DE202009018409U1 - Elektrisches Heizelement für Hochtemperaturöfen - Google Patents

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Abstract

Elektrisches Heizelement für Hochtemperaturöfen, mindestens aufweisend einen Molybdän- oder Wolframheizleiter, dadurch gekennzeichnet, dass Molybdän- oder Wolframheizleiter gemeinsam mit einem elektrisch isolierenden, bei hohen Temperaturen in eine inerte und eine sauerstoffbindende Gaskomponente zerfallenden Material in einem ventilierten Keramikrohr (1) angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein elektrisches Heizelement für hohe Temperaturen, mindestens aufweisend einen Molybdän- oder Wolfram-Heizleiter.
  • In widerstandsbeheizten elektrischen Öfen fließt der elektrische Strom durch einen Heizleiter, wo er in Abhängigkeit von Stromstärke und ohmschem Widerstand Wärme freisetzt. Die gebräuchlichsten Heizleiter sind:
    • • Metallische Heizleiterlegierungen mit den Komponenten Ni, Cr, Fe und/oder Al
    • • Hochschmelzende Metalle wie Mo, W und ihre Legierungen
    • • Platinmetalle wie Pt, Rh und ihre Legierungen
    • • Kohlenstoff/Graphit
    • • Keramische Elektronenleiter wie SiC, MoSi2, LaCrO3
    • • Ionenleitende Keramiken wie stabilisiertes ZrO2.
  • Jeder Heizleiter hat einen bestimmten Temperaturbereich, in dem er ohne Schaden zu nehmen eingesetzt werden kann. Dieser Temperaturbereich wird durch die Umgebung des Heizleiters, insbesondere die umgebende Gasatmosphäre in beträchtlichem Maße beeinflußt. Eine Klassifizierung der Gasatmosphären könnte unter chemischen Gesichtspunkten grob unterscheiden in oxidierende, reduzierende, carborierende, inerte Atmosphäre und Vakuum. Es gibt keinen Heizleiter, der bei Temperaturen oberhalb 1400°C sowohl in oxidierender wie reduzierender Gasatmosphäre funktioniert.
  • Die Refraktärmetalle – vor allem Molybdän und Wolfram – werden vielfältig als Hochtemperaturheizleiter bis zu Temperaturen von 1900°C und darüber eingesetzt. Ihrem Einsatz sind jedoch Grenzen gesetzt, weil sie in oxidierender Atmosphäre, bei hohen Wasserdampfpartialdrücken, in Gegenwart von Kohlenoxiden und Kohlenwasserstoffen chemisch angegriffen werden. Die Oxide sind zudem leicht flüchtig.
  • Es hat vielerlei Vorschläge gegeben, das Einsatzgebiet von Molybdän und Wolfram auf oxidierende Atmosphären auszudehnen. So wurde vorgeschlagen, Mo- und W- und andere oxidationsempfindliche Heizleiter mit einem hochhitzebeständigen Überzug zu versehen. Als Material eines solchen Überzuges wurde Aluminium in Kombination mit einem Metall niedrigen Schmelzpunktes wie In, Sn oder Ga in Betracht gezogen ( DE 2014460 vom 17.12.1970 oder GB 130 1265 A vom 29.12.1970). In einer anderen Veröffentlichung ( GB 709 806 A vom 2.6.1954) wird Si als Schichtmaterial bis zu Einsatztemperaturen bis 1500°C in oxidierender Atmosphäre empfohlen. Bei Rißbildung soll diese Schicht zudem selbstheilend sein.
  • In GB 490 116 A vom 9.8.1938 werden oxidische Schutzschichten aus SiO2, Cr2O3 und Al2O3 bevorzugt.
  • In DE 12 69 749 A ist der Molybdän- oder Wolfram-Heizleiter gemeinsam mit einem Material in einem ventilierten Rohr angeordnet.
  • Frühzeitig wurde auch in Betracht gezogen, den metallischen Heizleiter in einem Keramikrohr dicht einzukapseln ( GB 506 098 A vom 3.3.1939 oder GB 499 447 A vom 24.1.1939). In einer Verbesserung dieser Anordnung wurde vorgeschlagen, in dem Keramikrohr gleichzeitig mit dem Heizleiterdraht Gettermetalle wie Zr, Th, Ba oder Na mit einzuschließen ( GB 595 060 A vom 26.11.1947).
  • In DE 43 30 953 A1 wird vorgeschlagen, gemeinsam mit einem Molybdän-Heizleiter im Keramikrohr Aluminiumnitrid anzuordnen.
  • Alle diese Vorschläge haben nicht zu einem durchgreifenden Erfolg geführt. Nur aus der Kombination mit Si hat sich ein leistungsfähiger Heizleiter herausgebildet, der aber nicht mehr in reduzierender Atmosphäre und in Vakuum bei Temperaturen über 1.400°C zu verwenden ist. Das Versagen der vielfältigen Vorschläge zur Stabilisierung von Mo und W bei hohen Temperaturen in oxidierender Atmosphäre ist wahrscheinlich auf drei Effekte zurückzuführen:
    • • Bei hohen Temperaturen werden alle oxidischen Materialien sauerstoffdurchlässig. Die Sauerstoffpermeabilität ist eine Eigenschaft der dichten, porenfreien Materialien. So beginnt auch bei gut gesintertem Sinterkorund ab 1.400°C eine signifikante Sauerstoffdurchlässigkeit.
    • • Bei Schichten sind meist die Differenzen im thermischen Ausdehnungsverhalten Ursache der Ausbildung von Rissen und anderen Defekten, die den Sauerstoffangriff ermöglichen.
    • • Beim Aufheizen eingekapselter Heizleiter treten deutliche Druckänderungen auf. Beim Aufheizen auf 1.700°C beispielsweise steigt der Druck auf etwa das Siebenfache. Diese Druckschwankungen wirken sich ungünstig auf die Rohrverschlüsse und elektrischen Kontaktdurchführungen aus.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches Heizelement mit Molybdän- oder Wolframheizleiter anzugeben, das die genannten Nachteile der bekannten Lösungen überwindet.
  • Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist das elektrische Heizelement in einem ventilierten Aluminiumoxidrohr angeordnet, welches zusätzlich gefüllt ist mit einem elektrisch isolierenden Material, das bei hohen Temperaturen sowohl in inerte als auch in sauerstoffbindende gasförmige Bestandteile zerfällt.
  • Ein ventiliertes Aluminiumoxidrohr ist ein einseitig oder beidseitig offenes Rohr, welches mit einem Schutzgasreservoir verbunden ist, wodurch die Druckänderung bei Temperaturwechsel egalisiert wird. Das Gas an den Rohrenden kann sowohl ruhend als auch strömend sein. Das Füllen des Keramikrohres mit Schutzgas führt aber bei hohen Temperaturen nicht zu einem dauerhaften Schutz des Heizleiters vor Oxidation. Erst das zusätzliche Einbringen thermisch nicht stabiler Verbindungen, die in vorwiegend gasförmige, auf der einen Seite in inerte und andererseits in sauerstoffbindende Bestandteile zerfallen, führt überraschenderweise zu einer langdauernden Stabilität des metallischen Heizleiters bei hohen Temperaturen. Je höher die Temperatur, umso besser scheint sich der Schutz auszubilden. Die obere Temperaturgrenze bei Mo und W ist nur durch die oberste Einsatztemperatur des Rohrmaterials (1.900°C bei Aluminiumoxidkeramik) begrenzt.
  • Materialien, die in dieser Weise zerfallen, sind die elektrisch isolierenden oder halbleitenden Nitride einiger Hauptgruppenelemente der Gruppen II; III oder IV wie Mg, B, Al, Ga, In, Si. Diese Nitride zerfallen bei hohen Temperaturen in Stickstoff und das jeweilige Metall. Die Metalle haben durchweg eine höhere Affinität zu Sauerstoff als Mo und W. Die Zerfallstemperaturen sind dabei unterschiedlich. Mg-, Ga- und In-Nitrid zersetzen sich schon bei Temperaturen um 1.200°C, BN dagegen erst merklich oberhalb 2.000°C. in dem für die Heizelemente vorgesehenen Temperaturbereich von 1.500 bis 1.800°C sind die Nitride von Aluminium und Silizium zu bevorzugen. Aluminiumnitrid hat bei einer Temperatur von 1.700°C einen Zersetzungsdruck von ca. 10–4 bar. Der Zersetzungsdruck von Siliziumnitrid liegt etwas darüber. Bei diesen Temperaturen liegen die Metalle in diesen geringen Mengen als Gase vor. Möglicherweise sind es gerade die Dämpfe dieser Metalle, die zu einem wirksamen Schutz des Heizleiters führen. Sowohl Al als auch Si reagieren mit Sauerstoff, der durch die Wand des Keramikrohres permeabiliert. Al bildet bei der Reaktion Al2O3, welches chemisch identisch mit der Rohrwand ist. Si reagiert ebenfalls mit Sauerstoff. Von Sauerstoff nicht abgebundenes Si verbindet sich jedoch mit Mo und W zu Siliziden. Diese Silizide schützen ihrerseits ebenfalls das Heizleitermetall vor Oxidation, da sie auf der Oberfläche von Mo und W bekanntermaßen eine dichte SiO2-Schicht ausbilden.
  • Das bei der Zersetzung der Nitride noch entstehende Stickstoffgas ist bei hohen Temperaturen inert gegen alle Bestandteile eines Heizstabes. Sein Effekt könnte in der Volumenverdrängung sauerstoffhaltiger Gase liegen.
  • Die Konfektionierung der Nitride kann sehr unterschiedlich sein. Sie können als Pulver, Granulate oder Keramikteile und auch mit funktionellen Aufgaben wie Heizleiterträger eingesetzt werden.
  • Die Zersetzung der Nitride führt nicht zu leeren Volumina im Heizstab, da der überwiegende Teil der Metallkomponente des Nitrids als Oxid gebunden wird. Allerdings ändert sich die Form und Verteilung der festen Phase im Heizstab.
  • An einer Skizze sei der erfindungsgemäße Aufbau eines Heizelementes erläutert. Ein einseitig geschlossenes Keramikrohr 1 aus 99,7% Al2O3 ist am offenen Ende mit einer Kupferkappe 2 verschlossen. Die Kappe ist gegen das Keramikrohr 1 mit einer Pressdichtung 3 abgedichtet. Die Kappe 2 ist mit einem Anschluss 4 zu einem Gasreservoir und elektrisch isolierten Durchführungen 5 für den Anschluss an den Heizleiterdraht 6 versehen. Im inneren des Keramikrohres 1 befindet sich ein keramischer Hohlzylinder 7 aus AlN mit eingeschliffenem Spiralgang. In diesen Spiralgang ist der Heizleiterdraht 8 aus Molybdän eingelegt. Die Rückführung des Heizleiterdrahtes 8 erfolgt im Inneren des keramischen Hohlzylinders 7. Um die Dichtung an der Kappe 2 thermisch nicht zu hoch zu belasten, ist der AlN-Hohlzylinder 7 kürzer als das Aluminiumoxidrohr 1. Das vom AlN-Zylinder 7 nicht ausgefüllte Ende des Rohres 1 ist mit Aluminiumoxidwolle 9 zur Wärmeisolation gefüllt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 2014460 [0005]
    • GB 1301265 A [0005]
    • GB 709806 A [0005]
    • GB 490116 A [0006]
    • DE 1269749 A [0007]
    • GB 506098 A [0008]
    • GB 499447 A [0008]
    • GB 595060 A [0008]
    • DE 4330953 A1 [0009]

Claims (5)

  1. Elektrisches Heizelement für Hochtemperaturöfen, mindestens aufweisend einen Molybdän- oder Wolframheizleiter, dadurch gekennzeichnet, dass Molybdän- oder Wolframheizleiter gemeinsam mit einem elektrisch isolierenden, bei hohen Temperaturen in eine inerte und eine sauerstoffbindende Gaskomponente zerfallenden Material in einem ventilierten Keramikrohr (1) angeordnet sind.
  2. Elektrisches Heizelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, mit welchem das Keramikrohr (1) gefüllt ist, mindestens teilweise aus dem Nitrid eines Hauptgruppenelements der Gruppen II, III oder IV besteht.
  3. Elektrisches Heizelement gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrid mindestens teilweise Aluminiumnitrid ist.
  4. Elektrisches Heizelement gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nitrid mindestens teilweise Siliziumnitrid ist.
  5. Elektrisches Heizelement gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, welches sich in dem Keramikrohr (1) befindet, sowohl als keramischer Einsatz als auch gleichzeitig als Heizleiterträger (7) oder elektrischer Isolator ausgebildet ist.
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