DE1124166B - Heizelement fuer elektrische Widerstandsoefen mit einer in den zu beheizenden Ofen ragenden Gluehschleife - Google Patents

Heizelement fuer elektrische Widerstandsoefen mit einer in den zu beheizenden Ofen ragenden Gluehschleife

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DE1124166B
DE1124166B DEF19681A DEF0019681A DE1124166B DE 1124166 B DE1124166 B DE 1124166B DE F19681 A DEF19681 A DE F19681A DE F0019681 A DEF0019681 A DE F0019681A DE 1124166 B DE1124166 B DE 1124166B
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Germany
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heating element
heating
furnace
elements
binder
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DEF19681A
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Inventor
Dipl-Ing Dr Techn Erich Fitzer
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Siemens Plania Werke AG
Original Assignee
Siemens Plania Werke AG
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Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05BELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B3/00Ohmic-resistance heating
    • H05B3/62Heating elements specially adapted for furnaces
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01BCABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B1/00Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors
    • H01B1/06Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dabei tritt aber eine weitere große Gefahr für derartige Elemente auf, iiämlidh die der überhitzung des Elementes durch gegenseitige Anstrahlung der nahe beieinanderhegenden Schenkel.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (2)

  1. PATENTANSPRÜCHE: 1. 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 Isollerstück mechanisch verbundenen verdickten Anschlußenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Glühschleife (1) aus Verbindungen des Siliciums mit Elementen der IV. bis Vl. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente, vorzugsweise aus MoSi., besteht, die als Pulver mit einem Bindemittel angeteigt, ausgeformt und gesintert sind.
  2. 2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche im Heizteil profiliert ausgebildet ist. 3. Heizelement, das Molybdän als Legierungsmetall enthält, nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturzone von 700 bis 300' C durch Vergrößerung des Querschnittes in den Anschlußenden liegt und eine Luftströmung durch das Isolierstück (2) in diesem Teil verhindert ist. 4. Heizelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung des Heizelementes als Bindemittel für das Anteigen des Pulvers ein hydrolysierendes Bindemittel, wie z. B. ein siliciumhaltiges, hydrolysierendes Bindemittel, verwendet wird. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschrift Nr. 498 827; österreichische Patentschrift Nr. 87 132. In Betracht gezogene ältere Patente: Deutsches Patent Nr. 1010 668.
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