DE1925087B2

DE1925087B2 - Heizelement aus einem feuerfesten oxydationsbestaendigen material

Info

Publication number: DE1925087B2
Application number: DE19691925087
Authority: DE
Inventors: Anne Marie Meudon Dembinski Krzysztof Tigy Faucher geb Dupre Michele Fontenay Ie Fleury Anthony geb Barbier, (Frankreich)
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1968-05-17
Filing date: 1969-05-16
Publication date: 1972-02-10
Also published as: DE1966175A1; DE1925087A1; DE1966175B2; US3571476A; DE1966175C3; US3709998A; GB1278658A

Description

Die EiTindung betrifft ein Heizelement ans einem feuerfesten, oxydationsbeständigen Material, welches jwei halbzylindrische llohltcile aufweist, die mit ihrem kon'.aven feil einander gegenüber in geringem Abstand \oneinander angeordnet sind, an einem ihrer Enden mit Strom \crsorgt werden und an ihrem linderen Ende durch einen gemeinsamen zylindrischen Abschnitt miteinander verbunden sind.

Aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1 807 996 ist ein Heizelement, bestehend aus einem Rohr, das durch drei achsparallclc oder spiralförmig von einem Rohrende bis fast zum anderen Rohrende verlaufende Schlitze in drei gleiche Heizlciterelcmente unterteilt ist. bekannt. Zur Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit der freien Anschlui.'endcn der Heizelemente ist bei diesem bekannten Heizelement der elektrische Widerstand der freien Anschlußenden der Heizelemente durch eine Mcliillimprägnierung oder durch eine Qtieischniiisvergiößenmg gegenüber dem elektrischen Widerstand der I leizteileder I leizelemente herabgesetzt. Hei einem derartigen Heizelement können sich Lichtbogen an dem kälteren Teil bei einem Auftreten von Verunreinigungen ausbilden, lerner ist es mil diesem Heizelement nicht möglich, in vorbeslim.mter und gewünschter Weise die Temperatur an den Anschlußenden geringer zu halten als im Ofeiiraum.

ίο In der deutschen Patentschrift 633 3M wiiJ ein Heizkörper beschrieben, dir als Hohlkörper ausgebildet ist und der die .Stromwege begrenzende Schlitze aufweist, wobei sich an die geschlossenen Schlitzenden verstärkte Teile des Heizkörpers anschließen, die mit zunehmendem Abstand vom Schlitzende stufenweise zunenmen, derart, daß alle Quersehnittsieile des Heizkörpers in der Umgebung der Schlitzenden gleichmäßig erhitzt werden. In den Schlitzen können sich in nachteiliger Weise Lichtbögen ausbilden, wenn Verunreinigungen auftreten. Auch bei diesem Heizkörper ist es nicht möglich, die Erzielung einer gewünschten Temperatur im Ofenraiim mit der Erzielung einer entsprechend niedrigeren, vorbestimmten Temperatur an den Aufhänge- oder Stromanschlußenden zu verbinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Heizelement zu schaffe.!, mit dem es möglich ist, die Temperaturen im Ofenraum und an den Anschlußenden in vorbcsiimmter Weise einzustellen und eine Ausbildung von Lichtbogen in den Schlitzen zu verhindern.

Erfmdungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß der Außenradius der halbzylindrischen Teile und des gemeinsamen zylindrischen Abschnittes sowie die Dicke dieser Teile sich derart verändern, daß sie aus gehend von dem Ende der beiden halbzylindrischen Teile, durch das diese mit elektrischem Strom gespeist werden, bis zu dem Ende des gemeinsamen zylindrischen Abschnittes hin abnehmen und daß der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Kanten der beiden halb/ylindrischen Teile sich derart verändert, daß dieser in Richtung zum gemeinsamen zylindrischen Abschnitt hin abnimmt.

Wenn man ein: vorbestimmle lemperatur an dem Ende der beiden halbzylindrischen Teile, durch das diese mit elektrischem Strom gespeist werden, einstellen will und gleichzeitig innerhalb des Heizraumes ein: vorbeslimmle höhere Temperatur erzielen will, so muß man die Widerstände in den entsprechenden Abschnitten entsprechend einstellen. Durch eine entsprechende Veränderung des Außenradius sowie der Dicke können diese Widerstandstcrte in gewünschter Weise eingestellt werden. Dadurch, daß der Abstand zwischen den einander gegenüberliegenden Kanten der beiden haibzylindrischen Teile sich derart verändert, daß dieser in Richtung zum gemeinsamen zylindrischen Abschnitt hin abnimmt, wird die Ausbildung \on Lichtbögen in den kalten feilen infolge der Abscheidung von Verunreinigungen und deren

So Verflüchtigung sicher vermieden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Heizelement die l'oim eines zusammengesetzten Elementes auf. das zwei rohrförmige Elemente hai. von denen das eine koaxial im Inneren des anderen angeordnet ist. wobei diese E'cmcn'.c miteinander an einem ihrer Enden verbunden sind, wobei das andere Ende eines jeden der beiden Elemente einen der Anschlüsse des zusammengesetzten Elementes bildet.

Hei einer anderen vorieillinl len VVcilcjhikliiny hl gu ilem freien Ende tier halbzylindrisehen Teile ein plan^eli vorgesehen, der sieh naeli außen oder nacli ilinen ersireeki niul an dem das Heizelement auf-Jcliällgl isl.

Hesondeis vorteilhaft kann es sein, wenn die Dicke, der halh/ylindriselien Teile in der Höhe des Nul/leiles des I lei/raiinies weniger als K mm beträgt.

Hei einer anderen vorteilhaften Weiterbildung kann der gemeinsame zylindrische Abschnitt auf einen Ring reduziert sein.

Die Erfindung soll im folgenden unter Uezugnahme Hui die Figuren der Zeichnung an Hand von Ausfiiliningiheispielen naher erläutert werden. Ils zeigt

I i g. 1 bis (i Schnittansichten einer ersten Ausfiihriingsl'orm deserlindungsgemäßen Heizelementes sowie sechs Aiisl'iihriingsformen von erlindungsgemäßen Λ u lh fm ^'einrichtungen,

I i g. 7 eine Schniitansicht einer zweiten Ausführüiiüsiorm des eiTindtinusgemäßen Heizelements sowie tU ι" Aufhängeeinrichtungen und

I i μ. S eine Längsschnittansich: einer anderen /'.iisiühningsform des eriindungsgemäßen Hci/.eic-ί ι.-nis.

liemäß dein in den Fig. 1 bis (i gezeigten Ausiiihrimgsheispiel ist das Heizelement 1 so aufgebaut, ti.iü es zwei konkave halbzylindrische Teile Ic; und 1/' i. liweisi. die einander gegenüber in geringem Abstand yiiL'inandcr angeordnet sind, miteinander durch eines ihrer I nden mittels eines gemeinsamen zylindrischen Abschnitts 2 verbunden sind und durch ihre jeweiligen freien I nden 3 und 4 mit elektrischem Strom gespeist weiden.

Von den beiden Teilen Ii/ und 1 /> wird ein Heizraiim i' bes'.ren/t.

In vier Hohe der linden 3 und -1 ist ein Flansch 5 \oigesehen, der sieh nach außen erstreckt und ermöglicht, das Element I im Inneren eines elektrischen Ofens durch Aufhängecinrichiungen zu tragen.

Fs läßt Mc'i zeigen, daß es. wenn man eine Temperatur in der Höhe der Finden 3 und 4 unterhalb 1700 C haben will, während diejenige des Heizraums C 2000 C übersteigt, erforderlich ist. daß der Widerstand des Flements je Längeneinheit in der Höhe der T nden die Hälfte des Widerstands je Längeneinheit in tier Höhe des Heizraiim». ist. d.h.:

wobei

2/?,,„„.

und «_K(.„

I" Widerstand des Element«. / Lange und λ Querschnitt I.

Man kann somit schreiben:

und. wenn das keramische Material aus Zirkoniumo.\\d besteht, für welches

1 ti cm . 10 ti cm

tilt, so ergibt sich

■hl'.'.

Wenn /■ der Aubcuradius des I lenitüis in eiisei gegebeneu Hohe isl und ilr seine Dicke (vgl. I i g. I I, so ist

s In rilr

und demzufolge

wenn die Rohrdicke konstant isl.

ία Selbstverständlich ist es nicht möglich, diese Gleichung in der Praxis zu erfüllen, und deshalb variiert man /· und ilr derart, daß diese Größen ausgehend von den beiden freien Enden zum gemeinsamen Abschnitt 2 hin abnehmen.

¹Jm zu vermeiden, daß Lichtbögen in den kalten Teilen infolge der Abscheidung von Verunreinigungen Lind deren Verflüchtigung auftreten, und um Abweichungen des transversalen Wärmegradienten zu vermeiden, baut man das Element I erliiKhingsgemäl'

so auf, daß der Abstand d, der die jeweils einandei gegenüberliegenden Kanten der Teile I α Lind II, trennt, von den freien Enden a -gehend bis zu dem gemeinsamen Abschnitt 2 hin abnm'mt.

Im allgemeinen weist der gemeinsame Abschnitt 2

eine solche Länge auf. daß der Strömungsq'ierschmtt für den Strom von einem der halbzylindrischen feik zu dtin anderen (dieser Strömungsquerschnitt wird erhalten, indem man das Heizelement in einer Ebene schneidet, die durch den Spalt hindurchgelu. der die

jeweiligen einander gegenüberliegenden Kanten der Teile \a und 1Λ trennt) zumindest dem Strömungsquerschnitt für den Strom in dem Nutzabschnitt de Heizelements (der der Stelle des mit C in F' i g. A bezeichneten Teils entspricht) gleich ist.

Um jedoch eine isotherme Zone sehr geringer Dickt zu erhalten, beispielweise für einen Zonenschmelzvorhang, bildet man den Abschnitt 7 mit einer sein geringen Länge aus. wobei dieser Abschnitt 2 dam zu einem Ring vermindert ist (I ig. 3a..

Erfahrungen haben gezeigt, daß die Dicke dei Wandung in der Höhe des Nutzabschnitts de-, iici/ raumes C unterhalb 8 mm gewählt werden sollte.

Als Zahlenbeispiel sei angegeben, daß em Heiz element aus Zirkoniumoxid, das ausgezeichnete Er gebnissc «eliefert hat (es hat keine Verschlechtern!!: nach einer Betriebsdauer von mehr al-, 500 Stunde! bei einer 'Temperatur von 2000 C an der Lütt gezeigt; die folgenden Abmessungen aufweist:

Gesamtlänge i 50 mm

Durchmesser des Hei/raums C . . . 20 mm
Länge der Teile \ α und 1/> 120 mm

Breite des Schlitzes der die Teile it/

und I /' trennt

in der Höhe des 1 lansches '0 min

in der Höhe des gemeinsamen

zvhndns hen Abschnitts 3 mm

Wanddicke

in der Höhe des Flansche-· X mm

am Anfang des Nutzteils 3 mm

in der Hohe des gemeinsamen
zylindrischen /Abschnitts 2 ^).;\

Ein anderes Heizelement, das abgezeichnet',¹ Ei gcbnisse geliefert hat. weist die fulpvii'k-n Ai.ipj-Vin gen auf:

5 6

Cicsamtläniie 150 mm Bei den in den l^; i g. I bis 7 claigc>teilten Ausfüh

Länge des gemeinsamen rungsbeispielen weisen die Einrichtungen, clic einei

zylindrischen Abschnitts 20 mm direkten Kontakt zwischen dem Heizelement Lind der

Innendurchmesser 36 mm eine Vorheiziing bildenden Teilen verhindern und die

Breite des Schlitzes: 5 Aufhängung bilden, zwei Bauteile aus feuerfester

in der Höhe des Hansches 10 mm Oxyden auf. auf denen die beiden halbzylindrischer

in der Höhe des gemeinsamen Teile des Heizelements abgestützt sind, wobei cla^

zylindrischen Abschnitts 3 mm Ganze so ausgebildet ist. daß kein elektrischer Strom

Wanddicke· zwischen den beiden die Aufhängung bildenden Bauin der Höhe des Flansches 17 mm ¹⁰ teilen Hielten kann, selbst wenn gewisse Zonen dieser

am Anfang des Nutzteils 6 mm die Aufhängung bildenden Bauteile infolge der von

in der Höhe des gemeinsamen dem Heizelement erreichten Temperaturen über

zylindrischen Abschnitts 4 mm 2000 C elektrisch leitend werden. Es sei bemerkt.

daß die feuerfesten Oxyde, die die Aufhängung bzw.

Dem in F i g. 7 gezeigten Ausführungsheispi"! '5 das Heizelement bilden, so gewählt werden, daß sie

liegen wieder die Merkmale zugrunde, die bezüglich r. nicht miteinander reagieren. Andernfalls ordnet man

(Ir und d dargelegt wurden. Dieses Ausführungs- Bauteile aus oxydationsbeständigem Metall zwischen

beispiel unterscheidet sich von dem vorhergehenden diesen an.

dadurch, daß der Flansch für die Befestigung an Wenn das Heizelement aus Zirkoniumoxyd gebildet

der Aufhängung dieses Mal sich in das Innere des 20 ist. kann man vorteilhafterweisc dieses gleiche Material

Heizraums C hinein erstreckt. Dieser Flansch ist mit 8 für die Herstellung der Aufhängung verwenden, bezeichnet. Bei dem in den F-" i g. 1 und 2 gezeigten Ausfiih-

In gewissen Fällen benötigt man Heizelemente der rungsbeispiel weist die Aufhängung ein Rohr 50 aus

in Frage stehenden Art, deren Heizraum eine sehr feuerfestem Oxyd auf. das parallel zu der Achse über

große isotherme Zone bildet. 25 einen gewissen Teil seiner Länge zwei sich verbreiternde

Man kann dann eine andere Aiisführiingsform des Schlitze 5t« hat. die sich an einem seiner Enden öffnen.

Heizelements \orsehen, das die Form eines zusammen- Der Innendurchmesser D des Rohrs wird so eewählt,

gesetzten Elements hat, das zwei rohrförmige Elemente daß die beiden halbzylindrischen Teile des Elements J

11 und 12 aufweist, von denen das eine im Inneren durch den Flansch 5 auf den Enden der beiden Teile

des anderen koaxial angeordnet ist und welche mit- 30 des Rohrs 50 liegen können, die durch die Schlitze 5Ui/

einander an einem ihrer Enden 11« bzw. 12« vcr- voneinander getrennt sind. Mit seinem anderen In₁Ic

bunden sind, wobei das andere Ende 11Λ bzw. 12Λ ist das Rohr 50. wie in den Fig. 1 und 2 aezciü!.

von jedem dieser Elemente die Stromanschlüsse des in einem Träger 51 montiert, der Emriehtimeen fm

zusammengesetzten Elementes bildet. eine Wasser- oder Luftkühlung aufweist, durch welch.·

Wie aus F i g. S ersichtlich ist. sind die rohrför- 35 verhindert wird, daß das Ende des Rohrs elektric¹!

inigen Elemente 11 und 12 so ausgebildet, daß das leitend wird.

Verhältnis des Querschnitts in der Höhe des die Strom- Im Falle des in Fig. 1 gezeigten Ausführun^-

zufiihrung bildenden Endes zu dem in der Höhe des Beispieles ist diese Kühlung eine Wasserkühlung.

Heizratims C. der von dem rohrförmigen Element 12 und die Baugruppe 51 weist zu diesem Zweck eine

begrenzt >vird, über 1.5 beträgt. Zur Vermeidung eines 40 Ringleitung 52 auf. durch die Wasser strömt, das dun. ί

nichtkontinuierlichen Widerstandsgradienten ve.rän- eine Leitung 53 zugeführt und durch eine Leiüine >4

den sich ferner der Querschnitt von jedem der rohr- abgeführt wird.

förmigen Elemente zwischen dem Heizraum und dem im Falle des in f i g. 2 eezeieten Ausführiinsis-

den Stromanschluß bildenden Ende kontinuierlich. beispieles erfolgt die Kühlunc inittels Luft, wobei

In F i g. 8 sind die Stromzuführungen nicht dar- 45 die Baugruppe 51 Kühlrippen 55. die sternförmig

gestellt, doch sind die Aufhängungen 13 und 14 gezeigt, angeordnet sind, aufweist.

die das zusammengesetzte Element im Inneren des Im Falle des in F i g. 3 gezcieten Aiisfüh.-tnüs-

elektrischen Ofens halten. beispieles weist die Aufhängung zwei halbzylindrische

Um die rohrförmigen Elemente 11 und 12 an ihren Bauteile 56r? und 56/> aus feuerfestem Oxvd au:,

!.mien II« und 12«. die vorteilhafterweisc die in 50 Diese Bauteile sind mit ihrem konkaven Teil einander

Fi g. S gezeigte Form aufweisen, fest miteinander zu gegenüberliegend angeordnet, wobei der Abstand Jc:

verbinden, kann man zwischen die in Kontakt mit- die gegenüberliegenden Kanten trennt, zumindest

einander gebrachten Flachen dieser Enden ein Pulver 1 mm beträgt, um jeden eventuellen Kontakt infolge

des die rohrförmigen Elemente bildenden Materials einer Verformung durch die Temperaturerhöhung zu

(beispielsweise Zirkoniumoxyd-Calciumoxyd der For- 55 verhindern. Diese Bauteile bestellen aus zwei ~\b-

mel ZrO₂--6% CaO) einbringen und das Ganze schnitten unterschiedlicher Dicke/T, und F, leder

auf eine ausreichende Temperatur erhitzen, um eine dieser Teile trägt mit seinem Abschnitt geringster

Verbindung durch Schmelzen des Pulvers (Temperatur Dicke einen der halhzylindrischen Teile des Heiz-

iiber 1700 C) zu bewirken. An Stelle des genannten elementes 1 in der gleichen Weise wie das Rohr 50 bei

Puhers kann man auch ein Pulver einer Verbindung 60 den in den Fig. ί und 2 gezeigten A.^sführi'n.'-s-

'../. B. Al₂OrJ verwenden, die mit darr, Zirkoniurnoxyd beispieien.

:in Eutektikuin (1700C für AI₂O_-1) bildet. Bei dem in F i g. 4 gezeigten Ausführuncsbeispiel

Infolge dieser Konstruktion, bei der das Element 12. weist die Aufhängung einen" ringförmigen Sockel 5S

Jas den Heizraum C umgibt, seinerseits im Inneren auf. auf welchem, wie gezeigt, zwei lialbzvlindrische

:ines Heizraums Ce angeordnet ist. der von dem 65 Bauteile 59« und 59b "befestigt sind, beispielsweise

Element 11 umgeben ist. sind die Heizbedingungen durch Einzementieren. Die relative Anordnung der

η dem Heizraum C bezüglich des isothermen Zustands beiden Bauteile 59« und 59h ist derart, daß die einander

lusgezeichncte. gegenüberliegenden Kanten einen .Abstand von 711-

fr

n •η
c

mindest i mm aufweisen. Die Gründe hierfür sind die gleichen, wie sie oben angegeben wurden. Mittels des freien Endes der beiden halbzylindrischen Bauteile werden die halbzylmdrischen Teile des Heizelements 1 durch den Flansch 5 getragen.

Im Falle der in den F i g. :5 und 6 gezeigten Ausfi'l'-rungsbcispiclc stützt sich das Heizelement 1 mit den·. Flansch 5 auf dem Rand einer Öffnung 60 in einer Platte 61 ab, die auf einem Pohr 62 liegt und durch einen Schlitz 63 in zwei Teile unte:feilt ist, die durch eine Zone 61« miteinander verbunden sind, die in einem ausreichend kalten Bereich angeordnet ist, so daß kein Strom zwischen den beiden Teilen der Platte fließen kann.

In F i g. 5 ist schematisch das Rohr 29 gezeigt, das im Inneren des Rohrs 62 angeordnet ist, auf welchem die Platte 61 ruht. Das Ganze wird in den Hohlraum C₁ des elektrischen Ofens eingebracht.

Die Dicke der Platte 61 ist gering, beträgt jedoch zumindest 2 mm.

Es sei bemerkt, daß es möglich war, eine Temperatur von 2200³C in einem erfindungsgemäßen Ofen mehrere Stunden lang aufrechtzuerhalten, der mit dem in den F i g. 5 und 6 gezeigten Heizelement und der dort gezeigten Aufhängung ausgerüstet war.

Bei dem in F i g. 7 gezeigten Ausführungsbeispiel besteht die Aufhängung aus einem Rohr 65, das parallel zur Achse über einen gewissen Teil seiner Länge zwei diametral gegenüberliegende Schlitze 66 mit einer Breite m aufweist. Dieses Rohr weist an dem Ende, an dem die Schlitze 66 offen sind, einen Flansch 67 auf, der sich nach außen erstreckt. Die beiden halbzylindrischen Teile des Elements I können sich durch den sich nach innen erstreckenden Flansch 8 auf dem Flansch 67 der beiden Teile des Rohrs 65 abstützen. Aus den gleichen Gründen, wie sie oben angegeben wurden, beträgt die Größe von in zumindest 1 mm.

ίο Auch hier ist der zylindrische Teil des Rohrs 65 in einem Bereich angeordnet, in welchem die Temperaturen ausreichend niedrig sind, um alle Stromdurchgänge zu vermeiden.

Im Falle der in den F i g. 1 bis 4 einerseits und 1 andererseits dargestellten Aüsfünrungsforrnen ist die gesamte aus dem Element 1 und der Aufhängung bestehende Baugruppe im Inneren des Rohrs 29 angeordnet (es sei bemerkt, daß im Falle der in den F i g. 1 bis 4 gezeigten Ausführungsbeispiele die Aufhängung eine ausreichende Abmessung, die sich unter den Ab schnitt 2 des Elements 1 erstreckt, aufweist, dami ihre Enden, die nicht elektrisch leitend werden sollen außerhalb des Wirkungsbereichs der Vorheizwicklunj liegen).

Die Einrichtungen zur Stromversorgung der Vor heizwicklung und des Heizelements 1 sind so ausge bildet, daß sie die Temperaturstabilität des Elements: gewährleisten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 109 587

Claims

Patentansprüche:

1. I lei/elemenl uns einem fciiciTc^icii oxydalionshcsiändigen Material, welches zwei halbzylindrische Hohheile aufweist, clic mit ihrem konkaven Teil et Uli iii lcr gegenüber in geringem Abstund voneinander angeordnet sind, an einem ihrer Finden mit Strom \ersorgt werden und an ihrem anderen linde durch einen gemeinsamen zylindrischen Abschnitt miteinander verbunden sind, dadurch g e k c η η ζ e i c h η c t, daß der Aul.ienradius (/·) der halb/yhndrisehen Teile (Ii/, IA) und des gemeinsamen zylindrischen Abschnitts (2) sowie die Dicke iilr) dieser Teile sich derart verändern, daß sie ausgehend von dem Ende (3, 4) der beiden halhzylinclrischen Teile, durch das diese mit elektrischem Strom gespeist werden, bis zu dem Ende des gemeinsamen zylindrischen Abschnitts (2) hin abnehmen und d.-'ß der Absland Ul) zwischen den einander gegenüberliegenden Kanten der beiden haibzylindrischen Teile sich derart verändert, daß dieser in Richtung zum gemeinsamen zylindrischen Abschnitt hin abnimmt.

2. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es die Form eines zusammengesetzten Elements hat, das zwei rohrförmige Elemente (11, 12) aufweist, von denen das eine koaxial im Inneren des anderen angeordnet ist, wobei diese beiden Elemente miteinander an einem ihrer Enden (11«, \2a) verbunden sind, wobei das andere Ende (11/), 12/>) eines j^den der beiden Elemente einen der Anschlüsse des zusammengesetzten Elements bildet.

3. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem freien Ende der halbzylindrischen Teile ein Flansch (5) vorgesehen ist, der sich nach außen oder nach innen erstreckt und an dem das Heizelement aufgehängt ist.

4. Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der hyibzylindrischcn Teile in der Höhe des Nutzteils des llei/.raums (C) weniger als X mm beträgt.

5. Heizelement nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der gemeinsame zylindrische Abschnitt auf einen Ri im reduziert ist.