DE2064961C3 - Ofen mit elektrischen Heizelementen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ofen mit elektrischen Heizelementen aus hitze- und oxidationsbeständigem Material mit zwei Schenkeln, die an ihren Enden durch einen gemeinsamen Abschnitt miteinander verbunden sind und mit elektrischem Strom am anderen Ende gespeist werden.

Die Heizelemente bestehen aus einem Material mit einem Schmelzpunkt von über 2200° C, wobei dieses Material einen positiven spezifischen Widerstandskoeffizienten aufweist. Diese Materialien werden allgemein als »Resistoren« bezeichnet.

Heizelemente dieser Art sind beispielsweise aus der belgischen Patentschrift 5 70 937 bekannt.

Bisher war es nur möglich, Öfen mit verhältnismäßig geringen Abmessungen unter Verwendung derartiger Heizelemente aufzubauen. Die Gewichte dieser Heizelemente nehmen mit deren Leistung zu. Diese Elemente sind im Inneren der öfen, die aus diesen aufgebaut sind, im allgemeinen auf Vorerhitzungsrchren aus Aluminiumoxid aufgehängt, welche bei der Betriebstemperatur der Heizelemente auf eine Temperatur in der Nähe ihres Schmelzpunktes gebracht werden und welche unter den sehr starken Belastungen unweigerlich fließen. Aus diesem Grund ist der Aufbau von öfen mit

ι ο einer Leistung über etwa 10 kW nicht möglich.

Zusätzlich zum Problem, welches durch die Gewichte der Elemente entsteht, die eine bestimmte Leistung erreichen oder überschreiten, treten andere Schwierigkeiten bei diesen Elementen dadurch auf, daß die Leistung der Vorerhitzungsöfen schließlich Probleme mit sich bringt. Diesbezüglich sei bemerkt, daß für einen Ofen von 3 kW die Leistung des Vorerhitzungsofens 1 kW sein sollte und daß für einen Ofen mit einer Leistung von 5 kW diese Leistung etwa 2 kW sein sollte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, öfen beliebiger Größe herzustellen, in dem Betriebstemperaturen von etwa 2200° C erreicht werden können, wobei auch bei niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von 1800 bis 1900° C gearbeitet werden kann.

Erfindurgsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jedes dieser Heizelemente durch seine Schenkel an voneinander getrennten benachbarten Trägern aufgehängt ist, daß diese Träger aus einem Material bestehen, welches mit dem der Heizelemente bei der Betriebstemperatur dieser Heizelemente verträglich ist, oder daß die Träger und die Heizelemente durch Platinzwischenstücke getrennt sind, oder daß im Fall eines Betriebes bei sehr hohen Temperaturen diese Träger aus dem gleichen Material bestehen wie die Heizelemente, und daß Wärmeisolationseinrichtungen vorgesehen sind, um diese Elemente und deren Träger zu schützen.

In vorteilhafter Weise können durch diese Ausbildung je nach Wunsch zylindrische und rechteckige öfen, wie beispielsweise Tunnelofen, in einfachster Weise mit den gewünschten Betriebscharakteristiken aufgebaut werden. Der Ofen kann eine Anzahl von aus Heizelementen bestehenden Baugruppen aufweisen, von denen jede η übereinandei angeordnete Reihen von m Heizelementen aufweist, sowie ebensoviel Reihen von m — 1 Trägern, wobei die Schenkel, die ein Heizelement bilden, sich auf zwei verschiedenen und benachbarten Trägern abstützen, die Schenkel ihrerseits zwei benachbarte Träger der unmittelbar darüber angeordneten Reihe tragen, alle Schenkel, die sich in Kontakt mit entsprechenden übereinander angeordneten Trägern befinden, auf dem gleichen Potential liegen, die Schenkel der äußeren Heizelemente, die am Ende einer gegebenen Reihe angeordnet sind, sich auf Trägern einer zweiten Ausführungsform abstützen, deren Breite halb so groß ist wie die der anderen.

Die Baugruppen können auch Wärmeisolationseinrichtungen aufweisen.

In dem Fall, in dem die Betriebstemperatur relativ niedrig, in der Größenordnung von 1800 bis 1900° C ist, bestehen die Träger der Heizelemente aus einer einteiligen Stange aus einem hitzebeständigen Material, wie Aluminiumoxid, und Platinzwischenstücke sind zwischen der Stange und den Heizelementen eingesetzt.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sollen unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigt

Flg.! bis 4 Schnittansichten von Ausführungsbeispielen von Tunnelöfen.

Das Heizelement, das im Ofen verwendet wird, kann aus einem feuerfesten, oxidationsbeständigen Material, in» allgemeinen aus vollständig oder teilweise stabilisiertem Zirkoniumoxid, bestehen, und dieses Heizelement weist zwei langgestreckte parallele Schenkel ia und Xb auf, die in einer Ebene liegen oder um die Längsachse gekrümmt sind. Diese beiden Schenkel, die sich mit ihren schmalen Seiten parallel zu ihrer größten Abmessung gegenüberliegen, sind an einem ihrer Enden durch einen gemeinsamen Abschnitt Ic miteinander verbunden und werden mit Strom über ihr anderes freies Ende 2a, 2b gespeist Dieses freie Ende ist derart ausgebildet, daß mit diesem freien Ende die Heizelemente aufgehängt werden können. Um einen Widerstandsgradienten in Längsrichtung zu erhalten und um jegliche Ausbildung einer Bogenentladung in den kalten Teilen auszuschalten, nimmt die Dicke e der Schenkel und der Abstand d, der diese voneinander trennt, von den freien Enden ausgehend, in Richtung zum gemeinsamen Abschnitt 1 c hin ab.

Der gemeinsame Abschnitt Ic weist, wie es in den Figuren der Zeichnung dargestellt ist, eine Dicke auf, die größer ist als der kleinste Wert von e, wodurch man die Gefahr von thermischen Stoßbelastungen ausschaltet, indem man die Temperatur in diesem Abschnitt Ic gleichförmig verteilt Man vergrößert auch die Lebensdauer des Elementes. Das gleiche Ziel würde auch dadurch erreicht werden, daß der Abschnitt Ic wärmeisoliert wird. In der Praxis beginnt diese Verzögerung der Dicke in einem Abstand von 3 bis 4 mm oberhalb des gemeinsamen Abschnittes Ic

Der Nutzabschnitt der Heizelemente entspricht im wesentlichen den Abschnitten der Schenkel la und 1£>. die den gemeinsamen Abschnitt Ic umfassen. Im üblichen Betrieb kann dieser Nutzabschnitt eine Temperatur von 2200⁰C erreichen. Die beschriebenen Heizelemente ermöglichen den Aufbau von öfen beliebiger Abmessungen und beliebiger Konfigurationen, d.h. von Öfen in zylindrischer Form oder, im Gegensatz hierzu, in Tunnelform.

Bei der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen Tunnelofen, der eine langgestreckte Heizkammer C aufweist, die seitlich von Heizelementen 1 begrenzt und oben durch eine Wärmeisolierung 6 verschlossen ist, die im allgemeinen aus dem gleichen Material wie das Heizelement 1 besteht, d. h. aus vollständig oder teilweise stabilisiertem Zirkoniumoxid. Diese Heizkammer C ist nach unten offen.

Wie F i g. 1 zeigt, stützen sich die Heizelemente 1 mit ihren Flanschen 3a und 3b einerseits auf dem oberen Rand von Trägern 7 ab und andererseits an den Vorsprüngen 8, die beispielsweise, wie dargestellt, die Form einer Nase haben können und von den Trägern getragen werden und sich zwischen benachbarte Schenkel von zwei benachbarten Heizelementen 1 hineinerstrecken. Es sei darauf hingewiesen, daß sich jedes Heizelement 1 mittels seiner beiden Schenkel auf zwei verschiedenen benachbarten Trägern abstützt, die durch den Abstand d\ voneinander getrennt sind. Durch diesen Aufbau schaltet man einen Kurzschluß dieser Heizelemente aus.

Die Träger 7 bestehen entweder aus einem Material, welches mit dem Material der Heizelemente bei der Betriebstemperatur dieser Heizelemente verträglich ist, oder sie sind von diesen Heizelementen durch Platinzwischenstücke getrennt, oder sie bestehen im Fall eines Betriebes bei sehr hohen Temperaturen aus dem gleichen Material wie die Heizelemente.

Wenn der Ofen für einen Betrieb bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur bestimmt ist bei dem die Heizkammer eine Temperatur von 1800 bis 1900⁰C erreicht sind die Gefahren eines Kurzschlusses ausgeschaltet und man kann anstelle der getrennten Träger 7 einen kontinuierlichen Träger in Form eines Aluminiumoxidstabes vorsehen, auf dem sich die aus den Heizelementen bestehende Baugruppe abstützt, wobei Scheiben zwischen dem Stab und den Heizelementen eingesetzt sind.

Die oberen Wärmeisolierungen 6, die sich auf den freien Enden der Heizelemente 1 abstützen, können aus getrennten benachbarten Elementen bestehen, die in gleichen Abständen d\ voneinander entfernt und derart angeordnet sind, daß sich ein Element 6 auf zwei benachbarten Schenkeln von zwei benachbarten Heizelementen 1, welche das gleiche Potential haben, abstützt Wenn jedoch der Ofen für einen Betrieb bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von 1800 bis 1900°C bestimmt ist, so ist es möglich, das Wärmeisolationselement 6 derart zu bemessen, daß sich dieses auf mehreren Heizelementen 1 abstützt. Dieses Wärmeisolationselement 6 besteht in diesem Fall aus einem hitzebeständigen Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, und Platinzwischenstükke sind zwischen dem Element 6 und den verschiedenen Heizelementen 1 eingesetzt.

Wie die F i g. 1 und 2 zeigen, weisen die Bauteile 6 und 7 im Schnitt die Form eines T bzw. L auf. Der Teil des Wärmeisolationselementes 6, der dem Querbalken des T entspricht, ermöglicht die Aufhängung dieses Elementes auf den freien Enden des Heizelementes 1, und der Teil des Wärmeisolationselementes 6, der dem senkrechten Strich des T entspricht ist zwischen den beiden Reihen der Heizelemente 1 eingesetzt, die den beiden Wandungen des Tunnelofens entsprechen, und stellt so deren Wärmeisolierung in der Höhe derjenigen Teile dieser Heizelemente sicher, die nicht dem Nutzabschnitt dieser Heizelemente entsprechen.

Der Raum zwischen dem horizontalen Schenkel und dem senkrechten Schenkel der L-Form des Trägers 7 dient zur Aufnahme des Heizelementes 1.

Der Abstand zwischen benachbarten Trägern 7 kann durch Distanzstücke 17 aufrechterhalten werden, die in den den F i g. 1 und 2 zu entnehmenden Bereichen der Träger 7 vorgesehen sind. In diesen Bereichen sind diese Elemente nichtleitend.

Der Zwischenraum zwischen benachbarten Wärmeisolationselementen 6 kann durch Zwischenstücke 18 aufrechterhalten werden, deren Form und Anordnung den F i g. 1 und 2 entnommen werden kann.

Die Baugruppe, die durch die Heizelemente 1 und die Bauteile 6 und 7 gebildet wird, wird im Innpren einer Wärmeisolierung angeordnet, die, wie dargestellt, Seitensteine 9a und Bodensteine 9b, sowie einen Deckenstein 9c aufweist die aus einem hitzebesländigen Isolationsmaterial bestehen, wie beispielsweise aus Aluminiumoxid.

Die Zwischenstücke 17 weisen in vorteilhafter Weise einen Abschnitt 17a auf, der in seiner Aussparung 17b angeordnet ist welche in den Steinen 9a und 9b vorgesehen ist, und einen Abschnitt 17c, der zwischen diese beiden Träger 7 eingreift.

Die Speisung der Heizelemente 1 mit Strom kann über Platinkontakte 11 erfolgen, die auf der Oberfläche der freien Enden 2a und 2b angeordnet sind, in deren Höhe die Temperatur einen Wert von 1600⁰C nicht

erreicht, diese Kontakte stehen über Leitungen 12 mit einer Spannungsquelle in Verbindung.

Um in die Heizkammer des so ausgebildeten Ofens, die, wie vorstehend dargelegt, unten offen ist, die Gegenstände einzubringen, die einer Wärmebehandlung unterzogen werden sollen, kann man von Trägern 13 Gebrauch machen, um diese Gegenstände parallel zur Achse des Tunnels zu verschieben, der den Heizraum bildet, und zwar unter Verwendung irgendeines Systems, wie beispielsweise unter Verwendung von Laufrollen 14, die sich auf einer Laufbahn 15 abwälzen, die unter der Öffnung des Heizraumes, wie dargestellt, vorgesehen ist.

Um die Heizelemente 1 vorzuerhitzen, kann ein bewegliches Vorerhitzungselement 16 vorgesehen sein, weiches entweder auf aüe Heizelemente einwirkt oder lediglich auf irgendwelche dieser Heizelemente 1. Die Vorerhitzung der anderen Elemente 1 erfolgt dann nacheinander durch die Strahlung der anfangs vorerhitzten Heizelemente, deren Temperatur auf einen Wert von 2000 bis 2200⁰C gebracht wurde.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist das Vorheizelement 16 auf dem Transportträger 13 angeordnet. Wenn man ein Vorheizelement verwendet, welches einfach auf einige gegenüberliegende Heizelemente 1 einwirkt, so sieht man zu beiden Seiten dieses Vorheizelementes 16 Wärmeisoliereinrichtungen vor. die ebenfalls von dem Transportträger 13 getragen werden. Unter diesen Umständen kann man, sobald die direkt vorerhitzten Heizelemente 1 die Temperatur erreicht haben, bei der sie leitend werden, die Vorerhitzungseinrichtung fortschreitend nach außen verschieben. Wenn nämlich die vorerhitzten Heizelemente 1 durch ihren Betrieb eine Temperatur erreichen, die dicht bei der Betriebstemperatur liegt, so bewirken diese durch thermischen Wärmestrahlungsaustausch den Anstieg der Temperatur der benachbarten Elemente, die auf diese Weise nach und nach automatisch vorerhitzt werden, und zwar ohne Verwendung des Vorheizelementes, das dann abgeschaltet werden kann.

Es sei darauf hingewiesen, daß das Herausziehen des Vorheizelementes und der Isolationseinrichtungen, zwischen denen dieses Element zu Beginn angeordnet ist, sehr langsam durchgeführt werden sollte, um plötzlich auftretende Temperaturgradienten auszuschalten, die zu einer Beschädigung der Heizelemente 1 führen könnten. Bei dem beschriebenen Ofen ist die Höhe des tunnelförmigen Heizraumes durch die Abmessungen des Nutzabschnittes der Heizelemente 1 begrenzt

Um Heizräume, beispielsweise Tunnelheizräume, von beliebiger Höhe auszubilden, kann man Baugruppen von Heizelementen verwenden, die man als Module bezeichnen kann und die Baueinheiten bilden, die man zusammenfügen kann.

Diese Baugruppen umfassen η übereinander angeordnete Reihen von m Heizelementen 1, sowie ebensoviele Reihen von m — 1 Trägern von der Art der oben beschriebenen Träger 7, die aus einem Material bestehen, welches mit dem Material der Heizelemente eo bei der Betriebstemperatur verträglich ist Man kann aber auch diese beiden Elementegruppen durch Platinzwischenstücke trennen, oder man kann im Falle eines Betriebes bei sehr hohen Temperaturen für diese Träger das gleiche Material wie für die Heizelemente verwenden.

Wenn der Ofen für eine verhältnismäßig niedrige Betriebstemperatur in der Größenordnung von 1800 bis 1900⁰C bestimmt ist, so wird die Gefahr des Kurzschlusses ausgeschaltet, und man kann anstelle der getrennten Träger 7 die Verwendung eines kontinuierlichen Trägers aus Aluminiumoxid vorsehen, auf welchem sich die Heizelementbaugruppen abstützen. Die Platinzwischenstücke sind zwischen diesem Träger und den verschiedenen Heizelementen 1 angeordnet. Die Schenkel la und \b eines gegebenen Heizelementes 1 stützen sich auf zwei verschiedenen benachbarten Trägern ab und tragen ihrerseits zwei benachbarte und getrennte Träger, wobei alle Schenkel, die sich mit übereinander angeordneten Trägern in Kontakt befinden, an der gleichen Spannung liegen. Die äußeren Schenkel der Heizelemente, die am Ende einer Reihe angeordnet sind, können sich auf Trägern 7 abstützen, die nur halb so breit sind wie die anderen Träger 7, damit man die verschiedenen Baugruppen oder Module zusammensetzen kann.

In den Fig. 3 und 4 ist ein Zwei-Etagen-Ofen dargestellt, der mit Hilfe von Modulen aus zwei Reihen übereinander angeordneter Heizelemente zusammengebaut werden kann. Die Länge des Tunnelofens wird durch die Anzahl der verwendeten Module bestimmt. Durch diesen Aufbau erhält man einen Tunnelofen, dessen Heizraum Cam Boden offen ist, wie bei dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ofen, und dessen beide Wandungen mit Heizelementen 1 bedeckt sind.

Bei der in den F i g. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform wird ein oberes Wärmeisolationselement verwendet, welches aus dem gleichen Grunde, wie oben beschrieben, die Form eines T hat. Es sind ferner Träger 7 vorgesehen, die sich einzeln auf den Elementen 7a abstützen, die aus dem gleichen Material hergestellt werden können wie die Träger 7.

Es sind ferner Wärmeisolierungen vorgesehen, die durch Aluminiumoxidsteine 9a und 9b und durch einen Deckel 9c gebildet werden.

Die Träger 7 und 7a und, falls erforderlich, die Elemente 6 werden voneinander im Abstand gehalten, wie es in den F i g. 3 und 4 gezeigt ist, und zwar durch Zwischenstücke 17 und 18, die denjenigen entsprechen, die in den F i g. 1 und 2 dargestellt sind, und die an Stellen angeordnet sind, die den Figuren zu entnehmen sind, und die den Bedingungen, die unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 erläutert wurden, entsprechen.

In Fig. 3 ist ein Element 20 dargestellt mittels welchem die Gegenstände, die einer Wärmebehandlung unterzogen werden sollen, sowie das Vorheizelement in die Heizkammer eingeführt sowie aus dieser wieder herausgeführt werden können.

Die Stromspeisung der Heizelemente 1 erfolgt über Platinkontakte 21, die mit dem Außenraum über elektrische Leitungen 12 verbunden sind.

Zur Durchführung der elektrischen Leitungen ist es vorteilhaft, in den Steinen 9a Öffnungen 22 mit Abmessungen vorzusehen, die eine Durchführung erlauben und die, falls gewünscht noch dazu verwendet werden können, die freien Enden der Heizelemente 1 zu kühlen.

Bei dem in den Fig.3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Tunnelofen. Es sei jedoch bemerkt daß man mit Hilfe der erfindungsgemäßen Elemente und Baugruppen auch kreisförmige Etagenöfen bauen kann.

Es sei bemerkt daß man in der Praxis gute Ergebnisse mit Heizelementen t erzielt die weniger als 200 g wiegen und deren Länge 150 mm und deren Breite 40 mm beträgt und deren Nutzzone eine Länge von

80 mm hat. Diese Elemente nehmen bei 2000° C weniger als 1 kW auf und können auf eine Temperatur von 2200°C gebracht werden.

Als Ausführungsbeispiel sei angegeben, daß ein Ofen der in den Fig. 1 und 2 dargestellten Art aus 6 Elementen aus Zirkoniumoxid mit 3% CaO hergestellt werden kann, dessen Gesamtleistung etwa 6 kW beträgt und bei dem die Abmessung des Heizraumes 200 χ 30 χ 40 mm beträgt. Dieser Ofen befindet sich

immer in einem ausgezeichneten Betriebszustand nach einer Betriebsdauer von 200 Stunden bei 2050° C.

Bei diesen Tunnelofen werden die Heizelemente 1 auf den beiden Wandungen, die den Tunnel begrenzen, mittels ihrer Schultern 5a und 5b aufgehängt und bilden so einen Vorsprung in die Heizkammer. Die Tragelemente, die gleichzeitig die Wandungen der Heizkammer bilden, entsprechen den gleichen Bedingungen wie die Träger 7, die im Vorstehenden erläutert wurden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Ofen mit elektrischen Heizelementen aus hitze- und oxidationsbeständigem Material mit zwei Schenkeln, die an ihren Enden durch einen gemeinsamen Abschnitt miteinander verbunden sind und mit elektrischem Strom am anderen Ende gespeist werden, dadurch gekennzeichnet, daß jedes dieser Heizelemente (1) durch seine Schenkel (la, \b) an voneinander getrennten benachbarten Trägern (7) aufgehängt ist, daß diese Träger (7) aus einem Material bestehen, welches mit dem der Heizelemente bei der Betriebstemperatur dieser Heizelemente verträglich ist, oder daß die Träger (7) und die Heizelemente (1) durch Platinzwischenstücke getrennt sind, oder daß im Fall eines Betriebes bei sehr hohen Temperaturen diese Träger aus dein gleichen Material bestehen wie die Heizelemente, und daß Wärmeisolationseinrichtungen (6) vorgesehen sind, um diese Elemente und deren Träger zu schützen.

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine Anzahl von aus Heizelementen (1) bestehenden Baugruppen aufweist, von denen jede η übereinander angeordnete Reihen von m Heizelementen aufweist, sowie ebensoviel Reihen von m — 1 Trägern (7), wobei die Schenkel (la, Xb), die ein Heizelement bilden, sich auf zwei verschiedenen und benachbarten Trägern (7) abstützen, die Schenkel (la, \b)ihrerseits zwei benachbarte Träger (7) der unmittelbar darüber angeordneten Reihe tragen, alle Schenkel, die sich in Kontakt mit entsprechenden übereinander angeordneten Trägern befinden, auf dem gleichen Potential liegen, die Schenkel der äußeren Heizelemente, die am Ende einer gegebenen Reihe angeordnet sind, sich auf Trägern einer zweiten Ausführungsform abstützen, deren Breite halb so groß ist wie die der anderen.

3. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppen Wärmeisolationseinrichtungen (6) aufweisen.

4. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem die Betriebstemperatur relativ niedrig, in der Größenordnung von 1800 bis 1900⁰C ist, die Träger (7) der Heizelemente aus einer einteiligen Stange aus einem hitzebeständigen Material, wie Aluminiumoxid, bestehen und daß Platinzwischenstücke zwischen der Stange und den Heizelementen eingesetzt sind.