DE1180385B - Vorrichtung zum Erhitzen von Gegenstaenden, insbesondere aus Metall, wie Eisen, Stahl u. dgl., unter Verwendung eines elektrisch beheizten Wirbelschichtofens - Google Patents

Description

• Vorrichtung zum Erhitzen von Gegenständen, insbesondere aus Metall, wie Eisen, Stahl u. dgl., unter Verwendung eines elektrisch beheizten Wirbelschichtofens Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erhitzen von Gegenständen unter Verwendung eines elektrisch beheizten Wirbelschichtofens.
• Zum elektrischen Erhitzen von Gegenständen benutzt man Salzbäder, Widerstandsöfen, Lichtbogenöfen, Induktionsheizöfen usw. Diese weisen unter anderem die nachstehend aufgeführten Nachteile auf: Salzbäder haben den Mangel, daß sich das Salz aufbraucht und an dem erwärmten Werkstück festhaftet. Es ist erforderlich, die Art des Salzes in übereinstimmung mit der Art des zu erhitzenden Werkstückes und mit der Heiztemperatur zu wählen. Außerdem besteht, wenn Wasser in das Bad geträufelt wird, die Gefahr einer Explosion des Salzes, ganz davon abgesehen, daß die Inbetriebhaltung des Bades schwierig und die laufenden Kosten hoch sind.
• Widerstandsöfen haben vorzugsweise den Mangel, daß Hitze durch elektrische Widerstände im Ofen erzeugt wird und daher der Wärmewirkungsgrad niedrig ist. Lichtbogenöfen haben nicht nur die gleichen Mängel wie Widerstandsöfen, sondern darüber hinaus den Mangel, daß die Arbeitstemperatur zu hoch und eine Temperaturkonstanthaltung äußerst schwierig ist. Die Bau- und Inbetriebhaltungskosten von Induktionsöfen sind sehr hoch und ihre Bedienung ist schwierig.
• Seit einiger Zeit ist eine weitere Ofenart bekannt, nämlich der Wirbelschichtofen. Bei diesem wird ein Pulver von einem Gasstrom getragen, der durch einen porösen Boden unter Druck in den Behandlungsraum eintritt. Derartige Wirbelschichtöfen dienen insbesondere zur Durchführung chemischer Umsetzungen zwischen dem aufgewirbelten Pulver und dem einströmenden Gas. Das Aufheizen der Wirbelschicht auf die erforderliche Reaktionstemperatur kann bei Verwendung von Eisenpulver z. B. mittels einer von außen um die Behandlungskammer herumgelegten elektrischen Heizwicklung geschehen.
• Ein derartig beheizter Wirbelschichtofen mit Eisenpulver ist aber nicht ohne weiteres zum Erhitzen von Gegenständen, insbesondere solchen aus Metall, geeignet. Die Wirbelschicht des bekannten Ofens bietet nämlich den Anblick einer heftig brodelnden und kochenden Flüssigkeit, so daß keine definierte Eintauchhöhe gegeben ist. Das Kochen und Brodeln rührt davon her, daß Eisenpulver ein hohes spezifisches Gewicht hat und deshalb nur durch ein unter hohem Druck stehendes Gas aufgewirbelt werden kann. Auch wird bei dem bekannten Wirbelschichtofen eine indirekte Heizung angewandt, die bekanntlich zu erheblichen Verlusten führt. Eine Widerstandsheizung wäre bei Verwendung von Eisenpulver kaum möglich, da Eisen einen zu geringen Kontaktwiderstand aufweist; Bei direktem Durchleiten von elektrischem Strom durch das Eisenpulver kann eine Verschweißung und Versinterung auftreten, so daß die gewünschte Aufwirbelung nicht mehr stattfinden könnte. Die Elektroden wären bald kurzgeschlossen und die Anordnung unbrauchbar.
• Überraschenderweise wurde demgegenüber gefunden, daß der bekannte Wirhelschichtofen dann zum Erhitzen von =Gegenständen sehr geeignet ist, wenn die Wirbelschicht aus Koblepulver besteht, durch das ein elektrischer Strom hindurchgeleitet wird.
• Demgemäß ist die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Erhitzen von Gegenständen unter Verwendung des elektrisch beheizten Wirbelsehichtofens, bei dem ein Pulver von einem Gasstrom getragen wird, der durch einen porösen Boden unter Druck in den Behandlungsraum eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelschicht aus Kohlepulver besteht, in der sich der aufzuheizende Gegenstand befindet, und daß in die Wirbelschicht zwei Elektroden tauchen, an denen eine elektrische Spannung liegt.
• Es hat sich gezeigt, daß diese Vorrichtung gegenüber den bekannten Vorrichtungen zum Erhitzen von Gegenständen große Vorteile hat. So ist insbesondere eine verhältnismäßig hohe Heiztemperatur erzielbar, die Temperatursteuerung ist einfach, der Arbeitsbereich der angewandten Temperaturen groß, die Bedienung leicht und die Herstellungs- und Betriebskosten niedrig. Außerdem ist eine gleichmäßige Beheizung auch dann möglich, wenn das zu erhitzende Werkstück eine unregelmäßige Form liat.
• Wegen des geringen spezifischen Gewichtes von Kohlepulver führt schon eine Luftzufuhr unter verhältnismäßig geringem Druck zur Aufwirbelung. Infolgedessen macht sich bei Kohlepulver nicht wie bei Eisenpulver ein heftiges Brodeln und Kochen bemerkbar, sondern die Wirbelschicht hat äußerlich eine ganz glatte Oberfläche. Sie ist quasistationär, so daß der aufzuheizende Gegenstand genau bis zur gewünschten Höhe eingeführt werden kann. Man kann also in gleicher Weise wie mit einem Salzbad arbeiten.
• Ferner hat sich gezeigt, daß der Kontaktwiderstand der Kohleteilchen bei ihrer kurzzeitigen Berührung im aufgewirbelten Zustand so groß ist, daß eine erhebliche Joulesche Wärme auftritt. Infolgedessen ist eine Widerstandsheizung ohne weiteres durchführbar. Auch verhalten sich die Kohleteilchen gegenüber den eintauchenden Elektroden passiv, und es tritt kein Verschweißen oder Versintern ein.
• Insbesondere wurde überraschenderweise gefunden, daß trotz der Widerstandsabnahme von Kohle bei Temperaturerhöhungen die erfindungsgemäße, aus Kohlepulver bestehende Wirbelschicht keinen negativen, sondern einen positiven Temperaturkoeffizienten des Widerstands aufweist. Infolgedessen können die teuren Vorschaltwiderstände bzw. Vorschaltdrosseln wegfallen. Dies stellt eine erhebliche Betriebserleichterung und Betriebsverbilligung dar.
• Schließlich herrscht infolge der Verwendung von Kohlepulver von selbst eine reduzierende Atmosphäre in der Behandlungskammer. Beim Aufheizen von Metallgegenständen tritt also keine Oxydation ein.
• Die Korngröße des Pulvers wird durch das spezifische Gewicht und andere physikalische Eigenschaften bestimmt. Es empfiehlt sich eine Korngröße von 100 bis 150 Maschen pro Zoll. Die aus mikroporösem Werkstoff gefertigte Platte kann aus einer porösen Kachelplatte bestehen, die ihrer Natur nach Gas durchläßt, lediglich kein stromleitendes Pulver. Der zu verwendende Gasdruck zum Aufwirbeln des stromleitenden Pulvers hängt von der Dicke und Porosität des Plattenmaterials ab und schwankt beispielsweise bei der Verwendung von Druckluft als Gas zwischen 4 und 10 kg/cm2. Wenngleich man als Gas im Regelfall Luft verwenden wird, kann es zweckmäßig sein, Stickstoff oder ein anderes inertes Gas zu verwenden, um eine Oxydation der aufzuheizenden Werkstücke zu vermeiden. Die Elektroden werden zweckmäßigerweise so gestaltet, daß die Stromdichte in der Kammer so gleichmäßig wie möglich ist. Der Stromfluß kann dadurch verbessert oder erhöht werden, daß zusätzlich zu den Hauptelektroden Hilfselektroden verwendet werden. Als Strom kann sowohl Wechselstrom beliebiger Frequenz als auch Gleichstrom benutzt werden.
• Die Erfindung wird an Hand eines Ausführungsbeispiels schematisch erläutert. Die Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine Heizvorrichtung gemäß der Erfindung. Mit 1 ist der Behälter bezeichnet, in dem das halbleitende bzw. stromleitende Pulver 2 untergebracht ist. Mit 3 und 4 sind die in das Pulver 2 eingetauchten Elektroden bezeichnet, die von der mit 5 bezeichneten Spannungsquelle mit Strom versorgt werden. Von der gleichen Quelle können auch Hilfselektroden versorgt werden. Die mikroporöse Platte 6 ist in der Nähe des Bodens des Behälters 1 eingepaßt. Die Platte läßt infolge ihres inneren Aufbaues Luft leicht hindurch, jedoch kein stromleitendes Pulver. Mit 7 ist ein der Gaszufuhr dienender Stutzen bezeichnet.
• Wird der Stutzen 7 beispielsweise mit einer Druckluftquelle verbunden und strömt die zugeführte Luft in Pfeilrichtung in den Behälter 1 ein, so wird das stromleitende Pulver zum Wirbeln gebracht. Das zu beheizende Werkstück, das nicht dargestellt ist, wird zwischen die Elektroden 3 und 4 in die Wirbelschicht des stromleitenden Pulvers, dessen Teilchen sich nach Art der Bewegung der Moleküle bewegen, eingetaucht. Dadurch, daß die Elektroden 3 und 4 an die Stromquelle 5 angeschlossen sind - mit einem in der Stromleitung angeordneten, nicht dargestellten Schalter kann der Stromfluß unterbrochen werden -, fließt der Strom durch das stromleitende Pulver und erzeugt dadurch Wärme, so daß das zu beheizende Werkstück, das ja zwischen den Elektroden angeordnet ist, erhitzt wird. Der exotherme Prozeß kann, wie nachstehend dargelegt, erläutert werden.
• Die Joulesche Wärme, wie sie durch den Widerstand des stromleitenden Pulvers selbst verursacht wird, und der Kontaktwiderstand zwischen den Pulverteilchen ist die Ursache der Wärmeerzeugung. Wenn das Pulver durch Luft hoher Temperaturen aufgewirbelt ist, wird weitere Wärme erzeugt, und zwar durch die exotherme Reaktion, die durch chemische Reaktion zwischen Kohle und Luftsauerstoff verursacht wird. Es wird zwar Kohle verbraucht, jedoch dafür Wärme erzeugt. Obwohl Kohlepulver als stromleitendes Pulver verwendet wird, ist keine negative Widerstandscharakteristik vorhanden, sondern der Widerstand der Vorrichtung erhöht sich bei Temperaturanstieg. Es darf wohl angenommen werden, daß der Grund für diese Tatsache der ist, daß der Widerstand von aufgewirbeltem Kohlepulver aus dem Widerstand der Kohle selbst und dem Kontaktwiderstand zwischen den Kohlepulverteilchen besteht und letzterer als Ohmscher Widerstand wirkt.
• Wie sich aus den obigen Ausführungen ergibt, wird ein zu erhitzendes Werkstück in die wirbelnde Pulverschicht eingetaucht. Der Widerstand gegen das Eintauchen und Herausnehmen in den bzw. aus dem Rehälter ist sehr niedrig und die Handhabung demehtsprechend sehr leicht. Darüber hinaus ist selbst dann, wenn die Form des zu beheizenden Werkstückes unregelmäßig ist, der Kontakt des Werkstückes mit dem feinen stromleitenden Pulver in aufgewirbeltem Zustand gleichmäßig. Aus diesem Grunde läßt sich das Werkstück unabhängig von seiner Form gleichmäßig erhitzen.
• Wenn Kohle als stromleitendes Pulver verwendet wird, bleibt dieses bei hohen Temperaturen stabil, und das zu beheizende Werkstück kann daher auf eine Temperatur über 1000° C hinaus erhitzt werden. Ist der Behälter mit einem inerten Gas gefüllt, um das feine stromleitende Pulver in Bewegung zu versetzen, dann kann das Werkstück sogar bis auf etwa l800° erhitzt werden.
• Die Vorrichtung gemäß der Erfindung kann auch als Kohle-Sinter-Vorrichtung oder als Stahl-Nitrier- Ofen verwendet werden, wenn Ammoniakgas dem Behälter zugeführt wird. Die Temperaturregelung ist so leicht, daß die Vorrichtung auch als Thermostatbad verwendet werden kann.
• Bei durchgeführten Versuchen wurde Kohlepulver von etwa 150 Maschen pro Zoll als stromleitendes Pulver verwendet. Jede Elektrode bestand aus einer 1 cm dicken Kupferplatte mit einer Oberfläche von 50 cm2 (5 - 10 - 1). Die Entfernung zwischen den Elektroden betrug 5 cm. Als mikroporöse Platte wurde eine Kachelplatte bekannter Art benutzt, die 30 mm dick war, ihre Porosität läßt sich zahlenmäßig nicht definieren. Angelegt wurde Wechselstrom von 100 Volt/50 Hz. Die Stromstärke zwischen den Elektroden betrug 100 Amp. und der Gasdruck der zugeführten Luft 7 kg/cm2. Erzeugt wurde eine Temperatur von 1300° C. Die Oberfläche der Wirbelschicht befand sich hierbei um 401)/o über dem Stand des Pulvers, wenn keine Luftzufuhr und damit keine Aufwirbelung erfolgte. Durch Einsetzen eines Schmelztiegels, z. B. eines Kohle-Schmelztiegels, in den Behälter ist es möglich, selbst Knüppel in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu schmelzen.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Vorrichtung zum Erhitzen von Gegenständen, insbesondere aus Metall, wie Eisen, Stahl u. dgl., unter Verwendung eines elekrisch beheizten Wirbelschichtofens, bei dem ein Pulver von einem Gasstrom getragen wird, der durch einen porösen Boden unter Druck in den Behandlungsraum eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelschicht aus Kohlepulver besteht, in der sich der aufzuheizende Gegenstand befindet, und daß in die Wirbelschicht zwei Elektroden tauchen, an denen eine elektrische Spannung liegt. In Betracht gezogene Druckschriften: »Stahl und Eisen«, 1953, S. 361 und 362.