DE3307889A1

DE3307889A1 - Aufhaengevorrichtung fuer elektrische heizelemente in oefen mit keramikfaserisolierung

Info

Publication number: DE3307889A1
Application number: DE19833307889
Authority: DE
Inventors: Yvan Gerard Ontario Raymond
Original assignee: Kennecott Corp
Current assignee: Kennecott Corp
Priority date: 1982-03-08
Filing date: 1983-03-05
Publication date: 1983-09-22
Also published as: GB2116409B; ZA83284B; US4418415A; JPS58160790A; AU559182B2; BR8300703A; AU1210683A; GB8305124D0; GB2116409A

Description

KENNECOTT CORPORATION

Stamford, Connecticut (V. St. A.)

Aufhängevorrichtung für elektrische Heizelemente

in Öfen mit Keramikfaserisolierung

Die Erfindung betrifft eine Aufhängevorrichtung zum Befestigen elektrischer Heizelemente in Form von Bändern, Drähten oder Schienen in Öfen, die mit Keramikfaserisolierung, wie Keramikfasermodule oder -matten, ausgerüstet sind.

Mit zunehmender Verwendung der Keramikfaserisolierung zur Energieeinsparung bei Elektroofen ist offensichtlich geworden, daß ein Bedürfnis für zuverlässige Vorrichtungen zur Befestigung elektrischer Heizelemente in Öfen mit Keramikfaserisolierung besteht. Es besteht ein Bedürfnis für Befestigungsvorrichtungen, die sowohl für Keramikfasermodule als auch eine Keramikfaserisolierung in Form von Matten, die wie Tapeten an der Ofenwand angebracht und von Bolzen gehalten werden, geeignet ist. Diese Halterungsvorrichtungen für elektrische Heizelementen in Öfen mit Keramikfaserisolierung bieten ein Problem; denn sie müssen einerseits eine ausreichende Festigkeit haben, um die elektrischen Heizelementen bei hohen Temperaturen zu halten, sollen aber andererseits nicht wesentlich Wärme auf die Ofenwand übertragen. Sie sollen die Keramikfasern nicht verformen, sich bei langfristigem Betrieb bei hohen Temperaturen nicht lockern und dürfen die Elektrizität nicht leiten. Die Aufhängevorrichtungen sollen ferner leicht reparierbar sein. Diese Probleme werden besonders schwierig bei Temperaturen oberhalb 980 ⁰C.

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In der US-Patentschrift 4 088 825 wird vorgeschlagen, Aufhängevorrichtungen für isolierende Teile durch Anker zu befestigen, die zwischen benachbarten Keramikfasermatten eingesetzt werden und die aus einem die Elektrizität nicht leitenden Werkstoff geformt sind. Eine Schwierigkeit bei diesem System besteht darin, daß seie Festigkeit auf den Keramikfasern beruht. Die Aufhängevorrichtungen können die Fasern verformen oder verziehen und dadurch Flächen bloßlegen, an denen die Wärme die Ofenwand erreichen kann. Außerdem eignet sich das System nicht für Mattenisolierung. Es erfordert auch große Keramikteile, die kostspielig sind und durch ihr Gewicht leicht die Faser verformen können.

In der US-Patentschrift 4 272 638 wird vorgeschlagen, elektrische Heizelemente mit Hilfe von Keramikteilen zu befestigen, die an der Ofenseite von Modulen angelegt und von keramischen Bolzen gehalten werden, die am Ofenmantel angebracht sind. Dieses System ist sehr kompliziert und kostspielig. Es eignet sich im allgemeinen nicht für Module, ist schwierig zu installieren und verhältnismäßig schwer, so daß es leicht zur Verformung der Fasern führt.

In der US-Patentschrift 4 154 975 wird ein System beschrieben, bei dem elektrische Heizelemente von Haken gehalten werden, die an Stangen befestigt sind, die in Modulen eingebettet sind. Dieses System ist ebenfalls sehr kostspielig, da die Halterungselemente in die Module an den gewünschten Stellen eingeformt werden müssen. Seine Festigkeit beruht auf der Strukturfestigkeit der Fasern, woraus sich bei hohen Temperaturen Schwierigkeiten ergeben können. Das System ist schwierig zu installieren und verursacht hohe Lohnkosten. Außerdem sind Aufhänger aus einer Metallegierung erforderlich, die bei hohen Temperaturen kriechen kennen.

Ein anderes System wird von der Taki Industries Co., Ltd., Japan, vorgeschlagenbei dem ein Bolzensystem mit isolierenden Keramikteilen verwendet wird, um eine elektrische Isolierung zu erreichen, und bei dem Bolzenhalterungen für Bolzen aus einer warmfesten Legierung direkt an die Ofenwand angeschweißt werden. Das System ist ebenfalls kompliziert

und übt infolge seines hohen Gewichts eine Biegewirkung auf die Bolzen aus, die die Fasern verformen können, besonders bei hohen Temperaturen.

Es besteht daher weiterhin ein Bedürfnis für ein einfaches, starkes System von hoher mechanischer Beständigkeit bei hohen Temperaturen, insbesondere bei Temperaturen oberhalb 980 ⁰C.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile bekannter Halterungsvorrichtungen für elektrische Heizelemente in Öfen mit Keramikfaserauskleidung zu beseitigen und eine einfache, leicht zu installierende Halterungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, die bei hohen Temperaturen mechanisch beständig ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Wie daraus ersichtlich, wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch langgestreckte keramische Halterungen gelöst, die mit einem Ende in am Ofenmantel befestigten Klemmen eingesetzt sind, sich durch die Keramikfaserauskleidung erstrecken und in einem Haken enden. Diese Halterungen haben im allgemeinen einen rechteckigen Querschnitt und eine größere Höhe als Breite, damit in Abwärtsrichtung eine hohe Festigkeit gewährleistet ist. Die Klemme wird durch Schweißen oder Schrauben an der Ofenwand angebracht und bietet Auflagerflächen, die Flächen an der Halterung komplementär sind und eine Abstützung für das elektrische Heizelement bilden, das von dem Ende der Halterung getragen wird. Dieses äußere Ende der Halterung weist im allgemeinen einen Haken oder ein ähnliches Formstück zum Halten des elektrischen Heizelementes auf.

An Hand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine Seitenansicht der Halterung; Fig. 2: eine Draufsicht auf die Halterung;

Fig. 3: eine Endansicht der Halterung;

Figg. 4, 5 und 6: Seiten, Drauf- und Endansichten einer Klemme zum Befestigen der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Halterung:

Fig. 7: eine perspektivische Ansicht eines Elektroofens₂ der mit Modulen isoliert werden soll und teilweise mit dem Halterungssystem gemäß der Erfindung ausgerüstet ist;

Fig. 8: eine perspektivische Ansicht eines Ofens, der mit Fasermatten isoliert und mit dem Halterungssystem gemäß der Erfindung ausgerüstet wird; sowie 15

Fig. 9: eine perspektivische Ansicht eines anderen Halterungssystems, bei dem eine einzige Klemme mehrere Halterungen hält.

Die Erfindung bietet gegenüber bekannten Systemen mehrere Vorteile. Das Halterungssystem gemäß der Erfindung bietet eine hohe mechanische Beständigkeit, da die keramischen Halterungen fest in Klemmen gehalten werden, die an dem Metallgerüst des Ofens angeschweißt oder angeschraubt sind. Zum Halten der elektrischen Heizelemente werden keine Metalle verwendet, die bei hohen Temperaturen oberhalb 980 ⁰C ihre Festigkeit verlieren und kriechen. Die Metallklemme hat die Temperatur des Ofenaußenmantels und bei dieser Temperatur eine hohe Festigkeit, selbst wenn sie aus einem preisgünstigen Werkstoff gefertigt ist. Das System kann leicht und ohne Einsatz von Fachkräften installiert werden. Falls HaI-terungen einmal zu Bruch gehen sollten, können sie leicht ausgewechselt werden. Die Halterungen sind fest eingespannt und werden nicht von dem Fasermaterial getragen, das bei hohen Temperaturen schrumpfen oder durchsacken kann. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Halterungssystem zusammen mit Modulen angewendet werden kann, die nicht von besonderer Konstruktion sind, während viele andere Hai-

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terungssysteme Module von speziellem Aufbau erfordern, wenn diese Keramikfasermodule zusammen mit elektrischen Heizelementen verwendet werden sollen. Der Einsatz solcher Module von speziellem Aufbau erhöht die Kosten, ein Umstand, der bei der Anwendung der Erfindung entfällt.

Wie in Figur 1 dargestellt, umfaßt die Halterung 10 einen Hakenteil 14, ein Mittelstück 12 und einen Befestigungsteil 16. Bei der in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Halterung weist der Hakenteil 14 eine sanfte Abschrägung 18, die weniger als ein scharfer Übergang in die Hakenform zur Rißbildung neigt, und ein zugespitztes Ende 26 auf, das ein Auflegen von Keramikfasermatten oder Modulen erleichtert. Die Höhe des Mittelstücks 12 ist größer als die Breite an der Oberseite 28. Dadurch wird die Festigkeit der Halterung gegenüber Verformung oder Bruch durch das Gewicht des Heizelementes am Hakenteil 14 erhöht. Der Befestigungsteil 16 besteht aus zwei Auflagerflächen 22, 24, die beim Einsatz an Halterungsteilen der Klemme anliegen und dem System mechanische Zuverlässigkeit und Festigkeit verleihen.

Eine für die in den Figuren 1, 2 und 3 dargestellte Halterung geeignete Klemme ist in Vorderansicht, Seitensicht und Draufsicht in den Figuren 4, 5 und 6 veranschaulicht. Diese Klemme ist aus Metall, in der Regel Stahl, geformt. Die Klemme 30 weist einen Schlitz 32 auf, durch den sich das Mittelstück der keramischen Halterung 10 erstreckt, während die Auflagerflächen 22, 24 der keramischen Halterung an den Flächen 34, 35 der Klemme anliegen. Die sich nach rückwärts erstreckenden Teile 36, 38 haben eine etwas größere Weite als die Dicke des Befestigungsteils 16 der Halterung 10, damit diese leicht eingesetzt werden kann, nach dem Einsetzen aber fest sitzt. Die Enden der Teile 36, 38 werden im allgemeinen an das Ofengestell angeschweißt, können aber auch an die Ofenwand angeschraubt werden.

In Figur 7 ist die Anwendung des Systems gemäß der Erfindung bei einem mit Modulen isolierten Ofen 40 dargestellt. Der Ofen 40 hat einen Stahlmantel 42, der mit Modulen 50 isoliert wird, zwischen denen Mattenstreifen 44 aus gefalteter Keramikfaser angeordnet sind. Die Halterungen 10

sind in den Klemmen 46 befestigt und erstrecken sich durch die Keramikfaser. Das elektrische Heizelement ist als Heizstab 52 dargestellt, doch könnte es auch aus einem Heizband bestehen, das in dem üblichen Zickzackmuster zwischen den beiden Halterungsreihen auf und ab geführt ist. Heizspiralen könnten ebenfalls verwendet werden. Wie in der Zeichnung dargestellt, werden die Halterungen von einer Reihe von Klemmen 46 gehalten, die vorgefertigt an Haltebändern 47 angeschweißt sind. Die Haltebänder 47 sind an der Ofenwand 42 angeschweißt oder angeschraubt (nicht dargestellt). In der Zeichnung sind zwischen den Modulen Mattenlagen 44 dargestellt, doch kann die Ofenisolierung auch ausschließlich aus Modulen ohne solche Mattenlagen bestehen. Die Keramikfasermodule sind durch Schrauben oder Schweißen an der Ofenwand befestigt. Die Rükkenplatte, an der die Faserschichten des Moduls befestigt sind und die an der Ofenwand angebracht ist, bedeckt im allgemeinen nicht die gesamte Rückseite des Moduls, sondern läßt an jeder Seite 2 bis 5 cm zum Zusammenpressen der Module beim Einbau und zur Vermeidung von Störungen beim engen Einpassen der Moduls frei. Die Klemmen können daher leicht zwischen Modulen auch ohne Verwendung von Mattenstreifen 44 eingesetzt werden.

Figur 8 veranschaulicht die Anwendung des Halterungssysetms bei einem Ofen 60, der mit Keramikfasermatten isoliert wird. Die Keramikfasermatten 62, 63, 64, 65 und 66 werden durch Bolzen 68 und 70 gehalten. Die Halterungen 10 sitzen in den Klemmen 30. Die Matten werden beim Einbau gelocht, so daß sich die Halterungen wie die Bolzen 68 und 70 durch die Keramikfasermatten erstrecken.

Als Werkstoff zur Herstellung der Halterungen kann jedes Material verwendet werden, das nichtleitend und bei der vorgesehenen Ofentemperatur wärmebeständig ist. Typische geeignete Werkstoffe für die Halterungen sind Siliciumcarbid und Aluminiumoxid. Diese Werkstoffe haben zwar die gewünschten Wärmebeständigkeits- und Festigkeitseigenschaften, sind aber kostspielig. Ebenfalls brauchbar sind Elektroporzellane, die hauptsächlich aus Aluminiumsilicat bestehen. Besonders vorteilhafte Werkstoffe für die Halterungen sind Mullit für Temperaturen bis 1260 ⁰C,

-ΙΟΙ Corderit für Temperaturen bis 1090 ⁰C sowie Mischungen aus Mullit und Corderit, da die beiden Stoffe sich leicht formen lassen, chemisch beständig und temperaturwechselfest sind.

Die Halterungen können jede gewünschte Größe haben, die notwendig ist, damit sie sich durch die Keramikfaserisolierung erstrecken. Beispielsweise hatte eine Halterung zur Verwendung bei einer Keramikfaserisolierung von 20 cm Dicke eine Gesamtlänge von etwa 292 mm sowie eine Höhe des Mittelstücks zwischen 25 und 32 mm. Die Breite betrug etwa 13 mm.

Die Höhe bezieht sich dabei auf das Mittelstück 12 in Figur 1 und die Breite auf den Teil 28 in Figur 1. Der Befestigungsteil 16 war etwa 32 mm breit und mit 32 mm ebenso hoch wie das Mittelstück. Grundsätzlich kann die Halterung jede gewünschte Größe haben, bei der das Keramikmaterial unter den vorgesehenen Temperaturbedingungen eine ausreichende Festigkeit bietet. Im allgemeinen soll die Höhe der Halterung zur Erzielung einer guten mechanischen Zuverlässigkeit und Festigkeit mehr als zweimal größer als die Breite sein.-Auch kann die Halterung abgeschrägt sein, so daß die Höhe des Hakenteils nicht so groß wie die Höhe der Mittelstücks in der Nähe des Befestigungsteils ist. Der Teil zur Aufnahme des elektrischen Heizelementes ist vorstehend als Haken bezeichnet worden, kann aber jede Form haben, die zum Halten elektrischer Heizelemente geeignet ist. Die Bezeichnung "Haken" schließt also auch andere Formstücke zum Halten elektrischer Heizelemente ein.

Die vorstehend beschriebene Halterung hatte einen rechteckigen Querschnitt, doch erstreckt sich die Erfindung auch auf Halterungen mit ovalem oder tropfenförmigem Querschnitt, obwohl die Herstellungskosten solcher Halterungen im allgemeinen höher sind und sie keine zusätzlichen Vorteile bieten. Die Bezeichnung "im allgemeinen rechteckig" schließt auch Halterungen von rechteckigem Querschnitt mit abgerundeten Ecken und Kanten, wie ovale und eiförmige Halterungen, ein.

In Figur 9 ist eine andere Anordnung zur Bildung eines Halterungssystems dargestellt. Die Halterungen 10 werden von einer Platte 80 gehalten, die mit Ausschnitten 82 versehen ist, in die Halterungen 10 eingesetzt

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werden können. Die Platte 80 ist mit dem Gewindeteil der Bolzen 84, 86 an dem Ofen angeschraubt, und die Bolzen 84, 86 sind dort an dem Ofen angeschweißt, wo Halterungen benötigt werden. Selbstverständlich kann die Platte 80 auch mit Schrauben statt mit Hilfe der angeschweißten Bolzen an dem Ofen befestigt werden. Das in Figur 9 dargestellte System ermöglicht das Anbringen einer Reihe von Halterungen mit einem Mindestmaß an Schweißarbeiten.

An den vorstehend beschriebenen Ausführungsform können Abänderungen vorgenommen werden, die in den Rahmen der Erfindung fallen. So kann die Halterung mit einer größeren Befestigungsfläche oder mit anders geformten Auflager-' und Halteflächen ausgebildet werden. Bei der Anwendung zum Halten von Bandheizelementen liegt es auf der Hand, die Halterungen der unteren Reihe mit nach unten geöffnetem Haken zu montieren, um das Band beim Durchgang unter der Halterung zu halten. Selbstverständlich kann das Halterungssystem auch bei Keramikisolierungen anderer Art als der beschriebenen Modul- und Mattenisolierung eingesetzt werden.

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Claims

COHAUSZ & FLORACK

PATENTANWALTSBÜRO SCHUMANNSTR. 97 D-4000 DÜSSELDORF 1

Telefon: (0211) 68 33 46 Telex: 0858 6513 cop d

PATENTANWÄLTE:
Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dipl.-Ing. H. B. COHAUSZ · DipHng. D. H. WERNER

04.03.1983

Ansprüche

ί 1J Aufhängevorrichtung für elektrische Heizelemente in Öfen mit Keramikfaserisolierung, gekennzeichnet durch eine an
der Ofenwand (42) befestigte Klemme (30, 46, 82) und eine in die
. Klemme (30, 46, 82) einsetzbare keramische Halterung (10), die aus
einem äußeren Endteil in Form eines Hakens (14), einem Befestigungsteil (16), das in die Klemme (30, 46, 82) einsetzbar ist und Auflagerflächen (22, 24) aufweist, die bei Belastung des Hakenteils (14) an der Klemme (30, 46, 82) anliegen, und einem Mittelstück (12) zwischen Haken (14) und Befestigungsteil (16) von im allgemeinen rechteckigem Querschnitt und solcher Länge besteht, daß es sich durch die Keramikfaserisolierung (50; 62—66) des Ofens (40) erstreckt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramische Halterung (10) einen Querschnitt hat,
dessen Höhe mehr als zweimal größer als die Breite ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Mittelstück (12) mit dem Befestigungsteil (16) zu einem Körper von T-förmigem horizontalen Querschnitt verbunden ist.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch ein Band oder eine Platte (80) , das bzw. die eine Reihe von Klemmen (82) trägt.

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5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Verbindungselemente (84, 86) zum Befestigen des Bandes oder der Platte (80) an der Ofenwand.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Halterung (10) im wesentlichen aus Mullit, Corderit oder Gemischen davon besteht.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch

gekennzeichnet, daß das über den Haken (14) vorstehende Ende der Halterung (10) zu einer Spitze (26) zuläuft.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß der Übergang (18) von dem Mittelstück (12) zu dem Hakenteil (14) sanft abgeschrägt ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche-1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß die Gesamtlänge der Halterung (10) größer als 250 mm ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Klemme (30, 46, 82) eine im allgemeinen U-förmige Gestalt hat und eine im allgemeinen rechteckige Aussparung (32) zur Aufnahme des im allgemeinen rechteckigen Teils (12) der Halterung (10) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß die Klemme (30, 46) aus Metall besteht und an der Ofenwand (42) angeschweißt ist.
12. Verfahren zum Installieren eines elektrischen Heizelementes in einen Ofen mit Keramikfaserisolierung, dadurch gekennzeichnet , daß eine Halterungsklemme (30, 46, 82) an der Ofenwand (42) befestigt, eine keramische Halterung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6 bis 9 in die Klemme (30, 46, 82) einge-

setzt, die keramische Faserisolierung (44, 50; 62—66) an der Ofenwand (42) in einer solchen Dicke angebracht wird, daß die Halterung (10) aus der Isolierung vorsteht, und ein elektrisches Heizelement (52) auf den Haken (14) der Halterung (10) aufgebracht wird.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine keramische Faserisolierung aus Modulen (50) oder Matten (62—66) verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet , daß als elektrisches Heizelement (52) ein Heizstab, ein Heinzband oder eine Heizspirale verwendet wird.
15. Elektrisch beheizter Ofen , gekennzeichnet durch einen Ofenmantel (42) aus Metall, eine Keramikfaserisolierung (44, 50] 62—66) auf der Innenfläche des Ofenmantels (42), an dem Ofenmantel (42) befestigten Halterungsklemmen (30, 46, 82), in die keramische Halterungen (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 und 6 bis 9 eingesetzt sind, und mindestens einem elektrischen Heizelement (52), das von der Halterung (10) gehalten wird.