Elektrischer Heizofen
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Heizofen, bei dem ein Hohlkörper eine Kammer zur Aufnahme des zu erhitzenden Materials bildet, wobei in der Kammer entlang deren hitzebeständigen Wandung Heizelemente angebracht sind und an den Enden dieser Elemente Anschlüsse befestigt sind, die sich durch die Wandung der Kammer nach aussen zum Anschluss an eine Energiequelle erstrecken.
Der elektrische Heizofen nach dieser Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Heizelemente elektrisch leitende Bleche sind, die die Wandungen des Ofens teilweise abdecken, jedoch von der Wandung entfernt angeordnet sind, um Gasströmungskanäle zu bilden, wobei die Bleche eine elektrische Nennspannung von 10 bis 25 Volt zwischen den Anschlüssen besitzen, um Kurzschlussströme zwischen den Anschlüssen durch die hitzebeständige Zustellung zu verhindern.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht und werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 einen vertikalen Schnitt durch einen Wärmebehandlungsofen,
Fig. 2 einen horizontalen Schnitt durch den Ofen nach Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines seitlichen Heizelementes des Ofens nach Fig. 1 und 2,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht einer anderen Form eines solchen Heizelementes,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Heizelementes für die Verwendung an der Decke und am Boden der Heizkammer des Ofens,
Fig. 6 einen Aufriss eines Tragorgans für ein Deckenheizelement,
Fig. 7 einen Querschnitt durch einen Mehrkanalofen,
Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Tiegelofen und
Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie 9-9 von Fig. 8.
Der in Fig. 1 bis 3 gezeigte Ofen enthält einen Hohlkörper 10 mit einer Zustellung aus hitzebeständigem Material wie z. B. feuerfeste Ziegel oder Keramikmaterial, welches, wenn erwünscht, überzogen werden kann. Der Körper 10 bildet eine Behandlungskammer 11, die an einem Ende, wie bei 12 angezeigt, offen ist, und ist mit einer Türe 13 versehen, um die Öffnung 12 zu schliessen, wenn der Ofen in Betrieb ist. Das zu behandelnde Material kann dem Ofen über Förderrollen 14 zugeführt und kann vom Förderer während der Behandlung getragen werden.
Das Material kann in den Ofen hinein oder aus dem Ofen heraus durch kraftbetriebene Beschickungsmittel gefördert werden, beispielsweise mittels einer Kette 15, die durch einen Motor 16 über ein Untersetzungsgetriebe 17 und einen entsprechenden Mechanismus zur Kraftübertragung wie z. B. den Riemen 18 angetrieben wird.
Die Ofenkammer wird durch elektrische Widerstandselemente geheizt, die in der Kammer angebracht sind und von einem nicht dargestellten Transformator oder dergleichen von aussen gespeist werden.
Die Heizelemente haben die Form von Streifen 19, die entlang den Seitenwänden und der geschlossenen Rückwand des Ofens verlaufen und an ihren entgegengesetzten Enden mit Anschlüssen verbunden sind, welche durch die Ofenwand hindurchragen. Wie gezeigt, sindzwei solcher Heizelemente 19 vorhanden, von denen jedes sich entlang einer Seitenwand und über die Hälfte der Rückwand des Ofens zu den Anschlüssen 21 erstreckt, welche dadurch gebildet werden können, dass man die Enden der Streifen nach aussen biegt und durch den Ofenkörper aus Keramik führt, welche aber vorzugsweise andere dickere Teile sind, die an die Streifen geschweisst sind. An den gegen überliegenden Enden der Elemente sind die Streifen mit den Anschlüssen 22 verschweisst, die durch die Ofenwand hindurchragen und über Verbindungsschienen 23 mit dem Transformator verbunden sind.
Wenn der Transformator gespeist wird, fliesst Strom durch die Streifen 19 und erwärmt sie, und da sich die Streifen im wesentlichen über die ganze Länge der drei genannten Ofeninnenwände erstrecken, wird die Wärme im ganzen Ofen gleichmässig verteilt. Wie in Fig. 1 gezeigt, reichen die Widerstandselemente von einem Punkt etwas oberhalb der Förderanlage bis zu einem Punkt etwas unterhalb der Decke der Ofenkammer, so dass sie das zu erhitzende Material auf drei Seiten umgeben. Die Widerstandselemente können auf jede beliebige Weise in dem Ofen gehaltert werden, wie z. B. durch Tragorgane 24, die in den oberen Kanten der Heizelemente eingehakt und im Körper 10 befestigt werden.
Die Streifen 19 sind gewellt, um zu ermöglichen, dass eine grössere gestreckte Streifenlänge in einem Ofen von gegebener Grösse angebracht werden kann, um dadurch den wirksamen Widerstand zu erhöhen, ohne den Querschnitt zu verringern. Ein anderer Vorteil der Wellung ist der, dass die Streifen an verschiedenen Stellen verschieden gewellt sein können, um an bestimmten Stellen eine grössere Erwärmung zu schaffen.-Wie in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, können die Wellen oder Rippen z. B. in der Nähe der Öffnung 12 näher beisammen liegen, um den durch die Öffnung bedingten Wärmeverlust auszugleichen und eine gleichmässige Temperatur innerhalb der Ofenkammer aufrechtzuerhalten.
Die Verwendung von Streifenwiderstandselementen ist ausserdem sehr vorteilhaft für die Steuerung der Zirkulation von heissen Gasen durch den Ofen, um das zu behandelnde Material wirksam zu erhitzen. Wie aus Fig. 2 am besten ersichtlich, sind Streifen 19 zwar in der Nähe der Kammerwände, jedoch mit einem gewissen Abstand davon angebracht, um mit den Kammerwänden Kanäle für die Zirkulation von Gas zu bilden. Die Gase in dem Ofen werden das Bestreben haben, durch diese Kanäle in engem Kontakt mit den Streifen oder Blättern zu zirkulieren, wodurch sie erhitzt werden und während des Zirkulierens die Wärme an das Material in der Kammer abgeben können. Die Zirkulation der Gase kann durch einen Ventilator oder ein Gebläse 25 gefördert werden, welches in dem unteren Teil des Ofens angebracht und durch einen Motor 26 ausserhalb des Ofens betrieben ist.
Der Ventilator kann die Zirkulation der Gase in beiden Richtungen anregen; es ist aber vorteilhaft, dass die Luft durch die Mitte der Kammer über das Werkmaterial hinweg nach unten gesaugt wird und zwischen den Widerstandselementen und den Ofenwänden wieder nach oben steigt.
Fig. 4 zeigt eine abgeänderte Konstruktion von seitlichen Heizelementen, bei welchen alle Anschlüsse an der Rückseite des Ofens herauskommen, wobei Verbindungsschienen 23 nicht erforderlich sind. Bei dieser Ausführungsform besteht das Heizelement aus verhältnismässig schmalen Streifen 27, die sich von einem gemeinsamen zentralen Anschluss 28 aus über die Rückwand des Ofens erstrecken, und aus Seitenstreifen 29, die entlang den Seitenwänden des Ofens verlaufen.
Die Seitenstreifen 29 sind wie gezeigt der Länge nach von ihrem hinteren Ende bis fast zu ihrem vorderen Ende, jedoch nicht vollständig, gespalten, um obere und untere Streifen zu schaffen, die im wesentlichen die gleiche Breite haben wie die Streifen 27 und am vorderen Ende des Ofens ineinander übergehen.
Die unteren Streifen an den Seiten enden in Anschlüssen 31, welche sich durch die Rückwand des Ofens in der Nähe des Mittelanschlusses 28 zum Zweck der leichten Verbindung mit einem Transformator oder einer anderen Stromquelle hindurch erstrecken können. Im übrigen ist die Ausführung nach Fig. 4 die gleiche wie die der Fig. 1 bis 3 und arbeitet in der gleichen Weise.
In vielen Fällen ist es erwünscht, zusätzliche Heizelemente am Boden und/oder an der Decke des Ofens vorzusehen. Zu diesem Zweck sind gewellte Metallfolien (-streifen) 32 vorgesehen, die mit einer Reihe von Schlitzen 33 entlang ihren Mittellinien versehen sind. Die Schlitze 33 ermöglichen es, dass die Folien 32 ohne Verwerfung in eine V-Form gebogen werden können, und gestatten ausserdem ein Zirkulieren des Gases durch die Folien und ein leichtes Anbringen der Tragorgane.
Zum Anbringen im oberen Teil des Ofens werden die Tragorgane nach Fig. 6 verwendet, die einen Schaft 34 und einen V-förmigen, verhältnismässig schmalen Kopf 35 aufweisen, der um die Achse des Schaftes rotieren kann. Um eine Folie 32 im oberen Teil des Ofens anzubringen, werden die Schäfte 34 in der Decke des Ofens verankert und die Köpfe 35 werden parallel zu den Schlitzen 33 gedreht, so dass sie durch die Schlitze 33 passieren können. Nachdem die Folie 32 über die Köpfe 35 geschoben ist, werden die Köpfe um 90" gedreht, und die Folie wird heruntergelassen und wird nun von den Köpfen getragen.
Die Enden der Folien 32 können mit Anschlüssen 36 verschweisst sein, die so geformt sind, dass sie an die Enden der Folien passen und durch die oberen oder unteren Wände des Ofens hindurchragen. Die Anschlüsse können an den Transformator oder an irgendeine andere Stromquelle angeschlossen sein.
Für die Anbringung im unteren Teil des Ofens können die Folien 32, wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, in einem gewissen Abstand zum Boden des Ofens auf Böcken 37 angebracht sein. In diesem Fall verlaufen die Anschlüsse 36 besser nach unten als nach oben, so dass der Scheitel des V-Querschnittes oben ist.
Eine Anzahl von Folien 32 können parallel zueinander, voneinander getrennt, sowohl im oberen (an der Decke) als auch im unteren (am Boden) Teil des Ofens angebracht sein, um im wesentlichen die ganze Ofeninnenfläche zu bedecken; sie können aber auch in jeder anderen beliebigen Art verteilt sein. In jedem Fall strahlen die Folien 32 Wärme auf das Material aus und sorgen infolge ihrer Abstände und der Schlitze 33 für eine Zirkulation des Gases.
Die vernältnismässig grossen Streifenheizelemente 19, 29 und 32 bieten eine Reihe von Vorteilen. Da sie relativ grosse Elemente darstellen, ist eine kleine Anzahl von Elementen für einen Ofen von gegebener Grösse erforderlich, damit sind die Schwierigkeiten des Anbringens und die Zahl der Anschlüsse verringert. Die Folien können praktisch die ganze Fläche um das Material herum bedecken, so dass die Hitze von allen Seiten auf das Material gestrahlt wird und sich keine kalten Punkte entwickeln können. Ausserdem bilden die Folien oder Streifen wirksame Kamine mit den umgebenden Ofenwänden, durch welche das Gas innerhalb des Ofens so zirkuliert, dass es wirksam und gleichmässig erwärmt wird und dazu beiträgt, dass in dem Ofen eine gleichmässige Temperatur herrscht.
Ein anderer grosser Vorteil ist, dass die verhältnismässig grosse Querschnittsfläche der Folien oder Streifen es ermöglicht, den Ofen mit sehr niedriger Spannung, in der Grössenordnung von zehn bis fünfundzwanzig Volt zu betreiben. Dies vereinfacht die Anlage in bezug auf die Isolierung der Elemente voneinander und von anderen Teilen des Ofens und verringert die Gefahren für das Personal und für die behandelten Teile, für den Fall, dass sie ein Element berühren sollten, auf ein Minimum. Die Spannungsquelle ist deshalb so ausgebildet, dass sie eine Nennspannung zwischen zehn bis fünfundzwanzig Volt und ausreichende Stromstärken, um die Elemente auf die gewünschte Temperatur zu bringen, liefert.
Noch wichtiger ist, dass die Verwendung von niedrigen Spannungen die Möglichkeit eines elektrischen Durchschlagens der Ziegel oder anderen feuerfesten Materials zwischen den Anschlüssen an den Punkten, an denen sie in den Ofen eintreten, herabsetzt oder sogar ausschliesst. Wenn die Ziegel oder das feuerfeste Material neu und sauber sind, geben sie eine ausgezeichnete elektrische und thermische Isolierung. Nach einer gewissen Benützungsdauer, insbesondere bei Karbonieröfen, werden die Ziegel oder das feuerfeste Material von Russ oder Kohle bis in eine Tiefe von mehreren Zentimetern durchtränkt, und ihr elektrischer Isolationswert ist bedeutend herabgesetzt. Russ an der Oberfläche kann leicht entfernt werden und bedeutet kein schwerwiegendes Problem; der Russ aber, der in die Ziegel oder anderes feuerfestes Material eindringt, kann nicht entfernt werden.
Wenn relativ hohe Spannungen in der Grössenordnung von 100 oder mehr Volt verwendet werden, wie es üblich ist, tritt, wie sich herausgestellt hat, ein Kriechstrom zwischen den Anschlüssen durch die Ziegel oder das feuerfeste Material nach relativ kurzer Zeit auf und die einzige bekannte Abhilfe dagegen ist, die Ziegel oder das feuerfeste Material auszuwechseln. Die Verwendung niedriger Spannungen reduziert nicht nur die Neigung zum elektrischen Durchschlag, es konnte vielmehr festgestellt werden, dass unterhalb eines kritischen Spannungswertes die Isoliereigenschaften von Ziegel oder feuerfestem Material nicht einmal dann versagen, wenn sie mit Russ oder Kohlenstoff vollgesogen sind.
Die Versuche zeigten, dass bei Spannungen von ungefähr 25 Volt oder weniger die Ziegel oder feuerfestes Material die elektrische Isoliereigenschaft unbegrenzt behalten, während bei höheren Spannungen die elektrische Isoliereigenschaft von Ziegeln oder feuerfestem Material schon nach relativ kurzer Betriebszeit verlorengeht.
Die genauen Gründe für diese Tatsache konnten wir nicht finden. Man nimmt jedoch an, dass, wenn das poröse Ziegel- oder feuerfeste Material imprägniert wird, die kleinen Hohlräume darin mit Russ oder Kohlenstoff überzogen oder ausgefüllt werden, ohne dass jedoch Russ oder Kohlenstoff einen kontinuierlichen Leitungsweg schaffen. Die hohen Spannungen überspringen oder brechen die sehr kurzen Isolierräume zwischen benachbarten Russ-, d. h. Kohlenstoffteilchen, während Spannungen in der Grössenordnung von 25 Volt oder weniger auch diese kurzen Zwischenräume nicht durchschlagen können.
Fig. 7 zeigt einen Ofen für kontinuierliche Materialbehandlung mit einer Reihe von getrennten Kanälen. Der Ofen weist eine Kammer 38, die an beiden Enden offen ist, und ein Paar Förderer 39 und 41, welche diese von einem Ende zum andern durchlaufen, auf. Getrennte Teile oder Materialbündel, die behandelt werden sollen, können auf den getrennten Förderern zur gleichzeitigen Wärmebehandlung durch den Ofen geschleust werden.
Der Ofen wird durch ein Paar Seitenheizfolien oder Streifen 42 erhitzt, welche entlang der sich gegen überliegenden Seitenwänden des Ofens im Abstand von dieser verlaufen und an ihren Enden Anschlüsse 43 aufweisen, die zum Zweck einer Verbindung mit einer Heizstromquelle durch die Ofenseitenwände hindurchgeführt sind. Die Streifen 42 sind ebenso gewellt wie die Streifen 19 der Fig. 1 bis 3. Die Wellungen können an den Enden enger beisammenliegen als in den Mittelteilen, um den Wärmeverlust durch die Öffnungen an den Enden auszugleichen. Zwischen den beiden Förderern 39 und 41 ist eine Heizfolie oder ein Heizstreifen 44 angebracht, der dem den Streifen 42 entspricht und gleich gewellt ist.
Der Streifen 44 kann mit Anschlusshaltern 45 verbunden sein, die sich vertikal entweder durch den oberen oder durch den unteren Teil des Ofens zum Zweck der Verbindung mit einer Stromquelle erstrecken. Heisse Gase können durch unter den Förderern angebrachte Ventilatoren 46 um das Material im Ofen und um die Heizstreifen zirkuliert werden. Der Streifen 44 kann wie gezeigt ein einzelner Streifen sein, oder er kann aus zwei voneinander im Abstand angebrachten Streifen bestehen, welche auf verschiedene Temperaturen gebracht werden, um die beiden Behandlungszonen wirksamer voneinander zu trennen.
Wenn das Material auf den Förderern 39, 41 den Ofen durchläuft, ist das Material einer Strahlung von den Heizelementen 42 an den einander gegenüberliegenden Seiten der Förderer und einer Wärmeübertragung durch das Zirkulieren von heissen Gasen über dieses hinweg ausgesetzt. In dieser Konstruktion kann das Material, wenn es erwünscht ist, beim Durchlaufen der verschiedenen Kanäle verschiedenen Temperaturen ausgesetzt werden, indem man die Heizelemente 42 mit verschiedenen Spannungen speist oder indem man Heizelemente verschiedener
Grössen verwendet. Der Heizstreifen 44 dient in diesem Fall nicht nur als Wärmequelle, sondern auch als eine Trennwand zwischen den zwei Förderkanälen, welche auf eine Temperatur erhitzt werden können, die zwischen den Temperaturen der Streifen 42 liegt.
Der Streifen 44, ob nun einfach oder doppelt, ist breiter, als das Material hoch ist, um die beiden Kanäle wirksam zu trennen.
Die Fig. 8 und 9 zeigen einen Tiegelofen mit einem topfförmigen, am oberen Ende offenen, feuerfesten Körper 47, der je nach Wunsch auf Beinen steht oder in den Fussboden eingelassen ist. Eine perforierte Tragplatte 48 befindet sich in einem gewissen Abstand von dem Boden der Ofenkammer; auf ihr können das zu behandelnde Material oder die Behälter dafür aufliegen. Es ist vorteilhaft, einen Ventilator 49, welcher von einem Motor 50 getrieben wird, unterhalb der Platte 49 anzubringen, um eine kräftige Zirkulation der Luft innerhalb des Ofens zu erhalten.
Der Ofen wird durch ein längliches röhrenförmiges Heizelement erhitzt, welches im wesentlichen vertikal in der Ofenkammer, gleichlang wie diese, angeordnet ist, um das Material darin zu erhitzen. Wie gezeigt, wird das Heizelement durch eine Reihe von getrennten Ringen 51 gebildet, von denen jeder aus gewelltem Folienmaterial besteht, wobei die Ringe vertikal übereinanderliegen, um praktisch die ganze Innenwand der Ofenkammer zu bedecken. Die Ringe können einzeln durch Haken 52 gehalten werden, die an der Innenwand der Kammer befestigt sind.
Die Ringe 51 sind an einer Stelle, wie in Fig. 8 gezeigt, offen und werden über Anschlüsse gespeist, die gerade parallele Teile 53, die durch die Wand des Körpers hindurchragen und abgewinkelte Teile 54 aufweisen, welche an die Enden der Ringe angeschweisst sind. Durch das Vorhandensein der abgewinkelten Teile 54 können die Enden der Ringe nahe aneinander gebracht werden, um kalte Stellen im Ofen zu vermeiden, während durch die Tatsache, dass die Anschlussteile 53, da wo sie durch den Ofenkörper durchdringen, grossen Abstand voneinander haben, eine bessere elektrische Isolierung gegeben ist sowie mehr Platz um die Anschlüsse herum für eine Verbindung mit einer Sammelschiene oder ähnlichem geschaffen wird.
Ein grosser Vorteil der Verwendung von gewellten Heizelementen in einem Tiegelofen - sei er für eine Wärmebehandlung oder zum Schmelzen bestimmt liegt darin, dass Elemente gleicher Länge, die zur Verwendung der gleichen Transformatoren bestimmt sind, durch eine einfache Änderung der Wellung in den Streifen in Ofen verschiedener Grössen angebracht werden können. Umgekehrt kann aber auch die Länge der Elemente und damit ihr Widerstand entsprechend variiert werden, um die Wärmezufuhr von einem gegebenen Transformator zu variieren.
Diese Eigenschaft erlaubt eine umfassendere Standardisierung der Transformatoren und beschränkt die Anzahl von verschieden langen Heizelementen, die für eine Reihe von Ofengrössen nötig sind, auf ein Minimum.
In Wärmebehandlungsöfen haben die Ringe 51, wie in Fig. 8 gezeigt, nach innen einen Abstand von der Ofenwand, wodurch die Zirkulation heisser Gase durch die zwischen den Elementen und der Ofenwand gebildeten Kanäle ermöglicht wird. Wenn viele Streifen verwendet werden, so haben die heissen Gase die Tendenz, zwischen zwei benachbarten Streifen zu entweichen, was einen Verlust an Wirksamkeit nach sich zieht. Um diese Erscheinung möglichst gering zu halten, erhalten, wie es in Fig. 9 am besten gezeigt ist, die verschiedenen Ringe eine konische Form und werden so angebracht, dass sich ihre benachbarten Kanten vertikal überlappen, während sie horizontal voneinander einen gewissen Abstand haben, so dass sie elektrisch voneinander getrennt sind.