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" Direkt beheizbarer Tiegel für Heißextraktions-
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anlagen Die Erfindung bezieht sich auf einen direkt beheizbaren Tiegel,
insbesondere aus Grafit, für Heißextraktionsanlagen mit Einspannelektroden für die
Durchleitung eines Stromes durch den Tiegel, der aus einem napfartigen oberen Teil
mit einem Tiegelboden besteht und eine untere Kontakt- und Aufstellfläche aufweist.
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Derartige Tiegel und ihr Einsatzgebiet sind in der DE-AS 20 02 526
beschrieben. Soweit dort Tiegel mit einem H-förmigen Querschnitt offenbart sind,
d.h. Tiegel mit einem hohlzylindrischen Mantel
und einem ebenen
Tiegelboden, befindet sich das Temperaturmaximum im zylindrischen Mantel, worauf
in der genannten Schrift auch besonders hingewiesen wird. Durch den Tiegelboden
selbst fließt unmittelbar kein Strom, so daß der Tiegelboden nur durch Sbertragung
beheizt wird. Die zunächst feste Probe entzieht dem Tiegel boden jedoch beim Aufschmelzen
eine beträchtliche Menge an Schmelzwärme, so daß im Tiegelboden eine höchst unerwünschte
Temperatursenke entsteht. Außerdem unterliegen die rinoförmigen Kontaktflächen des
Tiegels einer hohen Strombelastung, die dann sogar noch verstärkt wird, wenn - wie
vorgeschlagen -die Außenflächen des Tiegels konisch abgedreht werden.
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Hierdurch werden die Maxima von Stromfluß und Erwärmung an die Tiegel
enden bzw. in die Kontaktflächen verlegt, was zu einer Überhitzung des Tiegels aber
auch zu einer Schädigung der Einspannkontakte für den Tiegel führt.
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In der gleichen DE-AS 20 02 526 wird außerdem ein Tiegel der eingangs
angegebenen Art als ungeeignet beschrieDen, beim dem die untere Kontaktfläche im
wesentlichen der Projektionsfläche des napfartigen Teils auf eine durch die Kontaktfläche
gelegte Ebene entspricht und bei dem der elektrisch leitfähige Tiegelquerschnitt
zwischen der unteren Kontaktfläche und dem napfartigen Teil durch eine sich von
außen nach innen erstreckende Ringnut im Querschnitt vermindert ist. Die Innenfiäche
des Tiegel bodens ist jedoch eben, und die Ringnut hat einen etwa quadratischen
Querschnitt, wobei die obere Ringfläche der Ringnut parallel zur Innenfläche des
Tiegelbodens verläuft. Bei einer derartigen
Tiegelkonstruktion wurde
ein einseitiges Anhängen der geschmolzenen Probe an den Tiegelmantel beobachtet,
was entweder die Ursache und/oder die Folge einer asymmetrischen Stromverteilung
im Tiegelmantel ist. In jedem Falle erfolgt kein wesentlicher Stromfluß im Gesamtquerschnitt
des Tiegelbodens, so daß auch dort eine Temperatursenke auftritt, welche vermutlich
die Ursache für das Anhangen der flüssigen Probe an dem Tiegelmantel ist.
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~n hat auch schon versucht, die Wärmeprobleme bzw. die Wärmeverteilung
innerhalb des Tiegels dadurch in den Griff zu bekommen, daß man die Außenfläche
des Tiegels im unteren Drittel bis auf einen massiven Kegelstumpf abgedreht hat,
dessen kleinere Fläche nach unten gerichtet ist und die Kontaktfläche bildet. Das
Aussehen eines solchen Tiegels ist in Figur 1 dargestellt. Hierdurch konnte zwar
- -4ärmeverteiiung innernalb des Tiegels wesentlich verbessert werden, wobei zu
berücksichtigen ist, daß Maximaltemperaturen von etwa 3000 °C benötigt werden. Allerdings
wurde an der engsten Stelle des Tiegels , deren Querschnitt mit der Kontaktfläche
zusammenfällt, eine beträchtliche Energieanhäufung festgestellt, d-ie zu einer Schädigung
des Tiegels, vor allem aber zu einem Verbrennen des aus Kupfer bestehenden Kontakts
führte. Ein Schutz des Kupferkontakts durch ein aufgelötetes Wolframplättchen hat
gleichfalls nicht zum Erfolg gefuhrt: Das Wolframplattchen lötete aus, das Lot begann
zu kriechen und kontaktierte den Tiegel.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Tiegel der eingangs
beschriebenen Gattung dahingehend zu verbessern, daß die Wärmeverteilung in allen
von der Probe berührten Wandflächen vergleichmäßigt und gleichzeitig die thermische
Belastung an den Kontaktflächen spürbar verringert wird.
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Nie Lösung der gestellten Aufgabe erfolgt bei dem eingangs beschriebenen
Tiegel erfindungsgemäß durch die Kombination folgender Merkmale: a) die Innenfläche
des Tiegel bodens hat einen zur Tiegelachse (A-A) hin fallenden Verlauf, b) die
untere Kontaktfläche entspricht im wesentlichen der Projektionsfläche des napfartigen
Teils auf eine durch die Kontaktfläche gelegte Ebene, c) der elektrisch leitfähige
Tiegel querschnitt ist zwischen der unteren Kontaktfläche und dem napfartigen Teil
durch eine sich von augen nach innen erstreckende Ringnut im Querschnitt us mindestens
20 Z, vorzugsweise um mindestens 40 % vernindert, und d) die durch die Ringnut nach
unten hin gebildete Außenfläche des Tiegelbodens hat einen Verlauf, der demjenigen
der Innenfläche des Tiegel bodens geometrisch ähnlich ist.
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Durch das Merkmal a) wird die geschmolzene Probe in die Mitte des
Tiegels gedrängt; einer Kriechwirkung in Richtung auf den Tiegelmantel wird also
weitgehend entgegengewirkt. Dadurch
erzeugt die geschmolzene Probe
keinen einseitigen Kurzschluß im Bereich des Tiegelmantels, so daß eine homogene
Wärmeverteilung erhalten bleibt.
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Durch das Merkmal b) wird der Strom auf eine große Kontaktfläche verteilt,
so daß die Stromdichte merklich unterhalb 40 A/mm2 gehalten werden kann. Hierdurch
werden Tiegel und dessen metallischer Gegenkontakt erheblich geschont.
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Durch das Merkmal c) wird das Temperaturmaximum von der Kontaktfläche
weg nach oben verlagert, und zwar in den Bereich des Grundes der Ringnut.
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Durch das Merkmal d) wird ein Stromfluß erzwungen, der, ausgehenden
von dem Restquerschnitt innerhalb der Ringnut, dem "Verlauf des Tiegelbodens im
wesentlichen folgt und dadurch ne beträchtliche Aufheizung des Tiegel bodens erzwingt.
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Diese Maßnahme wird noch dadurch begünstigt, daß, gemäß einem besonders
bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung, ser Durchmesser der Ringnut am Nutengrund
kleiner ist als der innendurchmesser des napfartigen Teils. Es ist aber besonders
vorteilhaft, wenn der Durchmesser des Nutengrundes sich zum Innendurchmesser des
napfartigen Teils wie etwa 1 : 2 verhält.
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Hierdurch erhält der Tiegel einen Querschnitt in Form einer "Biertulpe"
mit extrem gedrungenem Stiel, und es ist ersichtlich, daß der Stromfluß nicht nur
durch den Tiegelmantel, sondern auch durch den Tiegel boden erfolgt.
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Die Temperaturgleichförmigkeit erreicht dabei ein Maximum, wenn die
für den Stromfluß vorhandenen Querschnitte im Tiegel-
mantel und
im Tiegelboden außerhalb des Restquerschnitts innerhalb des Nutengrundes in etwa
gleich sind.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes ergeben
sich aus den übrigen Unteransprüchen.
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Der Stand der Technik einerseits und ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
andererseits werden nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 4 näher beschrieben.
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Es zeigen: Figur 1 einen Axialschnitt durch einen herkömmlichen Tiegel
mit verjüngtem Fuß bzw. kleiner Kontaktfl äche, Figur 2 in verkleinertem Maßstab
einen Axialschnitt durch eine Einspannelektrode für den Tiegel gemäß Figur 1, Figur
3 einen Axialschnitt durch einen erfindungsgemäßen Tiegel und Figur 4 in verkleinertem
Maßstab einen Axialschnitt durch eine Einspannelektrode für den Tiegel gemäß Figur
3.
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In Figur 1 ist ein Tiegel 1 dargestellt, der einen Tiegelmantel 2
und einen Tiegelboden 3 besitzt, die gemeinsam einen oberen napfartigen Teil 4 bilden.
Der Tiegelboden 3
geht in einen massiven, kegelstumpfförmigen Fuß
5 über, der an seiner Unterseite eine Kontaktfläche 6 besitzt, die gleichzeitig
die Aufstellfläcne für den Tiegel ist. Es ist erkennbar, daß die untere Kontaktfläche
6 merklich kleiner ist als die Projektionsfläche des napfartigen Teils 4 auf eine
durch die Kontaktfläche 6 gelegte Ebene und auch merklich kleiner als der Querschnitt
im Bereich des Tiegelmantels 2. Auf diese Weise wird zwar der Tiegel boden 3 zumindest
im Bereich an der Obergangsstelle in den Tiegelmantel 2 stärker beheizt, allein,
die hohe Energiekon-: tration im im Bereich der Kontaktfläche 5 führt zu einer raschen
Zerstörung des Tiegels und auch der unteren Einspannelektrode, die in Figur 2 dargestellt
ist.
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Figur 2 zeigt eine solche Einspannelektrode 7, die aus einem Teller
8 mit einem Anschlußgewinde 9 und einer hohl kegelförmigen Ausnehmung 10 besteht,
die für die Aufnahme des Fusses 5 vorgesehen ist. Der Teller 8 ist in der Nähe seines
äußeren Umfangs von einem Kragen 11 umgeben.
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In Figur 3 ist ein erfindungsgemäßer Tiegel 21 dargestellt, der einen
Tiegelmantel 22 und einen Tiegel boden 23 aufweist, die zusammen einen oberen napfartigen
Teil 24 bilden. Der Tiegel boden 23 geht in einen Fuß 25 über, dessen Unterseite
eine Kontaktfläche 26 bildet. Es ist zu erkennen, daß die Kontaktfläche 26 einen
Querschnitt hat, der gleich dem Querschnitt der Projektionsfläche des napfartigen
Teils 24 auf eine durch die Kontaktfläche 26 gelegte Ebene ist. Die Kontaktfläche
26 kommt gegen eine Einspannelektrode 27 zur Anlage, die in verkleinertem Maßstab
in Figur 4 dargestellt ist.
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Figur 4 zeigt die Einspannelektrode 27, die aus einem Teller 28, einem
Anschlußgewinde 29, einer Ausnehmung 30 und einem Kragen 31 besteht, der die Ausnehmung
30 umschließt. In die Ausnehmung 30 ist der Fuß 25 des Tiegels 21 unter flächiger
Anlage einsetzbar.
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Der Tiegelboden 23 in Figur 3 besitzt eine Innenfläche 32, die einen
in Richtung auf die Tiegelachse A - A fallenden Verlauf hat, d.h. die Innenfläche
wird durch eine Kegelfläche gebildet, deren Spitze mit der Tiegel achse A - A zusammenfällt.
Im vorliegenden Fall beträgt der Uffnungswinkel des Kegels 120 Grad, jedoch sind
Abweichungen nach oben und unten innerhalb eines in Anspruch 2 angegebenen Bereichs
nicht kritisch.
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Figur 3 ist weiterhin zu entnehmen, daß der elektrisch leitfähige
Tiegelquerschnitt zwischen der unteren Kontaktfläche 26 und dem napfartigen Teil
24 durch eine sich von außen nach innen erstreckende Ringnut 33 im Querschnitt merklich
vermindert ist. Die Querschittverminderung beträgt im vorliegenden Fall 85 % und
ist nach oben hin nur durch die mechanische Festigkeit des Tiegels einerseits und
die maximal zulässige Temperatur an der Verengungsstelle andererseits begrenzt.
Man hat es durch unterschiedliche Einstechtiefen der Ringnut 33 bei der Herstellung
des Tiegels in der Hand, die Wärmeverteilung in weiten Grenzen zu beeinflussen und
insbesondere zu optimieren.
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Die Ringnut 33 hat einen V-förmigen Querschnitt mit einem Nutengrund
34, wobei der Querschnitt symmetrisch zu einer
durch den Nutengrund
gelegten radialen Ebene verläuft.
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Der Uffnungswinkel der Ringnut beträgt im vorliegenden Fall 60 Grad,
ist jedoch innerhalb eines im Anspruch 2 angegebenen Bereichs variierbar und innerhalb
dieses Bereichs nicht besonders kritisch. Durch die Ringnut 33 wird für den Tiegelboden
23 eine nach unten gerichtete Außenfläche 35 gebildet, die gleichfalls kegelförmig
ist, wobei einander benachbarte Mantellinien der Innenfläche 32 und der Außenfläche
35 zueinander parallel verlaufen. Der Abstand der Mantellinien bzw. der kegelförmigen
7?nenfläche 32 und der gleichfalls kegelförmigen Außenfläche 35 werden dabei zweckmäßig
so gewählt, daß der Querschnitt des Tiegelbodens 23 etwa auf dem halben Radius des
Außendurchmessers des Tiegels dem Ringquerschnitt des Tiegelmantels 22 entspricht.
Die hier in Betracht kommende -erschnittsfläche des Tiegel bodens 23 verläuft innerhalb
einer Kegelfläche, die zu den Mantellinien der Innenfläche 32 und der Außenfläche
35 normal verläuft. Auf diese Weise wird eine weitgehend homogene Temperaturverteilung
erreicht.
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Figur 3 ist auch zu entnehmen, daß der Durchmesser Dn der Ringnut
33 am Nutengrund 34 kleiner ist als der Innendurchmesser De des napfartigen Teils
24. Auf diese Weise wird ein deutlich ausgebildeter Bereich des Tiegelbodens 23
gebildet, dessen vorstehend beschriebene Querschnittsfläche maßgebend für die Temperaturverteilung
ist.
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Die weiter oben beschriebene Parallelität der Mantellinien der Innenfläche
32 und der Außenfläche 35 stellt eine für die Praxis ausreichende Näherungslösung
dar. Im Ideal fall würden die Mantellinien nach außen hin in der Weise konvergieren,
daß ein konstanter Querschnitt im Tiegelboden in radialer Richtung erreicht wird.
Dies gilt jedenfalls für den stationären Temperaturzustand des Tiegels.
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Die durch die Parallelität der Mantellinien erreichte geringfügige
Energieanhäufung in der Mitte des Tiegelbodens kann andererseits durchaus förderlich
sein, um den Energieentzug durch die Schmeizwärme zu kompensieren.