| WO/2006/135112 | UPSETTING METHOD AND UPSETTING APPARATUS |
| JP63230248 | FORGING METHOD FOR HOLLOW PIPE |
| JP62263803 | PRODUCTION OF CO-CR SPUTTERING TARGET |
| P a t e n t a n s p r ü c h e 1. Verfahren, insbesondere Industrieprozess, wobei Werkstücke (16, 17) vor und/oder während einer Behandlung und/oder Bearbeitung erhitzt werden und nach der Behandlung und/oder Bearbeitung abgekühlt werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die thermische Energie der behandelten und/oder bearbeiteten Werkstücke (17) zur Bereitstellung von Wärmeenergie und/oder zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird. 2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Werkstücke (16, 17) aus Metall, insbesondere aus Stahl, behandelt und/oder bearbeitet werden. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bearbeitungslinie (1) für Werkstücke (16, 17), insbesondere eine Schmiede (2)- und/oder Walzlinie, verwendet wird. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie von abzukühlenden Werkstücken (17) auf noch zu behandelnde und/oder zu bearbeitende Werkstücke (16) übertragen wird. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie von während der Behandlung und/oder Bearbeitung anfallendem Abfall und/oder Ausschuss auf noch zu behandelnde Werkstücke (16) übertragen wird. 6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (16, 17) während der Wärmeübertragung gefördert werden, insbesondere wobei ein Werkstückförderer (3) verwendet wird. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass abzukühlende Werkstücke (17) im Gegenstrom zu noch zu behandelnden und/oder zu bearbeitenden Werkstücken (16) gefördert werden. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bearbeitungslinie (1) in U-Form verwendet wird. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass abzukühlende Werkstücke (17) im Gleichstrom mit noch zu behandelnden und/oder zu bearbeitenden Werkstücken (16) gefördert werden. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Werkstückförderer (3) ein Ringförderer (10) verwendet wird. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass Wärmeenergie von jeweils einem abzukühlenden Werkstück (17) - und ggf. auch von diesem Werkstück (17) stammendem Abfall und/oder Ausschuss - auf ein noch zu behandelndes und/oder zu bearbeitendes Werkstück (16) übertragen wird. 12. Verfahren nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das abzukühlende Werkstück (17) - und ggf. auch von diesem Werkstück (17) stammender Abfall und/oder Ausschuss - und das noch zu behandelnde und/oder zu bearbeitende Werkstück (16) zusammen in eine Wärmeübertragungseinheit (11) eingebracht werden. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeenergie der abzukühlenden Werkstücke (17) zur Dampferzeugung in einem - ggf. mehrstufigen und/oder kaskadierten - ORC-Prozess genutzt wird. 14. Werkstückförderer (3) zur Durchführung eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 6 bis 13. 15. Werkstückförderer (3) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass abzukühlende Werkstücke (17) im Gegenstrom zu noch zu behandelnden und/oder zu bearbeitenden Werkstücken (16) förderbar sind, ggf. wobei die Bearbeitungslinie (1) für Werkstücke eine U-Form aufweist. 16. Werkstückförderer (3) nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass abzukühlende Werkstücke (17) im Gleichstrom mit noch zu behandelnden und/oder zu bearbeitenden Werkstücken (16) förderbar sind, insbesondere wobei der Werkstückförderer (3) einen Ringförderer (10) aufweist. 17. Werkstückförderer (3) nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch zumindest eine Wärmeübertragungseinheit (11), in welche ein abzukühlendes Werkstück (17) - und ggf. auch von diesem Werkstück (17) stammender Abfall und/oder Ausschuss - und ein noch zu behandelndes und/oder zu bearbeitendes Werkstück (16) einbringbar sind. 18. Wärmeübertragungseinheit (11) zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 12 oder 13 und/oder für einen Werkstückförderer (3) nach Anspruch 17. 19. Wärmeübertragungseinheit (11) nach Anspruch 18, gekennzeichnet durch eine im Wesentlichen quaderförmige Ausgestaltung und/oder durch wärmeisolierte Seitenwände. 20. Wärmeübertragungseinheit (11) nach Anspruch 18 oder 19, gekennzeichnet durch zumindest eine Klappe (14) zum Einbringen von Werkstücken (16, 17). 21. Wärmeübertragungseinheit (11) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, gekennzeichnet durch zumindest eine innen liegende Aufnahme (15) für ein Werkstück (16, 17). |
DER BEARBEITUNG ODER BEHANDLUNG VON WERKSTÜCKEN
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere einen Industriepro- zess, wobei Werkstücke vor und/oder während einer Behandlung und/oder Bearbeitung erhitzt werden und nach der Behandlung und/oder Bearbeitung abgekühlt werden. Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung einen Werkstückförderer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. für den erfindungsgemäßen Werkstückförderer geeignete Wärmeübertragungseinheit.
Es sind eine Vielzahl von industriellen Verfahren bekannt, bei denen Werkstücke zunächst erhitzt werden, um danach einer Behandlung und/oder Bearbeitung und anschließend einer Abkühlung zugeführt zu werden. Dabei kann es sich z.B. um Härte- oder Anlassbehandlungen für metallische Werkstücke, insbesondere aus Stahl, handeln.
Besonders verbreitet ist in diesem Zusammenhang auch die Bearbeitung metallischer Werkstücke mittels Walz- und/oder Schmiedeverfahren. Die zu bearbeitenden Werkstücke werden in diesem Zusammenhang auch als Rohlinge oder ggf. als Halbzeuge bezeichnet. Einem Schmiedeverfahren zugeführte Werkstücke werden darüber hinaus auch als Blöcke oder Knüppel (insbesondere beim Schmieden von Kurbelwellen) bezeichnet. Es sind jedoch ebenfalls Verfahren bekannt, bei denen nichtmetallische Werkstücke zunächst erhitzt, danach bearbeitet und schließlich wieder abgekühlt werden.
Lediglich beispielhaft wird im Folgenden ein Verfahren gemäß Stand der Technik beschrieben, bei dem die genannten Blöcke oder Knüppel einer sog. Schmiedelinie zugeführt und dort in die gewünschte Form gebracht werden.
Üblicherweise werden die zu bearbeitenden Werkstücke zunächst in einem Schmiedeerwärmer auf die Schmiedenenntemperatur, bspw. ca. 1100 0 C, erwärmt. Danach durchlaufen die erhitzten Werkstücke die weiteren Stationen der Schmiede- linie, wo sie umgeformt werden. Diese Stationen können eine Reckwalze, eine Vorformpresse, eine Hauptpresse, eine Entgratpresse und eine Kalibrierpresse aufweisen. Danach werden die fertig geschmiedeten Werkstücke am Ende der Schmiedelinie in einen Kühlförderer gegeben. In dem Kühlförderer werden die noch heißen Werkstücke während des Transports an der Umgebungsluft durch Wärmestrahlung und Luftkonvektion allmählich abgekühlt, wobei annähernd Raumtemperatur erreicht werden kann. Danach sind die geschmiedeten Werkstücke lager- oder handelsfähig oder können weiteren Behandlungs- und/oder Bearbeitungsschritten zugeführt werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Industrieprozesse sind jedoch mit Nachteilen behaftet. So werden die Werkstücke in einem Erwärmer bzw. Ofen mit hohem Energieeinsatz auf sehr hohe Temperaturen erhitzt. Der erzielte Temperaturunterschied zwischen Ein- und Ausgang des Erwärmers kann dabei über 1000 Kelvin betragen. Nach der Behandlung und/oder Bearbeitung der Werkstücke wird diese thermische Energie wieder abgeführt. Dadurch ist ein gattungsbildendes Verfahren nur besonders energieintensiv betreibbar.
Des Weiteren fällt während der Abkühlung der noch heißen Werkstücke im Industriebetrieb eine große Wärmemenge an. Dadurch erhitzt sich die Betriebsstätte, so dass sich ggf. Mitarbeiter nicht in der Nähe der abzukühlenden Werkstücke aufhalten können. Alternativ müssen hier kostenintensive Isolierungs- und/oder Abschirmungs- und/oder Absaugmaßnahmen vorgesehen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine energieoptimierte und kostengünstige Behandlung und/oder Bearbeitung von Werkstücken zu ermöglichen.
Diese Aufgabe ist zunächst in Bezug auf ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Ein erfindungsgemäßer Werkstückförderer ist mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 angegeben. Schließlich wird gemäß Patentanspruch 18 noch eine erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinheit vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind den jeweils nachgeordneten Patentansprüchen entnehmbar. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die thermische Energie der behandelten und/oder bearbeiteten Werkstücke zur Bereitstellung von Wärmeenergie und/oder zur Erzeugung elektrischer Energie genutzt wird.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass die in den erhitzten bzw. behandelten und/oder bearbeiteten Werkstücken gespeicherte thermische Energie in sinnvoller Art und Weise nutzbar ist, nämlich in Form von Wärmeenergie und/oder zur Erzeugung elektrischer Energie. Dementsprechend kann auf eine alleinige Abkühlung der Werkstücke mittels Konvektion und/oder Strahlung verzichtet werden. Vielmehr lässt sich die thermische Energie der Werkstücke gezielt aufnehmen und einer weiteren Nutzung zuführen.
Bevorzugt lässt sich die thermische Energie abzukühlender Werkstücke zur Vorwärmung noch zu behandelnder Werkstücke einsetzen. Dadurch kann der Betrag der im Erwärmer oder im Ofen eingesetzten Primärenergie deutlich verringert werden. Alternativ oder zusätzlich können mit der Abwärme abzukühlender Werkstücke ein oder mehrere thermische Kreisprozesse nach dem Prinzip des Organic Rankine Cycle (ORC) betrieben werden.
Über die Energieeinsparung bzw. -rückgewinnung hinaus ist erfindungsgemäß erreicht, dass die Betriebsstätte bzw. die unmittelbare Umgebung der abzukühlenden Werkstücke nicht mehr über Gebühr erhitzt wird. Dadurch ist die nachteilige Einwirkung auf Betriebsangehörige minimiert und kostenintensive Schutzmaßnahmen werden überflüssig.
Folglich ist ein Verfahren, insbesondere ein Industrieprozess, angegeben, mit dem eine energieoptimierte und kostengünstige Behandlung und/oder Bearbeitung von Werkstücken ermöglicht ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren erweist sich als besonders vorteilhaft, falls Werkstücke aus Metall, insbesondere aus Stahl, behandelt und/oder bearbeitet werden. Aufgrund der vergleichsweise großen Wärmekapazität metallischer Werkstücke ist die in erhitzten Werkstücken gespeicherte Menge an thermischer Energie ebenfalls groß. Daher bietet es sich insbesondere an, die thermische Energie metallischer Werkstücke sinnvoll zu nutzen. Es ist jedoch darauf hinzuweisen, dass das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf Prozesse beschränkt ist, in denen metallische Werkstücke behandelt und/oder bearbeitet werden.
In einer Weiterbildung des Verfahrens wird eine Bearbeitungslinie für Werkstücke, insbesondere eine Schmiede- und/oder Walzlinie, verwendet. Es konnte bereits gezeigt werden, dass das erfindungsgemäße Verfahren sich besonders für Schmiede- und/oder Walzprozesse eignet. Metallische Werkstücke, welche in Schmiedelinien bearbeitet werden, müssen dabei üblicherweise auf sehr hohe Temperaturen (ca. 1100 0 C) erhitzt werden. Dies ist mit einem hohen Einsatz von Primärenergie verbunden. Daher ist es hier besonders vorteilhaft, die thermische Energie der behandelten Werkstücke zurückzugewinnen.
In einer ganz besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird Wärmeenergie von abzukühlenden Werkstücken auf noch zu behandelnde und/oder zu bearbeitende Werkstücke übertragen. Gemäß dieser Weiterbildung lässt sich einerseits sowohl die gespeicherte thermische Energie der bearbeitenden Werkstücke nutzen, und kann auf der anderen Seite der Einsatz von Primärenergie im Erwärmer bzw. Ofen verringert werden, da noch zu bearbeitende Werkstücke mit der rückgeführten thermischen Energie vorheizbar sind.
In diesem Zusammenhang wird darüber hinaus vorgeschlagen, Wärmeenergie von während der Behandlung und/oder Bearbeitung anfallendem Abfall und/oder Aus- schuss auf noch zu behandelnde Werkstücke zu übertragen. Dabei kann es sich zum einen um Werkstücke handeln, welche fehlerhaft bearbeitet worden sind und üblicherweise als Ausschuss in die Metall-Wiederverwertung rückgeführt werden. Es wird vorgeschlagen, die thermische Energie solcher Ausschussteile vor der Rückführung in den Recycling-Prozess noch zur Vorwärmung von Werkstücken zu nutzen. Es ist des Weiteren in energetischer Hinsicht zu bevorzugen, Grate, Späne oder dgl. Abfallmaterialien von bearbeiteten Werkstücken ebenfalls zur Vorwärmung neuer Werkstücke zu verwenden. Dazu kann ein bearbeitetes Werkstück zunächst mitsamt dem entfernten Abfallmaterial verbleiben, um nämlich mit seiner gesamten ursprünglichen Masse ein noch zu bearbeitendes Werkstück vorwärmen zu können.
Im Hinblick auf einen hohen Durchsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens und im Sinne einer kontinuierlichen Verfahrensführung wird eine Ausführung bevorzugt, bei der die Werkstücke während der Wärmeübertragung gefördert werden, insbesondere wobei ein Werkstückförderer verwendet wird. Der Werkstückförderer kann abzukühlende Werkstücke am Ende einer Linie, insbesondere einer Schmiedelinie, aufnehmen und vom Ende der Bearbeitungslinie weg fördern. Während der Förderung können die bearbeiteten Werkstücke bis auf die gewünschte Temperatur abgekühlt werden. Danach werden die Werkstücke aus dem Werkstückförderer entnommen und der weiteren Bearbeitung, Verwendung oder Lagerung zugeführt. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann nun ein Werkstückförderer verwendet werden, der so ausgestaltet ist, dass die thermische Energie bearbeiteter Werkstücke innerhalb des Werkstückförderers nutzbar gemacht wird. Dazu kann der Werkstückförderer bspw. kalte, noch zu bearbeitende Werkstücke aufnehmen und fördern, wobei innerhalb des Werkstückförderers eine Wärmeübertragung von den bearbeiteten auf die noch zu bearbeitenden Werkstücke erfolgt und letztere dadurch vorgewärmt werden. Alternativ oder zusätzlich kann im Werkstückförderer ein Medium, bspw. ein Arbeitsmittel eines ORC-Kreisprozesses, erhitzt und/oder verdampft werden. Damit lässt sich weitere Wärmeenergie und/oder elektrische Energie aus den abzukühlenden Werkstücken gewinnen.
Im Hinblick auf eine besonders effektive Wärmeübertragung zwischen den Werkstücken ist eine Ausführungsform favorisiert, bei der abzukühlende Werkstücke im Gegenstrom zu noch zu behandelnden und/oder zu bearbeitenden Werkstücken gefördert werden. Durch die Gegenstromführung wird stets ein größtmöglicher Temperaturunterschied zwischen den beiden Strömen realisiert. Die Prinzipien der Gegenstrom-Wärmeübertragung sind dem Fachmann dabei geläufig. Im Konkreten können heiße, aus einer Bearbeitungslinie entnommene Werkstücke in einen Werkstückförderer in Form eines wärmeisolierten Tunnels eingebracht werden. Am anderen Ende des Werkstückförderers können hingegen kalte, noch zu bearbeitende Werkstücke aufgegeben und dann oberhalb der heißen Werkstücken im Gegenstrom gefördert werden. Mit einer prozessgesteuerten Luftumwälzung und genauer Regelung kann darüber hinaus gewährleistet werden, dass den heißen Werkstücken die Wärme nach den Vorgaben und Erfordernissen der gewünschten metallurgischen Gefügeumwandlung entzogen und an die kalten Werkstücke weitergegeben wird.
In konkretem Bezug auf die letztgenannte Ausführungsform des erfindungs-gemäßen Verfahrens wird eine Weiterbildung vorgeschlagen, bei der eine Bearbeitungslinie in U-Form verwendet wird. Der Aufbau der Bearbeitungslinie, insbesondere einer Schmiede- und/oder Walzlinie, in U-Form stellt sicher, dass die Eingabe der Werkstücke in die Bearbeitungslinie in der Nähe der Ausgabe der bearbeiteten Werkstücke positioniert ist. Dadurch werden lange Transportwege vermieden.
Alternativ zu einer Wärmeübertragung im Gegenstrom ist im Hinblick auf eine einfache technische Lösung und einen hohen Materialdurchsatz bevorzugt, dass abzukühlende Werkstücke im Gleichstrom mit noch zu behandelnden und/oder zu bearbeitenden Werkstücken gefördert werden. Dazu kann bspw. ein Werkstückförderer verwendet werden, der - wie bereits beschrieben - im Wesentlichen als lang gestreckter, wärmeisolierter Tunnel ausgestaltet ist. Darin können kalte Werkstücke oberhalb heißer, abzukühlender Werkstücke gefördert werden. Bei dieser Ausführung des Verfahrens wird am Eingang des Werkstückförderers ein maximaler Temperaturunterschied zwischen heißen und kalten Werkstücken erreicht.
In diesem Zusammenhang ist eine Ausführungsform des Verfahrens bevorzugt, bei der ein Werkstückförderer in Ringform verwendet wird. Mit anderen Worten kann der Werkstückförderer als Endlosschleife ausgestaltet sein. Der Förderer kann heiße Werkstücke am Ausgang einer Bearbeitungslinie aufnehmen und vorgewärmte Werkstücke an den Eingang der Bearbeitungslinie fördern. Während der Förderung kann Wärmeenergie von den heißen, bereits bearbeiteten Werkstücken auf die kalten Werkstücke übertragen und diese dadurch vorgewärmt werden.
Im Hinblick auf eine genau reproduzierbare Vorwärmung kalter Werkstücke sowie eine konkret planbare Abkühlung heißer Werkstücke wird eine Weiterbildung des Verfahrens bevorzugt, bei der Wärmeenergie von jeweils einem abzukühlenden Werkstück - und ggf. auch von diesem Werkstück stammendem Abfall und/oder Ausschuss - auf ein noch zu behandelndes und/oder zu bearbeitendes Werkstück übertragen wird. Mit anderen Worten ist hierbei eine Wärmeübertragung realisiert, bei der genau einem heißen Werkstück stets ein kaltes Werkstück zugeordnet wird. Danach kann zwischen diesen beiden Werkstücken in genau vorhersagbarer Weise eine Wärmeübertragung erfolgen, wobei die Abkühlungs- und Aufheizkurve des jeweiligen Werkstücks vorherbestimmbar ist. Dazu können die beiden zusammengeführten Werkstücke auch in apparativer Hinsicht „abgekapselt" werden, bspw. kann gegenüber der Umgebung eine thermische Isolierung hergestellt werden. In diesem Zusammenhang wird vorgeschlagen, dass das abzukühlende Werkstück - und ggf. auch von diesem Werkstück stammender Abfall und/oder Ausschuss - und das noch zu behandelnde und/oder zu bearbeitende Werkstück zusammen in eine Wärmeübertragungseinheit eingebracht werden. Eine solche Wärmeübertragungseinheit kann bspw. die Form einer Box mit wärmeisolierten Wänden aufweisen. Die Wärmeübertragungseinheit kann im oberen Bereich eine Aufnahme für ein kaltes Werkstück und im unteren Bereich eine Aufnahme für ein heißes Werkstück aufweisen. Des Weiteren ist zumindest eine Klappe zum Beschicken der Wärmeübertragungseinheit vorzusehen. Die Wärmeübertragungseinheit kann auch über zwei Klappen verfügen, nämlich eine oben liegende für das kalte bzw. vorgewärmte Werkstück und eine unten liegende für das heiße bzw. abgekühlte Werkstück. Ist die Wärmeübertragungseinheit beschickt, wird sie über die Klappe bzw. die Klappen verschlossen. In der Einheit findet dann durch Konvektion und Strahlung eine Wärmeübertragung zwischen dem heißen und dem kalten Werkstück statt. Die Wärmeübertragungseinheit kann dabei im diskontinuierlichen Betrieb verwendet werden. So kann die Einheit mit einem heißen und einem kalten Werkstück bestückt und anschließend im Lager abgestellt werden, bis der erwünschte Temperaturausgleich vollzogen ist. Im Hinblick auf eine kontinuierliche Verfahrensführung ist jedoch bevorzugt, dass mehrere der Wärmeübertragungseinheiten Teil eines vorgenannten Werkstückförderers, insbesondere eines Werkstückförderers in Ringform, sind. Der Ringförderer kann die Wärmeübertragungseinheiten von der Beladestelle des Erwärmers oder Ofens zum Ende der Bearbeitungslinie für die Werkstücke und wieder zurück fördern. Die Wärmeübertragungseinheiten können dann an den verschiedenen Punkten der Bearbeitungslinie mit heißen und kalten Werkstücken beschickt bzw. können vorgewärmte oder abgekühlte Werkstücke aus den Wärmeübertragungseinheiten entladen werden.
Im Hinblick auf die Erzeugung elektrischer Energie aus der thermischen Energie der heißen Werkstücke wird schließlich eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, bei der die Wärmeenergie der abzukühlenden Werkstücke zur Dampferzeugung in einem - ggf. mehrstufigen und/oder kaskadierten - ORC-Prozess genutzt wird. Die Nutzung der thermischen Energie in einem ORC- Prozess kann dabei die alleinige Verwertung der Wärme der heißen Werkstücke darstellen. Es ist jedoch bevorzugt, die Wärmenutzung in einem ORC-Prozess zusätzlich zu der oben ausführlich beschriebenen Wärmeübertragung zwischen heißen und kalten Werkstücken vorzusehen. So ist es in energetischer Hinsicht besonders vorteilhaft, die Restwärme der bereits teilweise abgekühlten Werkstücke (nach der Wärmeübertragung mit einem vorzuwärmenden Werkstück) in einem ORC-Prozess zu nutzen. In beiden Fällen kann Energie aus heißen Werkstücken dem Verdampfer einer ORC-Anlage zugeführt werden. Dabei kann der Verdampfer in einem isolierten, tunnelartigen Werkstückförderer angeordnet sein. Das zu erhitzende und zu verdampfende Arbeitsmittel kann im Gegenstrom zu den abzukühlenden Werkstücken durch den Werkstückförderer geleitet werden. Der ORC-Kreisprozess kann üblicherweise einen Wirkungsgrad von maximal ca. 20% aufweisen. Jedoch ist hier, bedingt durch die hohe Einsatztemperatur der heißen Werkstücke, denkbar, bis zu drei ORC-Prozesse mit verschiedenen Arbeitsmedien (und dadurch verschiedenen Verdampfungstemperaturen) in Kaskadenform durchzuführen. Die drei Verdampfer können aufeinanderfolgend innerhalb eines einzigen Werkstückförderers angeordnet werden.
Mit den Merkmalen des Patentanspruchs 14 ist ein erfindungsgemäßer Werkstückförderer zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben.
Zur Vermeidung von Wiederholungen wird bezüglich der Merkmale sowie vorteilhafter Ausführungsformen des Werkstückförderers ausdrücklich Bezug genommen auf die Ausführungen in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren.
So wird zunächst gemäß einer ersten Weiterbildung ein Werkstückförderer vorgeschlagen, in dem abzukühlende Werkstücke im Gegenstrom zu noch zu behandelnden und/oder zu bearbeitenden Werkstücken förderbar sind, und wobei die Bearbeitungslinie für die Werkstücke ggf. eine U-Form aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform sind im erfindungsgemäßen Werkstückförderer abzukühlende Werkstücke im Gleichstrom mit noch zu behandelnden und/oder zu bearbeitenden Werkstücken förderbar. Dabei erweist sich eine Ringform des Werkstückförderers als besonders vorteilhaft.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung weist der erfindungsgemäße Werkstückförderer zumindest eine bereits zuvor beschriebene Wärmeübertragungseinheit auf, in welcher ein abzukühlendes Werkstück - und ggf. auch von diesem Werkstück stammender Abfall und/oder Ausschuss - und ein noch zu behandelndes und/oder zu bearbeitendes Werkstück einbringbar sind.
Mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 ist schließlich eine erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinheit angegeben.
In Bezug auf Merkmale sowie vorteilhafte Ausführungsformen der Wärmeübertragungseinheit wird zur Vermeidung von Wiederholungen zunächst ausdrücklich Bezug genommen auf die Ausführungen in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren sowie in Bezug auf den erfindungsgemäßen Werkstückförderer.
Als besonders praktisch erweist sich eine Wärmeübertragungseinheit, welche eine im Wesentlichen quaderförmige Ausgestaltung und/oder wärmeisolierte Seitenwände aufweist.
In einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung weist die Wärmeübertragungseinheit zumindest eine Klappe zum Einbringen von Werkstücken auf.
Schließlich ist eine Ausgestaltung der Wärmeübertragungseinheit bevorzugt, welche zumindest über eine innen liegende Aufnahme für ein Werkstück verfügt.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die jeweils nachgeordneten Ansprüche, und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung jeweils eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Werkstückförderers sowie der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinheit anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schmiedelinie mit einem Werkstückförderer in Ringform zur Vorwärmung kalter Werkstücke und zur Beschickung der Schmiedelinie mit vorgewärmten Werkstücken, und Fig. 2 eine teils schematische Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinheit.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Schmiedelinie mit einem Werkstückförderer in Ringform zur Vorwärmung kalter Werkstücke und zur Beschickung der Schmiedelinie mit vorgewärmten Werkstücken.
Dabei ist zunächst in ganz allgemeiner Hinsicht das erfindungsgemäße Zusammenwirken einer Bearbeitungslinie 1 für Werkstücke, welche hier als Schmiedelinie 2 ausgestaltet ist, mit einem erfindungsgemäßen Werkstückförderer 3 dargestellt. Die Schmiedelinie 2 ist in schematischer Darstellung eine lang gestreckte Bearbeitungsstraße mit verschiedenen Stationen zur Bearbeitung von Werkstücken. Die Schmiedelinie 2 wird dabei am Punkt A mit vorgewärmten Werkstücken beschickt. Punkt B hingegen bezeichnet den Ausgang der Schmiedelinie 2.
Zunächst werden Werkstücke in geeigneter Größe mit Hilfe einer Säge 4 aus dem Ausgangsmaterial hergestellt. Danach werden kalte und/oder bereits in erfindungsgemäßer Weise vorgewärmte Werkstücke dem Schmiedeerwärmer 5 zugeführt, wo die Werkstücke durch Einsatz von Primärenergie auf die Schmiedenenntemperatur, welche ca. 1100 0 C betragen kann, erhitzt werden.
Die erhitzten und so für den eigentlichen Schmiedevorgang bereiten Werkstücke werden darauf folgend einer Reckwalze 6, einer Hauptpresse 7, einer Entgratpresse 8 und einer Kalibrierpresse 9 zugeführt. Die genannten Bearbeitungsstationen sind für sich gesehen aus dem Stand der Technik bekannt und bedürfen an dieser Stelle keiner näheren Erläuterung.
In Punkt B werden die bearbeiteten und heißen Werkstücke aus der Schmiedelinie 2 entnommen.
In erfindungsgemäßer Weise ist nun ein die Schmiedelinie 2 in einer Endlosschleife umgebender Werkstückförderer 3 vorgesehen, der bei diesem Ausführungsbeispiel als Ringförderer 10 ausgelegt ist. Dabei ist die Ausgestaltung des Ringförderers 10 als Endlosschleife um die gesamte Schmiedelinie 2 lediglich beispielhaft zu verstehen. So kann die durch den Ringförderer 10 gebildete Schleife auch jedwede andere zweckmäßige Ausgestaltung innerhalb oder um die Bearbeitungslinie 1 herum annehmen.
Der Ringförderer 10 besteht aus einer Vielzahl von Wärmeübertragungseinheiten 11 , welche jeweils eine wärmeisolierte Box aufweisen. Diese Box weist im oberen Bereich eine Aufnahme für ein kaltes, vorzuwärmendes Werkstück (Rohling) und im unteren Bereich eine Aufnahme für ein heißes, bereits bearbeitetes und abzukühlendes Werkstück auf. Die Boxen werden innerhalb des Ringförderers 10 nach dem Power-and-Free-Verfahren gefördert. Alternativ lassen sich die Wärmeübertragungseinheiten 11 auch als Teil einer Einschienenhängebahn fördern.
Der Ringförderer 10 fördert in erfindungsgemäßer Weise Wärmeübertragungseinheiten 11 von der Beladestelle des Schmiedeerwärmers (Punkt A) bis zum Ende der Schmiedelinie (Punkt B) und wieder zurück.
Nach Beschicken einer Wärmeübertragungseinheit 11 mit einem heißen und mit einem kalten Werkstück kann während des Transports durch Konvektion und Strahlung eine Wärmeübertragung zwischen dem heißen Werkstück und dem noch kaltem Rohling stattfinden. Zu Einzelheiten hinsichtlich der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinheit 11 wird auf die Beschreibung zu Fig. 2 verwiesen.
Demnach werden an Punkt A vorgewärmte Werkstücke aus den Wärmeübertragungseinheiten 11 entladen und der Schmiedelinie 2 zugeführt. Diese Werkstücke werden durch kalte Werkstücke ersetzt, welche ihrerseits darauf folgend vorgewärmt werden. Bei Punkt B hingegen werden abgekühlte, bereits bearbeitete Werkstücke aus den Wärmeübertragungseinheiten 11 entnommen und durch heiße Werkstücke, welche vorhergehend in der Schmiedelinie 2 bearbeitet worden sind, ersetzt.
Die bereits teilweise abgekühlten und aus den Wärmeübertragungseinheiten 11 entnommenen Werkstücke werden bei Punkt B zusätzlich einem Kühltunnel 12 zugeführt. In diesem Kühltunnel 12 ist ein Verdampfer für einen ORC-Kreisprozess angeordnet. Die teilweise abgekühlten Werkstücke durchlaufen den Kühltunnel 12 im Gegenstrom zu dem Arbeitsmittel des ORC-Kreisprozesses, wodurch dieses erhitzt und verdampft wird. Damit lässt sich eine ORC-Turbine zur Gewinnung elektrischer Energie antreiben. Es können ebenfalls mehrere Verdampfer hintereinander im Kühl- tunnel 12 geschaltet werden, so dass kaskadierte ORC-Prozesse ausgeführt werden können. Dabei lassen sich die ORC-Arbeitsmittel so auswählen, dass trotz der weiteren Abkühlung der Werkstücke jeweils eine Verdampfung des Arbeitsmittels gelingt.
Alternativ kann der Kühltunnel 12 auch im Gegenstrom zu den Werkstücken mit einem nicht siedenden Medium (beispielsweise Thermoöl) durchströmt werden, welches die thermische Energie der sich weiter abkühlenden Werkstücke aufnimmt und zur weiteren Nutzung auf die Außenseite des Kühltunnels 12 leitet.
Der Ringförderer 10 fördert die aufgenommenen Werkstücke üblicherweise im Uhrzeigersinn, um eine möglichst lange Vorwärmzeit für die in Punkt A aufgenommenen Rohlinge bereitzustellen. Der Ringförderer 10 kann jedoch ebenfalls - soweit zweckmäßig - in entgegengesetzter Förderrichtung betrieben werden.
Die Förderung von Punkt A zu Punkt B kann dabei in drei Zyklen eingeteilt werden:
Beim Anlauf der Schmiedelinie 2 sind alle Wärmeübertragungseinheiten 11 leer. Nach dem ersten Beladen einer Wärmeübertragungseinheit 11 mit einem kalten Werkstück (Rohling) bei Punkt A fährt die Wärmeübertragungseinheit 11 zu Punkt B. Dabei wird der aufgenommene Rohling nicht vorgewärmt, da noch kein heißes Werkstück verfügbar ist.
Der zweite Zyklus lässt sich folgendermaßen zusammenfassen: Ist bereits ein Zyklus gefahren, wird an Punkt A ein vorgewärmter Rohling entladen. Bei einer Austrittstemperatur bearbeiteter Werkstücke aus der Schmiedelinie 2 von 1100 0 C und einer Temperatur des Rohlings von 20 0 C kann der Rohling dabei theoretisch bis auf eine Temperatur von 56O 0 C vorgewärmt werden. Nun wird ein weiterer kalter Rohling in die Wärmeübertragungseinheit 11 gegeben, in der noch das „halb" abgekühlte Werkstück vorhanden ist. Auf der Strecke von Punkt A bis Punkt B wird der neue Rohling bereits vorgewärmt. Das theoretisch erreichbare Gleichgewicht liegt dabei bei 290 0 C.
Beim dritten Zyklus liegt die theoretisch erreichbare Temperatur des Rohlings bereits bei 695°C, um sich dann bei gleich bleibenden Parametern (Temperatur der bearbeiteten Werkstücke = 110O 0 C, Temperatur der Rohlinge = 2O 0 C) bei einer Vorwärmtemperatur von ca. 736°C einzupendeln.
Für die Förderung von Punkt B zu Punkt A können ebenfalls drei Zyklen beschrieben werden:
Wie bereits erwähnt, erreicht beim ersten Zyklus ein kalter Rohling Punkt B, wo ein heißes Werkstück in die Wärmeübertragungseinheit 11 geladen wird. Nach der darauf folgenden Förderung zu Punkt A ist so theoretisch ein erstes Temperatur- Gleichgewicht von 560 0 C erreichbar.
Beim zweiten Zyklus wird an Punkt B ein bis auf 290 0 C abgekühltes Werkstück entnommen und ein frisch geschmiedetes, 1100°C heißes Werkstück aufgenommen.
Beim dritten Zyklus ist das an Punkt B zu entnehmende Werkstück nur noch auf 357 0 C abgekühlt. Nach weiteren Zyklen wird sich diese Temperatur bei 373°C einpendeln.
Die von 1100°C bis auf ca. 37O 0 C abgekühlten, bearbeiteten Werkstücke können danach noch im Kühltunnel 12 weitere Wärmeenergie abgeben.
Fig. 2 zeigt eine teils schematische Vorderansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinheit 11.
Die Wärmeübertragungseinheit 11 weist die Form einer Box auf, welche ihrerseits ein rundum wärmeisoliertes Gehäuse 13 aufweist. Die Seitenwände können dabei aus Stahlblechen bestehen. Zwischen den Innen- und Außenwänden des Gehäuses 13 ist eine leistungsfähige und temperaturbeständige Isolierung, beispielsweise aus Mineralwolle, vorgesehen.
Die gezeigte Ausführungsform der Wärmeübertragungseinheit 11 weist des Weiteren auf der Vorderseite 2 Schiebeklappen 14 zum Öffnen der Wärmeübertragungseinheit 11 auf. Im Inneren der Wärmeübertragungseinheit 11 sind zwei Aufnahmen 15 für heiße und kalte Werkstücke angeordnet. Dabei ist auf der oberen Aufnahme 15 ein kaltes Werkstück 16 (Rohling) und auf der unteren Aufnahme 15 ein heißes Werkstück 17 anordenbar. Zum Be- und Entladen eines Rohlings 16 kann die obere Schiebeklappe 14 und zum Be- und Entladen eines heißen bzw. bereits teilweise abgekühlten Werkstücks 17 die untere Schiebeklappe 14 benutzt werden.
Die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinheit 11 erlaubt eine Wärmeübertragung von jeweils einem abzukühlenden Werkstück 17 - und gegebenenfalls auch von diesem Werkstück 17 stammenden Abfall und/oder Ausschuss - auf ein noch zu behandelndes und/oder zu bearbeitendes Werkstück 16. Dazu kann die Wärmeübertragungseinheit 11 mit den Werkstücken 16, 17 beschickt und danach - beispielsweise in einem Hochregallager - abgestellt werden.
In bevorzugter Weise wird jedoch eine kontinuierliche Wärmeübertragung zwischen heißen Werkstücken 17 und kalten Werkstücken 16 angestrebt, nämlich indem die erfindungsgemäße Wärmeübertragungseinheit 11 Teil eines Werkstückförderers 3, insbesondere eines Ringförderers 10 gemäß Fig. 1 ist.
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie der erfindungsgemäßen Vorrichtungen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Patentansprüche verwiesen.
Schließlich sei angemerkt, dass die voranstehend erörterten Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Werkstückförderers sowie der erfindungsgemäßen Wärmeübertragungseinheit lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dient, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränkt. Bezugszeichenliste
A Eingang (Schmiedelinie)
B Ausgang (Schmiedelinie)
1 Bearbeitungslinie
2 Schmiedelinie
3 Werkstückförderer
4 Säge
5 Schmiedeerwärmer
6 Reckwalze
7 Hauptpresse
8 Entgratpresse
9 Kalibrierpresse
10 Ringförderer
11 Wärmeübertragungseinheit
12 Kühltunnel
13 Gehäuse (Wärmeübertragungseinheit)
14 Klappe
15 Aufnahme (Werkstück)
16 kaltes Werkstück (Rohling)
17 heißes Werkstück
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