DE2339233A1 - Ofen zum oxydationsfreien erwaermen von metallteilen im fluessigen waermetraeger - Google Patents

Description

Institut elektrosvarki imeni E.O. Patona 2. August 1973

Akademii Nauk" Ukrainskoj SSB,

Kiev / UdSSE ' ^L/Hu

P 4-9 156/2

open zum oxydatiorsi¹eeieii εεϊιίϊβμειι von ketallteileii ili flüssigen

wSemetba'gee

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ausrüstungen der metallverarbeitenden Industrie, und genauer auf öfen sum oxydatlonsfrelen Erwärmen von Metallteilen im flüssigen V/armoträger·

Praktisch gibt es in der metallverarbeitenden Industrie (Werkzeugmaschinenbau, Plugzeugbau, Werkzeugbau u. a·) kelno Branche, wo Arbeltsoperationen der thermischen Behandlung von Teilen aus verschiedenen Metallen oder deren Legierungen nicht

. zur Anwendung kommen, Die Hauptoperationen der thermischen Behandlung von Metallteilen sind Erwärmen auf eine hohe Temperatur (70O⁰C und mehr), Halten auf dieser Temperatur, dann Abkühlen In Wasser, öl oder an der Luft. Als Resultat der thor-

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mischen Behandlung erhält das Material, aus dem das Teil O stück) hergestellt wird, die erforderlichen Eigenschaften (Härte, Festigkeit, VersohleIßfeätigkeIt u.a.). Das Erwärmen von Teilen (Werkstücken) wird In sogenannten Kammer- oder Schachtöfen mit Gas - oder elektrischer Beheizung durchgeführt'.

Beim Erwärmen in solchen öfen findet tint Oxydation der !.letal! oberfläche statt, was zur Bildung von Zunder-oder Oxidschicht^ uf der Metalloberfläche führt. Dieser Zunder gestattet es nicht, das Teil (Werkstück) In diesem Zustand zu verwenden, da es erfordert 1st, die schadhafte Schicht zu entfernen, um dem Teil (Werkstück) die geforderte Oberflächengüte zu verleihen. Dies wird durch nach· folgende Arbeitsoperationen Kfttt. mechanischer Bearbeitung durch Kugel- oder Sandstrahlen ^A/TRiTelektrischem oder ehe nils ehern-Xt ζ eni u.a. erzielt. Deswegen führt die Oxydation der Metalloberfläche beim Erwärmen auf hohe Temperaturen zu Verlusten cLyl Metall sowie zur Vergrößerung des Arbeitsaufv/andes bei der Herstellung des Teils (des Werkstücks).

Außerdom ist die Erwärmungsgeschwindigkeit in solchen öfen nicht groß, und die Mechanisierung des Prozesses der thermischen Behandlung ist sehr erschwert. Das Tomperaturgofälle in derartige öfen erreicht 3O⁰C und mehr, was zu einem ungleichmäßigen Erwärmen führt.

Es ist ein Verfahren zur Bearbeitung von Metallteilen (V/erkstücken) durch Hochfrequenzströme bekannt, welches eine hohe Erwärmungsgeschwindigkeit vorsieht und es gestattet, den Prozeß der

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thermischen Behandlung zu mechanisieren· Jedoch wird auch bei die· sem Verfahren die Oberfläche des Teils oxydiert, wenn auch In elnei geringeren Maße als belm'Erwärmen im Ofen· Das Erwärmen von Teile] komplizierter Form ist bei diesem Verfahren Überhaupt unmöglich·

In der Praxis der thermischen Behandlung ist weit; ' verbreitet ein Verfahren zum Erwärmen von Metallteilen (Werkstücken) ln;.'flüsslgen Wärmeträgern: in schmelzflüssigen Metallen'oder dere: Legierungen, Verschiedenen Salzen u.a.

Besonders . °f t wird das Erwärmen In geschmolzenen Halogensalzen (BaCl₂I KCl, NaCl) und Zyanlden verwendet, welche es gestatten, die Teile mit einer im Vergleich mit dem Erwärmen in
öfen 6-10-f.ach größeren Geschwindigkeit zu erwärmen. Das Erwärmen In den Salzen . .zeichnet sich durch Einfachheit der Ausrüstung: Gleichmäßigkeit der Temperatur Im ganzen Schmelzvolumen, leichte
Temperaturmessung und Möglichkeit der Automatisierung des elgentliehen Prozesses der thermischen Bahandlung/r^Tedoch wird beim Erwärmen In diesen flüssigen Wärmeträgern die Oberfläche von Metall teilen ebenfalls oxydiert, wenn auch in einem geringeren Maße als beim Erwärmen in öfen·

Außerdem weisen die flüssigen Wärmeträger trotz ihrer Vorteile auch schwerwiegende Mängel auf» Die geschmolzenen Halogensalze und Zyanlde entwickeln Dampfe und Gase, weshalb eine
leistungsstarke Ventilation zu ihuer Entfernung erforderlich ist·
Die genannten Salze sind explosionsgefährdet un&pfes Gelangen von.

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Feuchtigkeit In das Schmelzbad verursacht Auswürfe und Explosione

Die Salze wirken auch mit der Oberfläche cks M_etali$ . zusammen, was zur Herabsetzung des Gehalts an Kohlenstoff und Legier ungse lementen führt, überdies wird die Oberfläche oer Metalle in Mitleidenschaft gezogen und es entstehen punktförmlga

it* ··

Fehler· Dies hat zur Folge, daß Zugaben fur die nachfolgende mechanische Bearbeitung oder das Läppen des Heils (des Werkstücks vergrößert werden müssen·

Die mechanische Fertigbearbeitung (Läppen) von Teilen (Werkstücken) nach ihrer thermischen Behandlung ist sehr zeit- und kraftraubend, well die Oberfläche des Teils eine erheblichhöhere (oft auch, eine maximale) Härte als im .ausgangszustand besitzt·

Die geschmolzenen Salze verändern während des .. Betriebs Ihre chemische Zusammensetzung, was ihre technologischen Eigenschaften beeinträchtigt. Um dies zu verhindern, müssen sie systematisch desoxydlert werden, wobei SpezialZuschläge elngefÜh. werden, die die Zersetzung der Salze hemmen·

Beim Betrieb solcher Salzschmelzen gelangen in diese (von der Oberfläche der Teile, von den Elektroden, den Tiegelwänden) Elsenoxyde, die mit den Salzen selbst und dem Luftsauerstoff In Wechselwirkung treten und In Form eines nicht löslichen Niederschlags - Schlamms - ausfallen. Die -Anwesenheit des Schlamms in den geschmolzenen Salzen beeinträchtigt ebenfalls ihre techno logischen Eigenschaften, weswegen der Schlamm in regelmäßigen

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Zftltabständen aus der Schmelze entfernt wird. Dies geschieht durc] Ausschöpfen des Schlamms aus der Schmelze bei einer hohen Temperatur, was den Ausnutzungskoeffizienten der Ausrüstung für geschmolzene Salze vermindert. Das Vorhandensein von Schlamm verrlngert beträchtlich den Hutζinhalt des Wannenofens·

üblicherweise werden die Salze in Tiegelöfen mit Gas- oder elektrischer Beheizung geschmolzen. Die Tiegel werden aus hitzefesten Legierungen als gegossene oder geschweißte Konstruktion gefertigt. Die Betriebsdauer des Tiegels hängt von der Zusammensetzung der Legierung, der Wanddicke und den Betriebsbedingungen ab. Die Tiegelöfen werden meist für die Arbelt bei Temperaturen von höchstens 9OO°C verwendet, da bei einer Temperatur^telgeruno diese öfen schnell ausfallen'· ν

Eine andere uel^j;. verbreitete Ausrüstung für die Salzschmelzen sind Elektroden-Wannenöfen,· Diese Wannenöfen werden aus feuerfesten Steinen gebaut, die von einem Eisengehäuse umschlossen sind. Innerhalb eines solchen Ofens 1st eine Vertiefung für das geschmolzene . Salz vorhanden. Das Erwärmen des geschmolzenen Salzes erfolgt dank der Entwicklung der Joulfcschen Wärme beim Durchgang des elektrischen Stroms durch die Salzschmelze, dl zwischen den (runden oder rechteckigen) Elektroden eingeschlossen 1st· Das anfangliche Schmelzen der Salze wird durch Schließen dor Elektrodendämpfe mittels eines Graphitstabes (eines metallischen ^ötabes) oder mittels Hllfsspiralen durchgeführt. Der Hilfsstab wird durch Kurzschlußstrom angewärmt, wobei sich um den Stab

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herum ein Bad geschmolzenen Salzes bildet, das mit der Zelt zv/el am nächsten liegende Elektroden -Schließt, worauf dann das Schmelze der übriggebliebenden Saützmasse rasch vonstatten geht· Beim Betrieb zerstört dos geschmolzene Salz allmählich das Ziegelmauerwerk (das Futter), weshalb es des öfteren In einem in das Futter eingesetzten Metalltiegel aufgeschmolzenen wird. Aber solche Tiegel werden schnell von außen her oxydiert und an den Schweißnähten zerstört, so daß Ihre Anwendung beschränkt ist·

In Abhängigkeit von den Abmessungen kann der Wannenofen zwei und mehr Elektroden besitzen· Die Wannenofen arbeiten %'&. einem Elnphasen- oder einem Drehstromtransformator, was durch die Anzah der Elektroden bedingt ist. Am meisten verbreitet sind Drehstron-Dr e Ie 1 ekt r odenwannenöf en ·

l/cch-rChd des Betriebs werden die Elektroden zerstört, und der Abstand zwischen ihnen nimmt beträchtlich zu. Dies führt wiederum zu einer ungleichmäßigen Belastung der Phasen der Stromversorgung. Um dieser Erscheinung (der ungleichmäßigen Belastung

eun. de τ

der -Wiasen) zu begegnen, wird iTelte dos Arbeltsraumes des Wanne: ofens parallel zu den Elektroden eine metallische Zwischenwand aufgestellt, die ebenfalls die Elektroden vor Kurzschluß durch In docs geschmolzene. Salz gefallene Teile (Werkstücke) schützt. Eine solche Zwischenwand besitzt neben den Vorteilen auch Nachteile: das nutzbare Volumen der Wanne verringert sich, an den Befestigungsstellen der Zwischenwand kommt es zur Zerstörung der Halte einrichtungen, do daß die Zv/lschenwand in die Wanne fallen

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und die Elektroden<is"chließen kann.

Bedeutende Nachteile des Erwärmens von Metallteilen (Werkstücken) in - ' Kammer öfen unter Verwendung der vorhandenen geschmolzenen Salze zwingen dazu, nach anderen Verfahren zum

oxydationsfreien Erwärmen und Erwärmen mit verminderter Oxydatioi zu forschen· Zu solchen Erwärciungsverfahren gehören das Erwärmen in Vakuumöfen, das Erwärmen im Medium inerter Gase (Argon u,a·) und in Schützatmosphäre·

Das Erwärmen im Vakuum ist ein wenig produktiver Prozeß ι verlangt eine komplizierte und cwfyejLge Ausrüstung und die Erwärmungsgeschwindlgkelt ist '. . . niedriger als in den Kammeröfen·

Das Erwärmen im Medium Inerter Gase besitzt dieselbe Erwärmungsgeschwindigkeit wie in den Kammerofen, ist jedoch unbequem la Betrieb und gestattet es nicht, die Oxydation d Metalloberfläche vollendr auszuschließen·

Die Anlagen zum Erwärmen In Schutzatmosphären sind anfällig im Betrieb, erfordern die Entfettung der Oberfläche dsn Teilen (Werkstücken) und können die Oberfläche der Teile (Werkstücken) mit nicht erwünschten Beimengungen (mit Stickstoff bell Erwärmen von nichtrostenden Stählen) sättigen, was die Korrosionsbeständigkeit der Tolle vermindert· Außerdem gelingt es hierbei nicht, die Oxydation vollkommen zu vermelden. Die Erwärmungsgeschwindlgkeit ist in den Schutzatmosphären eine eben-

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solche wie in den Kammerofen,

Als Schutzatmosphäre werden Gemischt . dissoziierten Ammoniaks mit Wasserstoff, Spaltungsprodukte von organischen Verbindungen (des Methylalkohols)u. dgl., verwendet· Zur Herstellung solcher SchutzatmoSphären sind Spezlalanlagen erforderlich, die eine Schutzatmosphäre bestimmter Zusammensetzung erzeugen_t

^t^rs'chungen hinsichtlich der Ersetzung von geschmolzenor Salzen durch andere flüssige wärmeträger werden seit langem angestellt. Es 1st vorgeschlagen worden, das Erwärmen von Metallteilen Im geschmolzenen Iononglas Sylvlnlt vorzunehmen. Bekannt sine drei Zusammensetzungen von glasartigen SpezialSystemen von Harolc (USA). All dies hat jedoch keine gebührende Anwendung gefunden, well hlerbeüt nicht ganz den Anforderungen entsprochen, WiTd₇ welche für einen flüssigen wärmeträger notwendig .sind, der es ermöglicht, das 025r.datlonsfreIe Erwärmen von Metallteilen durchzuführen, und der ihre Oberfläche vor Oxydation bei der übertragung dev Teile in das Härtemittel schützt.

Ein solcher wärmeträger soll folgenden Anforderungen entsprechen: er soll gut die Metalloberfläche benetzen, eine gute elektrische Leitfähigkeit aufweisen, eine Viskosität im Bereich von 1-6 Poise besitzen, mit dem zu erwärmenden Metall nicht in Reaktion treten, eine niedrige Sauerstoff-Durchlässigkeit haben usw.

Im Jahre 19^8 sind im E.O.Paton-Instltut für Elektroschwelßung der AB:, d. WJLss. der USSE als flüssige wärmeträger synthe-

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tische Schlacken zum oxydationsfreien Erwärmen von Metallteilen (Werkstücken) fur die Härtung entwickelt worden. Die entwickelten Schlacken (Boratgläser) werden in einem Intervall von 760-90O⁰C und 900-110O⁰C verwendet und genügen in der Hauptsache den an flüssige Wärmeträger gestellten Anforderungen. Die genannten Schlacken entwickeln keine schädliche Gase und keinen Rauch, das finelnngen von Wasser in dieselben führt zu keinen Auswürfen und Explosionen, das V/asser verdampft einfach· Die Oberfläche des zu erwärmenden Metalls bleibt sogar bei einem langwährenden Erwärmen unverändert, sie wird nicht entkohlt und verarmt nicht an Leglerungselemönten· Die Anwendung eines solchen Wärmeträgers gewahrleistet eine gute Benetzbarkelt der Oberfläche - beim Herausziehe: 1st das Teil (Werkstück) mit einer dünnen Schlackenschicht bedeckt, welche die Oberfläche vor Oxydation durch Luftsauerstoff bei übertragung des Teils in das Härtemittel zuverlässig schützt. Beim Abkühlen unter die Oxydationstemperatur des Metalls löst sich die Schlackenschicht selbständig ab.

Die Erzielung {beim Härten>elner blanken und reinen Oberfläche von Teilen (Werkstücken)fgestattet es, in vielen Fällen die Zugaben für die nachfolgende mechanische Bearbeitung (Läppen) beträchtlich zu vermindern bzw. darauf überhaupt zu verzichten oder die Arbeitsoperation des Kugel- oder Sandstrahlens auszuschalten.

Die vorgenannten Schlacken verändern während der Arbelt ihre chemische Zusammensetzung nicht, erfordern keine Desoxydatlons-

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mittel, bilden keinen Schlamm, so daß die Notwendigkeit .der regelmäßigen Reinigung der V/anne entfällt und hierdurch der Koeffizient Hirer Ausnutzung erhöht wird.

Jedoch v/irken die geschmolzenen Schlacken aktiv mit allen bekannten Arten der feuerfesten Auskleidungen zusammen, d.h. sie lösen diese auf. Deshalb sind'die herkömmlichen Elektroden-Wannenöfen, die zum Schmelzen von Salzen verwendet werden, ungeeignet.

Für Schlacken dieser Art kann man Tiegelwannen mit Gas- oder elektrischer Beheizung einsetzen. Auch ist die Verwendung von Elektroden-Wannenöfen mit eingesetztem Metalltiegel möglich. Jedoch lassen die den beiden Arten solcher Ausrüstung eigenen Nachteile keinen langen Botrieb derselben zu. Außerdem lösen die geschmolzenen Schlacken aktiv Elsen- und Chromoxyde auf. Deshalb

moled ta der vorgenannten .Ausrüstung "Anfressen" aer Tlegelwande an der Trennungsllnle Schlacke-Luft.¹ ._

Palis in den Elektroden-Wannenöfen Elektroden der bekannten Konstruktion verwendet werden, wird ebenfalls deren Anfressen an der Trennungslinie stattfinden. Deswegen wird die Betriebsdauer solcher Tiegel und Elektroden insbesondere bei einer hohen Temperatur von 900-110O⁰C erheblich geringer. Dieses Anfressen der metallischen Elemente des Wannenofens (der Tiegel) läßt sich dadurch erklären, daß die Elemente selber sich auf die Temperatur der Schmelze erhlt_zen.

An der Trennungslinie Schlacke-Luft geht eine aktive Hoch-

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temperatur-Oxydatlon der genannten Elemente vor slch_# Die
Schmelze selbst lost die gebildeten Oxyde auf, die in die Schmel übergehen· Auf diese WejLse|*iäuft an der Trennungslinie Schlacke-Luft ein ununterbrochener Prozeß der Bildung von Oxyden und dere: Auflösung» . Infolgedessen nimmt an der Trennungslinie Schlacke Luft die Dicke der metallischen Elemente der Wannenofen ab, Darüber'hinaus 1st der Übergang von Eisen- und Chromoxyden in die
Schmelze eine unerwünschte Erseheinung· Sie führt zur Sättigung
der geschmolzenen Schlacke^ ■' - . was die SchlackenablösfcetSr'keit beim Abkühlen verschlechtert.

lim die Oxydation von Metalltlegeln und Elektroden sowohl
an der Trennungslinie als auch von außen her zu vermelden,
soll deren Erhitzen nicht zugelassen werden·

Das Ziel der vorliegenden Erfindung 1st die Beseitigung
der vorerwähnten Nachteile·

Der Erfindung 1st die Aufgabe zugrunde gelegt, einen solche Ofen zum oxydationsfreien Erwärmen von Metallteilen im flüssigem Wärmeträger zu schaffen, bei welchem die Ausführung seines
Korper se<'flen Schutz der Wandung des Metalltiegels und der Elektroden vor Oxydation sowohl an der Trennungslinie Wärmeträger-Luft als auch von außen her vorsieht, was eine lange Betriß bsdau des Ofens gewährleistet, und bei welchem die Konstruktion der
Elektroden ein aktives Vermischen des geschmolzenen War me trägers zur Erreichung einer Erwärmungsgeschwindigkeit desselben sicherstellt, die gleich der Erwärmungsgeschwindigkeit der geschmolze-

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nen Salze ist»

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß der Ofen zum oxydationsfreien Erwärmen von Metall/teilen Im flüssigen wärmeträger gemäß der Erfindung einen zwangsläufig gekühlten Korper enthält, in dem unter Bildung eines mit dem flüssigen Wärmeträger gefüllten Zwischenraums ein metallischer Tiegel zum Schmelzen des Wärmeträgers mit in Richtung seiner Hauptlänge zum Tiegelboden hin befestigten Elektroden eingesetzt 1st, von ddnen jede an ihrem Ende einen abgebogenen flachen Abschnitt aufweist, der parallel zur Bodenfläche des Tiegels gelegen ist, damit zwischen diesen Abschnitten die größte wärmemenge entwickelt wird und die Elchtungen der konvektlven und der elektromagnetischen Flüsse des flüssigen Warmeträgers vereinigt werden, wobei ein intensives Vermischen des flüssigen Wärmeträgers und eine gleichmäßige Wärmevertellung über dessen gesamtes Volumen sichergestellt werde

Die flüssigen Wärmeträger zum oxydationsfreien Erwärmen von Metallteilen, belsplelswele die vom Typ der synthetischen Schlacken, wie sleküL der vorliegenden Erfindung zur Anwendung gelangen, wirken· aktiv mit den zur Zelt vorhandenen Arten von Feuerfeststoffen zusammen, indem slo diese auflösen. Deswegen lsi die Verwendung der bekannten Elektrodenöien, die weitgehend für geschmolzene Salze benutzt werden, unmöglich, Nicht annehmbar sii auch Tlegolwannen und Elektrodenöfen mit eingesetztem Tiegel, die gegenwärtig zu denselben Zwecken verwendet werden.

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Die Wände der Tiegelwannen für Salzschmelzen erhitzen sich unter dem Splgel der Schmelze auf die Temperatur derselben und werden deshalb oxydiert. Die V/ärmeträger zum oxydationsfreien Erwärmen lösen aktiv Elsen- und Chromoxyde auf, weshalb der Einsatz von öfen genannten ÜEyps fur deren Schmelzung ebenfalls unmöglich ist.

Andererseits Ist-es, ' ^{weim de}* SfenkÖrper aus Metall ausgeführt und völlig gekühlt 1st. Die Wände eines solchen Körper werden sich über die. Temperatur des Kühlmittels hinaus nicht erhitzen, und sie werden folglich nicht oxydiert. Außerdem kommen sie nicht direkt mit dem Wärmeträger selbst in Berührung, da zwischen diesem und den Wanden des Körpers sich eine Schicht (Schutzschicht) erstarrten Warmoträgers herausbildet. In diesem Falle wird irgendeine Auskleidung überflüssig und ein solcher Ofen wird eine sehr lange Betriebsdauer haben.

Die geschmolzenen Schlacken, die als flüssiger Wärmeträger benutzt werden, besitzen eine Viskosität ¹Um mehrere Größenordnungen höhertiiäls die geschmolzener. Salze, weshalb deren aktives Vermischen gewähr "WjPien muß, um eine praktisch ebensolche Erwärmungsgeschwindigkeit wie bei den geschmolzenen Salzen zu erreichen. Die Anwendung der in den genannten Wannenöfen bestehenden Elektrodenkonstruktionen gestattet es nicht, dieses Problem voll zu lösen·

Um ein intensives Vermischen des flüssigen Wärmeträgers und eine gleichmäßige Verteilung der Temperatur über das ganze Of«n-

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volumen zu schaffen, muß man die Richtungen der konvektivan und der elektromagnetischen Flüsse vereinigen· Dies kann dadurch, erzlolt werden, daß der Bereich der Enwicklung der maximalen Wärmemenge sich am Boden befindet·

Dies wird dadurch erreicht, daß die Elektroden abgebogene flache Abschnitte aufweisen, die parallel zur Bodenfläche des Tiegels angeordnet sind. Hierbei kann der Abstand zwischen den Elektroden und den genannten Abschnitten In den Grenzen von 15-40 mm schwanken. Das hängt damit zusammen, daß ein Abstand, der den angegebenen unterschreitet, zu einem schnellen Verschleiß der Elektroden führt, während ein Abstand, welcher den angegebenen überschreitet, ein unzureichendes Vermischen der Schmelze ver ursacht.

Es 1st am zweckmäßigsten, daß im Ofenkörper mindestens eine Elektrodengruppe angeordnet ist, die aus drei in einer Vertikalebene parallel zueinander angeordneten Elektroden besteht, wobei der abgebogene Abschnitt der mittleren Elektrode U-förmig ausgebildet ist.

In den öfen des vorgeschlagenen Typs können in Abhängigkeit von dem Ofenlnhalt eine oder als Minimum mehrere Elektrodengruppe angeordnet werden. Eine Elektrodengruppe soll aus drei Elektroden bestehen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß angestrebt wird, <^as von den Elektroden eingenommene Volumen zu verringern und den Nutzinhalt des Ofens hierdurch zu vergrößern. Dabei besitzt die mittlere Elektrode einen U-förmlgen.Abschnitt, wodurch es möglich

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wird, die sich zwischen den Elektroden (odor deren Abschnitten) entwickelnde Wärmemenge gleichmäßig über das ganze Volumen der Schmelze zu verteilen· _Λ ■

Außerdem steigt die Schmelze, indem sie sich im Zwischenelektrodenraum erwärmt, vom Boden her nach oben auf. Eine ebensolche Richtung haben die elektromagnetischen Kräfte, weshalb die Intensität des Vermlscheaa wesentlich zunimmt.

Die Stromdichte in solchen Elektroden übersteigt nicht 20 A/cm².

Der Nachteil eines Ofens mit vollständig wassergekühltem Körper liegt in einem großen V/asser- und Elektroener^verbrauch (im Vergleich mit dem Elektroenergieverbrauch in Wannenofen für geschmolzene Salze).

Durch Ausnutzung der positiven Eigenschaften der geschmolzenen Schlacken (oder dergleichen), die sich darin zeigen, daß sie mit dem in die Schmelze gänzlich eingetauchten Metall nicht in Reaktion treten und eine Schutzschicht an den gekühlten Elementen bilden, kann man den Wasser- und den Elektroenergieverbrauch auf einen ebensolchen V/ert herabsetzen wie bei den Elektroden-Wannenöfen des bestehenden Typs.

* Dies wird durch die erfindungsgemäße Ofenkonstruktion erreicht. Dieser Ofen besitzt einen inneren Tiegel, dessen obere Kante unterhalb des Niveaus des flüssigen wärmetragers (der geschmolzenen Schlacke) liegt.

Um den Tiegel herum ist ein Metallkörper vorhanden. Zwischen

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dem inneren Tiegel und dem Körper des Wannenofens wird ein Zwischenraum belassen. Dieser Zwischenraum wird mit demselben wärmeträger ausgefüllt, welcher im Tiegel geschmolzen wird· Auf diese Welse ist der innere Tiegel von außen und innen her mit der geschmolzenen Schlacke geschützt.

Der zwischen den Wanden von Tiegel und Ofenkörper befindliche flüssige Wärmeträger (die Schlacke) wird auf die Temperatur der Wanne dicht an der Tiegelwand erwärmt. Je nach der Entfernung von der Tiegelwand zum Cfenkörper ändert der Wärmeträger schroff sein Wärmeleitvermögen· Dicht an der Wand des mittels einer Rohrschlange gekühlten Körpers befindet sich der flüssige Wärmeträger im nicht geschmolzenen Zustand· Auf diese Weise schützt der zwischen den Wänden befindliche flüssige wärmeträger nicht nur die Tiegelwände vor Oxydation, sondern dient auch als V/ärme Is oller uns d.h. er- erfüllt die Punktion des Futters. Außerhalb des Körpers eines solchen Ofen ist ein Ofengehäuse vorhanden. Im Unterschied zu den verwendeten öfen, bei welchen die Gehäuse temperatur 70-10O⁰C beträgt, übersteigt die Temperatur des Gehäuses eines solchen Ofens nicht 2O-35°C.

Der Elektroenergieverbrauch 1st in diesem Ofen praktisch derselbe wie bei den vorhandenen Elektrodenöfen, und der Wasserverbrauch beträgt 3 m/h bei einer Temperatur von 110O⁰C und einem Volumen der geschmolzenen Schlacke von 90 1· Es 1st .vorteilhaft, wenn die Kühlung des

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Körpers mit Hilfe einer Rohrschlange, die den Körper von außen her umgibt, zustandekommt·

Der Y/asser- und ElektroenerglevertFaucJi In dem. erfindungsgemäßen Ofen nimmt zwar bei Verwendung eines Tiegels, der in den Körper des Ofens eingesetzt ist und einen Zwischenraum mit dessen V,^Tänden und Boden bildet, ab, ist jedoch Im Vergleich mit den öfen fur Salzschmelzen groß. Um den V/asser- und den Elektroenergieverbrauch des erfindungsgemäßen Ofens auf dieselben Werte zu bringen, wie sie die zur Zelt vorhandenen Öfen für Salzschmelzen haben, sowie zur Vereinfachung der Konstruktion des Körpers ist es notwendig, die Kühlung des Ofenkörpers vermittels einer Rohrschlange zustandezubringen, die sich auf der Außenfläche des Körpers befindet,

' Am wirtschaftlichsten und technologiegerechtesten wird zur Kühlung der Elemente des erfindungsgemäßen Ofens Wasser benutzt. Beim Bau der vorgeschlagenen öfen, die eine Breite und eine Tiefe von höchstens 2^0 mm haben, und zur maximalen Ausnutzung des Ofeninhalts werden zweckmäßigerweise Elektroden in Gestalt von Platten verwendet, die parallel zueinander und zu einer der Seltenwände des Körpers angeordnet sind, wobei eine dem Ofenraum zugekehrte Platte Durchgangsbohrungen zur Zirkulation des flüssigen Warmeträgers aufweist, um dessen Vermischung herbeizuführen

• Die geschmolzene Schlacke _% die sich, im Zwlschenelektrodenraii erwärmt, wird durch die Bohrungen gedrückt und erzeugt ein Vermischen der Schmelze,

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Eine solche Bauart der Elektroden erzeugt ein besseres Vermischen als bet zylindrischem

Schließlich': Ist es.-höchst praktisch und technologiegerecht, alle Elemente des Ofens, welche/- längs der Trennungslinie Wärmeträger-Luft liegen, gekühlt auszuführen.

Metallische Elemente des Ofens, die einen in den geschmolzenen Wärmeträger teilweise eingetauchten Teil aufweisen, worden in der Tauchzone nicht oxydiert, während der Teil dieser Elemente; der sich über der Schmelze befindet, iaufudle Temperatur derselben erwärmt und oxydiert wird.

Die flüssigen Wärmetrager zum oxydationsfreien Erwärmen, beispielsweise auf Basis von Borsaureanijycuria, iösen aktiv die Elsen- und Chromoxyde auf, die in die Schmelze übergehen, und deswegen wird eine Zerstörung dieser Elemente in der Trennungszone flüssiger Wärmeträger-IiUft vor sich gehen.

Um dem vorzubeugen, ist es notwendig, denjenigen Teil der Elektroden und des Bezugs des Thermoelementpaars, der sich über dem Niveau der Schmelze befindet, gekühlt auszuführen. Dann wird es zu keiner Erwärmung dieser Elemente kommen, und diese werden folglich nicht oxydiert. Außerdem bildet sich um das gekühlte Element eine Schutzschicht aus, die es vor Berührung mit der Schmelze Isoliert.

Für öfen, die über eingesetzten Tiegel und gekühlten Körper verfugen, ist es notwendig, einen Bund herzustellen, der am ganza Umfang der Schmelze gekühlt wird. Der genannte Bund wird es go-

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statten, das Niveau der Schmelze über den eingesetzten Tlefeel zu heben, wobei er über dem Tiegel so angeordnet werden soll, daß zwischen seiner unteren Xante und der oberen Kante des Tiegels ein Spalt vorhanden --ist.. Dieser Spalt 1st deshalb erforderlich, well sich der Tiegel während der Erwärmung des Wärmeträgers auf dieselbe Temperatur erhitzt und sich hierbei ausdehnt. Darum soll die Größe des Spalts die Ausdehnungsgröße des Tiegels höchstens um 2-10 mm überschreiten· Wenn, die Spaltgröße die genannten Abmessungen übertrifft^" ". .· wird die Schmelze aus dem Tiegel in den Raum zwischen den Wänden übergehen und die Kühlung dos Körpers in dessen Oberteil verschlechtern.

Des weiteren wurde festgestellt, daß als Wärmeträger zweckmäßig-' * Glas, beispielsweise Borat-Hatrium-Glas verwendet wird·

Im folgenden wird die . ' -"^;-- Erfindung durch eingehende

Beschreibung eines ^v *' ⁴ ·-: AusführungsbelspleIs und

beigelegte Zeichnungen erläutert; in den Zeichnungen zeigti

Pig. ι - Gesamtansicht des erfindungsgemäßen Ofens zum oxydationsfreien Erwärmen von Metallteilen, in der Axonometrie, tellweiser Schnitt;

Flg. 2 - Gesamtansicht des Ofens gemäß der Erfindung, der mit Elektroden in Gestalt von Platten ausgerüstet ist, in der Axonometrie, teilweiser Schnitt;

Flg. 3 - Gesamtansicht des Ofens, zusammengebaut mit der oberen Platte und dem Untergestell· , Seitenansicht teilweise

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aufgebrochen;

Fig. 4. _ schematische Darstellung eines Verteilers, der den

Wasserverbrauch im Ofen regelt.

Der Ofen zum oxydationsfreien Erwärmen von Metallteilen Im flüssigen Wärmeträger besteht aus einem gekühlten metallischen Körper 1 (Flg. Ό, der aus niedriggekohltem Stahl hergestellt ist

Im Körper 1 des Ofens wird eine Elektrodengruppe befestigt, die aus drei Elektroden 2 besteht· Die Elektroden 2 sind In &lchtung ihrer Kauptlänge zum Boden hin befestigt, und jede der Elektroden weist einen abgebogenen flachen Abschnitt 3 auf, der parallel zum Körperboden angeordnet 1st, wobei der zum Boden parallele Abschnitt 4 der mittleren Elektrode 2 U-förmig- ausgebildet ist, In das O£engehäuse 1 1st ein geschweißter Metalltiegel 3 eingesetzt, der aus niedriggekohltem oder hitzebeständigem Stahl gefertigt ist und in dessen Innerem der Ofenraum eingeschlossen ist. Zwischen dem Ofenkörper 1 und dem Tiegel 5 ist ein Zwischenraum 6 vorhanden, welcher mit dem Warmeträger ausgefüllt wird, der während des Arbeltsablaufs schmilzt und die Außenfläche des Tiegels vor Oxydation schützt· Die obere Kante 7 des Tiegels 5 befindet sich wghrend der Arbelt im geschmolzenen Wärmeträger, well der Tiegel vollständig In diesen eingetaucht 1st. Ein solcher geschweißter Tiegel 5 wird bei einer teilweisen Kühlung des Ofenkörpers 1 verwendet. Bei der teilweisen Kühlung des Ofenkörpers 1 wird dessen Außenfläche mittels einer Rohrschlange gekühlt· Die Kühlung des Ofenkörpers wie auch anderer

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gekühlter Elemente wird am rationellsten iait Wasser vorgenommen·

Beim Bau von öfen mit einer Ofenraumbreite bis zu 25O mm und mit einer ebensolchen Tiefe kann man Plattenelektroden 9 (Flg. 2) verwenden· Diese Elektroden 9 werden aus Platten hergestellt und parallel zueinander und zu einer der Y/ände des Kofcpezi 1 angeordnet· Hierbei weist die Elektrode 9» die dem üfenraum zugewandt ist, Bohrungen 10 auf, die eine Zirkulation des wärmeträgers erzeugen» Als flüssiger Wärmeträger kommt ein Borat-lTatrium-wärmeträger zur Verwendung, der im E.O.Paton-Instltut für Elektroschwelßung der Ak. d.Wlss· der USSR entwickelt wurde.

Damit keine Erwärmung und ^uxydatlon der an der Trennungslinie geschmolzener Wärmeträger- Luft befindlichen Elemente des Ofens stattfindet, sind die gekühlt ausgeführt. Dies kommt mittels eines gekühlten Bundes 11 zustande, der sich über der oberen Kante 7 des-Tiegels befindet· Der Bund 11 schützt auch die V/ände des Ofenkörpers 1 vor geschmolzenem V/ärmeträger und vor dessen Gelangen In den Zwischenraum 6 zwischen dem Körper und dem Tiegel 5· An die Elektroden 9 sind In deren oberem Teil Rohre 12 runden oder kastenförmigen Querschnitts zur Kühlung der Elektroden 9 herangeführt·

Der gekühlte Bund wird an einer oberen Platte 13 befestigt die auf den Ofenkörper 1 aufgesetzt ist. Der'eigentliche üfenkorper bei dessen teilweiser Kühlung besteht aus einzelnen Wanden und Boden, die unter einander und mit dom Boden vermit·*·

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tels Schraubenbolzen 14 (Pig· 3) verbunden sind. Zur Bildung des Zwischenraumes 6 zwischen den Boden von Tiegel 5 und. Körper 1 sind Untersätze 15 vorhanden, Der zusammengebaute Ofenkörper 1 wird auf einem Untergestell 16 aufgesetzt, dAs an zv.el Selten durch Schilde 17 abgedeckt .lsi'., welche Verzierungsjalousie 18 aufweisen· Der ganze Ofenkörper 1 1st von einem metallischen Gehäuse 19 umschlossen. Die Elektroden 9 des Ofens haben Klemmenleisten 20, an die (nicht dargestellte) Stromzuführungen von elm: (in der Pig. nicht abgebildeten) Speisungsquelle angeschlossen werden.

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Um die Elektroden 9 vor Kurzschluß durch gefallene Werkstücke zu schützen, ist über ihnen ein metallisches Schutzgitter 21 angebracht, das auf Stützen 22 befestigt 1st, welche sich gegen den Boden 23 des Tiegels 5 abstützen. ^um die Außenstehender vor wärmestrahlung des Spiegels der Schmelze zu bewahren, ist ein Deckel 24 vorgesehen, der mit Hiljge von Auflagen 25 und eines Schraubenbolzens 26 an der oberen Platte 13 befestigt wird. Eine Achse 27 und ein Kragstück 28, die mittels Schrauben 29 an dem Deckel 24 befestigt sind, gestatten es dem letzteren, eine horizontale oder vertikale Lage einzunehmen. Pur die Kühlung des Deckels 24 sorgt ein flexibler Gummischlauch 30, dar an einen Stutzen 31 angeschlossen ist. Zum Ausgleich- des Ofendeckels 24 sind Gegengewichte 32 vorhanden, die symmetrisch an dessen Bändern angeordnet sind. Die anfängliche Schmelzung des wärmeträgers erfolgt durch eine Spirale 33» die aus einer hltzefester

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Widerstandslegierung gefertigt und an zwei Stromzuführungen 34 angeschweißt ist, welche mittels Schraubenbolzen 35 an die Klemmenleisten 20 der äußeren Elektroden 9 befestigt worden. Zur Fixierung dieser Stromzuführungen 34 i& einer genau bestimmten Lage-,1st eine spezielle Leiste 36 vorgesehen, an die zwei metal-'llsche Handgriffe 37 befestigt sind, die zum bequemon Anbringen und Herausnehmen der Spirale 33 dienen. Auf der Oberfläche dor oberen Platte 13 ist eine Leiste befestigt, die eine Platte und die erwärmten Teile (Werkstücke) vom Ofenkörper 1 isoliert. Zum Ablauf des flüssigen wärmeträgors aus dem Tiegel 2 des Ofens 1st ein Stich-Loch 38 vorgesehen, das mit Hilfe eines Stopfens 39 und eines Hebelsystems 40 dessen Ausfließen während des Arbeltsablaufs verhindert. Man gießt den flüssigen wärmeträger m eine gekühlte Kokille 41 ab, die sich unter dem Ofenboden befindet und leicht von dort herausgerollt wird. Hinter, dem Cfenkörper 1 wird an einem speaiellen Ständer 42 (Flg. 4) ein Verteiler 43 befestigt, der es gestattet, Wasser auf alle gekühlten Elemente des Ofens zu verteilen und mit Hilfe von Ventilen 44, 45 über Stutzen 46 die Menge des Durchflusses desselben in eine Abflußrinne 47 zu regeln,,die mit Hilfe eines Röhrstutzens 48 an ein Abflußrohr angeschlossen ist. Zur Koiitiulle der Kühlwasser tempera tür sind am Ausgang Thermorelais 49 angebracht, welche tillß Temperaturerhöhung über den vorgegebenen Wert signalisieren. Beim Anschließen des Verteilers 43 an das Wasserleitungsnetz wird ein Durchflußrelais angebracht, das die Abschaltung der Spelsungs-

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quelle bewerkstelligt, wenn der Druck In der V/asser leitung unterhalb des erforderlichen liest·

Montage des Ofens und dessen Vorbereitung zur Arbeit.

1. Der Ofen wird ar\- einen gewählten Ort aufgestellt.

Die Elektroden 2 und 9 werden abgenommen, die Schraubenbolzen 14, die die obere Platte 13 und den Deckel 24 am Ofenkörper festhaltet werden herausgedreht und abgenommen· In den Zwischenraum 6 zwlsehen Körper 1 und Tiegel 5 des Ofens wird ein felnzerkielnerter Wärmeträger eingeschüttet und verdichtet.

2. Der Verteiler 43 wird hinter dem OfenkÖrper 1 aufgestellt. Er wird an das Wasserleitungsnetz und eine Abflußleitung angeschlossen. Mit Hilfe von Gummischläüühen.werden mit ihm die gekühlten Elemente des Ofens verbunden.

3. Die Platte 13, die Elektroden 2, 9 und der Deckel 24 werden wieder an ihre Stelle angeordnet und ihnen die Wasserkühlung zugeführt. Die Spelsungsquelle wird an die Klenimenlelster 20 der Elektroden 9 angeschlossen. Das Anschließen wird am zweckmäßigsten mit Hilfe von wassergekühlten Kabeln vorgenommen, was es gestattet, die Spelsungsquelle von dem Ofen selbst zu entfernen.. Außerdem 1st diese Anschlußart im Vergleich zu Schienen zuverlässiger im Betrieb.

4. Das Schutzgitter 21 wird wieder eingebaut. Die HHfssplrale 33 wird in den Tiegel 5 des Ofens eingesetzt und an die Klemmenleisten 20 der äußeren Elektroden 9 angeschlossen. Das Stichloch wird mit dem Stopfen 39 verschlossen und mittels des

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Hebelsystems 40 fixiert. Nach all diesen Arbeitsoperationen ist der Ofen betriebsbereit.

5. Ist der Ofenkörper 1 vollkommen wassergekühlt, so entfallen die Arbeltsoperationen gemäß den Punkten 1 u. 3. Anfahren des Ofens- und Ofenbetrieb

1. Vor dem Anfahren des Ofens ist zu prüfen, ob die Elektroden 2, 9 richtig angeordnet sind, Sie sollen derart angebracht sein, daß der Abstand zwischen ihren zum Boden 23 paralIe* len Abschnitten 3, 4- In den Grenzen von 15-50 mm (in Abhängigkeit von der Kennlinie der Speisungsquelle ) liegt.

2. Es wird die Tätigkeit des Durchflußrelals geprüft - bei dem eingeschalteten Wasserleitungsnetz soll sich die Speisungsquelle nicht einschalten. Auch wird der erforderliche Wasserverbrauch in allen gekühlten Elementen geregelt.

3. Der wärmeträger wird In den Tiegel 5 so eingeschüttet, daß er die Spirale 33 vollkommen bedeckt. Die Spelsungsquelle wird eingeschaltet. Je nach dem Erhitzen der Spirale 33 schmilzt der Wärmeträger auf und fließt zum Boden 23 des Tiegels 5 herab, wobei er dort em kleines Volumen bildet. Mit dem fortschreitenden Schmelzen des wärmeträgers nimmt dieses Volumen ständig zu, wobei es die dem Boden parallelen Abschnitte 3» 4· der Elektroden 2, 9 durchwar/u und diese miteinander /schließt, wobei ein elek-

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trlscher Lichtbogen entsteht. Das Niveau desSschmolzenen V/ärraeträgers wird bis auf die obere Fläche des Gitters 21 gebracht.

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Hierbei ist darauf zu achten, daß die Spirale 33 stets mit Harme träger bedeckt ist. Daraufhin wird dia Hilfsspirale 33 aus dem Tiegel 5 entfernt, wozu man für die Zelt des Herausziehens die Speisungsquelle abschaltet. Nach dieser Arbeltsoperation wird diese wieder eingeschaltet und der Wärmeträger hinzugesetzt. Das Niveau des flüssigen wärmeträgers kann bis an.: die obere Platte 13 und mindestens an: die untere Kante des wassergekühlten Bundes 11 gebracht werden. Je nach Durchwärmen der Wände des Tiegels 5 des Ofens schmilzt der wärmeträger, der sich im Zwischenraum 6 zwischen diesen wänden und dem Körper 1 befindet, auf und schützt sie vor Oxydation. An den Wänden des Körpers 1 befindet sich aer wärmeträger im flüssigen Zustand, d.h. die Temperatur des Wärmeträgers im Zwischenraum 6 besitzt ein größeres Gefälle· Dies setzt beträchtlich dessen Wärmeleitfähigkeit herab und er erfüllt somit die Punktion einer V/arme isolierung.

4. Nach Erreichen ·. " φ,οςι geschmolzenen wärmeträger^ Ines erforderlichen Niveaus/und der geforderten Temperatur ist der Ofen betriebsbereit. Die Messung der Temperatur des geschmolzener Wärme trägers wird mittels eines Chromel-Alumel-Thermopaars und Ihre Regelung mittels · herkömmlicher Geräte zur wärmetechnischen überwachung vorgenommen.

5. Zum Abgießen des Wärmeträgers in die Kokille 4-1, wird die letztere unter dem Ofen hervorgeschoben. Dann wird der Stopfen 39 des Stichlochs 38 geöffnet. Wenn der Warme tr ag er aus

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dem Stichloch 38 nicht herausfließt, so muß dle.\sich Ln diesem gebildete . Eru steinschicht zerstört werden·

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Claims (2)

Ergänzungsblatt zur Offenlegungsschrift 23 39 233 r* ι ♦ 20. Februar 1975 Offenlegungstag: IntCL: F27B 14-00 Deutsche Kl.: - 28 - PATENTANSPRÜCHE

1. Ofen zum oxydatlonsfrelen Erwärmen von LIetalltellon in flüssigem War ma trager, dadurch gekennzelchnet ,daß er einen zwangsläufig gekühlten Körper (1) enthält, In den unter Bildung eines mit flüssigem V/ärme träger auszufüllenden Zwischenraums (6) ein metallischer Tiegel (5) zum Schmelzen -des 7/ärmeträgers mit auf seiner Hauptlange In Richtung zum Boden des Tiegels (5) hin befestigten Elektroden (2) eingesetzt ist, von denen jede an Ihrem Ende einen abgebogenen flachen Abschnitt O) aufweist, der parallel zur Bodenfläche des Tiegels (5) gele jen 1st, damit zwischen diesen Abschnitten die größte Wärmemenge entwickelt wird und die Richtungen der konvektlven und der elektromagnetischen Flüsse des flüssigen Warmeträgers vereinigt werden, wobei ein intensives Vermischen des flüssigen Y/äraeträgo: und eine gleichmäßige wärmevertellung über dessen gesamtes Volumen erzeugt werden.

2. Ofen nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet ,daß er mindestens eine Elektrodengruppe enthält dio aus drei in einer Vertikalebene parallel zueinander angeordneten Elektroden (2) besteht, wobei der abgebogene Abschnitt (4) der Elektrode (2), die sich zwischen zwei anderen Elektroden, befindet*, U-förmig ausgebildet ist,

3>. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ,daß die Elektroden Platten (9) darstellen, die

BAD

Ergänzungsblatt zur Offenlegungsschrift 23 39 233

Offenlegungstag: 20. Februar 1975

Int. CL: P27B H-OO Deutsche Kl.:

- 29 -

im Tiegel (5) parallel zueinander und zu einer der Seltenwändo desselben mit einer Versetzung In bezug auf diese Seitenwand zur BlldungeinesQfenraiuies und mit Zwischenräumen zwischen den Platten und der Seltenwand angeordnet smd_t wobei dl« dem Ofenraum zugewandte Platte (9) Durchgangsbohrungen (10) zur Zirkulation des flüssigen Wärmeträgers aufweist.

4·· Ofen nach Anspruch 1, dadurch £ e k e n η ^zeichnet ,daß er eine Rohrschlange (8) zum Durchfließen eines Kühlmittels enthält, welche den Körper (Ό

an dessen Außenflächen umgibt.

ORIGINAL INSPECTEÖ