DE1592116C3 - Verfahren zur Herstellung und Verwendung von erschmolzenem Magnesiumoxid - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erschmelzen von kugeligen oder sphäroidischen Magnesiumoxidteilchen und ihre Verwendung zur Herstellung von elektrischen Heizelementen.

Heizelemente des Typs, der aus einem inneren elektrischen Heizleiter, einer umgebenden Schicht aus Magnesiumoxid, einer elektrischen Isolierung und einem äußeren Schutzmantel bestehen, werden weitgehend in vielen technischen Heizvorrichtungen sowie in Geräten, wie Haushaltsheizöfen, verwendet. Diese Art von Heizelement ist haltbarer als beispielsweise frei liegender Widerstandsdraht. Ein solches Heizelement besteht im allgemeinen aus

1. einem spiralförmigen Widerstandsdraht, der aus Legierungen beispielsweise aus 15 bis 16% Chrom, 69 bis 62% Nickel, etwa 24% Eisen und 0,1% Kohlenstoff besteht,

2. verdichtetem Magnesiumoxidpulver, das geringe " Mengen Verunreinigungen enthält und die Widerstandsspirale als Isolierung umgibt, und

3. einem äußeren Schutzmantel, der normalerweise aus Metallen von Blei bis zu hochtemperaturbeständigen Legierungen besteht.

Die Lebensdauer dieser Elemente ist im allgemeinen gut, jedoch ist ihre Herstellung nicht so einfach und leicht, wie es wünschenswert wäre. Insbesondere erfordern die Bildung des verdichteten Magnesiumoxidpulvers um den Leiter und die anschließenden Maßnahmen der Formung bei der Herstellung von Heizelementen der gewünschten Form besondere Sorgfalt.

Es wurde gefunden, daß diese Arbeitsgänge des Verdichtens und Formens ohne jede Verschlechterung des Wirkungsgrades und ohne Beeinträchtigung der Güte oder Zuverlässigkeit oder Lebensdauer des fertigen elektrischen Heizelementes vereinfacht und beschleunigt .werden können. Dieses Ergebnis wird durch Verwendung von pulverförmigem erschmolzenem Magnesiumoxid hoher Reinheit erzielt, das speziell so hergestellt worden ist, daß es nur oder hauptsächlich aus kugelförmigen Teilchen besteht. Ein solches Magnesiumoxidpulver hat bessere Rieseleigenschaften als die bisher bei der Herstellung von elektrischen Widerstandsheizelementen verwendeten Pulver von erschmolzenem Magnesiumoxid. Dieses Pulver aus kugeligen Teilchen ermöglicht ferner höhere Packdichten bei der Herstellung dieser Heizelemente. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung besteht darin, daß eine und möglicherweise zwei Stufen beim bekannten technischen Verfahren zur Herstellung von pulverförmigem erschmolzenem Magnesiumoxid für elektrische Heizelemente bei wesentlicher Kostenersparnis und ohne einen wesentlichen Nachteil ausgeschaltet werden können.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erschmelzen von kugeligen oder sphäroidischen Magnesiumteilchen, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein Hochfrequenzplasma in einem Gasstrom erzeugt, der Sauerstoff in einer Menge enthält, die einem Partialdruck von wenigstens 0,1 Atmosphären entspricht, dann feinteiliges Magnesiumoxid in das Gas am oberen Ende des Plasmas einführt, das feinteilige Magnesiumoxid durch Plasma fallen läßt und die gebildeten Teilchen in Wasser abschreckt.

Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung von erschmolzenem Magnesiumoxid in Form von kugeligen oder sphäroidischen Teilchen zur Herstellung von elektrischen Heizelementen.

Bevorzugt wird als Ausgangsmaterial zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens Magnesiumoxid einer Teilchengröße von 74 bis 250 μ verwendet, das nach dem Schmelzen kugelige oder sphäroidische Teilchen einer Teilchengröße von etwa 50 bis 250 μ ergibt.

Im einzelnen wird gemäß der Erfindung vorher calciniertes Magnesiumoxid gemahlen und dann in das Plasma eines Hochfrequenz-Induktionsbrenners eingeführt, wie er in einer Arbeit von T. B. Reed, »Growth of Refractory Crystals Using the Inducktion Plasma Torch«, Journal of Applied Physics, 32, Nr. 12, S. 2534 und 2535 (1961), beschrieben-ist. Bei Brennern dieses Typs wird ein Gasstrom einer Hochfrequenz ausgesetzt, wodurch Ionisierung des Gases stattfindet und eine Temperatur von etwa 15 000° K entsteht. Als Gas wird in diesen Brennern gewöhnlich Argon verwendet, jedoch können auch andere Gase, wie Sauerstoff, in einer solchen Menge zugesetzt werden, daß der Partialdruck des Sauerstoffs im Gesamtgas im Brenner über dem Wert liegt, der erforderlich ist, um Reduktion des Magnesiumoxids zu verhindern.

Die Wirkung des Plasmas auf das Magnesiumoxid wird durch die folgenden Faktoren beeinflußt:

1. Aggregatzustand des Teilchens,

2. Höhe der Leistungsabgabe des Induktors,

3. Zusammensetzung und Strömungsgeschwindigkeit des Plasmagases,

beispielsweise hat eine Erhöhung des Sauerstoffgehaltes des Plasmagases eine stärkere Leistungsaufnahme aus dem Hochfrequenzfeld durch Dissoziation des O2-Moleküls zur Folge,

4. Verweilzeit des Teilchens im Plasma,

5. Teilchengröße,

die Teilchengröße ist von der Aggregation zu unterscheiden. Ein kleines Teilchen kann verdampft werden, während ein Teilchen, das die gleiche Masse hat, aber poröser ist, nur oberflächlich geschmolzen wird. Zur Erzielung bester Ergebnisse müssen die Teilchen klassiert werden, bevor das

Material durch den Brenner geführt wird. Zur einwandfreien Verarbeitung einer Pulverfraktion der Siebgröße 149 bis 250 μ waren andere Bedingungen erforderlich als für eine Pulverfraktion der Siebgröße 74 bis 149 μ, 6. Geschwindigkeit des Einblasens des Pulvers in das Plasma.

Bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten des zur Pulverzuführung verwendeten Gases tritt ein großer Teil des Pulvers nicht in das Plasma ein, sondern wird als Folge der heftigen Ausdehnung, die eintritt, wenn das Plasmagas auf eine sehr hohe Temperatur gebracht wird, zurückgeworfen. Bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten des zur Pulverzuführung verwendeten Gases wird fast das gesamte Pulver in das Plasma geblasen, aber die Verweilzeit wird kürzer und das Schmelzen verringert. Der Plasmazustand muß so gewählt werden, daß gute Ergebnisse erzielt werden und die Pulvermenge, die in das Plasma eintritt, maximal ist.

Das Pulver wird im allgemeinen in einer Menge von 10 bis 100 g/Std. zugeführt.

Ein 4,54-cm-Brenner erfordert gewöhnlich Frequen-

zen im Bereich von 3 bis 10 MHz. Das ionisierte Argon, das ein Leiter ist, wird durch Induktion erhitzt.

Hierdurch entsteht ein Plasma von etwa 10 cm Länge, dessen heißeste Zone an der Spule etwa 1 cm beträgt.

Magnesiumoxid, das vorher calciniert worden ist, wird zu einem Pulver im Siebgrößenbereich von 74 bis 149 μ gemahlen und aus einem Seitenrohr in einem Gasstrom in das Plasma geblasen, wobei die Geschwindigkeit des Gases genügt, um das Magnesiumoxid in das Plasma einzuführen. Das Gasvolumen, das durch ein 2-mm-Zuführungsrohr strömt, beträgt 85 bis 142 I/Std. Hierdurch wird eine Verweilzeit der Teilchen im Plasma von 10~² Sek. und in der heißesten Zone von 10~³ Sek. erzielt Man läßt das Pulver dann durch das Plasma fallen und fängt es in einem Wasserbad auf. Das durch den Plasmabrenner strömende Gas muß einen Sauerstoffanteil enthalten, der einem Partialdruck von wenigstens 0,1 Atmosphären entspricht. Es wurde gefunden, daß das Gas vorzugsweise 2 Teile Argon und 1 Teil Sauerstoff enthalten sollte.

Das aus dem Wasserbad abgetrennte Magnesiumoxid Ί ist kugelig und hat durch die schlagartige Temperaturänderung beim Abschrecken ein gefrorenes Aussehen. In gewissen Fällen kann es zweckmäßig sein, die Hochfrequenzspule zu verlängern oder unter der Hochfrequenzspule und über dem Wasserbad eine Zone mit geregelter Temperatur vorzusehen, um vollständigere Überführung in die kugelige Form und bessere physikalische Eigenschaften der Magnesiumoxidteilchen zu erzielen. Natürlich können auch andere Medien oder Flüssigkeiten außer Wasser zur schnellen Abkühlung der Teilchen verwendet werden.

Von der Anmelderin wurde gemäß der Erfindung erschmolzenes Magnesiumoxid für die Herstellung von elektrischen Widerstandsheizelementen durch Einführung von Magnesiumoxidpulver einer Teilchengröße von 149 bis 250 μ in ein Plasma hergestellt. Dieses Plasma wurde mit einem Brenner erzeugt, der einen Durchmesser von 2,54 cm, eine 20-kW-Heizung und eine Frequenz von etwa 7 MHz hatte. Das Plasmagas bestand aus 75% Sauerstoff und 25 Volumprozent Argon. Das Magnesiumoxidpulver wurde in einer Menge von 45 g/Std. in das Plasma geblasen. Bei ähnlichen Versuchen wurde geschmolzenes Magnesiumoxid unter Verwendung von Magnesiumoxidpulver einer Teilchengröße von 74 bis 149 μ hergestellt, das in einem Fall in einer Menge von 66 g und in einem anderen Fall in einer Menge von 72 g/Std. in das Plasma geblasen wurde. Im letzten Fall bestand das Plasmagas aus 62% Argon und 38 Volumprozent Sauerstoff, während es im anderen Fall aus 75% Argon und 25 Volumprozent Sauerstoff bestand. Alle übrigen Bedingungen waren die gleichen wie vorstehend für den ersten Versuch angegeben.

Es ist ein besonderer Vorteil des Verfahrens gemäß der Erfindung, daß das Produkt keine Verunreinigungen als Folge des Schmelzens des Oxids enthält Es kann daher weitgehend Verwendung für die Herstellung von elektrischen Geräten und Teilen finden, wo eine Verunreinigung durch Metalle oder Kohlenstoff besonders unerwünscht ist. Ein Beispiel einer solchen Verwendung ist die Herstellung von elektrischen Widerstandsheizelementen.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Abbildungen beschrieben.

F i g. 1 zeigt als vergrößerte Seitenansicht teilweise aufgeschnitten die Art des Heizelementes, für das erfindungsgemäß die Verwendung erschmolzenen Magnesiumoxids vorgesehen ist;

Fig.2 ist eine Zeichnung, die an Hand einer Mikroskopaufnahme (lOOfache Vergrößerung) einer Probe des erschmolzenen Magnesiumoxidpulvers angefertigt wurde, das zur Zeit bei der technischen Herstellung von elektrischen Widerstandsheizelementen gebraucht wird;

F i g. 3 ist ähnlich wie F i g. 2 eine Zeichnung, die an Hand einer Mikroskopaufnahme (lOOfache Vergrößerung) einer Probe von aus kugeligen Teilchen bestehendem erschmolzenem Magnesiumoxid angefertigt wurde, das gemäß der Erfindung hergestellt wurde und für die Herstellung von elektrischen Widerstandsheizelementen verwendet wird.

In Fig. 1 ist der Typ einer Widerstandsheizvorrichtung 10 dargestellt, bei dem die erfindungsgemäß erhaltene Isolierung am vorteilhaftesten ist Das Heizelement 10 besteht aus einem inneren elektrischen Heizleiter 11, durch den der Strom fließt Normalerweise sind diese Heizleiter 11 als Spiralen in der dargestellten Weise ausgebildet und bestehen aus Legierungen von hohem Widerstand. Geeignet sind beispielsweise Chromnickel-Legierungen, die einen hohen Widerstand haben und aus 15 bis 16% Chrom, 59 bis 62% Nickel, etwa 24% Eisen und etwa 0,1% Kohlenstoff bestehen.

Der Leiter 11 ist von feinteiligem Magnesiumoxid 12 umgeben, das dicht um den Leiter 11 gepackt ist. Diese Verdichtung erfolgt gewöhnlich durch Pressen mit geeigneten Preßbacken, gelegentlich jedoch auch durch Rollen. Als Magnesiumoxid wird das vorstehend beschriebene gemäß der Erfindung hergestellte Pulver aus sphäroidalen Teilchen verwendet Die Bildung des Heizelementes wird durch die Anbringung eines äußeren Metallmantels 13 beendet, der dazu dient, die Teile 11 und 12 gegen Bruch zu schützen. Dieser Mantel kann aus einem beliebigen Metall hergestellt werden, das genügend Beständigkeit gegen die vorgesehene Betriebstemperatur der Heizvorrichtung hat Für Anwendungen bei verhältnismäßig niedrigen Temperaturen kann beispielsweise ein Metall, wie Blei, verwendet werden, während für einen Einsatz bei höheren Temperaturen ein hochlegiertes Metall, wie Inconel, verwendet werden kann. Inconel ist eine Nickel-Chrom-Eisen-Legierung mit hohem Nickelge-

halt, die als Knetlegierung 79,5% Nickel, 13% Chrom, 6,5% Eisen, 0,25% Mangan, 0,25% Silicium, 0,8% Kohlenstoff und 0,20% Kupfer enthält.

Wie bereits erwähnt, ist das pulverförmige erschmolzene Magnesiumoxid, das zur Zeit für die großtechnisehe Herstellung von elektrischen Widerstandsheizvorrichtungen des in F i g. 1 dargestellten Typs verwendet wird, in Fig.2 dargestellt. Diese Abbildung ist eine Skizze, die von einer Mikroskopaufnahme einer typischen Probe dieses erschmolzenen Pulvers bei unter lOOfacher Vergrößerung angefertigt wurde. Als Folge der Herstellung und Verarbeitung dieses Pulvers besteht dieses aus unregelmäßig geformten Teilchen 16 von stark unterschiedlicher Größe.

Im Gegensatz hierzu sind die in F i g. 3 dargestellten _!5 Teilchen aus erschmolzenem Magnesiumoxid von regelmäßiger und sphäroidaler Form, jedoch ebenfalls von sehr unterschiedlicher Größe. Diese kugeligen Teilchen 18 werden, wie bereits erwähnt, gemäß der Erfindung hergestellt und eignen sich zur erfindungsgemäßen Verwendung zur Herstellung von elektrischen Heizelementen der in F i g. 1 dargestellten Art mit den vorstehend genannten Vorteilen. Fig.3 ist ebenfalls wie Fig.2 eine Skizze, die von einer mit lOOfacher Vergrößerung gemachten Mikroskopaufnahme eines typischen, erfindungsgemäß hergestellten Pulvers aus sphäroidalem erschmolzenem Magnesiumoxid angefertigt wurde. Dieses hat insbesondere eine Teilchengröße von 50 bis 250 μ.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erschmelzen von kugeligen oder sphäroidischen Magnesiumoxidteilchen, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Hochfrequenzplasma in einem Gasstrom erzeugt, der Sauerstoff in einer Menge enthält, die einem Partialdruck von wenigstens 0,1 Atmosphären entspricht, dann feinteiliges Magnesiumoxid in das Gas am oberen Ende des Plasmas einführt, das feinteilige Magnesiumoxid durch das Plasma fallen läßt und die gebildeten Teilchen in Wasser abschreckt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das als Ausgangsmaterial eingesetzte feinteilige Magnesiumoxid eine Teilchengröße von 74 bis 250 μ hat.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrom aus zwei Teilen Argon und einem Teil Sauerstoff besteht.

4. Verwendung von erschmolzenem Magnesiumoxid Jn Form von kugeligen oder sphäroidischen Teilchen zur Herstellung von elektrischen Heizelementen: