DE1565398A1

DE1565398A1 - Heizstab fuer elektrische Widerstandsoefen und unter Verwendung solcher Staebe gebildete Heizeinrichtung

Info

Publication number: DE1565398A1
Application number: DE19661565398
Authority: DE
Inventors: Dumitru Roman
Original assignee: Australian Atomic Energy Commission
Current assignee: Australian Atomic Energy Commission
Priority date: 1965-09-03
Filing date: 1966-09-02
Publication date: 1970-04-16
Also published as: US3395241A; GB1123606A

Description

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der AUSTRALIAN ATOMIC ENERGt COMMISSION, 45 Beach Street, Coogee, New South Wales, öommonwealth of Australia

Heizstab für elektrische Widerstandsöfen und unter Verwendung solcher Stäbe gebildete Hebeeinrichtung.

Die Erfindung betrifft einen Heizstab fü*^ elektrische Widerstandsöfen und eine aus einer Anzahl solcher Stäbe, gebildet« Heizeinrichtung, und zwar insbesondere für aolahe Widerstandsöfen, 1 die auf eine Temperatur in der Qrössenordnung von 24Q0^Q G ge·· ! braoht werden.

Für die Durchführung von Versuchen und die Wärmebehandlung sowie das Schmelzen von schwer sohinel »barem Material ist es manchmal notwendig, Temperaturen big zu und über 200Q° G vorzuathtn, wob<|l in 1 einer bestimmten, kontrollierbaren Atmosphäre gearbeitet wird. Ober«' halb von 1200° G verwenden die üblichen Widerstandsofen Edelmetalle der Platingruppe für die Wioiilung OtS Ofens.. Derartige Öfen sind ausserordentlioh teuer. Bin weitere!!¹ Nachteil besteht iHk unvermeidbaren Auftreten heisser Stelle«* sogenannter¹ *H.otspati*t die frühzeitig zu Störungen und häufigem Auswechseln des Wider·· stands-Heizelementes führen· oberhalb 2000° G werden elektrische | Induktionsöfen benutzt. Sie weisen den Nachteil auf, dass sie thermisch au3serordentlich instabil sind» wodurch eine Temperaturkontrolle oder -steuerung ausaerordentlich erschwert wird.

Zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten werden Widerstandsöfen mit

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Graphit und schwer schmelzbarem Metall (Wolfram und Molybdän) verwendet, wobei sie in einer inerten Atmosphäre arbeiten. Sa)ehe Öjfen aind häufig mit einem Heizelement von rohrfönniger Gestalt, a. B. eines Hohlzylinder, ausgerüstet. Wegen der groaaen elektrisöiltß Ströme, die dabei benutzt werden, sind schwere und aufwendige Stromversorgungs* anlagen notwendig. Experimente im Zusammenhang mit sehr niedriger elektrischer Leitfähigkeit und Messungen mit ungeerdeten Therecelementen, d. h. im allgemeinen Messungen, die unter induktionsfreien Bedingungen erfolgen müssen, sind praktisch undurchführbar·

Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zu Grunde, einen Graphit-Widerstandsofen zu schaffen, der für B_enutzung in einem relativ hohen ' Temperaturbereich geeignet ist und die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten nicht aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung zunächst einen Heizstab, der aus einem Material mit mittlerem Ohm*schem Widerstand besteht, wobei sein mittlerer Bereich zur Wärmeerzeugung in eine Heiz<«

und
zone dient ,/Ein Ende des Stabes mit einem Gewinde versehen und ein Brüokenelement auf denselben aufschiebbar ist, daa mit dem Ende eines anderen Stabes zur Bildung einer Heizeinrichtung verbindbar ist* wobei ferner auf das Ende des Stabes eine Mutter aufschraubbar ist, um das BrHickenelement in seiner Lage zu halten.

Genäse einem weiteren, besonders vorteilhaften Vorschlag der Erfindung können Stätte der vorbeschriebenen Art so zusammengesetzt sein, dass sie eine käfigartige Heizeinrichtung bilden, wobei alle Stäbe elektrisch in Reihe geschaltet und nahe ihren Enden durch Halterungen schwer schmelzbarem Material unterstützt sind.

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Ber mittlere Bereich jedte Heiestabes kann einen kleineren aahnitt aufweieen, eo dies ditstr B|reich einen grösseren Widerstand ■pro L&tigenHnheit als die übrifcin Bereiche des Stabes aufweist. Weit terhin int ·β zweckmäieig, die Halterungen als mit Durchbrechungen versehenen Ring auszubilden, von denen jeweils einer einem Ende der HtiBfcinrichtung zugeordnet ist. Di· auf die Enden der Stäbe aufeohraubbaren Muttern können ait In Längsrichtung sich erstreckenden iOhtftartigen Fortsätzen versehen sein, die in den Durchbrechungen I#r Hinge gelagert «Ind.

Es lit »ber auch tit» Ausbildung möglich, bei welcher jeder Heicetab Über ftlne gpiu&te Länge eine einheitliche Stärke aufweist und an j idf« ieinir Enden strel Muttern aufgeschraubt sind, die das Brückenelemtnt in seiner Lagi halten, pie Endbereiche der Heizstäbe können dabei vor dem Anbringen der BrÜ@kin§l«@nt durch die Durchbrechungen ,dir Halterungen hindurehgesteckt sein*

Vorteilhaft sind die Stäbe, die Brückenelement und die Kuttern aus Graphit hergestellt.

Weiterhin können die einander entsprechenden Enden zweier nicht miteinander über ein Erückenelement verbundener Stäbe über Gewinde mit elektrischen, mit Innengewinde versehenen Anschlußstäben verbunden sein.

In der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung darge- ; stellt. Es zeigen:

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Fig. 1 die perspektivische ansieht einer Heizeinrichtung, Fig. 2 die dazugehörige Vorderansicht,

Fig. j> einen Längsschnitt gemass der Linie 3-3 der Fig. 2, Fig. 4 die perspektivische ansieht einer zweiten Heizeinrichtung,

von der nur ein Heizstab dargestellt ist, Fig. 5 die dazugehörige Vorderansicht,
Fig. 6 einen Schnitt nach der Linie 6-6 der Fig. 5·

Das in den Figuren 1, 2 und j dargestellte Ausführungsbeispiel zeirjt einen elfekksischen ./iderstandsoxen 7, der i'ür einen Temperaturbereich von 1OUG⁰ ΰ bis 2i+Cü° G bestimmt ist. Dieser Ofen 7 besteht aus einer Vielzahl von Heizelementen in Gestalt von Lto.ben ti, die aus einem Lateridl mit mittlerem elektrischem Widerstand, wie z. L. Graphit, bestehen. Wenngleich die Verwendung dieses './_erkstofi'es sehr erwünscht ist, und zwar insbesondere für hochtemperatur-Cfen, kennen auch -andere Werkstoffe verwendet werden, und zwar in Abhängigkeit von der erforderlichen maximalen Arbeitstemperatur. Dabei kann es notwendig sein, die jeweils geeignete Gfenatmosph^re vorzusehen.

Unter bestimmten Umständen kann es zweckmässig sein, den zentralen Erreich jedes Stabes so zu formen oder zu bearbeiten, dass er einen verringerten querschnitt aufweist. Dieses Lerkmal wird noch im 2',usammenhang mit dem zweiten ausführungsbeispiel zu erläutern sein. Die mit den tatsächlichen ^uerschnittsabmessungen zusammenhangenden Faktoren schliessen Arbeitslänge, Heizzone, Ofentemperatur und Energiebedarf des Ofens 7 ein.

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-S-

Die stabförmige!! Heizelemente ö sind an jedem linde V mit einem Gewinde versehen, auf das kuttern 10 zur Eildung .einerGchulter aufgeschraubt sind. Lin hrüekenelement 11, das aus einem etwa rechteckigen-Graphitblock, der mit zwei in einem Abstand voneinander angeordneten Löchern versehen ist, besteht, ist über die mit Gewinde versehenen Enden 9 benachbarter Stüoe 8 geschoben.

kuttern 12 werden auf die mit Gewinde versehenen Enden 9 der Stabe aufgeschraubt, um die Brückenelement 11 und die Stabe 8 in ihrer zusammengesetzten Lage zu halten. Vorzugsweise sind diese Muttern 10 und 12 auch aus Graphit hergestellt, insbesondere dann, wenn es sich um Hochtemperatur-üfen handelt, da schwer schmelzbare Metalle, wie z. B. Wolfram und Molybdän mit den Graphitstaben 8 bei hohen Temperaturen reagieren können, wodurch Metallkohlenstoffverbindungen entstehen, die irgendwelche unerwünschten Effekte zur Folge haben.

Eine Heizeinrichtung für einen suackx elektrischen Widerstandsofen 7 kann durch Zusammensetzen einer Vielzahl von stabförmigen Heizelemenden 8 der vorbeschriebenen Art gebildet werden. Gemäss der Erfindung wird dies durch Zusammensetzen der Stabelemente 8 in Käfigform erreicht, wobei die Widerstandstäbe elektrisch in Serie geschaltet sind. Dies wird durch die Zwischenverbindung der Stäbe 8 und ihrer zugeordneten Brückenelemente 11 erreicht. D. h._f dass die Stäbe 8 symmetrisch und räumlich zueinander parallel um die Achse des Ofens 7 angeordnet sind.

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Die typische heizeinrichtung, wie sie in den Figuren 1, 2 und 3 gezeigt isb, besteht aus sechzehn Graphitstäbun 8, die unren.hr 28 cn (11 Zoll) lang und innerhalb der Heiszene 13 4 rr.ro (5/32 EoIl) im Durchmesser und kc-iigfermig angeordnet sind. Jeder Stat 8 ist an seinen Enden 9 über etwa 2, 5 cm (1 Zoll) seiner Lange mit einem Gewinde versehen. Darauf sind die Lruckenelemente 11 aus Graphit angeordnet und durch Graphitmuttern 1(D und 12, die auf die Enden 9 der Stäbe 8 aufgeschraubt sind, gehalten.

Das Ergebnis dieses. Zusammenbaus wird, obwohl es in sich durchaus starr ist, vorzugsweise noch durch Ringe 14 aus schwer schmelzbarem Ilaterial, die an den Endbereichen der Stabe 8 angebracht sind, gehalten. Diese Halterungen 14 bestehen bei Benutzung für Temperaturen oberhalb 180C C aus stabilisierter Zirkonerde und aus Tonerde (Aluminium-Oxyd) bei Verwendung unterhalb dieser Temperaturen. Die Halterungen 14 aus schwer schmelzbarem Γ-iaterial werden in den meisten Fallen als flache \ Kreisringe ausgebildet sein, die mit kreisförmig angeordneten Durchbrechungen versehen sind, die, wie die Löcher 15, durch den Ring gebohrt sind. Die Graphitstäbe 8 sind so ausgebildet, dass sie durch die entsprechenden Löcher 15 in beiden Ringen 14 hindurchgeführt werden können, so dass sie zwischen denselben durch hihre Endbereiche 9 unterstützt werden.

Die im Ofen 7 eingebaute Heizeinrichtung befindet sich innerhalb eines in der Zeichnung nicht dargestellten Gehäuses, wobei Reflektoren und isolierendes Material in der.üblichen Weise verwendet werden. Voraussetzung ist dabei,, dass das Gehäuse leicht auseinandergenommen werdai kann und eine Kontrolle der Atmosphäre erlaubt, wobei entweder Vakuum oder ein inertes Gas verwendet wird. Bei dieser Ofenkonstruktion ist

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COPY

innerhalb der Stabanordnung der Heizeiirichtun,]; eine zentrale Kammer vorgesehen, innerhalb v/elcher eine geeignete Plattform oder ein Gitter für die aufnahme der zu erhitzenden Materialien, Korper oder dgl. angeordnet ist. Für die Zuführung der elektrischen Energie zu der Heizeinrichtung sind Klemmen Ib vorgesehen, die mit jedem Ende der Reihenschaltung verbunden sind, die die Stabe 8 mit den Brückenelementen 11 bilden.

Ein so konstruierter Ofen mit stabförmigen Heizelementen 8 aus einer besonderen GraphitsBEisorte, die als JM bekannt ist, würde folgende Arbeitscharakteristik aufweisen:

widerstand bei Raumtemperatur 4,5 Ohm

·- ο
'widerstand bei IbOO ΰ 3,5 Ohr.

Strom 20 Ampere

Leistung 1,5 KVa

einheitliche Temperaturzone bei 1200 G 30/·> der Länge des Ofens.

Eine zweite Ausführungsform der Erfindung ist in den Figuren 4» 5 und 6 dargestellt. Hierbei ist eine Anordnung von zwanzig Stabelementen durch Ringe 14Λ aus schwer schmelzbarem Material gehalten, die - wie beim Ausführungsbeispiel gemass Fig. 1 bis 3 - mit Durchbrechungen 1$A versehen sind. Der mittlere Bereich 17 jedes Stabes 8A v/ae ist einen geringeren querschnitt auf, um dort seinen K±fcik elektrischen Understand zu vergrössern, so dass die Heizzone 13A auf eine höhere Temperatur gebracht wird als die Endbereiche der Stäbe 8A. An letzteren ist ein Schulterbereich 18 mit geringerem Durchmesse angeformt. Unmittelbar an den Enden ist bei 19 eine weitere Durchmessrverringerung vorhanden, wobei die Jsnden mit Gewinde vorsehen sind. Die Prückenelemente

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HA weisen jeweils zwei Löcher 20 auf, die über den Bereich 18 des jeweiligen Stabes 8A geschoben und auf diesem sitzen, so dass alle ' zwanzig Stäbe 8A aufeinander folgend* durch die Brückenelemente HA miteinander verbunden werden können.

Rohrförmige Muttern 21 sind auf die Enden 19 der Stäbe 8A aufgeschraubt. Diese Muttern 21 weisen an ihren freien Enden einen geringeren Durchmesser auf. Dieser, Bereich geringeren Durchmessers 22 ist in die Löcher 15A des isolierenden Ringes 14A aus schwer schmelzbarem Material einschiebbar. Die Stabanordnung wird somit in käfigartiger Gestalt durch die rohrartigen Muttern gehalten, deren Fortsätze 22 innerhalb der Durchbrechungen 15A der Ringe 14A sitzen.

j Der Ring 14A kann auch zum Zwecke des Einstellens um einen kurzen Weg

von der Keizzone 13A wegbewegt werden, wenn eine höhere als die üb- ! liehe Temperatur in der Zone 13A erforderlich ist.

: Die vorerwähnte Ausbildung erleichtert auch das Auswechseln zer- ! brochener Stäbe BA. Dies geschieht in der V/eise, dass die rohrförmige Mutter 21 an jedem Stat angeschraubt wird, um den Stab loszumachen. Ein neuer Stab 8A kann dann in die Erückenelemente HA eingeführt und die rohrförmige Mutter 21 mit seinen freien Enden verbunden werden, ohne dass dies irgendwelche Auswirkungen auf die übrigen Stäbe 8a hätte. ■

Weiterhin sind Anschlui;rohre 23 vorgesehen, die innenseitig mit einem Gewinde versehen sind, um mit den Enden der Reihe von Stäben 8A verbunden zu werden. Einer der Ringe 14a ist dabei mit grosseren Löchern ι 24 versehen, um diese Anschlußrohre 23 aufnehmen zu können, zwischen j den Anschlußstäten in den Löchern 24 besteht eine wesentlich srössere

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'Potentialdifferenz als zwischen irgendeinem anderen Pdar von benachbarten Stäben 8A. Aus diesem Grunde sind Rohre aus ©luminiumoxyd bzw. Tonerde vorgesehen, die die Anschlußstäbe umgeben, um das Auftreten eines Lichtbogens zwischen ihnen zu vermeiden. Die Enden 26 der Rohre 25, sind, wie Fig. 4 erkennen lässt, mit Ausklinkungen versehen, so dass diese Rohre auch die Enden der Ringe HA abschirmen können.

Die Erfindung ist keineswegs auf die beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr sind auch noch andere Formen und Abwandlungen, die von der Erfindung erfasst werden, denkbar. Im übrigen kann die Erfindung sowohl bei horizontalen als fes± auch bei vertikalen öfen Angewendet werden.

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Claims

156539Θ - ίο - Patent an Sprüche

1. Rohrförmige Heizeinrichtung Tür elektrische Widerstandsöfen mit einer innerhalb derselben angeordneten Heizkammer, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung aus käfigartig zusammengesetzten Stäben (ö, 8a) aus einem Material mit mittlerem 0hm^Tschem Widersband besteht, deren mittlerer Bereich zur Wärmeerzeugung in einer Heizzone (13, IJa) innerhalb der Kammer dient, und jeweils zwei Stäbe(8, 8a) an ihren mit Gewinde versehenen Enden (9, 19) über ein Brückenelement (11, 11h) miteinander verbunden sind, das durch auf das Stabende (9, 19) aufgeschraubte Muttern (12, 21) gehalten wird, wobei alle Stäbe (8, 8a) elektrisch in iieihe geschaltet und nahe ihren linden durch Halterungen (14, 14A) aus schwer schmelzbarem Material unterstützt sind.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mittlere Bereich (17) jedes Heizstabes (8a) einen kleineren Querschnitt aufweist, so dass dieser Bereich (17) einen grösseren Widerstand pro Längeneinheit als die übrigen Bereiche des Stabes (8A) aufweist.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halterungen (14, 14a) als mit Durchbrechungen (15, 15A) versehene Ringe ausgebildet sind, van denen jeweils einer einem Ende der Heizeinrichtung (7) zugeordnet ist. _{

4. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3,- dadurch gekennzeichnet, dass die auf die Enden (19) der Stäbe (8A) aufschraubbaren Muttern mit in ^: Längsrichtung sich erstreckenden schaftartigen Fortsätζθ¹ (22) versehen sind, die in den Durchbrechungen (15A) der Ringe (14a) gelagert sind.

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- li -

5. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet,· dass jeder Heizstab (8) über seine gesamte Länge eine einheitliche Stärke aufweist und an jedem seiner Enden zwei Muttern(10, 12) aufgeschraubt sind, die das Brückenelement (11) in seiner Lage halten.

6. Heizeinrichtung nach Anspruch 1 und 5_f dadurch gekennzeichnet, dass die Endbereiche (9) der Heizstäbe (8) vor dem Anbringen der Brückenelemente (11) durch die Durchbrechungen (15) der Halterungen (14) hindurchgesteckt sind.

7· Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stäbe (8, 8A), die Brückenelemente (11, Ha) und die Muttern (10, 12, 21) aus Graphit bestehen.

8. Heizeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die einander entsprechenden Enden zweier nicht mit-'einander über ein Brückenelement verbündender Stäbe (8A) über Gewinde mit elektrischen, mit Innengewinde versehenen Anschlußstäben (16) verbunden sind.

9: Heizstab für einen 'aus einer Vielzahl solcher Stäbe zusammengesetzte elektrischen Widerstandsofen, dadurch gekennzeichnet, dass der Stab (8, Oa) aus einem Material mitfc mittlerem Chm'schem Widerstand besteht und sein mittlerer rereich zur Wärmeerzeugung in einer Heizzone (13, 13h) dient, wobei ein Ende (9, 19) des Stabes mit einem Gewinde versehen und ein Brückenelement (11, HA) auf denselben aufschiebbar ist, das mit dem Ende eines anderen Stabes zur Bildung einer Heizeinrichtung verbiid bar ist, wobei ferner auf das Ende des Stabes eine Kutter aufschraubbai ist, um das Erüclcenelement in seiner Laje zu halten.

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