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Verfahren zum Betriebe elektrischer Salzbadöfen mit in das Bad tauchenden Elektroden und
Ofen sowie Elektroden zur Durchführung des Verfahrens.
Bei den üblichen elektrischen Salzbadöfen mit in das Bad tauchenden Elektroden sind letztere verhältnismässig weit voneinander entfernt. Bei diesen Öfen wird bekanntlich durch den Strom das zwischen den Elektroden befindliche Salz erhitzt und das erhitzte Salz steigt infolge seines geringeren spezifischen Gewichtes zwischen den Elektroden nach oben und fliesst dann von den Elektroden seitlich ab und nach unten, wobei zwischen den Elektroden von untgn kälteres Salz nach oben nachstr6mt.
Auf diese Weise wird eine Strömung des Salzes im Ofen erreicht, die bei kleinen Öfen, insbesondere solchen mit hoher Temperatur und mit verhältnismässig grossen zulässigen Temperaturschwankungen, ausreicht, damit auch an den von den Elektroden entfernten Stellen des Bades eine Temperatur herrscht, die von der gewünschten Durchschnittstemperatur nicht unzulässig abweicht. Je starker die Erhitzung des Salzes ist - ein Mittel hiezu ist das Nähern der Elektroden gegeneinander-, um so stärker ist die Badbewegung und um so gleichmässiger die Badtemperatur. Reicht diese Strömung für die gewünschte Gleichmässigkeit der Badtemperatur nicht aus, so ordnet man an mehreren Stellen des Bades Elektroden an.
Ein Nähern der Elektroden über ein gewisses Mass wurde bisher deshalb vermieden, weil dann das Salz zwischen den Elektroden rascher erhitzt wird, als es infolge seines geringeren Gewichtes nach oben strömen kann, so dass heissere Stellen im Ofen entstehen, also die gewünschte gleichmässige Badtemperatur nicht erreicht wird. Überdies tritt dann eine stärkere Zersetzung des Salzes auf.
Rückt man aber die Elektroden noch näher aneinander, so zeigt sich nicht mehr eine grössere Ungleichmässigkeit der Badtemperatur, sondern überraschenderweise eine Ver- gleichsmässigung. Es strömt nämlich jetzt das Salz zwischen den Elektroden nicht mehr nach oben, sondern nach unten, dann von den unteren Elektrodenenden nach auswärts und seitlich der Elektroden wieder nach aufwärts, und diese Strömung ergibt, wie die Erfahrung gezeigt hat, eine viel gleichmässigere Badtemperatur als bei der üblichen Elektrodenentfernung. Da jetzt keine heissen Stellen im Bade auftreten, kann man auch Salze verwenden, die bisher wegen der Gefahr der Zersetzung für diesen Zweck nicht geeignet waren.
Der Grund für die beschriebene Erscheinung ist folgender : Jeder stromführende Leiter, der sich in einem elektromagnetischen Felde befindet, hat bekanntlich das Bestreben, sich senkrecht zur Richtung des Feldes und des Stromflusses zu bewegen. Bei dem in Fig. 3 der Zeichnung schematisch dargestellten Salzbadofen sind die lotrecht und nahe aneinander in das gegeschmolzene Salz S eintauchenden Elektroden A und B, die von einem Strom von mehreren 1000 Amp. durchflossen werden, von etwa kreisförmigen Kraftlinien D umgeben.
Betrachtet man nun einen Salzfaden P zwischen den Elektroden in einiger Entfernung von der Badoberfläehe, so wird er, wenn Strom von A nach B fliesst, infolge des zwischen den Elektroden von der Zeichenebene nach oben gerichteten resultierenden Feldes zwischen den Elektroden auf Grund des vorstehend angeführten Gesetzes in der durch die Pfeile angedeuteten Richtung nach abwärts gedrängt, d. h. es tritt eine elektrodynamische Rührwirkung auf. Ist nun die letztere Kraft stärker als der Auftrieb infolge des durch die Erhitzung geringeren spezifischen Gewichtes, dann ist das Endergebnis nicht mehr die Strömung des Salzes zwischen den Elektroden nach oben, sondern das Abwärtsströmen zwischen den Elektroden usw. Die elektrodynamische Rührwirkung ist unabhängig von der Polarität der Elektroden immer nach abwärts gerichtet.
Man kann daher auch Wechselstrom zur Speisung des Ofens verwenden. Damit nun die zuletzt angeführte und angestrebte Wirkung auftritt, müssen die Stromdichte im Salz
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von 60 mm konnte eine merkliche Badbewegung nicht beobachtet werden.
Der Abstand der Elektroden muss entsprechend der Salzart, der Badtemperatur, der erforder- lichen Energie und den Abmessungen des Behälters bemessen werden. Bei den meisten Salzbadöfen, die zum Härten kleiner Werkzeuge, von Räderteilen usw. verwendet werden und deren Ofenabmessungen selten eine Breite von 90 cm, eine Tiefe von 60 cm und eine Länge von 180 cm überschreiten und deren
Kraftbedarf 150 kW bei drei Elektrodenpaaren nicht übersteigt, wählt man vorzugsweise einen
Elektrodenabstand von 10 bis 40 mm und Stromdichten von etwa 20 Amp. je Quadratzentimeter an den Seiten der gegenüberliegenden Elektroden. Für ein Bad der beschriebenen Art ist eine Elektroden- länge von etwa 300 mm sehr geeignet. Mit Erfolg wurden auch Elektroden von etwa 150 mm Länge geprüft, ebenso auch noch längere Elektroden.
Die untersuchten Elektroden hatten einen Querschnitt von etwa 13 cm2. Es hat sich gezeigt, dass bei einer Stromdichte von 20 Amp. je Quadratzentimeter die
Bewegung in den meisten Bädern genügend ist. Es wurde aber gefunden, dass unter Umständen auch
Stromdichten von 8 Amp. je Quadratzentimeter geeignet sind. Anderseits kommen auch Stromdichten von etwa 30 Amp. je Quadratzentimeter in Frage. Von dem Gesamtkraftbedarf des Bades ist für die
Badbewegung nur ein sehr geringer Teil erforderlich.
Die untersuchten Badtemperaturen schwanken zwischen 150 C für die Nitratsalze bis zu
12500 C für Bariumehlorid und borsaure Salze, die beim Härten des Sehnelldrehstahles verwendet werden. Für die niedrigen Badtemperaturen sind die Grenzen für den Elektrodenabstand viel weiter als für die Hochtemperaturbäder. Je höher die Stromdichte ist, desto grösser soll der Elektroden- abstand sein. Mit den vorhandenen Stromdichten wurden Elektrodenabstände bis zu 10 cm untersucht ; es ist jedoch der obere Bereich der Elektrodenabstände nicht so wünschenswert wie der untere Bereich.
Bemerkt sei noch, dass im erfindungsgemässen Ofen auch Salze, die zersetzbare Bestandteile wie
Cyannatrium enthalten, mit Vorteil verwendet werden können. Cyannatriumsalze schmelzen bei etwa
5400 C und werden bei etwa 800 C verwendet. Eine schnelle Zersetzung tritt bei etwa 930 ein.
Wie schon erwähnt, kann man auch beim erfindungsgemässen Ofen mehrere Elektrodenpaare verwenden. Bei Parallelschaltung der Elektrodengruppen 1, 2 und 3, 4 nach Fig. 4 an die Sekundär- wicklung des Transformators Ti und bei ihrer Anordnung an verschiedenen Punkten des Bades kann die Badbreite gegenüber früheren Bauarten stark vergrössert und auch die Badlänge weit ausgedehnt werden. Bei grossen Bädern werden vorzugsweise Mehrphasenströme verwendet, wie dies in Fig. 5,6 a und 6 b erläutert ist, gemäss denen die Elektroden an die Sekundärwicklungen T2 bzw. T3 und T4 von Transformatoren angeschlossen sind. In ihrer Wirkung entsprechen die Anordnungen nach Fig. 6 a und 6 b jenen nach Fig. 5, wobei die. Badbewegung auf dem Strom zwischen irgendwelchen zwei angrenzenden Elektroden beruht.
Das Hinzutreten des Mehrphasenfeldes bietet keine besonderen
Vorteile. Die Anordnungen nach Fig. 6 a und 6 b können als Sonderfälle jener nach Fig. 5 betrachtet werden, wobei jede Elektrode in Fig. 6 a oder 6 b die Kombination der beiden entsprechenden Elektroden nach Fig. 5 ist, soweit es sich um die Badbewegung handelt. Beispielsweise entspricht die Elektrode 11 in Fig. 6 a den Elektroden 5 und 10 in Fig. 5, die Elektrode 13 den Elektroden 8 und 9 und die Elek- trode 12 den Elektroden 6 und 7.
Vorzugsweise werden Elektroden mit angrenzenden ebenen Flächen verwendet, die parallel zueinander angeordnet sind. Es hat sich gezeigt, dass dann die Oberflächenerosion geringer ist und dass sich eine besser gerichtete Badbewegung ergibt. Es hat sich aber auch die Anordnung nach Fig. 6 b als wirksam gezeigt.
Die Erfindung ändert wesentlich die Anforderungen an die Elektrodenbauart und an ihre Form und ermöglicht ein vorteilhaftes Verfahren zum Einleiten des Sehmelzens in dem Ofen, sei es bei kaltem körnigem Salz oder bei erstarrtem Salz. Infolge des geringen Abstandes der Elektroden und der zwischen ihnen fliessenden starken Ströme erfolgt die Abnutzung nahezu vollständig an den Innenflächen. Dies ist ein grosser Vorteil gegenüber den Bauarten, bei welchen der Strom an oder durch die Behälterwand fliesst, weil die Elektroden im Verhältnis zu den Kosten der Behälter billig sind und leicht ausgewechselt werden können, ohne dass der Ofen zu Reparaturzwecken ausser Betrieb genommen werden muss.
Hinzu kommt, dass die Elektroden von Zeit zu Zeit genähert werden können, u. zw. im Verhältnis ihrer Abnutzung. In Ofen, in denen der Strom von einer Elektrode zu einem leitenden Behälter fliesst, kann eine wirksame elektrodynamische Rührwirkung nicht erzielt werden, obschon dort gewöhnlich etwas örtlicher Wirbelstromeffekt vorhanden ist.
Für Elektroden soll wegen ihres geringen Abstandes und der starken Ströme der Werkstoff so sorgfältig als möglich gewählt werden. Im allgemeinen sind nicht Elektroden zu verwenden, die oberhalb der Badoberfläche magnetisch sind oder die mit der Badflüssigkeit in Wechselwirkung treten.
Es wurden Elektroden aus austenitischen oder nichtrostenden Stählen benutzt und zusammengesetzte
Elektroden (s. unten), in Sonderfällen auch Elektroden aus Graphit und andern nichtmetallischen
Stoffen. Unmagnetische Legierungen werden vorzugsweise oberhalb der Badoberfläche benutzt, weil diese Teile starke Ströme, gewöhnlich Wechselströme, führen und der Stromverdrängungseffekt durch magnetische Werkstoffe sehr stark gesteigert wird. Bei der Verwendung von unmagnetischen Werk- stoffen ist der Strom besser verteilt ; wenn auch der spezifische Widerstand der Teile grösser sein kann,
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so ist doch der tatsächliche Widerstand kleiner als bei Elektroden aus magnetischem Material. Die in den oberen Elektrodenteilen entwickelte Wärme P.
E stellt einen Verlust dar und verringert die Wirksamkeit des Bades. "
Wenn nun auch die Verwendung magnetischer Werkstoffe oberhalb der Badoberfläche unvorteilhaft ist, kann ihre Verwendung unterhalb der Badoberfläche von Vorteil sein. Da die in dem unteren Teil der Elektroden entwickelte Wärme (I2R) zur Erhitzung des Bades ausgenutzt wird, spielt die Stromverdrängung in diesem Teil der Elektrode, vom Gesichtspunkt der Erhitzung aus betrachtet, keine Rolle ; die Elektrodenwerkstoffe können dementsprechend, lediglich entsprechend dem Abnutzungswiderstand, gewählt werden.
Die Stromverdrängung kann auch als Vorteil angesehen werden, weil zusätzlich zur Stromansammlung in den äusseren Teilen der Elektroden der geringe Abstand der Elektroden ein noch stärkeres Zusammendrängen der Ströme an den angrenzenden Elektrodenseiten bewirkt. Hiedurch werden die Kräfte, die die Badbewegung bewirken, verstärkt.
Gewöhnlich sind die magnetischen Eisenlegierungen billiger als die unmagnetischen Legierungen, so dass die Verwendung von zusammengesetzten Elektroden von Vorteil sein kann. Bei diesen Verbundelektroden kann der untere Teil aus einem magnetischen oder billigen Werkstoff an den oberen Teil aus austenitischem oder teurerem Werkstoff angeschweisst oder hartgelötet werden, wobei der untere Teil von Zeit zu Zeit, entsprechend seiner Abnutzung, ausgewechselt werden kann. Der weitere Vorteil der Verbundelektrode besteht darin, dass der auswechselbare Teil aus einem verhältnismässig einfachen und billigen Gussstück bestehen kann, während die Gesamtelektrode gewöhnlich ein teures und verwickelteres Gussstück ist.
Wenn ein Salzbad beispielsweise bei Temperaturen von annähernd 11000 C betrieben wird, kann der untergetauchte Teil der Verbundelektrode aus einer gewöhnlichen Chromeisenlegierung und der obere Teil aus einer unmagnetischen Nickelchromeisenlegierung bestehen. Diese beiden Werkstoffe lassen sich leicht zusammenschweissen, und dementsprechend können im Bedarfsfalle neue Chromeisenteile mit den oberen Nickelchromeisenteilen verbunden werden. Die in Fig. 1 gezeigten Elektroden sind bei 28 miteinander verbunden ; die Verbindung kann indes auch an jeder andern Stelle oberhalb der Badoberfläche erfolgen.
Wenn auch die magnetischen Legierungen von Vorteil im Hinblick auf die Badbewegung sind, so soll doch hervorgehoben werden, dass diese Wirkung in Hochtemperaturbädern dann nicht vorhanden ist, wenn die Temperatur über dem Umwandlungspunkt der verwendeten Eisenlegierungen liegt.
Der geringe Abstand zwischen den Elektroden in dem erfindungsgemässen Ofen ermöglicht die Anwendung eines neuen Verfahrens zur Einleitung des Schmelzens. Es ist bekannt, dass das Salz in kaltem Zustande ein schlechter Stromleiter ist und dass nicht genügend'Strom hindurchgeschickt werden kann, um das Schmelzen einzuleiten. Hiezu wird nun das erstarrte oder körnige Salz entfernt oder heruntergedrückt, wie dies bei 29 in Fig. 7 gezeigt ist. In die entstandene Ausnehmung wird nun gekörnte Kohle 30, auch fein verteilter Graphit, oder ein anderes ähnliches Material eingefüllt (s. auch Fig. 8), wodurch die Elektroden überbrückt werden ; da diese Stoffe eine höhere Leitfähigkeit aufweisen, kann zwischen den Elektroden genügend Strom hindurchgehen, um das Schmelzen einzuleiten.
Wenn nun das Schmelzen des Salzes beginnt, wird dieser Teil leitend, so dass sich von dieser Stelle aus die Erhitzung und das Schmelzen des Gesamtbades fortpflanzt. Die für die Einleitung des Schmelzens benutzten stromleitenden Teilchen schwimmen an die Oberfläche, wo sie mittels eines Löffels od. dgl. entfernt werden können, oder sie sinken auf den Boden des Behälters. Das Einleiten des Schmelzens kann aber auch ohne diese Ausnehmung bewirkt werden, u. zw. in der Weise, dass die stromleitenden Teilchen zwischen den Elektroden an der Badoberfläche liegen.
Eine wirksame elektrodynamische Rührwirkung und Badbewegung kann auch bei Verwendung von andern Elektrodenanordnungen erzielt werden, als vorstehend erläutert wurde. Beispielsweise können die Elektroden unter verschiedenen Winkeln in das Bad sich erstrecken, von den Seiten und vom Boden des Bades ; die Elektroden können auch am Boden schräg gegeneinander angeordnet sein oder am oberen Ende. Ferner können die Elektroden auch nach einem Winkel gebogen oder kurvenförmig sein, wodurch eine verschiedene, aber unter Umständen praktische Rührwirkung erzielt wird.
Selbstverständlich brauchen in tiefen Bädern die Elektroden nicht parallel und in geringem Abstand von dem obersten Ende bis zum Boden zu verlaufen, was eine schlechte Wärmeverteilung und Kraftregelung zur Folge haben würde. Sie können mit grossem Abstand am obersten Ende eingeführt und parallel in kleinerem Abstand und entsprechender Länge im mittleren oder unteren Teil des Bades geführt werden. Versuche haben gezeigt, dass bei Anordnungen dieser Art die weiter entfernten Teile der Elektroden nur eine zu vernachlässigende Steigerung des Gesamtkraftbedarfs zur Folge haben.
Wenn die Elektroden in einem anormal tiefen Bad über ihre Gesamtlänge parallel angeordnet würden, müsste die Spannung so niedrig und der Elektrodenabstand so gering sein, um die erforderliche Stromdichte zu erhalten, dass die sich hieraus ergebende Bauart unbrauchbar wäre.
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