bunnpluggen 8 bærer den i trykkammeret innesluttede ovnsenhet 10 og er utfort med elektriske gjennomføringer 11 for tilforsel til varmeelementet for oppvarming av ovnen, gjen-nomføringer 12 for termoelementledninger'og-en ikke vist rorgjennom-foring for trykkgassen. Ovnsenheten 10 omfatter en varmeisolerende mantel 13 som omgir selve ovnsrommet 1^. ■ I ovnsrommet er elektriske varmeelementer i form av tre spiraler 15, 16 og 17 opphengt på inn-siden av en rekke ildfaste teglror 18. Spiralene'er ved gjennom-føringene 11 koblet til en ikke vist stromkilde. Mellom mantelen 13 og teglrorere 18 er det en ringformig -spalte 19 for tilforsels-ledninger. Varmeelementene kan selvfdlgelig også anordnes på ut-siden av rorene eller mellom to konsentrisk anordnede ror. Den varmeisolerende mantel 13 som omgir selve ovnsrommet l^f, er opp-bygd av tre konsentriske plateror 20, 21 og .22 som sammen med gavl-plater 23 og 2h den ner to fra .hverandre helt skilte ringformede rom 25 og 26 som er fylt med fiberformig isoleringsmateriale. For trykk--t jevning står rommet. 25 i forbindelse med ovnsrommet 1*+ via One very important element for the oven's function is the heat-insulating mantle that separates the entire oven space from the walls of the surrounding pressure chamber, which must absorb the forces from the gas enclosed in the oven and compressed to high pressure and must therefore be kept cold or possibly cooled. The insulation jackets used to date have generally consisted of two concentric sheet metal tubes and fibrous insulation material that is packed in the annular space between the tubes. When the oven is heated and the inner tube that surrounds the oven chamber itself is heated to e.g. 1300°C while the outer rudder which lies next to the pressure chamber wall is cooled by this and therefore only heated to 50-100°C, the gap between the rudders decreases by up to 10%, and the insulation material is thereby compressed. At the high temperature and high pressure that occur at the inner jacket tube, the known fibrous insulation materials lose a large part of their resilience and therefore do not return to their original shape when the furnace is cooled and the inner tube tube shrinks. A gap is therefore formed between the inner rudder and the insulation material, and occasionally radial cracks in the insulation layer. The commonly used gas, argon, which at the high working pressure used has a very high density, but at the same time a very low viscosity which is only <*>+-5 times higher than that of air at atmospheric pressure, stays in motion very easily, The gas's cone -vection in the formed gap between the inner sheath tube and the insulation and in the cracks therefore becomes intensive. The jacket's insulating ability can be reduced so much that the insulation between the jacket pipes must be repackaged or possibly completely replaced between each time the oven is used. According to the invention, the difficulties of the known furnaces, which consist in isolating the furnace space itself from the pressure chamber, are avoided by the heat-insulating mantle being designed with three concentrically arranged tube-shaped parts, the inner part of which consists of a material that has a smaller expansion coefficient than the material in the surrounding parts. The tube-shaped parts are suitably lined with plates, and the annular spaces formed between the parts are filled with an insulating material without closed pores, preferably in fiber form and built on an aluminum oxide, silicon dioxide or carbon substrate, but certain fine-grained materials can also be used insulating materials on an aluminum oxide or magnesium oxide substrate. The space between the inner and the middle tube-shaped jacket part is chosen so that the absolute expansion of the jacket parts at temperature equilibrium is approximately the same both in connection with a cold and a hot oven. The stress on the intermediate insulating material is then the least possible. Suitable materials for the inner and middle tubular parts are molybdenum or austenitic stainless steel, but other material combinations can of course also be used. It is advantageous to choose the spaces • between the three tubular parts so that the temperature in the middle does not exceed 700°C. The outer insulating layer is then not exposed to such a temperature that its resilience is reduced. A compression of the outer insulation layer is therefore irrelevant as the insulation material expands again when the size of the gap increases. The material in the outer tubular part can therefore be chosen as desired. In order to eliminate the risk of a compression of the inner insulation layer during a rapid heating of the furnace space due to a delayed heating of the middle tubular part, a heating element can be arranged next to the middle tubular jacket part to heat it so that it and the inner jacket part expand completely equal and the gap is thereby kept constant. When using molybdenum in the inner mantle part and austenitic stainless steel in the middle part, the same expansion is achieved if the insulation layers are chosen so that the middle part gets a temperature of <1>+50°C when the inner part has a temperature of 1300°C . The more similar axial extension of these mantle parts also facilitates . the seal between the spaces formed in the mantle. and the surroundings. This also helps to reduce convection and improve the oven. In ovens according to the invention, the insulation jacket retains its insulating properties for a long time. time, and this entails major technical and economic advantages. The invention will be described in more detail in connection with the exemplary embodiment shown in the drawings. Fig. 1 shows a half-section of an oven according to the invention, and Fig. 2 separately shows the heat-insulating mantle used in the oven which separates the oven chamber itself from the pressure absorbing container, and Fig. 3 on a larger scale shows a detail of the oven's upper part. The pressure chamber 1 consists of a thick-walled, cylindrical steel rudder 2 with a pre-tensioned wire jacket 3 of high-strength, cold-rolled steel wire. During the winding, such large compressive stresses are formed in the rudder wall that the cylinder can withstand an internal excess pressure. over 3,000 bar and also absorbed by the pressure medium created axial forces on the base and lid. As pressure gas, argon can be used. Between the wire jacket 3 and the outer jacket plate k there is an annular gap 5 for jacket water which is fed in through the inlet 6 at the bottom of the pressure chamber and out through the outlet 7 at. the upper part of the chamber. The ends of the cylinder are closed at the bottom with a plug 8 and at the top with a screwed-in lid 9. The bottom plug 8 carries the oven unit 10 enclosed in the pressure chamber and is fitted with electrical feed-throughs 11 for supply to the heating element for heating the oven, feed-throughs 12 for thermocouple lines' and a pipe through-lining, not shown, for the pressurized gas. The oven unit 10 comprises a heat-insulating mantle 13 which surrounds the oven chamber 1^ itself. ■ In the furnace room, electric heating elements in the form of three spirals 15, 16 and 17 are suspended on the inside of a series of refractory brick pipes 18. The spirals are connected to a power source, not shown, at the through-holes 11. Between the mantle 13 and brick stirrers 18 there is an annular gap 19 for supply lines. The heating elements can of course also be arranged on the outside of the tubes or between two concentrically arranged tubes. The heat-insulating mantle 13, which surrounds the furnace chamber itself, is made up of three concentric plate tubes 20, 21 and 22 which, together with gable plates 23 and 2h, form two completely separate annular chambers 25 and 26 which are filled with fibrous insulating material. The room stands for pressure equalization. 25 in connection with the oven compartment 1*+ via

åpningen 27 i roret 20 ved mantelens ovre del, og rommet 26 med rommet mellom mantelen og roret 2 gjennom åpningen 28 i roret 22 the opening 27 in the rudder 20 at the upper part of the mantle, and the space 26 with the space between the mantle and the rudder 2 through the opening 28 in the rudder 22

ved mantelens nedre del. -Trykkutjevningsåphingene kan utgjøres av ringformede spalter 29, som angitt på Fig.3. Mantelen 13 er forsynt med en isolerende bunn 30 og et lokk 31 utformet som 'celler og bare forsynt med trykkutjevningsåpninger 32 og"33- Også lokket og bunnen er fylt med isoleringsmateriale. Ovnsrommet 1^ står i forbindelse med rommet utenfor den isolerte mantel 13 gjennpm åpningen 35 i ovnens nedre del. Det indre ror 20 er utfort av et materiale at the lower part of the mantle. - The pressure equalization suspensions can be constituted by annular slots 29, as indicated in Fig.3. The mantle 13 is provided with an insulating bottom 30 and a lid 31 designed as 'cells and only provided with pressure equalization openings 32 and' 33 - The lid and the bottom are also filled with insulating material. The oven space 1^ is connected to the space outside the insulated mantle 13 again the opening 35 in the lower part of the oven.The inner tube 20 is lined with a material

med en lavere utvidelseskoeffisient enn det mellomste ror 21. with a lower coefficient of expansion than the middle rudder 21.

Rorene kan f.eks. være utfort av molybden hhv, austenittisk rustfritt stål. Meilomrommenes'tykkelse ,dvs.isolérihgéns tykkelse, velses avhengig av varmeutvidelseskoeffisientene på én slik måte at varme-strommen radialt ut gjennom mantelen gir det mellomste ror' en slik temperatur at rorene 20 og 21 utvides like meget slik at rommets 25 radiale dimensjon derved ikke forandres i nevneverdig grad. Derved unngåes det at det i rommet til en hoy temperatur oppvarmede isoleringsmateriale komprimeres og derved beskadiges. ■ Isoleringsskiktet " beholder da sin isolerende evne i lang tid. For å oppnå en helt lik utvidelse av rorene 20 og 21 selv ved en meget hurtig oppvarming av ovnsrommet lk kan det være nodvendig under oppvarmings--perioden å oppvarme roret 21 med adskilte varmeelementer avhengig av rorets 20 temperatur. The rudders can e.g. be made of molybdenum or austenitic stainless steel. The thickness of the interspaces, i.e. the thickness of the insulation, is determined depending on the thermal expansion coefficients in such a way that the heat flow radially out through the mantle gives the middle tube such a temperature that the tubes 20 and 21 expand equally so that the radial dimension of the space 25 does not thereby change to a significant extent. This prevents the insulation material heated to a high temperature in the room from being compressed and thereby damaged. ■ The insulating layer "then retains its insulating ability for a long time. In order to achieve a completely equal expansion of the tubes 20 and 21 even with a very rapid heating of the furnace space 1k, it may be necessary during the heating period to heat the tube 21 with separate heating elements depending of the rudder's 20 temperature.

Dersom rommenes 25 og 26 radiale dimensjon velges slik at rorets 2l temperatur aldri overstiger 50O-7OO°C, avhengig av materialet, taper isoleringsmaterialet i rommet - 26 ikke sin spenstighet. En ulik utvidelse av rorene 21 og 22 og derav fblgende komprimering av isoleringsmaterialet nedsetter derfor ikke mantelens isoleringsevne i nevneverdig grad da isoleringsmaterialet ikke har tapt sin evne til å folge rommets varmebevegelser. Valget av materiale i det ytterste ror 22 er derfor uten praktisk betydning. If the radial dimension of the rooms 25 and 26 is chosen so that the temperature of the rudder 2l never exceeds 50O-7OO°C, depending on the material, the insulating material in the room - 26 does not lose its resilience. An unequal expansion of the pipes 21 and 22 and consequent compression of the insulating material therefore does not reduce the insulation capacity of the mantle to any significant extent as the insulating material has not lost its ability to follow the heat movements of the room. The choice of material in the outermost rudder 22 is therefore of no practical importance.

Oppfinnelsen er selvfølgelig ikke begrenset til den på tegningene viste utforelsesform, men flere varianter kan anvendes innen rammen 'av kravene. Ved hoye arbeidstrykk er det sikkerhets-messig gunstig å anvende et trykkammer med en hoytrykksylinder med helt glatt innvendig overflate og med innskutte veivformede ende-forseglinger. Trykkammeret innsettes da i et presstativ som opptar de på endeforseglingene virkende aksiale krefter. The invention is of course not limited to the embodiment shown in the drawings, but several variants can be used within the scope of the claims. At high working pressures, it is advantageous in terms of safety to use a pressure chamber with a high-pressure cylinder with a completely smooth internal surface and with cut-in crank-shaped end seals. The pressure chamber is then inserted into a press stand which absorbs the axial forces acting on the end seals.

Claims

1. Cylindrical, long furnace for treating material at high temperature in a gas atmosphere under high pressure, and containing a pressure chamber with a furnace chamber that is enclosed in a heat-insulating jacket consisting of concentrically arranged tubes with mainly closed spaces that are filled with insulating material, with a pressure equalization opening between the space and the furnace space or between the space and the surrounding space outside the mantle, characterized in that the heat-insulating mantle (13) contains at least three tube-shaped parts (20,21,22) arranged in each other, of which the inner (20) consists of a material that has a smaller coefficient of expansion than the material in the surrounding parts (21,22).

2. Furnace according to claim 1, characterized in that the spaces between the inner and the middle tube-shaped jacket part and between the middle and outer tube-shaped jacket part, and thereby the thicknesses of the insulation layers, are chosen so that the inner and middle the lunar part's absolute expansion (at temperature equilibrium) becomes approximately the same in absolute terms.

3. Furnace according to claim 1, characterized in that the inner tube-shaped part is made of ferritic steel and the middle tube formed part of austenitic stainless steel. , M-.

Furnace according to claim 1, characterized in that the inner tube-shaped part is made of molybdenum and the middle tube-shaped part of austenitic stainless steel.

5. Oven according to claim 1, characterized in that elements for heating it are arranged up to the middle mantle part.