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Heizelement für elektrische Widerstandsöfen mit einer in den zu beheizenden
Ofen ragenden Glühschleife Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizelement für elektrische-
Widerstandsöfen mit einer in den zu beheizenden Ofen ragenden Glühschleife, deren
Innendurchmesser um ein Vielfaches größer ist als der Abstand zwischen ihren durch
ein Isolierstück mechanisch verbundenen verdickten Anschlußenden.
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Heizelemente dieser Form sind an sich bekannt. Das Wesen der Erfindung#
besteht darin, daß bei der beschriebenen Heizelementanordnung die Glüh-
schleife
aus Verbindungen des Siliziums mit Elementen der IV. bis Vl. Gruppe des Periodischen
Systems der Elemente, vorzugsweise aus Molybdändisilicid, besteht, die als Pulver
mit einem Bindemittel angeteigt, ausgeforint und gesintert sind. Die Verwendurg
von hochtemperaturbeständigen Werkstoffen der vorgenannten Art für Heizelemente
ist an sich bekannt. Demgegenüber kommt es bei der Erfindung auf die gleichzeitige
Verwendung der eingangs genannten besonderen Form des Heizelementes (mit Glühschleife)
und des in der vorerwähnten Weise zusammengesetzten und gebildeten hochtemperaturbeständigen
Werkstoffes an. Dies ergibt sich im einzelnen noch deutlicher aus der folgenden
Beschreibung.
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Die bekannten Chrom- und Chrom-Nickel-Legierungen können für Temperaturen
oberhalb 12001 C
nicht mehr als Heizleiter verwendet werden. Für diesen Temperaturbereich
hat man daher pulvermetallurgisch hergestellte Hartstoffe entwickelt, welche auch
in oxydierender Atmosphäre bis etwa 17001 C beständig sind. Alle diese Hartstoffe
sind auf dem Element Silicium aufgebaut, sei es nun in der Verbindung mit Kohlenstoff
oder aber als Disilicid der übergangsmetalle der IV. bis Vl. Gruppe des Periodensystems.
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Diese harten und spröden Werkstoffe erfordern eine besonders stabile
Ausführungsform der Heizleiter. So verwendet man diese in Form von Stäben oder Rohren,
an deren beiden auseinanderliegenden Enden der Stromanschluß erfolgt. In allen Fällen
muß der Stromanschluß wegen der thermischen Ausdehnung des Stabes durch bewegliche
Kontakte, die entweder flexibel angebracht sind oder mit Federdruck an den Heizleiter
gepreßt werden, erfolgen. Gerade für die höchsttemperaturbeständigen Heizleiter
bis 1700' C, z. B. dem Molybdändisilicid, wird jedoch die Kontaktfrage zu
einem besonderen Problem. Infolge des geringen Widerstandes derartiger Silicide
müssen die Stromanschlußteile für sehr hohe Stromstärken ausgelegt werden. Hierdurch
werden die Kontakte unbeweglich und schwer, und das Heizelement, welches bei der
höchst zulässigen Temperatur von 1700' C beansprucht werden soll, unterliegt
bei diesen Arbeitstemperaturen nicht nur einer Durchbiegung, sondern versprödet
auch sehr stark und ist bei Zwischenabkühlungen durch die Kontraktion bei derartig
schweren Kontakten den Zug- und Biegebruchbeanspruchungen nicht mehr gewachsen,
wodurch es bei derartigen Elementen sehr frühzeitig zum Bruch kommt.
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Die Erfindung beruht nun auf der Erkenntnis, daß die bisherigen Heizelemente
auf der Grundlage von Siliciumhartstoffen in Stab- oder Rohrforin den technischen
Anforderungen nicht genügen und daß infolge der schlechten mechanischen Eigenschaften,
wie z. B. der Versprödung besonders bei den Typen für die höchsten Arbeitstemperaturen
mit vorzugsweise Molybdän als Legierungsmetall des Siliciums, eine technische Anwendung
größerer Einheiten bisher nicht möglich ist. Bei den neuen Heizelementen aus Hartstoffen
auf Siliciumbasis, die als Legierungspartner Elemente der IV. bis Vl. Gruppe des
Periodischen Systems der Elemente, wie Kohlenstoff, Titan, Zirkon, Hafnium, Vanadium,
Niob, Tantal, Chrom, Molybdän und Wolfram, und gegebenenfalls weitere metallische
oder nichtmetallische Zusätze enthalten ' befinden sich beide Stromzuführungen
an demselben Elementende. Diese Stromzuführungen liegen außerhalb der Heizzone und
sind durch zusätzliche isolierendeVorrichtungenfest miteinander verbunden.
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Heizelemente, deren beide Stromzuführungen an demselben Elementende
angebracht sind, sind an sich
bekannt. Aus metallischen, mindestens
in gewissen Grenzen plastisch verforinbaren Materialien werden sie in verschiedenen
Formen, wie z.B. Spiralen, Schleifen, Haarnadeln u. a., hergestellt. Der Vorteil
solcher Formen zeigt sich bei ihrer Verwendung in einem Ofen. Für ein Element wird
dann nur eine Durchführung durch- das keramische Isoliermaterial benötigt; die Innenabmessung
des Ofens kann daher - im Unter'-Schied zu - öfen mit' stab- oder
rohrförmigen Elementen - größer als-.#die Elementlänge gewählt werden. Eine,derartige
U-'-bzw. haamadelförmige Ausbildung des Elemehtes-mit mechanisch fest verbundenen
Korifaktschenkeln v&langt jedoch eine Kompensation der Querausdehnung bei der
Aufheizung durch plastische Verformung der Elementschenkel. Sie-schien somit auf
Heizleiter aus plastisch verfor-rabarein Material beschränkt. Für spröde Heizleitermateriahen,
wie z.B. KohIestäbe, wurden Anordnungen 'vorgeschlagen, die im Kopfteil des Elementes
mit einer Lasche eines leitenden Materials verbunden sWd, dessen Querausdehnung
der der Kontaktenden entspreohen muß.
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Dabei tritt aber eine weitere große Gefahr für derartige Elemente
auf, iiämlidh die der überhitzung des Elementes durch gegenseitige Anstrahlung der
nahe beieinanderhegenden Schenkel.
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Es ist z. B.-bekannt#, daß man für die aus Siliciumcarbid bestehenden
Hochtemperaturheizleiter einen Mindestabstand des,- Elementes von einem anderen
Element oder von einer Ofenwandüng einhalten muß, der. dem Produkt aus- Stabdurchmesser
mal n (3,142) entspricht. Es hat sich jedoch gezeigt, daß bei derartigen
großen Schenkelabständen der Ausgleich der Querausdehnung dü Elementes durch den
spröden Werkstoff nicht kompensiert wird.
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Eine Anordnung, wie sie etwa dem bereits bekannten Vorbild von geschlitzten
Graphitstäben entspräche, kann also auf Heizelemente aus Hartstoff auf Siliciumbasis
nicht übertragen werden. Bei Graphit als Heizleitennaterial mag die Gefahr der überhitzung
von geringerer Bedeutung sein. Graphit ist ja tatsäcblich einer unserer höchstschmelzenden
Feststoffe überhaupt. Die Arbeitstemperaturen für Graphitheizstäbe liegen etwa bei
50 bis 60 II/o der absoluten Schmelztemperatur des Heizleiterelementes.
Gegenseitige Anstrahlung und durch überhitzung der gegenüberliegenden Schenkelseiten
mag somit bei einem Graphitelement nicht von ausschlaggebender Bedeutung sein. Die
erfindungsgemäßen Materialien werden doch zumeist bei den höchstzulässigenArbeitstemperaturen,
z. B. bei Molybdändisilicid, bei 17001 C,
also bei 90 1/o der absoluten
Schmelz- bzw. Zersetzungstemperaturen verwendet. Eine nur geringfügige überhitzung
der einander zugekehrten Schenkelflächen führt daher erfahrungsgemäß sofort zum
Ausfall des Eleinentes. Diese obere Grenztemperatur muß, insbesondere in oxydierender
Atmosphäre, besonders exakt eingehalten werden, weil Siliciumheizleiter eine schützende
Si02-Schicht benötigen. Diese schmilzt aber bekanntlich oberhalb 1700'C
ab
und kann daher bei überhitzungen den darunterliegenden Werkstoff nicht mehr schützen.
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Die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf Heizelemente auf Siliciumbasis
ist daher noch an eine zweite Voraussetzimg geknüpft. Das heiße Ende des Heizelementes,
welches freistrahlend, eventuell durch hochwarmfeste, elektrisch nicht leitende
Materialien gestützt, in den Ofenraum hineinragt, muß daher zur Vermeidung --von
Überhitzungen durch gegenseitig Anstrahlung derart schleifenfÖrmig ausgebildet seir
daß der Schenkelabstand im Heizteil größer ist al der Schenkelabstand im kalten
Anschlußteil.
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Eine solche Ausgestaltung von Heizelementen au Hartstoffen auf Siliciumbasis
ermöglicht nicht nu ein Abfedern der Spannungen, welche infolge de therniischen
Querausdehnung des Elementes gebilde werden, durch seine Schenkel, sondern gewährleiste
auch die allseitig günstige Abstrahlung der im Heiz teil erzeugten Wärme- auf das
Heizgut. Außerdem er möglicht eine derartige Anordnung ein leichtes Ein führen des
Heizelementes durch die vorzugsweise nu im Ofenboden oder nur in der Ofendecke oder
nu in einer Ofenseite angebrachten Einführungsöffnun gen. Außerdem kann bei den
derart ausgebüdetei Heizelementen der elektrische Anschluß durch dic gekoppelten
Stromanschlußenden ebenfalls starr erfolgen. - Der Heizleiter selbst kann
daher vie schwächer als bei den üblichen Ausführungsformer dimensioniert werden,
-weil er mechanisch nui durch das Eigengewicht ohne Kontakte belastet wird Diese
Tatsache ist, wie bereits aufgezeigt worden ist, bei den neuen Höchsttemperaturheizleitern
vor größter Bedeutung.
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Die schleifenförmige Ausgestaltung der Heizelemente aus Verbindungen
des Siliziums mit Elementen der IV. bis VI. Gruppe des »Periodischeii Systeins«,
vorzugsweise aus Molybdänsilicid ist somit, wie gefunden wurde, dann von besonderem
Vorteil, wenn der Schenkelabstand der Heizelementenden, der zumindest kleiner als
der Schenkelabstand im strahlenden Schleifenteil ist, nur einen Bruchteil der gesamten
Längenausdehnung des Elementes beträgt. Es wurde gefunden, daß derartige Formen
aus den spröden Hartstoffen hergestellt werden können, wenn man die Elemente aus
mit Bindemittel angeteigten Pulvern, in plastischem Zustand in dieser Form ausbildet
und anschließend sintert.
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Bei größeren Ausführungsformen der Heizelemente hat es sich bewährt,
hochfeuerfeste Stützen aus nichtleitendem Material anzubringen. Als Materialien
für die erfindungsgemäßen Heizelemente kommen z. B. Sic, Tisi23 Mosi23 Wsi, und
andere als höchsttemperaturbeständig und elektrisch leitend bekannte Materialien
eventuell mit Zusätzen von hochschmelzenden Oxyden, Karbiden, Boriden und/oder Nitriden
in Frage.
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Als Beispiele der Grundformen der Heizleiter sind in Fig.
1 eine Q-Form, in Fig. 2 eine M-(Mäander-) Form und in Fig. 3 eine
Birnenform dargestellt. Sämtliche Formen können mit runden, quadratischen oder ähnlichen
Querschnitten ausgeführt werden. Eine Profilierung der Oberfläche erleichtert in
an sich bekannter Weise die Abstrahlung. Auch wirkt eine profilierte Oberfläche
versteifend und somit festigkeitserhöhend im Hochtemperaturheizteil. In der Zeichnung
sind die Glühschleife mit 1, die Anschlußenden mit 2 und das die Anschlußenden
2 mechanisch verbindende Isolierstück mit 3 bezeichnet.
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Bei der Verwendung von molybdänhaltigen Hartstoffen hat sich die in
Fig. 4 dargestellte Form der Anschlußenden bewährt. Es ist bekannt, daß molybdänhaltige
Hartstoffe in dem Temperaturbereich von 300 bis 7001 C einem sehr
raschen oxydativen Zerfall unterliegen. Dieser Zerfallserscheinung wird nun durch
die Ausgestaltung der Stromanschlußenden entgegengewirkt. Durch Verdickung der Anschlußenden
wird
die Bildung der Stromwärme in diesem Teil wesentlich herabgesetzt. Da die Anschlußenden
durch Luft oder zusätzliche Mittel gekühlt werden, findet an der übergangsstelle
zwischen Glühteil und Anschlußende ein starker Temperaturabfall statt. Durch entsprechende
Dimensionierung und Kühlung der Anschlußenden kann der Temperaturverlauf zwischen
Glühteil und Anschlußende so beeinflußt werden, daß die kritische Temperaturzone
von 300 bis 700' C in den Verdickungsteil fällt, wie dies in Fig.
4 angedeutet ist. Außerdem wird der oxydative Zerfall des molybdänhaltigenHeizleiterwerkstoffesweitgehendgehemmt,
wenn die kritische Temperaturzone des Heizleiterelementes gegenüber dem Zutritt
von Luft abgeschlossen ist oder zumindest eine Luftströmung in diesen Teil verhindert
ist. Durch das auf die Anschlußenden geschobene Isoherstück 2 wird eine Luftströmung
an den gefährdeten Teilen des Anschlußendes vermieden.
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Die Herstellung des Heizelementes erfolgt nach einem weiteren Merkmal
der Erfindung dadurch, daß die gepulverten Hartstoffe, die aus Verbindungen des
Siliciums mit Elementen der IV. bis Vl. Gruppe des Periodischen Systems bestehen,
mit einem siliciumhaltigen hydrolysierenden Bindemittel angeteigt und ausgeformt
werden. Der so erhaltene Formling wird dann in bekannter Weise einer Sinterung unterzogen
und nach seiner Fertigstellung in das Isolierstück 3
mit seinen Anschlußenden
2 eingesetzt.