DE1010668B - Heizelement fuer elektrische Widerstandsoefen mit Betriebstemperaturen ueber 1500íÒC - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizelement für elektrische Widerstandsöfen, das auf pulvermetallurgischem Wege aus hochfeuerfesten Werkstoffen, vorzugsweise aus Siliciden der Übergangsmetalle der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems unter Zusatz metallischer oder nichtmetallischer Stoffe hergestellt ist und Arbeitstemperaturen ausgesetzt werden soll, die nahe der Erweichungstemperatur des Heizelementwerkstoffes liegen.

Bekanntlich können für Temperaturen oberhalb 1200° die üblichen Chrom- und Nickellegierungen nicht mehr als Heizleiter verwendet werden. Für höhere Temperaturen benutzt man daher als Werkstoff für das Heizelement Siliciumverbindungen, wie z. B. Siliciumkarbid oder die Disilicide der Übergangsmetalle der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems, vorzugsweise Molybdändisilicid. Während Silicidkarbidheizstäbe etwa bis 1500° brauchbar sind, kann man mit Heizstäben aus Molybdändisilicid etwa Temperaturen bis 1650° erreichen. Heizleiter aus Molybdändisilicid haben den Vorteil, daß sie bei höchsten Arbeitstemperaturen in oxydierender oder korrodierender Atmosphäre verwendet werden können. Bei einem Molybdändisiücidheizstab bildet sich nämlich bei den hohen Temperaturen unter dem Einfluß des Sauerstoffes eine dünne glasartige Schutzschicht, die die weitere Oxydation des Heizelementes verhindert. Bei Heizstäben aus Molybdändisilicid hat sich jedoch die merkwürdige Erscheinung gezeigt, daß in dem Temperaturbereich von etwa 400 bis 700° unter dem Einfluß des Sauerstoffes ein oxydativer Zerfall des Molybdändisilicids eintritt. Die Übergangsstelle zwischen der Hochtemperaturzone und dem kühleren Anschlußteil des Heizelementes ist daher die besonders gefährdete Zone, und es zeigt sich, daß die Stäbe immer an. dieser Stelle nach einiger Betriebszeit zerstört werden. Durch die Erfindung soll das Heizelement so gestaltet und in dem Widerstandsofen so angeordnet werden, daß die Temperatur im Glühteil des Heizelementes bis nahe an die Erweichungstemperatur des Heizelementwerkstoffes gesteigert werden kann und bei Verwendung von Molybdändisilicid als Heizleiterwerkstoff die für den oxydativen Zerfall gefährdete Temperaturzone von etwa 300 bis 700° in den Teil des Heizelementes verlegt ist, der durch seinen vergrößerten Querschnitt weniger gefährdet ist und sich in einer geeigneten Schutzumhüllung befindet.

Es ist bekannt, Heizelemente für elektrische Widerstandsöfen als senkrecht stehende, in den Ofenraum ragende Schleife auszubilden, die nur durch ihr Eigengewicht auf Druck beansprucht ist und deren Anschlußenden zum Stromanschluß außerhalb des Ofenraumes geführt sind, so daß die Stromanschlüsse Heizelement für elektrische

Widerstandsöfen mit Betriebstemperaturen

über 1500° C

Anmelder:

Siemens-Planiawerke A. G.

für Kohlefabrikate,
Meitingen bei Augsburg

Dr.-Ing. Erich Fitzer, Wien,
ist als Erfinder genannt worden

des Heizelementes nur an einer Ofenseite liegen. Diese bekannten U-förmigen Heizelemente bestehen aus Gußeisen und sind an den Schenkelenden im Querschnitt gegenüber dem Glühteil der Schleife stark vergrößert. Derartige Heizelemente sind jedoch nur für Betriebstemperaturen geeignet, die unterhalb der Schmelztemperatur des Gußeisens liegen.

Durch die Erfindung soll ein Heizelement geschaffen werden, das für wesentlich höhere Arbeitstemperaturen geeignet ist als die bekannten schleifenförmigen Heizelemente. Wie bereits erwähnt, ist Molybdändisilicid als Heizleiterwerkstoff besonders geeignet, wenn man bei der Formgebung des Heizelementes und beim Einbau des Heizelementes in den Ofen die besonderen Eigenschaften von Molybdändisilicid berücksichtigt. Diese Eigenschaften liegen vornehmlich in der Sprödigkeit und damit in der Empfindlichkeit gegen mechanische Beanspruchungen sowie in der Gefahr eines oxydativen Zerfalls im Temperaturbereich von etwa 400 bis 700° C.

Gemäß der Erfindung besteht das Heizelement mit senkrecht stehender Glühschleife aus Siliciden der Übergangsmetalle der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems, vorzugsweise aus Molybdändisilicid und besitzt klotzartige, im Querschnitt gegenüber dem Glühteil mehrfach vergrößerte Füße an den Schenkelenden, die in einem wannenartigen Isolierstoffkörper eingesetzt sind, der durch als Abstands-

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halter für die Schenkelenden dienende Isolierstoffstege in einzelne Anschluß kammern unterteilt ist, die metallische Anschlußbolzen besitzen und nach dem Einsetzen der Füße des Heizelementes mit Metall ausgegossen sind. Die klotzartigen Füße des Heizelementes sind dabei so ausgebildet, daß sie ein Avenig aus der Stromanschlußwanne herausragen und nach dem Einbau des Heizelementes mit der Bodenplatte des Ofens abschließen. Die Bodenplatte des Ofens besitzt entsprechende Ausnehmungen, durch die die Heizelemente mit ihrem Stromanscblußteil von unten in den Ofen eingeschoben werden können. Durch das Einsetzen des Heizelementes in eine Stromanschlußwanne, die mit Metall ausgegossen wird, wird nicht nur der gegenüber der Glühscbleife kühlere Anschlußteil des Heizelementes vor dem Zutritt von Sauerstoff geschützt, sondern, da als Umgußmetall leicht schmelzende Metalle verwendet werden, können die Anschlußenden des Heizelementes den auftretenden Wärmespannungen leicht folgen. Um das in die Wanne des Stromanschlußkörpers eingegossene Metall oder metallische Verbindungen, wie z. B. Zinn, Silber, Titansilicid, vor der Strahlungswärme des Ofens zu schützen, ist die Wanne mit einer keramischen Platte abgedeckt, die mit entsprechenden Öffnungen für den Durchtritt der Anschlußfüße des Heizelementes versehen ist. Da der Stromanschlußteil des Heizelementes stark abgekühlt werden muß, ist der die Wannen bildende Isolierstoffkörper aus hochfeuerfester Keramik mit Kühlkanälen versehen, die von einem Kühlmittel durchflossen werden. Diese Kühlkanäle veraufen zweckmäßig in den Wänden des wannenartigen Keramikkörpers, die nicht von den in die Wanne geführten Stromanschlußbolzen durchdrungen sind. Durch Unterteilung des wannenartigen Keramikkö-rpers in einzelne Stromanschlußkammern durch Querstege wird gleichzeitig erreicht, daß diese Querstege als Abstandhalter der beiden Schenkelenden des Heizelementes dienen können. Um eine große Heizleistung im Ofen zu erzeugen, werden mehrere derartige Heizlemente in einer Reihe oder versetzt zueinander in dem Ofen angeordnet. Diese Heizelemente können nun je nach Bedarf in Serie oder in Reihe geschaltet werden, wobei je ein Schenkelende zweier benachbarter Heizelemente in eine Anschlußkammer eingesetzt werden kann, die an einen Pol der Stromquelle angeschlossen ist, während die beiden Nachbarkammern an den anderen Pol der Stromquelle geführt sind. Die Beschaltung der einzelnen Stromanschlußkammern kann dabei in beliebiger Weise erfolgen, so daß z. B. auch der Ofen mit Drehstrom betrieben werden kann, wenn einzelne Gruppen von Heizelementen in Stern oder Dreieck geschaltet werden. Da die Heizelemente bis nahe an die Erweichungstemperatur des Heizleiterwerkstoffes belastet werden sollen und dann die Gefahr besteht, daß sie sich aus der Schleifmebene herausbiegen, ist der Querschnitt im Glühteil so gewählt, daß das Widerstandsmoment senkrecht zur Schleifenebene möglichst groß ist.

Fig. 1 zeigt das Heizelement in Seitenansicht und Grundriß;

Fig. 2 zeigt drei verschiedene Querschnittsformen der Heizleiterschleife;

Fig. 3 zeigt den Temperaturverlauf an einem Heizelement;

Fig. 4 zeigt im Schnitt den Einbau der Heizelemente im Ofen, und einen Schnitt durch den Ofen;

Fig. 5 zeigt eine Ansicht von oben auf die Anschlußwanne; Fig. 6 zeigt einen Schnitt durch die Anschlußwanne.

Wie Fig. 1 zeigt, besitzt das Heizelement einen als U-Schleife ausgebildeten Glühteil 1, der an seinen Schenkelenden in seinem Querschnitt sehr stark vergrößert ist und klotzartige Füße 2 bildet. Es ist zweckmäßig, dem Glühteil 1 einen Querschnitt zu geben, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Bei quadratischem Querschnitt ist es zweckmäßig, den Glühteil 1 so zu gestalten, daß die Spitzen der Querschnittsquadrate der beiden Schenkel sich gegenüberstehen. Auf diese Weise wird erreicht, daß an der Schenkelinnenseite keine unzulässige Überhitzung durch gegenseitige Anstrahlung der Schenkel entsteht und ein großes Widerstandsmoment senkrecht zur Ebene der beiden U-Schenkel vorhanden ist. Die Abstrahlungsverhältnisse zum Ofenraum sind bei dieser Querschnittsform der Heizleiterschleife 1 am günstigsten und die Gefahr, daß die Heizleiterschleife sich aus der Schleifenebene herausbiegt, am geringsten. In Fig. 1 ist der klotzartige Fuß 2 des Heizelementes im Grundriß dargestellt, aus dem erkennbar ist, daß der Querschnitt dieses Fußes ein Vielfaches durch die die Heizelemente mit ihrem Stromanschlußteil von unten in den Ofen eingeschoben werden können. Das den Kühlkanal 11 durchströmende Kühlwasser tritt bei ein und bei 15 aus.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Heizelement für elektrische Widerstandsöfen mit einer in dem Ofenraum senkrecht stehenden, den Glühteil bildenden Schleife, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement aus Siliciden der Übergangs-metalle der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems, vorzugsweise ausMolybdänsilicid besteht und klotzartige, im Querschnitt gegenüber dem Glühteil mehrfach vergrößerte Füße (2) an den Schenkelenden besitzt, die in einen wannenartigen Isolierstoff körper (3) eingesetzt sind, der durch als Abstandshalter für die Schenkelenden dienende Isolierstoffstege (4) in einzelne Anschlußkammern (5, 6, 7...) unterteilt ist, die metallische Anschlußbolzen (8,9jlO...) besitzen und nach dem Einsetzen der Füße (2) des Heizelementes mit Metall ausgegossen sind.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der aus feuerfester Keramik bestehende wannenartige Körper (3) mit Kühlkanälen (11) oder Kühlrippen versehen ist.

3. Heizelement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in die Anschlußkammern (5, 6, 7...) Stromanschlußbolzen (8, 9, 10...) eingesetzt sind, die die Wand des Isolierstoffkörpers an einer nicht vom Kühlmittel durchflossenen. Stelle durchdringen und mit dem in die Anschlußkammer eingesetzten Fuß (2) des Heizelementes gemeinsam mit Metall umgössen sind.

4. Heizelement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußkammern (5, 6, 7 ...) gegenüber dem Ofenraum durch eine feuerfeste Keramikplatte (13) abgedeckt sind.

5. Heizelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß je ein Fuß (2) mehrerer Heizelemente in eine gemeinsame Anschlußkammer eingesetzt sind, so daß die Heizelemente je nach Bedarf in Reihe oder parallel oder bei Drehstrom in Stern oder Dreieck geschaltet werden können.

6. Heizelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturverteilung im Heizelement durch Veränderung seines Querschnittes und Einbau in die Stromanschlußkammern so gewählt ist, daß die Temperaturzone von 300 bis 800° in dem unteren in der Anschlußkammer befindlichen Teil des Fußes (2) liegt, der durch das Vergußmetall abgedeckt ist.

In Betracht gezogene Druckschriften: österreichische Patentschrift Nr. 87 132.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen