DE2064961B2 - Ofen mit elektrischen Heizelementen - Google Patents
Ofen mit elektrischen HeizelementenInfo
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- H05B3/62—Heating elements specially adapted for furnaces
Description
Die Erfindung betrifft einen Ofen mit elektrischen Heizelementen aus hitze- und oxidationsbeständigem
Material mit zwei Schenkeln, die an ihren Enden durch einen gemeinsamen Abschnitt miteinander verbunden
sind und mit elektrischem Strom am anderen Ende gespeist werden.
Die Heizelemente bestehen aus einem Material mit einem Schmelzpunkt von über 22000C, wobei dieses
Material einen positiven spezifischen Widerstandskoeffizienten aufweist Diese Materialien werden allgemein
als »Resistoren« bezeichnet.
Heizelemente dieser Art sind beispielsweise aus der belgischen Patentschrift 5 70 937 bekannt.
Bisher war es nur möglich, öfen mit verhältnismäßig geringen Abmessungen unter Verwendung derartiger
Heizelemente aufzubauen. Die Gewichte dieser Heizelemente nehmen mit deren Leistung zu. Ditse Elemente
sind im Inneren der öfen, die aus diesen aufgebaut sind,
im allgemeinen auf Vorerhitzungsrohren aus Alumink-moxid
aufgehängt, welche bei der Betriebstemperatur der Heizelemente auf eine Temperatur in aer Nähe
ihres Schmelzpunktes gebracht werden und welche unter den sehr starken Belastungen unweigerlich
fließen. Aus diesem Grund ist der Aufbau von öfen mit
ίο einer Leistung über etwa 10 kW nicht möglich.
Zusätzlich zum Problem, welches durch die Gewichte der Elemente entsteht, die eine bestimmte Leistung
erreichen oder überschreiten, treten andere Schwierigkeiten bei diesen Elementen dadurch auf, daß die
Leistung der Vorerhitzungsöfen schließlich Probleme mit sich bringt Diesbezüglich sei bemerkt, daß für einen
Ofen von 3 kW die Leistung des Vorerhitzungsofens 1 kW sein sollte und daß für einen Ofen mit einer
Leistung von 5 kW diese Leistung etwa 2 kW sein sollte. Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, öfen
beliebiger Größe herzustellen, in dem Betriebstemperaturen von etwa 22000C erreicht werden können, wobei
auch bei niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von 1800 bis 19000C gearbeitet werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jedes dieser Heizelemente durch seine Schenkel an voneinander getrennten benachbarten Trägern aufgehängt ist, daß diese Träger aus einem Material bestehen, welches mit dem der Heizelemente bei der Betriebstemperatur dieser Heizelemente verträglich ist, oder daß die Träger und die Heizelemente durch Platinzwischenstücke getrennt sind, oder daß im Fall eines Betriebes bei sehr hohen Temperaturen diese Träger aus dem gleichen Material bestehen wie die Heizelemente, und daß Wärmeisolationseinrichtungen vorgesehen sind, um diese Elemente und deren Träger zu schützen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß jedes dieser Heizelemente durch seine Schenkel an voneinander getrennten benachbarten Trägern aufgehängt ist, daß diese Träger aus einem Material bestehen, welches mit dem der Heizelemente bei der Betriebstemperatur dieser Heizelemente verträglich ist, oder daß die Träger und die Heizelemente durch Platinzwischenstücke getrennt sind, oder daß im Fall eines Betriebes bei sehr hohen Temperaturen diese Träger aus dem gleichen Material bestehen wie die Heizelemente, und daß Wärmeisolationseinrichtungen vorgesehen sind, um diese Elemente und deren Träger zu schützen.
In vorteilhafter Weise können durch diese Ausbildung je nach Wunsch zylindrische und rechteckige öfen, wie
beispielsweise Tunnelöfen, in einfachster Weise mit den gewünschten Betriebscharakteristiken aufgebaut werden.
Der Ofen kann eine Anzahl von aus Heizelementen bestehenden Baugruppen aufweisen, von denen jede η
übereinander angeordnete Reihen von m Heizelementen aufweist sowie ebensoviel Reihen von m — 1
Trägern, wobei die Schenkel, die ein Heizelement bilden, sich auf zwei verschiedenen und benachbarten
Trägern abstützen, die Schenkel ihrerseits zwei benachbarte Träger der unmittelbar darüber angeordneten
Reihe tragen, alle Schenkel, die sich in Kontakt mit entsprechenden übereinander angeordneten Trägern
befinden, auf dem gleichen Potential liegen, die Schenkel der äußeren Heizelemente, die am Ende einer
gegebenen Reihe angeordnet sind, sich auf Trägern einer zweiten Ausführungsform abstützen, deren Breite
halb so groß ist wie die der anderen.
Die Baugruppen können auch Wärmeisolationseinrichtungen aufweisen.
niedrig, in der Größenordnung von 1800 bis 1900° C ist,
bestehen die Träger der Heizelemente aus einer einteiligen Stange aus einem hitzebeständigen Material,
wie Aluminiumoxid, und Platinzwischenstücke sind zwischen der Stange und den Heizelementen eingesetzt.
b5 Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert
werden. Es zeigt
F i g. 1 bis 4 Schnittansichten von Ausführungsbeispielen von Tunnelöfen.
Das Heizelement, das im Ofen verwendet wird, kann
aus einem feuerfesten, oxidationsbeständigen Materia],
im allgemeinen aus vollständig oder teilweise stabilisiertem Zirkoniumoxid, bestehen, und dieses Heizelement
weist zwei langgestreckte parallele Schenkel la und Ib
auf, die in einer Ebene liegen oder um die Längsachse gekrümmt sind. Diese beiden Schenkel, die sich mit
ihren schmalen Seiten parallel zu ihrer giößten Abmessung gegenüberliegen, sind an einem ihrer Enden
durch einen gemeinsamen Abschnitt Ic miteinander verbunden und werden mit Strom über ihr anderes
freies Ende 2a, 2b gespeist Dieses freie Ende ist derart ausgebildet, daß mß: diesem freien Ende die Heizelemente
aufgehängt werden können. Um einen Widerstandsgradienten in Längsrichtung zu erhalten und um
jegliche Ausbildung einer Bogenentladung in den kalten Teilen auszuschalten, nimmt die Dicke e der Schenkel
und der Abstand d, der diese voneinander trennt, von
den freien Enden ausgehend, in Richtung zum gemeinsamen Abschnitt Ichin ab.
Der gemeinsame Abschnitt Ic weist, wie es in den
Figuren der Zeichnung dargestellt ist, eine Dicke auf, die größer ist als der kleinste Wert von e, wodurch man die
Gefahr von thermischen Stoßbelastungen ausschaltet, indem man die Temperatur in diesem Abschnitt Ic
gleichförmig verteilt Man vergrößert auch die Lebensdauer des Elementes. Das gleiche Ziel würde auch
dadurch erreicht werden, daß der Abschnitt Ic wärmeisoliert wird. In der Praxis beginnt diese
Verzögerung der Dicke in einem Abstand von 3 bis 4 mm oberhalb des gemeinsamen Abschnittes Ic
Der Nutzabschnitt der Heizelemente entspricht im wesentlichen den Abschnitten der Schenkel la und \b,
die den gemeinsamen Abschnitt Ic umfassen. Im üblichen Betrieb kann dieser Nutzabschnitt eine
Temperatur von 22000C erreichen. Die beschriebenen Heizelemente ermöglichen den Aufbau von Ofen
beliebiger Abmessungen und beliebiger Konfigurationen, d.h. von öfen in zylindrischer Form oder, im
Gegensatz hierzu, in Tunnelform.
Bei der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausführungsform handelt es sich um einen Tunnelofen, der eine
langgestreckte Heizkammer Caufweist, die seitlich von Heizelementen 1 begrenzt und oben durch eine
Wärmeisolierung 6 verschlossen ist, die im allgemeinen aus dem gleichen Material wie das Heizelement 1
besteht d. h. aus vollständig oder teilweise stabilisiertem Zirkoniumoxid. Diese Heizkammer C ist nach unten
offen.
Wie F i g. 1 zeigt, stützen sich die Heizelemente 1 mit
ihren Flanschen 3a und 3b einerseits auf dein oberen Rand von Trägern 7 ab und andererseits an den
Vorsprüngen 8, die beispielsweise, wie dargestellt, die
Form einer Nase haben können und von den Trägern getragen werden und sich zwischen benachbarte
Schenkel von zwei benachbarten Heizelementen 1 hineinerstrecken. Es sei darauf hingewiesen, daß sich
jedes Heizelement 1 mittels seiner beiden Schenkel auf zwei verschiedenen benachbarten Trägern abstützt, die
durch den Abstand d\ voneinander getrennt sind. Durch e>o
diesen Aufbau schaltet man einen Kurzschluß dieser Heizelemente aus.
Die Träger 7 bestehen entweder aus einem Material, welches mit dem Material der Heizelemente bei der
Betriebstemperatur dieser Heizelemente vertraglich ist, oder sie sind von diesen Heizelementen durch
Platinzwischenstücke getrennt, oder sie bestehen im Fall eines Betriebes bei sehr hohen Temueraturen aus
dem gleichen Material wie die Heizelemente.
Wenn der Ofen für einen Betrieb bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur bestimmt ist bei
dem die Heizkammer eine Temperatur von 1800 bis 19000C erreicht sind die Gefahren eines Kurzschlusses
ausgeschaltet und man kann anstelle der getrennten Träger 7 einen kontinuierlichen Träger in Form eines
Aluminiumoxidstabes vorsehen, auf dem sich die aus den Heizelementen bestehende Baugruppe abstützt wobei
Scheiben zwischen dem Stab und den Heizelementen eingesetzt sind.
Die oberen Wärmeisolierungen 6, die sich auf den freien Enden der Heizelemente 1 abstützen, können aus
getrennten benachbarten Elementen bestehen, die in gleichen Absländen dt voneinander entfernt und derart
angeordnet sind, daß sich ein Element 6 auf zwei benachbarten Schenkeln von zwei benachbarten Heizelementen
1, welche das gleiche Potential haben, abstützt Wenn jedoch der Ofen für einen Betrieb bei
verhältnismäßig niedrigen Temperaturen in der Größenordnung von 1800 bis 19000C bestimmt ist so ist es
möglich, das Wärmeisolationselement 6 derart zu bemessen, daß sich dieses auf mehreren Heizelementen
1 abstützt Dieses Wärmeisolationselement 6 besteht in diesem Fall aus einem hitzebeständigen Material, wie
beispielsweise Aluminiumoxid, und Platinzwischenstükke sind zwischen dem Element 6 und den verschiedenen
Heizelementen 1 eingesetzt
Wie die F i g. 1 und 2 zeigen, weisen die Bauteile 6 und 7 im Schnitt die Form eines T bzw. L auf. Der Teil des
Wärmeisolationselementes 6, der dem Querbalken des T entspricht ermöglicht die Aufhängung dieses
Elementes auf den freien Enden des Heizelementes 1, und der Teil des Wärmeisolationselementes 6, der dem
senkrechten Strich des T entspricht ist zwischen den beiden Reihen der Heizelemente I eingesetzt die den
beiden Wandungen des Tunnelofens entsprechen, und stellt so deren Wärmeisolierung in der Höhe derjenigen
Teile dieser Heizelemente sicher, die nicht dem Nutzabschnitt dieser Heizelemente entsprechen.
Der Raum zwischen dem horizontalen Schenkel und dem senkrechten Schenkel der L-Form des Trägers 7
dient zur Aufnahme des Heizelementes 1.
Der Abstand zwischen benachbarten Trägern 7 kann durch Distanzstücke 17 aufrechterhalten werden, die in
den den F i g. 1 und 2 zu entnehmenden Bereichen der Träger 7 vorgesehen sind. In diesen Bereichen sind diese
Elemente nichtleitend.
Der Zwischenraum zwischen benachbarten Wärmeisolationselementen 6 kann durch Zwischenstücke 18
aufrechterhalten werden, deren Form und Anordnung den F i g. 1 und 2 entnommen werden kann.
Die Baugruppe, die durch die Heizelemente 1 und die Bauteile 6 und 7 gebildet wird, wird im Inneren einer
Wärmeisolierung angeordnet, die, wie dargestellt, Seitensteine 9a und Bodensteine 9b, sowie einen
Deckenstein 9caufweist, die aus einem hitzebeständigen
Isolationsmaterial bestehen, wie beispielsweise aus Aluminiumoxid.
Die Zwischenstücke 17 weisen in vorteilhafter V/eise einen Abschnitt 17a auf, der in seiner Aussparung 17/?
angeordnet ist, welche in den Steinen 9a und 9b vorgesehen ist, und einen Abschnitt 17c, der zwischen
diese beiden Träger 7 eingreift.
Die Speisung der Heizelemente 1 mit Strom ikann über Platinkontakte 11 erfolgen, die auf der Oberfläche
der freien Enden 2a und 2b angeordnet sind, in deren Höhe die TemDeratiir einen Wert von 1600°C nicht
erreicht, diese Kontakte stehen über Leitungen 12 mit
einer Spannungsquelle in Verbindung.
Um in die Heizkammer des so ausgebildeten Ofens, die, wie vorstehend dargelegt, unten offen ist, die
Gegenstände einzubringen, die einer Wärmebehandlung unterzogen werden sollen, kann man von Trägern
13 Gebrauch machen, um diese Gegenstände parallel zur Achse des Tunnels zu verschieben, der den
Heizraum bildet, und zwar unter Verwendung irgendeines Systems, wie beispielsweise unter Verwendung von ,,,
Laufrollen 14, die sich auf einer Laufbahn 15 abwälzen, die unter der öffnung des Heizraumes, wie dargestellt,
vorgesehen ist.
Um die Heizelemente 1 vorzuerhitzen, kann ein bewegliches Vorerhitzungselement 16 vorgesehen sein, !5
welches entweder auf alle Heizelemente einwirkt oder
lediglich auf irgendwelche dieser Heizelemente 1. Die Vorerhitzung der anderen Elemente 1 erfolgt dann
nacheinander durch die Strahlung der anfangs vorerhitzten Heizelemente, deren Temperatur auf einen Wert
von 2000 bis 22000C gebracht wurde.
Bei der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist das Vorheizelement 16 auf dem Transportträger 13
angeordnet Wenn man ein Vorheizelement verwendet, welches einfach auf einige gegenüberliegende Heizelemente
1 einwirkt, so sieht man zu beiden Seiten dieses Vorheizelementes 16 Wärmeisoliereinrichtungen vor,
die ebenfalls von dem Transportträger 13 getragen werden. Unter diesen Umständen kann man, sobald die
direkt vorerhitzten Heizelemente 1 die Temperatur erreicht haben, bei der sie leitend werden, die
Vorerhitzungseinrichtung fortschreitend nach außen verschieben. Wenn nämlich die vorerhitzten Heizelemente
1 durch ihren Betrieb eine Temperatur erreichen, die dicht bei der Betriebstemperatur liegt, so bewirken χ
diese durch thermischen Wärmestrahlungsaustausch den Anstieg der Temperatur der benachbarten Elemente,
die auf diese Weise nach und nach automatisch vorerhitzt werden, und zwar öhre Verwendung des
Vorheizelementes, das dann abgeschaltet werden kann.
Es sei darauf hingewiesen, daß das Herausziehen des Vorheizelementes und der Isolationseinrichtungen,
zwischen denen dieses Element zu Beginn angeordnet ist, sehr langsam durchgeführt werden sollte, um
plötzlich auftretende Temperaturgradienten auszuschalten, die zu einer Beschädigung der Heizelemente 1
führen könnten. Bei dem beschriebenen Ofen ist die Höhe des tunnelförmigen Heizraumes durch die
Abmessungen des Nutzabschnittes der Heizelemente 1 begrenzt.
Um Heizräume, beispielsweise Tunnelheizräume, von beliebiger Höhe auszubilden, kann man Baugruppen
von Heizelementen verwenden, die man als Module bezeichnen kann und die Baueinheiten bilden, die man
zusammenfügen kann.
Diese Baugruppen umfassen η übereinander angeordnete
Reihen von m Heizelementen 1, sowie ebensoviele Reihen von m — \ Trägern von der Art der oben
beschriebenen Träger 7, die aus einem Material bestehen, welches mit dem Material der Heizelemente ω
bei der Betriebstemperatur verträglich ist Man kann aber auch diese beiden Elementegruppen durch
Platinzwischenstücke trennen, oder man kann im Falle eines Betriebes bei sehr hohen Temperaturen für -diese
Träger das gleiche Material wie für die Heizelemente verwenden.
Wenn der Ofen für eine verhältnismäßig niedrige Betriebstemperatur in der Größenordnung von 1800 bis
1900° C bestimmt ist, so wird die Gefahr des
Kurzschlusses ausgeschaltet, und man kann anstelle der getrennten Träger 7 die Verwendung eines kontinuierlichen
Trägers aus Aluminiumoxid vorsehen, auf welchem sich die Heizelementbaugruppen abstützen. Die Platinzwischenstücke
sind zwischen diesem Träger und drn verschiedenen Heizelementen 1 angeordnet Die Sehen
kel la und Xb eines gegebenen Heizelementes 1 stützen
sich auf zwei verschiedenen benachbarten Trägern ab und tragen ihrerseits zwei benachbarte und getrennte
Träger, wobei alle Schenkel, die sich mit übereinander angeordneten Trägern in Kontakt befinden, an der
gleichen Spannung liegen. Die äußeren Schenkel der Heizelemente, die am Ende einer Reihe angeordnet
sind, können sich auf Trägern 7 abstützen, die nur halb
5O Ul ClI »I11U wie UlC aiiucicil liagvi #, uaiiiit man «iv
verschiedenen Baugruppen oder Module zusammensetzen kann.
In den Fig.3 und 4 ist ein Zwei-Etagen-Ofen dargestellt, der mit Hilfe von Modulen aus zwei Reihen
übereinander angeordneter Heizelemente zusammengebaut werden kann. Die Länge des Tunnelofens wird
durch die Anzahl der verwendeten Module bestimmt Durch diesen Aufbau erhält man einen Tunnelofen,
dessen Heizraum C am Boden offen ist, wie bei dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ofen, und dessen beide
Wandungen mit Heizelementen 1 bedeckt sind
Bei der in den F i g. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform wird ein oberes Wärmeisolationselement
verwendet, welches aus dem gleichen Grunde, wie oben beschrieben, die Form eines T hat Es sind ferner Träger
7 vorgesehen, die sich einzeln auf den Elementen Ta abstützen, die aus dem gleichen Material hergestellt
werden können wie die Träger 7.
Es sind ferner Wärmeisolierungen vorgesehen, die durch Aluminiumoxidsteine 9a und 9b und durch einen
Deckel 9c gebildet werdea
Die Träger 7 und 7a und, falls erforderlich, die Elemente 6 werden voneinander im Abstand gehalten,
wie es in den F i g. 3 und 4 gezeigt ist, und zwar durch Zwischenstücke 17 und 18, die denjenigen entsprechen,
die in den F i g. 1 und 2 dargestellt sind, und die an Stellen angeordnet sind, die den Figuren zu entnehmen
sind, und die den Bedingungen, die unter Bezugnahme auf die F i g. 1 und 2 erläutert wurden, entsprechea
In Fig.3 ist ein Element 20 dargestellt mittels welchem die Gegenstände, die einer Wärmebehandlung
unterzogen werden sollen, sowie das Vorheizelement in die Heizkammer eingeführt, sowie aus dieser wieder
herausgeführt werden können.
Die Stromspeisung der Heizelemente 1 erfolgt über Platinkontakte 21, die mit dem Außenraum über
elektrische Leitungen 12 verbunden sind.
Zur Durchführung der elektrischen Leitungen ist es vorteilhaft in den Steinen 9a Öffnungen 22 mit
Abmessungen vorzusehen, die eine Durchführung erlauben und die, falls gewünscht noch dazu verwendet
werden können, die freien Enden der Heizelemente 1 zu kühlen.
Bei dem in den Fig.3 und 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen Tunnelofen. Es sei jedoch bemerkt, daß man mit Hilfe der
erfindungsgemäßen Elemente und Baugruppen auch kreisförmige Etagenofen bauen kann.
Es sei bemerkt daß man in der Praxis gute Ergebnisse mit Heizelementen 1 erzielt die weniger als 200 g
wiegen und deren Länge 150 mm und deren Breite 40 mm beträgt und deren Nutzzone eine Länge von
80 mm hat. Diese Elemente nehmen bei 200O0C weniger
als 1 kW auf und können auf eine Temperatur von 22000C gebracht werden.
Als Ausführungsbeispiel sei angegeben, daß ein Ofen der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Art aus
6 Elementen aus Zirkoniumoxid mit 3% CaO hergestellt werden kann, dessen Gesamtleistung etwa 6 kW beträgt
und bei dem die Abmessung des Heizraumes 200 χ 30 χ 40 mm beträgt. Dieser Ofen befindet sich
immer in einem ausgezeichneten Betriebszustand nach einer Betriebsdauer von 200 Stunden bei 2050° C.
Bei diesen Tunnelöfen werden die Heizelemente I auf den beiden Wandungen, die den Tunnel begrenzen,
mittels ihrer Schultern 5a und 5b aufgehängt und bilden so einen Vorsprung in die Heizkammer. Die Tragelemente,
die gleichzeitig die Wandungen der Heizkammer bilden, entsprechen den gleichen Bedingungen wie die
Träger 7, die im Vorstehenden erläutert wurden.
Claims (4)
1. Ofen mit elektrischen Heizelementen aus hitze- und oxidationsbeständigem Material mit zwei
Schenkeln, die an ihren Enden durch einen gemeinsamen Abschnitt miteinander verbunden sind
und mit elektrischem Strom am anderen Ende gespeist werden, dadurch gekennzeichnet,
daß jedes dieser Heizelemente (1) durch seine Schenkel (la, \b) an voneinander getrennten
benachbarten Trägern (7) aufgehängt ist, daß diese Träger (7) aus einem Material bestehen, welches mit
dem der Heizelemente bei der Betriebstemperatur dieser Heizelemente verträglich ist, oder daß die
Träger (7) und die Heizelemente (1) durch Platinzwischenstücke getrennt sind, oder daß im Fall
eines Betriebes bei sehr hohen Temperaturen diese Träger aus dem gleichen Material bestehen wie die
Heizelemente, und daß Wärmeisolationseinrichtungen (6) vorgesehen sind, um diese Elemente und
deren Träger zu schützen.
2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dieser eine Anzahl von aus Heizelementen (1)
bestehenden Baugruppen aufweist, von denen jede π übereinander angeordnete Reihen von m Heizelementen
aufweist, sowie ebensoviel Reihen von /77 — 1 Trägern (7), wobei die Schenkel (la, ib), die
ein Heizelement bilden, sich auf zwei verschiedenen und benachbarten Trägern (7) abstützen, die
Schenkel (la, !/>, ihrerseits zwei benachbarte Träger
(7) der unmittelbar darüber angeordneten Reihe tragen, alle Schenkel, die sich in Kontakt mit
entsprechenden übereinander angeordneten Trägern befinden, auf dem gleichen Potential liegen, die
Schenkel der äußeren Heizelemente, die am Ende einer gegebenen Reihe angeordnet sind, sich auf
Trägern einer zweiten Ausführungsform abstützen, deren Breite halb so groß ist wie die der anderen.
3. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Baugruppen Wänneisolationseinrichtungen
(6) aufweisen.
4. Ofen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Fall, in dem die
Betriebstemperatur relativ niedrig, in der Größenordnung von 1800 bis 19000C ist, die Träger (7) der
Heizelemente aus einer einteiligen Stange aus einem hitzebeständigen Material, wie Aluminiumoxid,
bestehen und daß Platinzwischenstücke zwischen der Stange und den Heizelementen eingesetzt sind.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OGA | New person/name/address of the applicant | ||
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |