DE1027820B

DE1027820B - Heating element with loop-shaped glow part for electrical resistance ovens

Info

Publication number: DE1027820B
Application number: DES52082A
Authority: DE
Inventors: Dr Techn Erich Fitzer; Dr Waldemar Kaufmann; Friedrich Selka
Original assignee: Siemens Plania Werke AG
Current assignee: Siemens Plania Werke AG
Priority date: 1957-01-25
Filing date: 1957-01-25
Publication date: 1958-04-10

Description

DEUTSCHESGERMAN

Die Erfindung betrifft ein Heizelement für elektrische Widerstandsöfen mit schleifenförmigem Glühteil aus einem Werkstoff, der aus Verbindungen des S'iliciums mit Elementen der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems besteht und für Temperaturen bis 1700° C in oxydierender Atmosphäre verwendet worden kann. Es ist bekannt, für die Widerstandserhitzung die Heizelemente mit schleifenförmigem, aus einem Stück gefertigtem Heizteil bzw. Glühteil auszubilden. Schleifenförmige Heizelemente haben bekanntlich gegenüber der Stabform den Vorteil, nur eine Einbauöffnung in den Ofen zu haben, so daß der Ein- und Ausbau des Heizelementes in den bzw. aus dem Ofen erleichtert ist und eine bessere Abdichtung der Ofenisolierung gegen Konvexion erreicht werden kann.The invention relates to a heating element for electrical resistance furnaces with a loop-shaped glow part from a material which consists of compounds of silicon with elements of IV. to VI. Group of Periodic system and used for temperatures up to 1700 ° C in an oxidizing atmosphere can be. It is known to use the heating elements with loop-shaped, to form from a piece of manufactured heating part or glow part. Loop-shaped heating elements are known to have compared to the rod shape the advantage of having only one installation opening in the furnace, so that the Installation and removal of the heating element in and out of the furnace is facilitated and a better seal the furnace insulation against convexion can be achieved.

Bei den bekannten schleif enf örmigen Heizelementen, die aus Nickel- und Chrom-Nickel-Legierungen bestehen, läßt sich eine schleifenförmige Gestalt des Heizelementes leicht erreichen, da dieser Werkstoff sich bei Temperaturen von etwa 800 bis 1000° C ausformen läßt. Derartige Heizelemente sind jedoch nur für verhältnismäßig niedrige Temperaturen bis etwa 1250° C verwendbar. Für höhere Temperaturen müssen andere Werkstoffe verwendet werden. Besonders geeignet für Temperaturen bis 1700° C sind Verbindungen des Siliciums mit Elementen der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems. Die Herstellung der Heizelemente aus diesen Werkstoffen läßt sich nur auf pulvermetallurgischem Wege erreichen, da diese Stoffe hart und spröde sind. Bisher hat man daher Heizelemente aus diesen Werkstoffen meist nur in Stabform hergestellt. Es ist jedoch bereits versucht worden, aus diesen spröden, schwer ausformbaren Werkstoffen die Heizelemente U- oder Ω-förmig zu gestalten.With the known loop-shaped heating elements, which consist of nickel and chromium-nickel alloys, can be a loop-shaped shape of the Easily reach the heating element, as this material forms at temperatures of around 800 to 1000 ° C leaves. However, such heating elements are only for relatively low temperatures up to about 1250 ° C usable. For higher temperatures you need other materials can be used. Connections are particularly suitable for temperatures up to 1700 ° C of silicon with elements of IV. to VI. Group of the periodic table. The production the heating elements made of these materials can only be achieved by powder metallurgy, since these Substances are hard and brittle. So far, heating elements made of these materials have mostly only been available in Rod shape manufactured. However, attempts have already been made to make them brittle and difficult to shape Materials to the heating elements U- or Ω-shaped design.

Hierbei zeigte sich, daß schleifenförmige Heizelemente aus Verbindungen des Siliciums mit Elementen der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems bei Temperaturen, die dicht an der zulässigen. Temperaturgrenze liegen, nicht die für den praktischen Gebrauch notwendige Lebensdauer besitzen. Obwohl für Molybdändisilicid die zulässige Temperaturgrenze bei etwa 1700° C liegt, können Heizleiterschleifen aus diesem Werkstoff nur bis etwa 1550° C im Dauerbetrieb belastet werden. Auch Siliciumkarbidheizleiter vertragen in der Schleifenform nur eine geringere Betriebsdauer als in der reinen Stabform.It was found that loop-shaped heating elements from compounds of silicon with elements of IV. to VI. Periodic group System at temperatures close to the allowable. Temperature limit, not the practical one Use necessary lifespan. Although for molybdenum disilicide the permissible temperature limit is around 1700 ° C, heating conductor loops made of this material can only be used up to around 1550 ° C in continuous operation are charged. Even silicon carbide heating elements can only tolerate a smaller loop shape Operating time than in the pure rod form.

Es wurde erkannt, daß die Ursache der vorzeitigen Zerstörung von schleifenförmigen Heizelementen in der Überhitzung des Kernes der Heizschleife liegt, da im Kern der Heizschleife eine thermische Zersetzung der Siliciumverbindungen eintritt, die zur Gasabgabe und Zerstörung des Heizelementes führt. Nun hat HeizelementIt has been recognized that the cause of the premature destruction of loop-shaped heating elements in the overheating of the core of the heating loop is due to thermal decomposition in the core of the heating loop of silicon compounds occurs, which leads to gas release and destruction of the heating element. Well has Heating element

mit schleifenförmigem Glühteil
für elektrische Widerstandsöfenwith loop-shaped glow part
for electric resistance furnaces

Anmelder:Applicant:

Siemens-Planiawerke AktiengesellschaftSiemens-Planiawerke Aktiengesellschaft

für Kohlefabrikate,for coal products,

Meitingen bei Augsburg,Meitingen near Augsburg,

München 2, Witteisbacherplatz 2Munich 2, Witteisbacherplatz 2

Dr. Waldemar Kaufmann, Dr. techn. Erich FitzerDr. Waldemar Kaufmann, Dr. techn. Erich Fitzer

und Friedrich Selka, Meitingen bei Augsburg,and Friedrich Selka, Meitingen near Augsburg,

sind als Erfinder genannt wordenhave been named as inventors

man versucht, die bei der sehr hohen Temperatur eintretende plastische Verformung des Heizelementes dadurch unwirksam zu machen, daß man die Glühschleife in keramisches Material einbettet. Wegen der schlechten Wärmeableitung der keramischen Einbettmasse tritt jedoch hierbei eine starke Überhitzung des Heizteils des Heizelementes ein, die zu einer raschen Zerstörung des Elementes führt.one tries, which occurs at the very high temperature to make plastic deformation of the heating element ineffective by removing the incandescent loop embedded in ceramic material. Because of the poor heat dissipation of the ceramic investment material however, this leads to severe overheating of the heating part of the heating element, which leads to rapid Destruction of the element leads.

Die Technik verlangt jedoch nach Heizelementen, die in oxydierender Atmosphäre oberhalb 1400° C betrieben werden können. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Forderung mit Heizelementen, die die an sich günstige Schleifenform des Glühteils besitzen.
Erreicht wird dies nach der Erfindung dadurch, daß der aus einem Stück gefertigte, aus Verbindungen des Siliciums mit Elementen der IV. bis VI. Gruppe des Periodischen Systems hergestellte Heizteil des Heizelementes einen rohrförmigen. Querschnitt aufweist. Besonders vorteilhaft ist es nach einem weiteren Merkmal der Erfindung, den rohrförmigen Heizteil mit einem oder mehreren Schlitzen oder öffnungen in der Rohrwandung zu versehen. Die gefürchtete Überhitzung des Glühteilkernes wird auf diese Weise verhindert. Durch das Aufschlitzen des rohrförmigen Heizteils wird nicht nur das Überhitzen, im Rohrinnern vermieden, sondern die 'im Rohrinnern sich bildenden Gase können entweichen. Besonders wichtig ist das Vorhandensein eines Schlitzes im Glühtedl des Heizelementes bei Heizleiterwerkstoffen, die flüch-However, the technology requires heating elements that can be operated in an oxidizing atmosphere above 1400 ° C. The present invention meets this requirement with heating elements that have the inherently favorable loop shape of the glow part.
This is achieved according to the invention in that the one-piece, made of compounds of silicon with elements of IV. To VI. Group of the periodic table, the heating part of the heating element made a tubular. Has cross section. According to a further feature of the invention, it is particularly advantageous to provide the tubular heating part with one or more slots or openings in the pipe wall. This prevents the dreaded overheating of the glow part core. By slitting open the tubular heating part, not only is overheating avoided inside the tube, but the gases that form inside the tube can escape. The presence of a slot in the glowing element of the heating element is particularly important in the case of heating conductor materials that are volatile

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lierstück des im Ofen eingebauten Heizelementes einen Teil der Ofenwandung darstellt.the heating element installed in the furnace Represents part of the furnace wall.

Nachstehend sind mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Zeichnung beschrieben.Several exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the drawing.

Fig. 1 bis 3 zeigen verschiedene Formen von Heizelementen; Figures 1 to 3 show various forms of heating elements;

Fig. 4. zeigt ein Heizelement entsprechend Fig. 2, bei dem die Glühschleife durch Stützen gehalten ist;Fig. 4 shows a heating element corresponding to Fig. 2, in which the glow loop is held by supports;

Fig. 5 zeigt ein Heizelement der Ω-Form mit einerFig. 5 shows a heating element of the Ω-shape with a

tige Oxyde ausbilden, wie z. B. Molybdän- oder
Wolfram-Silicid. Auch bei hochsiliciumhaltigen Werkstoffenkann es durch Reaktion eines Oxydes mit
Silicium zu flüchtigem Siliciumsuboxyd im Rolirinnern bei ungenügendem Zutritt von Luftsauerstoff
kommen. Diese flüchtigen Oxyde stellen bei rohrförmigen Heizelementen eine große Gefahr wegen der
möglichen Aufsprengung des Rohres dar. Würde man
die Rohröffming nur an den kalten Kontaktanden vorsehen, so führt dies nicht zu dem gewünschten Erfolg, io Stütze,
da die sich kondensierenden Gase und Dämpfe zu Ab- Mit 1 ist die Glühschleife des Heizelementes be-form term oxides, such. B. molybdenum or
Tungsten silicide. Even with materials with a high silicon content, it can react with an oxide
Silicon to volatile silicon suboxide in the interior of the Roli with insufficient access of atmospheric oxygen
come. These volatile oxides pose a major hazard in tubular heating elements because of the
possible bursting of the pipe. One would
Provide the pipe opening only on the cold contact, so this does not lead to the desired success, io support,
since the condensing gases and vapors are reduced with 1 the glow loop of the heating element is

lagerungen führen, die die Öffnungen verschließen. zeichnet, die je nach Bedarf verschieden gestaltet seinlead bearings that close the openings. draws, which can be designed differently depending on requirements

Ein weiterer Vorteil- des geschlitzten Heizleiter- kann, wie die Fig. 1 bis 5 zeigen. Das Heizelement beiOhres besteht in der Querschnittsverengung durch sitzt rohrförmigen Querschnitt, wie im unteren Teil den Schlitz. So hat mau es in der Hand, durch die i₅ der Fig. 1 bis 3 angedeutet ist. Die Anschlußenden 3 Länge der Schlitze einen unterschiedlichen Wider- des Heizelementes sind in üblicher Weise verdickt ausstand im Heizrohr herzustellen. Dadurch kann den gebildet und sind durch das Isolierstück 2 mechanisch unterschiedlichen Abstrahlungsverhältnisscn entsp-re- miteinander verbunden. Die Ansclilußenden 3 der chend der Formgebung der Glühschleife entgegen- Heizelemente sind durch das Isolierstück 2 hindurchgewirkt werden. Außerdem erreicht man durch, die ₂o geführt, so daß an ihren freien Enden die Anschlußachsparallelen Schlitze im rohrförmigen Heizleiter kabel 9 mittels Schellen 10 an das Heizelement aneine weitere Ausgleichsmöglichkeit thermischer Span- geschlossen werden können, wie in Fig. 5 angedeutet nungen. ist. Die Breitenausdehnung 4 der Heizelemente imAnother advantage - the slotted heating conductor - can, as FIGS. 1 to 5 show. The heating element at Ears consists in the narrowing of the cross-section through the seated tubular cross-section, like the slot in the lower part. So you have it in your hand, by which i ₅ of FIGS. 1 to 3 is indicated. The connection ends 3 length of the slots a different resistance of the heating element are thickened in the usual way withstanding manufacture in the heating tube. As a result, the can be formed and mechanically different radiation ratios are connected to one another through the insulating piece 2. The connection ends 3 of the heating elements counteracting the shape of the incandescent loop are knitted through the insulating piece 2. In addition, one reaches through the ₂ o so that at their free ends the slots parallel to the connection axis in the tubular heating conductor cable 9 can be closed by means of clamps 10 to the heating element, as indicated in FIG. is. The width extension 4 of the heating elements in the

Durch die Ausbildung des Heizelementes mit rohr- Glühteil ist gleich oder größer als der Schenkeiförmigem Querschnitt ist es möglich, z. B. Molybdän- 35 abstand 5 an den Kontaktenden. Die Glühschleife 1 The design of the heating element with tubular glow part is equal to or greater than the leg-shaped cross-section, it is possible, for. B. Molybdenum 35 distance 5 at the contact ends. The glow loop 1

disilicidheizelementeauf der Strangpresse auszuformen. Das mit einem Bindemittel, wie z. B. Methylzellulcse oder Al₂O₃ oder Kieselsäureester, angeteigteSi-haltige Sinterpulver läßt sich auf der Strangpresse auswird, wie Fig. 4 und 5 erkennen läßt, durch eine Stütze 7 gehalten, die mit dem Isolierstück 2 fest verbunden ist und zumindest in dem mit der Glühschleife, in Berührung kommenden Stützteil aus dem gleichendisilicide heating elements on the extruder. That with a binder, such as. B. Methylzellulcse or Al ₂ O ₃ or silicic acid esters, pasty Si-containing sintering powder can be extracted on the extruder, as shown in FIGS the incandescent loop, supporting part coming into contact from the same

werden.will.

Beim Auspressen eines Vollstranges zeigen, jedoch die Heizelemente nach dem Sintern leicht Rißbildungen im Querschnitt, die auf die unterschiedliche Schwindung des weniger verdichteten Kernes der Preßstränge gegenüber der stärker verdichteten Randzone zurückzuführen sind. Diese Schwundrisse werden durch das Pressen eines Stranges von rohr-When a full strand is pressed out, however, the heating elements show easily cracks after sintering in cross-section, which refers to the different shrinkage of the less compacted core of the Pressed strands are due to the more compacted edge zone. These shrinkage cracks are by pressing a strand of pipe

formen, und die gepreßten Stränge können in die ge- ₃₀ Werkstoff wie die Glühschleife besteht. Bei der Auswünschte Schleifenform des Heizelementes gelegt führungsform nach Fig. 4 besteht die Stütze 7 ausshape, and the extruded strands can as the Glühschleife is to the overall ₃₀ material. In the desired loop shape of the heating element laid guide shape according to FIG. 4, the support 7 consists of

einem Rahmen aus feuerfestem keramischem Material, in dem Tragstifte 11 eingesetzt sind, die aus dem Werkstoff der Glühschleife 1 bestehen und der Glüh-35 schleife 1-den notwendigen Halt geben. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 ist der Stützteil 7 gabelförmig gestaltet. Bei Verwendung von Stützen 7, die aus dem gleichen Material wie die Glühschleifen 1 bestehen und zweckmäßig einen größeren Querschnitt förmigem Querschnitt vermieden. Überraschender- 40 besitzen als der Querschnitt der Glühschleife, empweise konnte festgestellt werden, daß auch die ge- fiehlt es sich, derartige materialgleiche Stützen bereits preßten Rohrstränge ohne Querschnittsveränderung j_n der Nähe der Berührung mit der Glühschleife durch in Schleifen gelegt und diese schleifenförmig gelegten ein isolierendes Zwischenstück zu unterbrechen.. Bei Heizelementkörper nach der Trocknung einwandfrei der Ausführungsform nach Fig. 4 bildet der Rahmen 7 gesintert werden können, so daß das Heizelement 45 aus isolierend wirkendem keramischem Material das nach der Sinterung die notwendige mechanische Festig- isolierende Zwischenstück.a frame made of refractory ceramic material, in which support pins 11 are used, which consist of the material of the annealing loop 1 and give the annealing loop 1 the necessary support. In the embodiment according to FIG. 5, the support part 7 is designed in the shape of a fork. When using supports 7, which are made of the same material as the annealing loops 1 and expediently avoided a larger cross-section shaped cross-section. Surprisingly 40 have empweise could be detected, as the cross section of Glühschleife that the overall it is appropriate to, such a material same supports already pressed pipe strings without change in cross section j close contact with the Glühschleife _n defined by in loops and these down looped one interrupting insulating intermediate piece .. In the heating element body after drying perfectly the embodiment according to FIG.

keit zeigt. ■ Eine andere Ausführungsform ist in Fig. 3 dar-shows. Another embodiment is shown in FIG.

Wenn auch Heizelemente mit rohrförmigen! Quer- gestellt, bei der die Glühschleife 1 mehrere schraubenschnitt aus metallischen, mechanisch ausgeformten förmige Windungen aufweist. Die zu den Anschluß-Werkstoffen bekannt sind, so wird durch die Wahl des 50 enden führenden Schenkel der Glühschleife werden rohrförmigen Querschnittes von Heizelementen, die durch je ein isolierendes Halbrohr 12 gestützt, das an auf dem Sinterwege aus pulverförmigen Si-Verbin- seinen Enden sich an der Glühschleife 1 abstützende düngen hergestellt werden, ein sehr großer technischer Stützkörper 13 aus dem Werkstoff der Glühschleife Fortschritt erreicht, da es sich als möglich erwiesen besitzt. Zur Erhöhung der Steifigkeit der Schenkelhat, die Heizelemente im Strangpreßverfahren her- 55 enden kann auch ein Stützkörper 13 als Rohrseele in zustellen und nach dem Pressen, solange der Preß- das Rohr 1 eingeschoben werden, wie im unteren Teil strang noch plastisch ist, sich in die gewünschte der Fig. 3 angedeutet ist.Even if heating elements with tubular! Crosswise, in which the annealing loop 1 cuts several screws has made of metallic, mechanically formed shaped windings. The connection materials are known, so will be done by choosing the 50 ending leading leg of the incandescent loop tubular cross-section of heating elements, each supported by an insulating half-tube 12, the on the sintering path from powdery Si-Verbin- its ends are supported on the annealing loop 1 fertilize are produced, a very large technical support body 13 made of the material of the glow loop Progress achieved as it has been proven possible. To increase the rigidity of the thighs, the heating elements can also end up in an extrusion process in a support body 13 as a tube core and after pressing, as long as the pressing the pipe 1 are inserted, as in the lower part strand is still plastic, is indicated in the desired of FIG.

schleitenförmige Gestalt legen lassen. Um bei den hohen Arbeitstemperaturen dein Heiz-Let lay a loop-like shape. In order to keep your heating system at high working temperatures

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung wird element eine ausreichende mechanische Festigkeit zu das schleifenförmige Heizelement, das bis an die zu- 60 geben, muß der Durchmesser des rohrförmigen Heizlässige Temperaturgrenze belastet werden soll, in clementes auf die Länge der Glühschleife abgestimmt seinem Glühteil durch eine Stütze gehalten, die min- sein. Es hat sich gazeigt, daß es zweckmäßig ist, den destens zum Teil aus dem Werkstoff der Glühschleife äußeren Rohrdurchmesser höchstens ein Zwanzigstel besteht und in der Längsrichtung des Heizelementes der Länge der Glühschleife zu wählen.. Bei dieser die gleiche Wärmeausdehnung wie die Glühschleife 65 unteren Grenze der Abmessung des Rohrdurchmessers besitzt. Diese Stütze ist mit dem die Kontaktenden des hat es sich besonders bewährt, wenn die Glühschleife Heizelementes verbindenden Isolierstück fest ver- so ausgebildet ist, daß die durch die Glühschleife bebunden. Das Isolierstück ist über die Kontaktenden dingte Gesamtbreite des Heizelementes im Glühteil hinaus verbreitert und gleich dick wie die benach- größer als der Schenkelabstand im Kontaktteil ist härten Ofenbausteine ausgebildet, so daß dieses Iso- 70 und die durch die Glühschleife gegebene Höhe desAccording to a further feature of the invention, the element has sufficient mechanical strength the loop-shaped heating element, which gives up to 60, must be the diameter of the tubular heating element Temperature limit is to be loaded, matched in clementes to the length of the annealing loop its glow part held by a support, the min- be. It has been shown that it is expedient to use the at least partly from the material of the annealing loop, outer tube diameter at most one twentieth and to choose the length of the glow loop in the longitudinal direction of the heating element the same thermal expansion as the annealing loop 65 lower limit of the dimension of the tube diameter owns. This support is with which the contact ends of the it has proven particularly useful when the incandescent loop The insulating piece connecting the heating element is designed so that it is bound by the incandescent loop. The insulating piece is the total width of the heating element in the glow part over the contact ends also widened and the same thickness as the adjacent one is greater than the leg spacing in the contact part harden furnace blocks formed so that this ISO 70 and the height of the given by the glow loop

Heizelementes ein Vielfaches des Schenkelabstandes im Kontaktteil beträgt. Durch diese Maßnahme wird eine Abfederung der thermischen Spannung durch die Ausdehnung der Glühschleife bei den durch das Isolierstück 2 mechanisch verbundenen Anschlußenden 3 gewährleistet. Besonders günstig ist es, wenn man für den Rohrquerschnitt der Glühschleife einen Außendurchniesser von etwa einem Fünfzigstel der Länge der Glühschleife wählt. Der Querschnitt des rohrförmigen Heizelementes muß nicht unbedingt kreisförmig sein, z. B. kann er die Form eines plattgedrückten Rohres besitzen, wie in Fig. 3 angedeutet ist.Heating element is a multiple of the leg spacing in the contact part. This measure will a cushioning of the thermal stress through the expansion of the glow loop in the through the insulating piece 2 mechanically connected connection ends 3 guaranteed. It is particularly cheap if you go for the tube cross-section of the annealing loop has an outer diameter of about one fiftieth of the length the glow loop chooses. The cross section of the tubular heating element need not necessarily be circular be e.g. B. it can have the shape of a flattened tube, as indicated in FIG is.

Claims

Claims. 15

1. Heating element with loop-shaped glow part and connecting ends mechanically connected by an insulating piece for electrical resistance furnaces for temperatures above 1400 ° C, characterized in that the one-piece, from λ ⁷ erbindungen of silicon with elements of IV. To VI. Group of the periodic table produced heating part of the heating element has a tubular cross-section.

2. Heating element according to claim 1, characterized in that the outer diameter of the The pipe string forming the heating part of the heating element is about one-twentieth to one-fiftieth of the length the glow loop (1).

3. Heating element according to claim 1 and 2, characterized in that the glow loop (1) through a support (7) made of highly heat-resistant material is held, with which the contact ends connecting insulating piece (2) is firmly connected.

4. Heating element according to claim 3, characterized in that the support (7) in the longitudinal direction of the heating element has the same thermal expansion as the glow loop (1).

5. Heating element according to claim 1 to 4, characterized in that the support (7) made of the material the glow loop (1) exists.

6. Heating element according to claim 1 to 5, characterized in that the with the glow loop in Contact coming part of the support (7) consists of the material of the glow loop and the rest Parts of the support made of an electrically insulating, highly heat-resistant ceramic material are.

7. Heating element according to claim 1, characterized in that the heating part of the heating element is provided with one or more slots or openings in its tubular glow part.

8. Heating element according to claim 1 to 7, characterized in that the contact ends (3) of the The insulating piece (2) connecting the heating part of the heating element is widened beyond the contact ends and is of the same thickness as the neighboring furnace components, so that the insulating piece (2) of the heating element built into the furnace forms part of the furnace wall.

Considered publications:
Austrian patent specification No. 87 132.

1 sheet of drawings