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Die Erfindung betrifft eine auf hoher Temperatur betriebene, rohrartige elektrische Wärmebehandlungseinrichtung mit einem Heizelement.
Solche Einrichtungen dienen vor allem zur Wärmebehandlung von Metallen mit hohem Schmelzpunkt, wie Wolframstangen, Wolframdrähte u. dgl.
Die Wärmebehandlungen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt im Temperaturbereich von 1600 bis 2600 C werden fast ausschliesslich in hochfrequenten Einrichtungen durchgeführt, die äusserst kompliziert, kostspielig und auch im Hinblick auf den Arbeiterschutz unvorteilhaft sind.
Derartige Einrichtungen sowie die zugehörige Technologie sind in der Fachliteratur beschrieben, z. B. Freiman-Bejajeva :"Entwicklung und Prüfung von induktiven Heizeinrichtungen zum Erhitzen von Metallen mit hohem Schmelzpunkt vor Warmverformung", Elektrowärme, Band 31, Nr. 36, Dezember 1973 ; Jonk, R. :"Neue Einrichtungen der Wärmebehandlungstechnik", Zeitschrift für wirtschaftliche Fertigung, Band 73, Nr. l, 1978 ; Haspel-Hilger :"Induktives Erhitzen von Wolfram- und Molybdänstangen", Draht, Band 25, Nr. 3, 1974.
Die Wärmebehandlung von Wolframdrähten und-wendein mit oxydfreier Oberfläche kann bei hoher Temperatur in durch direkten Stromdurchgang geheizten Öfen mit einer Wolframröhre unter aus Wasserstoff oder aus einer Mischung von Wasserstoff und Stickstoff bestehenden Schutzgas durchgeführt werden.
Während der an Luft durchgeführten Warmbearbeitungen wird die Oberfläche der Werkstücke oxydiert, wonach diese Werkstücke mit der oxydierten Oberfläche einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Das Schutzgas im Heizofen hat aber eine reduzierende Wirkung, so dass an der Stelle des Heizofens, d. h. der Wolframröhre, die oberhalb des zu behandelnden Werkstückes liegt und wo der Temperaturgradient zugleich am grössten ist, ein intensiver Materialtransport auftritt.
Aus diesem Phänomen resultiert ein äusserst schnelles Durchlochen (während 20 bis 40 h), also eine Zerstörung der Wolframröhre. Der Materialtransport wird durch den während der Reduktion des oberflächlichen Wolframoxyds (WO 3) entstehenden Wasserdampf bewirkt, der die grösste Wirkung dort ausübt, wo der Temperaturgradient am grössten ist.
An dieser Stelle der auf pulvermetallurgische Weise hergestellten Wolframröhre wird die Verringerung ihrer Wandstärke auch durch Wandern der in ihrem Material befindlichen Poren gefördert, indem die Poren sich in Richtung der heisseren Stellen bewegen und damit den nützlichen stromleitenden Querschnitt verkleinern, wodurch eine lokale Überhitzung und schliesslich ein Durchschmelzen der Wolframröhre auftreten.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in erster Linie im Eliminieren der oben erwähnten Unzulänglichkeiten der vorbekannten Lösungen sowie in der Schaffung einer Wärmebehandlungseinrichtung, die mindestens auf so hoher Temperatur betrieben werden kann wie bisher, die aber eine beträchtlich längere Lebensdauer hat, indem die Wolframröhre nicht so schnell zerstört wird.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass als Material des Heizelementes der Wärmebehandlungseinrichtung zum Sicherstellen der hohen Betriebstemperaturen Wolfram od. dgl. wie bisher verwendet werden soll, der Heizofen aber nicht verschlossen, sondern offen ausgebildet werden soll.
Die Weiterentwicklung, d. h. die Erfindung selbst, besteht im wesentlichen darin, dass das Heizelement von parallel nebeneinander angeordneten Metallstangen mit hohem Schmelzpunkt gebildet ist, die an ihren beiden Enden durch Leitringe zusammengefasst sind.
Aus dem solcherart gebildeten käfigartigen Heizkörper wird der während der Reduktion des Wolframoxyds entstehende Wasserdampf aus der Nähe der Wolframstangen sofort abgeleitet und mit Wasserstoff diluiert, so dass kein Materialtransport auftritt.
Zur Behandlung von Rohren, Stangen, u. dgl. ist das Heizelement zweckmässig so ausgebildet, dass im Querschnitt die Achsen der Metallstangen auf einem Kreis liegen.
Für das Arbeiten mit einer hohen Betriebstemperatur ist es vorteilhaft, wenn die das Heizelement bildenden Metallstangen aus Wolfram gefertigt sind.
Aus Gründen der guten Leitfähigkeit können im weiteren die stromeinleitenden Leitringe aus Kupfer gefertigt sein.
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden nachfolgend an Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen : Fig. 1 schematisch
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die Anordnung einer vorbekannten Wärmebehandlungseinrichtung ; Fig. 2 als Heizelement der bekann- ten Wärmebehandlungseinrichtung von Fig. 1 eine Wolframröhre in Seitenansicht, teilweise im Schnitt, mit dem Diagramm der Temperaturverteilung in ihrer Längsrichtung ; Fig. 3 eine erfindungsgemässe
Wärmebehandlungseinrichtung im Axialschnitt und Fig. 4 einen Schnitt nach der Linie IV-IV der
Fig. 3.
Fig. 1 zeigt den Aufbau eines konventionellen Wärmebehandlungsofens mit einer Wolframröhre - -2--, die an die Sekundärwicklung eines Transformators-l-angeschlossen ist. Durch eine Stromeinleitung --9-- wird die Wolframröhre --2-- mit direktem Stromdurchgang wegen des ohmschen
Widerstandes der Wolframröhre --2-- regelbar auf eine Temperatur im Bereich von 1600 bis 2600 C aufgeheizt. Das Aufheizen erfolgt in einer Schutzgasatmosphäre aus Hz oder H2 + N2. Das Schutzgas wird durch Einlaufstutzen --6 und 7-- eingeführt und durch eine Öffnung --8-- ausgelassen, wo der Wasserstoff verbrannt wird und damit die Explosionsgefahr vermieden wird.
Die Wolframröhre - -2-- ist- in einem Gehäuse mit Doppelwand --3-- angeordnet, wodurch die Wasserkühlung des Gehäuses ermöglicht wird. Eine wärmezubehandelnde Stange --10-- aus Molybdän, Wolfram od. dgl. wird mit Hilfe von Vorschubrollen --4-- exakt geführt und mit einer vorgegebenen Geschwindigkeit durch die heisse Wolframröhre --2-- geschoben. Bei einer Betriebsstörung, wie Ausbleiben des Schutzgases, könnte eine explosionsartige Zündung auftreten, in einem solchen Fall können aber die Verbrennungsprodukte, die einen hohen Druck haben, gegen die Kraft von Federn --5-- mit Sicherheit entweichen.
Solche Einrichtungen werden unter anderem auch durch die Patentinhaberin hergestellt, der Wendel-Glühofen vom Typ EBK wird in mehreren Glühlampenfabriken angewendet.
In Fig. 2 ist der wichtigste Nachteil solcher Wärmebehandlungseinrichtungen veranschaulicht.
Hier sind ein Teil der Wolframröhre -2--, teilweise im Schnitt, und das Diagramm der Temperatur in Funktion der Länge gezeigt. Wie schon früher erwähnt, erfolgen die Korrosionserscheinungen an der Stelle, wo der Temperaturgradient am grössten, also die Kurve des Temperaturdiagramms am steilsten ist. Diese Stelle ist mit dem Bezugszeichen --11-- versehen. Das erodierte Material sammelt sich an einer Stelle-12--. Schliesslich wird die Wolframröhre --2-- durchschmelzen, auslochen und damit ist die Einrichtung zerstört.
Die Einzelheiten der erfindungsgemässen Lösung können aus den Fig. 3 und 4 im Schnitt entnommen werden. Das Heizelement der Wärmebehandlungseinrichtung ist aus zueinander parallel angeordneten Metallstangen --14-- zusammengesetzt. Als Material dieser Metallstangen --14-- wird meistens Wolfram verwendet. Die Wolframstangen --14-- sind an beiden Enden mit Leitringen - zusammengefasst, die aus einem elektrisch leitenden Material, meistens aus Kupfer, gefertigt werden. Zur genauen Führung der wärmezubehandelnden Stange --10-- wird der Wolframröhre - -2-- ein Keramikring --15-- vorgeschaltet. Damit ist sichergestellt, dass die Stange --10-- keinesfalls die heissen Wolframstangen --14-- berühren kann. Die Leitringe --16-- sind in Patronen - gefasst, die mit Wasser gekühlt werden können.
Eine der Patronen --17-- kann sich in Längsrichtung bewegen, um die Wärmeausdehnung der Wolframstangen --14-- zu korrigieren.
Die Wärmebehandlungseinrichtung wird auch in diesem Falle unter Anwendung eines Schutzgases betrieben. Das von den Wolframstangen --14-- gebildete Heizelement ist mit einem hitzereflektierenden Mantel --18--, der vorzugsweise aus Molybdän gefertigt ist, umhüllt. Dadurch wird der Energieverlust erheblich verringert. Versuchsmuster der erfindungsgemässen Wärmebehandlungseinrichtung haben bei gleicher Leistung einen zwei-bis dreifach geringeren Energiebedarf als die vorbekannten Lösungen. Der Platzbedarf, die Abmessungen und das Gewicht der erfindungsgemässen Einrichtung sind auch viel kleiner.
Die erfindungsgemässe Wärmebehandlungseinrichtung wird nachstehend durch einige Anwendungsbeispiele näher beschrieben.
Beispiel 1 : In der Einrichtung werden geschmiedete, oberflächlich oxydierte Wolframstangen - mit einem Durchmesser von 4, 5 mm bei 1900 C rekristallisiert. Die Menge des angewendeten Schutzgases ist 800 l/h, das an zwei Stellen eingespeist wird. Es dient einerseits zum Schützen der Wolframstangen --14-- des Heizelementes gegen Oxydation anderseits zum Schützen der aufgeheizten Wolframstange --10--, wobei im Falle eines wasserstoffhaltigen Schutzgases die Oberflächenschicht reduziert wird. Die Wolframstange --10-- wird mit den an beiden Enden der Einrichtung
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angeordneten Vorschubrollen --4-- (Fig. 1) durch die Einrichtung geführt. Die Vorschubrollen - sind an einen Antrieb mit abgestufter Geschwindigkeitseinstellung angeschlossen. Die angewendete Geschwindigkeit ist 0,22 m/min.
Das Heizelement ist aus zwölf 290 mm langen Wolframstangen - mit einem Durchmesser von 2,5 mm aufgebaut, welche in die Leitringe --16-- gelötet sind.
Die Wärmebehandlungseinrichtung hat einen Leistungsbedarf von 9,7 kW bei einer Betriebstemperatur von 1900 C, der Heizstrom ist 1800 A. Die Einrichtung kann auch mit gereinigtem Stickstoff aus einer Gasflasche als Schutzgas betrieben werden, wodurch die Unfallgefahr beträchtlich vermindert wird. Die reduzierende Wirkung auf die oxydierte Oberfläche entfällt hiebei allerdings.
Beispiel 2 : In dieser Einrichtung werden geschmiedete Wolframstangen --10-- mit einem Durchmesser von 5, 85 mm bei einer Temperatur von 2200 DC wärmebehandelt. Die Heizeinrichtung ist aus neun 290 mm langen Wolframstangen --14-- mit einem Durchmesser von 3,0 mm aufgebaut. Die Vorschubgeschwindigkeit ist 0, 18 m/min und die Menge des Schutzgases ist 1000 l/h. Die zur Wärmebehandlung verbrauchte Leistung ist 16,3 kW.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Auf hoher Temperatur betriebene, rohrartige elektrische Wärmebehandlungseinrichtung mit einem Heizelement, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement von parallel nebeneinander angeordneten Metallstangen (14) mit hohem Schmelzpunkt gebildet ist, die an ihren beiden Enden durch Leitringe (16) zusammengefasst sind.