熱等靜壓機快速冷卻方法以及熱等靜壓機的製作方法

2023-05-05 07:41:46 4

專利名稱：熱等靜壓機快速冷卻方法以及熱等靜壓機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱等靜壓機的快速^4卩方法，以及一種熱等靜壓機。
背景技術：
熱等靜壓機(HIP)或者高壓釜在當今的應用領域十分廣泛。在高溫高壓條件下， 在型模中對固體工件或，末構成的模壓材料進行緻密化處理。可以將同類材料以及
不同材料結合在一起。通常將工件置於被一個高壓容器包圍的加熱爐中。在加熱過 程中或者在加熱之後，通過一種流體或者惰性氣體(通常是氬氣)從各個方向施加壓 力，實施徹底的等靜壓處理，超工件達到最佳緻密度。這種方、她被用艦構件進 行再緻密化處理，例如陶瓷材料製成的構件，例如用預關節假體、汽車或者發動機 製造用的鋁鑄件、轎車發動機的汽缸蓋或者鈦合金精密鑄件，例如渦輪機葉片。在高 溫高壓斜牛下進行再緻密化處理，可封閉前道生產工序中產生的微孔、愈^陷部位、 改善結構特性。另一個應用領域是製造粉^W料近終成形構件，在工藝過程中對其進 行緻密化和燒結處理。
HIP周期通常要持續非常長的時間，從幾小時到幾天不等。周期成本的主要部分 是佔壓資金的機器小時率所弓胞的。尤其是從工作鵬斷氐到倉^安全打開壓機的允 許ag所需的冷卻時間相當長，通常佔到周期時間的三分之一以上，且在工藝過程中
無法加以利用。現在己經知道7賴卩過禾就於生產零件的材禾辦性有著至關重要的作
用。許多材料均需要嚴格遵守一定的最大冷卻速度，以便保證材料質量。此外，在
7賴卩過程中還要注意應當使工# 均勻7賴卩，不得不均勻地有不同的f顯度區。在
製造大型構件時，溫度差異所引起的內應力可能會導致翹曲、切口應力集中開裂或者
導致徹底毀壞。即使;^S常放在加熱爐內的支架上的小型構件，也有可能出現此類問題。
已知現有技術水準下的高壓釜均採用熱氣體循環方式，配有或者沒有機械式輔助
設備，例如Kt幾。在沒有l艦式輔助設備的應用中，Sil現有的或者強制的f鵬差(加
熱或7賴P外壁)在高壓釜中實現氣體的自然對流和重新分布。較冷的流體下降，較熱 的流體則上升。可以4頓導淑幾構以有控制的方式對這種流體的流動加以利用，從而
在高壓釜內實現均勻的加熱或者冷卻循環。現有技術所使用的就是由HiJ:、下開口
的管子構成的導流套m流套。在加熱過程中，加熱爐中的熱源iij共驅動力，並且根
據熱源的布置情況開始流動。在7賴瞎式下，低溫流# 流套和起7轉卩作用的夕卜壁 之間下降，並且推動套管內部較熱的流體向上流過工件。在HIP設備的頂蓋上，從
下而上的流動推動流體朝向夕卜側部分運動，使得流體在外壁和套管之間又重新下降。
這時又重新形成相應的冷卻作用，從而維,續的7賴卩過程。
例如，編號為DE 38 33 337 Al的公開說明書就公開了一種使HIP設備快速冷 卻的實施型式。根據這種解決方^0 述，ffiil底層空間內的閥門打開循環迴路，在隔 熱罩內的高溫區與隔熱罩外的低溫區之間形成氣體循環，從而形成快速冷卻作用。在 隔熱罩的上蓋中有一些始終常開的 L高溫流體可以Mii^些孔流出。這種實施型式 的缺點在於鵬非常低的流體會從下方回流到高溫區之中，並且與加熱爐中的工件
發生直 觸，這樣就會使低溫氣體從下而上充滿高溫區。其不^處在於可能會
出現參數過於不確定的驟然7賴卩，無制射#^爐料區實現均勻的7賴卩速度。對於大 型構件而言，這種不均勻^4卩可能會引feJ^問題，如翹曲、開裂或毀壞。
編號為W0 2003 / 070 402 Al的申請說明書公開了一種熱等靜壓機7襯卩方法以 及一種熱等靜壓機。根據該方法戶腿，從裝料區放出高溫流體，將其與裝料區夕卜下降 的低溫流fl^昆合，然後將混合流體重ifilA^料區。該方法所要求的條件，，因此 也需要使用構造錢、具有軒髓的熱等靜壓機。如果爐料的側凹部分或者爐料的 支撐結構妨礙爐料區的正常^ii，貝踵親腿入的混合流體可能會以無法控制的方式回 流到爐料區之中，且有時會導致不同的7賴卩速度，這也是一僧點。此外，將7賴卩到 混合溫度的氣體從下方送入爐料區，必然會導致爐料區的下端與上端之間出現溫度梯 度，因此不可能實現均勻的7賴卩M。

發明內容
本發明的任務在於闡述一種熱等靜壓機快速冷卻方法，以及用來實施該方法的一 種能夠使得爐料區或者爐料均勻冷卻的熱等靜壓機；根據本發明所述，將 較低的 流體與熱等靜壓機爐料區內的高溫流體均勻混合，同時在整個壓力容器內，尤其是在
爐料區內使得流體充分fflM可^i也循環，從而實現均勻7轉卩全部爐料的效果。
針對該方法提出的任務可根據本發明加以解決，即在壓力容器的爐料區內部Mil 至少一個噴嘴噴入流體形成旋流，在旋流經過隔熱體附近的過程中，流體與來自爐料 附近的流體相互混合，且從噴嘴流出的流體具有比爐料區內流體和/或爐料更低的溫 度。
針對用於實施該方法的熱等靜壓機提出的任務可根據權利要求13加以解決，即 在壓力容器內至少有一個管路與爐料區內部的至少一個噴嘴相連，且供應給該管路的
流^as低於爐料區中的流體或者爐料。
本發明的原理在於通過在壓力容器上部定向噴入低溫流體的方式，在爐料區範 圍內形成旋流。在爐料區上端以高速噴入的方式，在爐料區內產生旋流效應，也就是
說，從噴嘴噴出的低溫流# 隔熱體作圓周運動，並且由於流體密度^:而下降。因
為與爐料區之間並無隔離物，從而在爐料區附近的高溫流體與旋轉運動的低溫流體之 間發生混合。下降的流體夾帶著來自爐料區內部的高溫流體，從而產生混合^Jt。由 於混勻效果理想，且可根據物理作用可靠防止爐f，觸^j^過低的流體，因此能確保
M爐料部分均具有理想、均勻的7賴卩梯度。M3i流體在爐料區內部的旋^動，也
可保證上升、下降流fl^會因為爐料側凹部分或者爐料支架的妨礙而在爐料區內形成 溫度小環境。由於流1tt旋轉運動，因lt匕就會在(例如)側凹部分處產生渦流，即使
存在內有靜止流體的小環境，也能將其充分混勻，從而十分有效地平衡^jS差。
利用本發明所述的特徵，可以在進行快速冷卻時，使fW^爐料區內在^4卩過程
中實現均勻的MS分布。
本發明的其它有益措施和實施型式均在從屬權利要求以及下列以附圖為參考的描
述中加以闡述。


附圖1 一種外部流體Jt4卩型壓力容器，沿其中軸線垂直剖開的剖面示意圖， 附圖2沿著附圖1所示壓力容器的爐料區上部噴入平面水平剖開的剖面圖， 附圖3沿著壓力容器隔熱體夕卜側與內側區域之間的混合平面水平剖開的另一個 剖面圖，
附圖4 a、 b所示為爐料區上部流體導^^置的兩種實施例，以及 附圖5 —種利用循環裝置進行快速內冷卻的壓力容器，沿其中軸線垂直剖開的 剖面圖。
具體實施例方式
這些附圖所示的壓力容器l均具有一個通常位於內部的爐料區19以及布置於其 間的隔熱體8。在隔熱體8內安裝有加熱元件4，爐料18通常放在一^^戶料託板6 上，或者利用支架(並未繪出)將其放在爐料託板6上。壓力容器1還具有用來給 壓力容器上料、卸料的封閉蓋2和3，但為了使描述簡化起見，以下將其視作壓力容 器1的組成部分。在隔熱體8範圍內的爐料區19之中安裝有至少一個噴嘴13，通 過該噴嘴形成旋流23，特別地將流體高速噴入。流體所具有的MS低於爐料區19內 的流體以^/或者爐料18，並且根據物理定律Mil旋轉作用使其緊靠在絕緣體8的內 H±。當旋流23在隔熱體8附ifiM過時，夕卜側旋轉的流購爐料18時逝 較高 的流體相混合。在垂直於壓力容器1中軸線26的剖面中，中軸線26附近的流術顯 度最高。離在旋流23經過時朝向隔熱體8方向遊賣降低。在一種j雌實施型式 中，相對於壓力容器1的中軸線26從噴嘴13沿水平方向噴出流體。相對於壓力容 器1的中軸線26沿切線方向噴出流體最為理想。若從噴嘴13噴出的流體具有較高 ffi，並57或者布置有多個噴嘴13，貝U較為有益。根據附圖5所示，要麼利用循環 裝置5義A/S層空間22抽取，較低的流體後直g^A導管12，或者如附圖l和4所 示，通過出口 24在壓力容器1之外將流體ij^合流體y賴口器10，然後再3Iil入口 25將 其送入導管12。
在一種特別優選的實施型式中，通過由一個噴射管15和一個文丘裡噴嘴16構 成的真空噴射泵，將經由入口 25回想l」壓力容器1之中的冷卻流體與來自底層空間 22的流體混合之後送入導管12之中(附圖1)。在旋流23的所有驅動方法中，流 體可以直接從爐料區19以^/或者M二環狀間隙17經由通孔7 fflA底層空間22 之中。這是一種結構性設計，取決於所要實現的7賴卩速度，因為從爐料區19流出的 流體^t顯度明顯高於從第二環狀間隙17流出的流體。
為了進一步優化,壓力容器的快速冷卻效果，在兩個彼此平行的環狀間隙9、 17中利用自然對流建立夕M則循環迴路20，所述循環迴路20完全位於隔熱體8之外。 外側循環迴路20中的流體以及來自爐料區19的旋轉流體可以在爐料區下方利用隔
熱體8內的通孔14相互交換並且混合。旋流23中的高溫氣體可以經由通 L 14進 入外側循環迴路20之中，在這裡首先與夕M則環流混合，並_§3131￡力容鵬1上的 循環作用繼續7賴卩，7賴脂的氣體經由通 L 14流回到爐料區19下方。
將經由入口 25送入的外部7賴卩流體和/或者在夕卜側環形腔17內經艦力容器1 的壁面7t4卩後的流體混合之後，就能按照附圖1、 4或5所示的快速7賴卩方法，達到 極充分和快的爐料區19冷卻效果。當然，對於專業人士而言，本發明所公開的方法 有多種變化型式可供使用。
在附圖4所示的另一種優選實施型式中，通過噴嘴13在導流裝置27之中或者 在其上方將流體噴入爐料區19之中。該導流裝置27可以設計成水平布置的單片或 雙片圓盤(附圖4a)或者環(附圖4b)，從而保證從噴嘴13流出的H^卩流j^E進 入旋流23之前到達爐料區19的外iit彖，這裡就是隔熱體8構成的夕卜,。這樣就 可避免不可控制的7賴卩流體iaA爐料區19的中部。
導》1^置27還可設計成7K平布置的雙板^K環，如同附圖4a、 b所示的實施型 式一樣，通過從噴嘴13流入的^4卩流體，在兩個板片之間實現極佳的並且受到嚴格 限制的氣體導向作用，可以不受隔熱體8的上部區域的結構與高度(頂蓋)的影響。
可想而知，也可將導糹線置27設計成一種擴寬的噴嘴13，使得經由噴嘴13進 入導 置27的流4tt雙板之內產生初級旋流，然後才在隔熱體8的壁面附3ffitA 爐料區19之中。這時的至少一個入口具有噴嘴13的定向特徵。
為了強制使得從噴嘴13流出的'/轉卩流體與上隔熱體8附近的熱流體立即混合， 可以使從噴嘴13流出的流體噴入一個真空噴嘴之中(圖中沒有繪出)。
在另一種實施型式中，在夕卜側環形間隙17與底層空間22之間還可以附加布置 一些通 L 7，使得經過壓力容鵬7賴脂的流體t嫩直接回流到廳空間22之中(附 圖5)。
附圖^H己清單:
1. 壓力容器
2. ，閉蓋
3. 下封閉蓋
4. 加熱元件
5. 循環裝置
6. 爐料託板
7. 通孔
8. 隔熱體
9. 環狀間隙110.流體,器11.壓縮機12.導管13.噴嘴14.通孔15.噴射管16.文丘裡噴嘴17.環狀間隙218.爐料19.爐料區20.夕M則循環迴路21.用於20的導流板22.底層空間23.旋流24.出口25.入口26.中心線27.導流裝置
權利要求
1.一種熱等靜壓機快速冷卻方法，所述熱等靜壓機由一個壓力容器(1)構成，壓力容器內部有爐料區(19)以及布置於其間的隔熱體(8)，且在隔熱體(8)範圍內有加熱元件(4)以及爐料(18)布置於爐料託板(6)上，其特徵在於通過至少一個噴嘴(13)在壓力容器(1)的爐料區(19)內部形成旋流(23)，流體在旋流(23)經由隔熱體(8)附近的過程中與爐料(18)附近的流體混合，並且從噴嘴(13)流出的流體所具有的溫度低於爐料區(19)以及/或者爐料(18)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，從噴嘴(13)噴出的低溫流j材目對 於壓力容器(1)的中軸線(26)沿切向噴入爐料區(19)之中。
3. 根據權禾腰求1所述的方法，其特徵在於，從噴嘴(13)噴出的做顯流體向下 或者向上與水平線相交皿微的角度沿切向噴入爐料區(19)之中。
4. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，從噴嘴(13)噴出的低溫流體以高 速噴入爐料區(19)之中。
5. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，從噴嘴(13)流出的流體以較低的 、皿從底層空間(22)直接噴入導管(12)之中。
6. 根據權利要求1戶腿的方法，其特徵在於，ffii!A口 (24)將流4糊送到壓力 容器(1)夕剛的流體7賴卩器(10)，然後iffi!A口 (25)將其送入導管(12)。
7. 根據權利要求1戶脫的方法，其特徵在於，在願空間(22)之中艦由一個 噴射管(15)和一個文腿噴嘴(16)構成的真空噴射泵，將在壓力容器(1)夕卜側經 過冷卻後的流體直接或者將其混合來自底層空間(22)的流體之後送入導管(12)之 中。
8. 根據權利要求1戶艦的方法，其特徵在於，禾擁(兩個彼此平行布置的環形間 隙(9， 17)中的)自然對流^Z1—個完全布置於隔熱體(8)之外的外側循環迴路(20) 進一步優化快速 賴卩效果。
9. 根據權禾腰求1戶腿的方法，其牛射寺徵在於，從爐料區(19)的環流(23)中 流出的流體在爐料區(19)下方經由隔熱體(8)中的通孔(14)進入外側循環迴路(20)之中，並且與外側循環迴路(20)中的流體混合，接著在環流作用下流鄉，力容器(1) 的壁面，^^低溫流體經由通孔(14)回流到爐料區(19)下方。
10. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，流體可以通過垂直通孔(7) 從爐料區(19)和/或從水平通孔(7) ^A底層空間(22)之中。
11. 根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，從噴嘴(13)噴出的低溫流 亍枯iSA爐料區(19)之前被噴入導流裝置(27)之中，導流裝置(27)在靠近隔熱 體(8)壁面的夕卜側區域內將低溫流體送往爐料區(19)。
12. 根據權利要求1戶脫的方法，辦徵在於，從噴嘴(13)噴出的低溫流 亍枯iSA爐料區(19)之前被噴入導織置(27)之中，在導流裝置(27)在靠近隔 熱體(8)壁面的夕卜側區域內將低溫流體送往爐料區(19)之前，導織置(27)內產 生第一旋流。
13. —種用於實施權禾腰求1戶腿方法的熱等靜壓機，由一個壓力容器(l) 構成，壓力容器內部有爐料區(19)以及布置於其間的隔熱體(8)，且在隔熱體(8) 範圍內有加熱元件(4)以及爐料(18)布置於爐料託板(6)上，其特徵在於，在壓 力容器(1)之內至少有一個導管(12)與爐料區(19)內部的至少一個噴嘴(13)相 連，且供應給該導管(12)的流^m^低於爐料區(19)中的流體和/^):戶料(18)。
14. 根據權利要求13所述的熱等靜壓機，其特徵在於，噴嘴(13)的出流 方向布置成水平和/或與壓力容器(1)的中軸線(26)相切。
15. 根據權利要求13或14所述的熱等靜壓機，其特徵在於，噴嘴(13) 的出流方向與中軸線(26)相切，並且向下或者向上與水平線斜交。
16. 根據，權利要求13 15中任一項所述的熱等靜壓機，其特徵在於， 導管(12) i!A並^或者穿過底層空間(22)。
17. 根據，權利要求13 16中任一項戶，的熱等靜壓機，其特徵在於， 在底層空間(22)中安裝有用來從底層空間(22)將流體供應給導管(12)的循環裝 置(5)。
18. 根據Jl^權利要求13 17中任一項所述的熱等靜壓機，其特徵在於， 在底層空間(22)中有一個用來輸送7賴P流體的入口 (25)。
19. 根據±^權利要求13 18中任一項所述的熱等靜壓機，其特徵在於， 在底層空間(22)中有一個出口 (24)，該出口與壓力容器(1)之外的一個流體7賴口器(10)以^/或者與一個壓縮機(11)相連，且最終與入口 (25)相連。
20. 根據，權利要求13 19中任一項所述的熱等靜壓機，其特徵在於， 在底層空間(22)中安裝有一個由噴射管(15)和文丘裡噴嘴(16)構成的真空噴射 泵，且噴射管與入口 (25)相連。
21. 根據±3^權利要求13 20中任一項所述的熱等靜壓機，其特徵在於， 隔熱體(8)夕剛具有一個上、下均有通孔的導流板(21)形成一個環狀間隙(9)。
22. 根據戰權利要求13 21中任一項戶艦的熱等靜壓機，其特徵在於， 在爐料區(19)和底層空間(22)之間的隔熱體(8)之中布置有若干通 L (14)。
23. 根據，權利要求13 22中任一項所述的熱等靜壓機，其特徵在於， 在爐料區(19)禾B/或者環形腔(17)與底層空間(22)之間布置有軒通孔(7)。
24. 根據，權利要求13 23中任一項所述的熱等靜壓機，其特徵在於， 在爐料區(19)和噴嘴(13)之間安裝有至少由一個水平板構成的導流裝置(27)。
全文摘要
本發明涉及一種熱等靜壓機快速冷卻方法，所述熱等靜壓機由一個壓力容器(1)構成，壓力容器內部有爐料區(19)以及布置於其間的隔熱體(8)，且在隔熱體(8)範圍內有加熱元件(4)以及爐料(18)布置於爐料託板(6)上，該方法的特徵在於在壓力容器(1)的爐料區(19)內部通過至少一個噴嘴(13)噴入流體形成旋流(23)，流體在旋流(23)經過隔熱體(8)附近的過程中與爐料(18)附近的流體混合，且從噴嘴(13)流出的流體其溫度低於爐料區(19)中的流體或者爐料(18)。在本發明所推薦的熱等靜壓機中，在壓力容器(1)之內至少有一個導管(12)與爐料區(19)內的至少一個噴嘴(13)相連，並且給導管(12)供應低溫流體。
文檔編號B22F3/15GK101347837SQ20081021473
公開日2009年1月21日 申請日期2008年5月21日 優先權日2007年5月22日
發明者M·格拉夫 申請人:迪芬巴赫有限兩合公司