DE3316689C2

DE3316689C2 - Rohrofen

Info

Publication number: DE3316689C2
Application number: DE19833316689
Authority: DE
Inventors: Karlheinz Dipl.-Ing. 6450 Hanau Henry; Richard 8764 Klein-Heubach Keilberth; Heinz-Werner 6490 Schlüchtern Koy; Waltraud Dipl.-Ing. 6450 Hanau Werdecker
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 1983-05-06
Filing date: 1983-05-06
Publication date: 1985-05-23
Also published as: DE3316689A1

Abstract

Rohrofen mit elektrischer Beheizung, insbesondere stehend angeordneter Grandientenrohrofen für hohe Temperaturen von etwa 1600 bis 2200°C mit übereinander gestapelten, im wesentlichen ringförmigen keramischen Heizkörpern aus gepreßtem, stabilisiertem Zirkondioxid hoher Dichte in für die Betriebsbedingungen geeigneter Weise ausgebildeter elektrischer Kontaktierung. Formgebung der einzelnen Elemente in weiten Grenzen wählbar.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rohrofen, insbesondere einen stehend angeordneteten Rohrofen für Temperaturen über 1600° C aus ringförmigen keramischen Heizelementen, welche in ihren Randbereichen mit konisch geformten Erhöhungen und Vertiefungen versehen sind, wobei jeweils zwei benachbarte Heizelemente mit zueinander korrespondierenden Erhöhungen bzw. Vertiefungen formschlüssig ineinander greifen und die beiden äußersten Heizelemente wenigstens im Bereich der Stromversorgungsanschlüsse einen gegenüber ihren benachbarten Heizelementen vergrößerten Außendurchmesser sowie eine metallische Schicht mit einem Element aus der Platinmetallgruppe besitzen.

Elektrisch mittels Heizelementen aus Keramik beheizte öfen sind bekannt, z. B. aus der DE-AS 22 36 328. Auf die DE-AS 22 36 328 und den darin angezogenen Stand der Technik wird verwiesen.

Elektrische Heizelemente aus Keramik (ZrCh) für öfen waren demnach ebenso bekannt, wie das Stapeln der einzelnen Heizelemente übereinander. Dabei waren jedoch, wie die genannte Auslegeschrift zeigt, elektrisch isolierende Abstandshalter notwendig. Die Form der keramischen Heizelemente wird hierdurch notwendigerweise kompliziert und die Querschnitte der Einzelelemente lassen sich nicht in gewünschter Weise für den Stromdurchfluß gestalten. An den beiden äußersten Enden eines Heizelementstapels muß jeweils Strom zu- bzw. abgeführt werden, damit eine direkte Beheizung während des Stromdurchflußes durch alle gestapelten Heizelemente erfolgen kann.

Die Stromzuführung oder Kontaktierung bzw. das Versehen der äußersten Heizelemente eines Stapels mit Elektroden ist stets problematisch. Aus Gründen der elektrischen Leitfähigkeit ist es wünschenswert, ein gut leitfähiges Metali hierfür anzuwenden. Die hierfür am besten geeigneten Metalle, wie Silber, Kupfer und Gold, sind andererseits nicht temperaturstabil genug, um bei den hier erwünschten hohen Betriebstemperaturen standzuhalten. Die unterschiedlichen Wärmedehnungen von für die Elektroden oder Stromanschlußteile in Frage kommenden Metallen gegenüber der Keramik müssen berücksichtigt werden, ebenso wie der normalerweise hohe elektrische Übergangswiderstand; erschwerend kommt hinzu die Forderung einer hohen Oxidationsbeständigkeit, die an den Elektroden- oder Kontaktierungswerkstoff auch bei den hier in Rede stehenden hohen Temperaturen gestellt werden muß, wobei auch gegebenenfalls eine ungünstige, insbesondere oxidierende Atmosphäre zu berücksichtigen ist.

Weiterhin ist aus der GB-PS 10 96 336 ein Rohrofen bekannt, der aus mehreren ringförmigen keramischen Heizelementen besteht, die aufgrund wechselweise angeordneter konischer Erhöhungen bzw. Vertiefungen im Bereich ihrer Stirnflächen formschlüssig ineinander greifen und zueinander koaxial zu stapeln sind. Die beiden Heizelemente an den äußersten Enden sind jeweils nur auf ihrer zum benachbarten Heizelement gerichteten Seite mit einer konischen Erhöhung bzw. Vertiefung versehen, während sie an ihrem anderen Ende einen erweiterten Außendurchmesser haben und mit auf der Außenfläche umlaufenden rohrschellenartigen Stromversorgunsanschlüssen versehen sind. Zur Verbesse-

rung des elektrischen Kontaktes zwischen den Stromanschlüssen und den keramischen Heizelementen können die äußeren Heizelemente mit einer teilweise aufgebrachten Platinschicht versehen sein.

Da mit Ausnahme der beiden äußeren Heizelemente alle übrigen Heizelemente die gleiche Querschnittsfläche aufweisen, treten zwischen den einzelnen Elementen keine oder nur geringe Temperaturunterschiede auf, so daß entlang der Rohrachse nur eine äußerst schwache Gradientenbildung zu erwarten ist Die Stromzufuhr über Rohrschellen läßt auch bei teilweiser Platinbeschichtung nur einen verhältnismäßig kleinen Flächenbereich für den Stromübergang zu, woraus sich eine Einschränkung der Heizleistung ergibt

Der Erfindung- liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rohrofen, insbesondere einen Gradientenofen, für hohe Temperaturen zu schaffen, dessen Heizelemente aus Keramik bestehen, welche jeweils einstückig und in für die Stapelbarkeit und den Stromfluß gewünschter Weise ausgebildet werden können. Die Elektroden bzw. Kontaktierungen sollen möglichst großflächig, elektrisch gut leitend ausgebildet sein und mit dem Keramikkörper einen spaltfreien Verbund eingehen, welcher darüber hinaus gut temperaturwechselbeständig sein muß, so daß weder diese noch die Stromzuführungen oder Stromzuleitungen, die direkt an dieser Elektrode oder Kontaktfläche anbringbar sein müssen, im Betrieb abplatzen, abblätttern oder sich abschälen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß nach dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs gelöst. In den Unteransprüchen sind weitere Ausgestaltungen der Erfindung beschrieben.

Die wesentlichen Vorteile der Erfindung sind einfache, gegenseitige Abstandshaltung der Heizelemente ohne zusätzliche isolierende Abstandshalter. Die Form der Heizelemente läßt sich in weiten Grenzen wählen, um geeignete Gradienten für elektrisch beheizte Öfen auszubilden und trotzdem der Forderung nach guter Stapelbarkeit und geeigneten Querschnitten für den Strornfluß zu genügen. Die keramischer. Heizelemente sind einfach geformt und zu ihrer Kontaktierung ist ein Schlitzen oder Teilen der einzelnen Elemente nicht nötig-

Die keramischen Körper weisen eine hohe elektrische Leitfähigkeit infolge ihrer hohen geometrischen Dichte auf. Die Verbindung zwischen Metall und Keramik ist spaltfrei und gut gegenseitig verankert. Trotz unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der zu verbindenden Teile wird eine hohe thermische Wechselbeständigkeit erreicht und die Lebensdauer beträgt nicht nur einen oder wenige Zyklen des Ofens. Der erzielte Keramik-Metallverbund besitzt nicht nur einen ausgezeichneten elektrischen Stromübergang, sondern auch einen ganz ausgezeichneten Wärmeübergang. Die Zuleitungs- oder Anschlußdrähte lassen sich direkt auf der Elektrode oder der Kontaktierungsschicht anlöten oder anschweißen und sind somit ebenfalls temperaturwechselbeständig bei Betriebstemperatur.

Ein Ausführungsbeispiel ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Ofen in seinen wesentlichen Teilen im Schnitt,

Fig. 2 ein einzelnes keramisches ! ieizelernent mit Elektroden- oder Kontaktierungsschicht und elektrischem Anschluß,

F i g. 3 eine Draufsicht auf den Gegenstand der FiP. 2.

Gemäß F i g. 1 weist der Ofen em Gehäuse aus einem Blech 1 auf, hinter dem eine Isolationswand 2, z. B. aus Kalziumsilikat angeordnet ist; diese Isolationswand 2 kann aus mehreren einzelnen Platten oder anderen EIementen bestehen, je nach gewünschter Gehäuseform, wie z. B. Rohr, Hohlzylinder, Topf, Kasten oder ähnlichen. Mit 3 ist ein Formkörper vorzugsweise in Ringform bestehend aus einer Aluminiumoxidkeramik bezeichnet und mit 4 eines der keramischen Heizelemente mit Kontaktierung und elektrischem Anschluß, wie es nachstehend im einzelnen beschrieben ist.

Wie F i g. 1 zeigt, ist das Heizelement 4 das unterste bei einem stehend angeordnetem Gradientenofen und die übereinander gestapelten einzelnen Heizelemente weisen in Richtung zur Mitte der Längsachse des Ofens einen immer kleiner werdenden Außendurchmesser auf, der entsprechend der F i g. 1 nach oben hin spiegelbildlich ausgeführt sein kann; das heißt, daß sich die Außendurchmesser nach oben hin wieder entsprechend umgekehrt vergrößern bis zur gegenüberliegenden bzw. abgekehrten Anordnung des obersten Heizelementes mit Kontaktierung und elektrischem Anschluß entsprechend der umgekehrten Anordnung, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist. Dabei liegt das Verhältnis der Ringflächen der Querschnitte der einzelnen Heizelemente 4 im Bereich von etwa 1 zu 40, weil der Innendurchmesser 5 aller Heizelemente und auch einer entsprechenden Ausnehmung in dem Formteil 3 gleichbleibend ausgebildet ist.

Infolge der konvex/konkaven Ausbildung der jeweils korrespondierenden, das heißt aneinander liegenden Oberflächen 6 bzw. 7, der Heizelemente 4 sind diese beim Stapeln übereinander selbsttätig zentrierend und wie in F i g. 1 dargestellt, konzentrisch zur Mittelachse 8 aller ringförmigen Teile.

F i g. 2 zeigt im einzelnen ein Heizelement 4 mit einer konkaven Anlagefläche 7, einer Elektroden- oder Kontaktschicht (Folie, Blech oder dergleichen) 9 und dem elektrischen Anschlußdraht 10 angelötet oder angeschweißt bei 11 in eine entsprechende Ausnehmung 12 des keramischen Heizelements 4.

Beispiele für die keramischen Heizelemente sind wie folgt:

Beispie 1

Feinkörniges Zirkondioxid-Pulver mit möglichst hoher Reinheit wird mit einem für die elektrische Leitfähigkeit geeigneten Anteil Yttriumoxid-Pulver, hoher

so Reinheit, keramisch stabilisiert. Danach wird das stabilisierte Material bei höchstmöglicher Temperatur gebrannt und von organischen Bestandteilen gereinigt. Anschließend wird das Pulver gepreßt, vorzugsweise kaltgepreßt, und dadurch zu einem Keramikkörper ge-

■\. formt, dessen Querschnitt zu diesem Zeitpunkt noch ein Vielfaches des endgültigen Heizelementquerschnittes beträgt. Die geometrische Grundform wird jedoch bereits während dieses Preßvorgangs erzeugt.
Der so erhaltene (»grüne«) Keramikformkörper wird nun gesintert nach einem vorgegebenen Programmablauf. Nach Beendigung des Sintervorganges weist der keramische Formkörper eine höhere Dichte und Festigkeit auf als zuvor.

Mit von Vorteil ist eine Oberfläche eines hierfür aus-

b5 gewühlten gesinterten Formkörpers für die Kontaktierung bzw. Aufbringung einer Elektrodenschicht z. B. durch Abschleifen oder in anderer Weise zu glätten bzw. für den Metall-Keramikverbund vorzubereiten.

Auf eine in solcher oder anderer Weise geeignete Fläche wird anschließend eine aus einer Platin-Rhodium-Folie ausgestanzte Scheibe, insbesondere in Ringform, aufgelegt, wobei die zentrale Ausnehmung entsprechend dem Innendurchmesser des späteren Heizelements ausgebildet sein kann. Die zu verbindenden Teile werden in eine größenmäßig diesen angepaßte Stahlkapsel eingebracht unter Verwendung eines Kerns mit einem Außendurchmesser entsprechend dem Innendurchmesser der späteren Heizelemente, z. B. aus Stahl. Diese Kapsel wird gasdicht verschweißt.

Danach folgt eine Behandlung mit hohem Druck und hoher Temperatur in einem Ofen zum heißisostatischen Pressen, bei der sich die folgenden Parameter als günstig erwiesen:

Vorteil höherer Betriebstemperatur bringt.

Weiterhin lassen sich Platin-Iridium-Legierungen z. B. 80/20 sowie Iridium-Rhodium-Legierungen z. B. 60/40 und andere einsetzen, wobei ein höherer Iridium-Gehalt ebenfalls eine höhere Betriebstemperatur erreichen läßt.

Als geeignete elektrische Anschlüsse dienen flexible, verdrillte Platindrähte, wobei jedoch auch die anderen erwähnten Platingruppenmetalle oder deren Legierungen in der Dicke wie bei den Elektroden- bzw. Kontaktschichten geeignet sind.

Tempertur:

Arbeitsdruck:

Haltezeit:

Anheizzeit:

Abkühlzeit:

ca. 1400⁰C
ca. 1800 bar
ca. 90 min
ca. 30 min
ca. 90 min

Als nächster Verfahrensschritt der Herstellung folgt das Abheizen, z. B·. in HCL oder H2SO4, der Kapsel und des Kernes, dem wiederum eine oxidierende thermische Behandlung über einen längeren Zeitraum folgt. Die Zuleitungsdrähte, möglichst aus dem gleichen Material wie die Elektroden- oder Kontaktierungsschicht bzw. Folie, können nach einer üblichen Vorbereitung mit einem geeigneten Hochtemperaturlot in oxidierender Atmosphäre anglötet werden. Die Lote sollten nach ihrem Schmelzbereich ausgewählt werden, wie z. B. 75/25 AuPd oder auch ein reines Palladiumlot oder ein Lot mit 20% Palladium und 75% Platin, Rest Gold.

Die Zuleitungsdrähte können auch in einem üblichen Schnielzschweißverfahren angeschweißt werden.

Beispiel 2

Ausgangsrnaterial und Verarbeitung des
keramischen Grundkörpers wie in Beispiel '.

Anstelle der in Beispiel 1 genannten Platin- oder Rhodiumschicht oder Platin-Rhodium in Form von Folie, Blech oder dergleichen Material für die Elektroden der Kontaktierungsschicht wird Iridium hierfür verwendet mit dem Vorteil höherer anwendbarer Betriebstemperatur. Für die Verbindung des Iridiums mit dem Keramikkörper können beim heißisostatischen Pressen folgende Parameter in geeigneter Weise angewandt werden:

Temperatur:

Arbeitsdruck:

Haltezeit:

etwas über 145O⁰C
etwa 2000 bar
etwa 120 min

Anheiz-/Abkühlzeit entsprechend größer
Beispiel 1

als

Die mit Hilfe der vorstehenden Beispiele erhaltenen keramischen Heizelemente besaßen eine Dichte zwischen etwa 90 bis 95% der theoretischen Dichte (geometrische Dichte). Die geeignetste Schichtdicke der Elektroden- oder Kontaktschicht lag etwa im Bereich zwischen 0,05 bis etwa 03 mm.

Anstelle der reinen Platingruppenmetalle sind auch geegnet Legierungen, wie Platin-Rhodium 90/10, 70/30, 60/40 und andere, wobei ein höherer Rhodiumanteil den Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrisch beheizter Rohrofen, insbesondere stehend angeordneter Rohrofen für Temperaturen über 1600⁰C aus ringförmigen, keramischen Heizelementen, welche in ihren Randbereichen mit konisch geformten Erhöhungen und Vertiefungen versehen sind, wobei jeweils zwei benachbarte Heizelemente mit zueinander korrespondierenden Erhöhungen bzw. Vertiefungen formschlüssig ineinander greifen und die beiden äußersten Heizelemente wenigstens im Bereich der Stromversorgungsanschlüsse einen gegenüber ihren benachbarten Heizelementen vergrößerten Außendurchmesser sowie eine metallische Schicht mit einem Element aus der Platinmets !!gruppe besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die aus keramischem Pulver gepreßten und gesinterten Heizelemente (4) ein Dichte aufweisen, die größer ist als 90% der theoretisch erreichbaren Dichte, daß zur Stromzu- bzw. Stromleitung die beiden äußersten Heizelemente (4) auf ihrer dem benachbarten Heizelement abgekehrten Stirnfläche mit einer dünnen metallischen Schicht (9) versehen sind und daß diese metallische Schicht (9) ihrerseits Zuleitungen (10) und Kontaktierungen (11) trägt, welche mit der Heizstromzufuhr des Ofens elektrisch leitend verbunden sind.

2. Rohrofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Heizelemente (4) isostatisch gepreßt sind.

3. Rohrofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die keramischen Heizelemente (4) mit der metallischen Schicht (9), die die Zuleitungen (10) oder Kontaktierungen (11) trägt, heißisostatisch gepreßt sind.

4. Rohrofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (9) durch ein dünnes Blech, eine Folie oder dergleichen ersetzt ist.

5. Rohrofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (9) aus Platin, Rhodium, Iridium oder Legierungen dieser Metalle besteht.

6. Rohrofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der metallischen Schicht (9) 0,05 bis 0,3 mm beträgt.

7. Rohrofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Schicht (9) auf einem kaltisostatisch gepreßten Heizelement (4) aus keramischem Pulver heißisostatisch aufgepreßt ist.

8. Rohrofen nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die kaltisostatisch gepreßten Heizelemente (4) aus mit Y2O} stabilisiertem Zirkondioxid-Keramikpulver bstehen, wobei das durch Variation der Außendurchmesser der Heizelemente (4) einstellbare Querschnittsverhältnis der Ringflächen zwecks Bildung eines Temperaturgradienten entlang der Rohrachse bis zu etwa 1 bis 40 beträgt.

9. Rohrofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Heizelement (4) eine Platinfolie als metallische Schicht (9) aufgepreßt ist und zwischen beiden in Ausnehmungen (12), wie Nuten, des keramischen Heizelementes (4) Platinanschlußdrähte als Zuleitungen (!0) angeordnet und durch Löten oder Schweißen mit der Folie fest verbunden sind.

10. Rohrofen nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen keramischen Heizelemente (4) ohne zusätzliche Haltemittel zentriert stapelbar sind.