DE3535000A1 - Elektrische heizvorrichtung fuer industrieoefen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Heizvorrichtung für Industrieöfen oder andere Hochtemperaturräume, mit elektri­ schen Heizelementen, die im Innenraum im Abstand von der iso­ lierenden Auskleidung angeordnet sind.

Für Industrieöfen und andere Hochtemperaturräume, wie sie in der Stahlindustrie zum Vorwärmen von Schmiedestücken, in der keramischen Industrie zum Brennen von Porzellan und in der Glasindustrie bei der Herstellung von Glas verwendet werden, sind elektrische Heizvorrichtungen in Form von Stäben, Spi­ ralen oder Wendeln bekannt, die in die Wandungen der Ofenaus­ kleidung eingelassen sind. Diese Heizvorrichtungen strahlen ihre Wärme nicht nur unmittelbar in den Innenraum des Ofens ab, sondern heizen auch die Auskleidung auf, in der sie ein­ gebettet sind und die in der Regel aus Schamotte oder anderen hochtemperaturbeständigen Stampfmassen besteht. Da ein Teil der von den Heizvorrichtungen erzeugten Wärme nur mittelbar in den Ofenraum gelangt und zum Teil in der Wandisolierung verloren geht, ist der Wirkungsgrad dieser elektrisch be­ heizten Industrieöfen nur gering.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es auch bereits be­ kannt, die elektrischen Heizelemente im Innenraum des Ofens im Abstand vor der isolierenden Auskleidung anzuordnen, die in diesem Falle stets aus einer keramischen Masse besteht, in der die Heizelemente fest verankert werden können. Diese bestehen aus Stäben oder Heizschlangen mit verhältnismäßig dickem Querschnitt, damit sie auch im glühenden Zustand eine genügend hohe mechanische Festigkeit haben und sich nicht so leicht verformen, wenn sie an der Decke des Ofens befestigt sind und weit in den Innenraum hinein auskragen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Heizvorrich­ tung zu schaffen, die auch in solchen Industrieöfen und Hoch­ temperaturräumen verwendet werden kann, welche mit einer leichten, feuerfesten Auskleidung versehen sind, die selbst nur eine geringe mechanische Festigkeit hat.

Diese Aufgabe wird mit der Erfindung dadurch gelöst, daß die Auskleidung aus hochtemperaturbeständigem Fasermaterial be­ steht und daß die Heizelemente an Tragelementen befestigt sind, die im gegenseitigen Abstand voneinander im Faser­ material schwimmend eingebettet sind.

Mit Hilfe dieser Tragelemente, die im Fasermaterial in großer Zahl angeordnet werden, gelingt es, auch dünnere Heizelemente von geringer mechanischer Widerstandsfähigkeit im Abstand vor der Auskleidung über eine große Fläche zu verteilen, so daß praktisch die gesamte Innenwandung des Ofens mit einer vor ihr angeordneten Strahlungsheizfläche versehen ist. Durch eine solche Heizvorrichtung wird im Innenraum eine gleich­ mäßig verteilte hohe Temperatur erzielt, ein rasches Aufhei­ zen des Ofens erreicht und ein hoher Wirkungsgrad gewährlei­ stet. Auskleidung und Heizvorrichtung sind mit geringen Kosten herzustellen, wobei komplizierte Techniken, wie das Einmauern der Heizelemente in eine keramische Auskleidung, nicht erforderlich sind. Bei Ausfall einzelner Heizelemente können diese in einfacher Weise von den Tragelementen abge­ nommen und durch neue Heizelemente ersetzt werden, ohne daß es umständlicher Reparaturarbeiten an der Auskleidung bedarf.

Die Tragelemente haben zweckmäßig mindestens eine in das Fasermaterial eindringende Klaue, eine sich auf die Fasern längs auflegende Auflageplatte und einen in den Innenraum vorspringenden Befestigungsteil für das Heizelement. Bei einer abgewandelten Ausführungsform kann die auf den sich senkrecht zur Ofenwandung erstreckenden Fasern längs auflie­ gende Auflageplatte auch mit einer aus dieser ausgeformten Versteifungsrippe versehen sein, die in das Fasermaterial eindringt und einen in den Innenraum vorspringenden Be­ festigungsteil für das Heizelement aufweist. Hierbei hat der vorspringende Befestigungsteil zweckmäßig eine Vertie­ fung zum Einhängen des Tragelementes oder ist hakenförmig ausgebildet.

Zweckmäßig jedes Heizelement ist mit Stromzuführungsleitern versehen, die durch das Fasermaterial zur Ofenwandung ge­ führt sind. Etwa auftretende Störungen im Betrieb bleiben deshalb immer nur auf kleine Flächen der Ofenauskleidung beschränkt, so daß der Gesamtwirkungsgrad der elektrischen Heizvorrichtung nie wesentlich beeinträchtigt werden kann.

Besonders zweckmäßig ist es, wenn die Heizelemente wellen­ förmig ausgebildet und mit jedem Wellenscheitel über ein Tragelement gehängt sind, wobei deren Befestigungsteile als Haken ausgebildet sind. Bei dieser Ausführungsform ist es nicht erforderlich, daß die Heizelemente in sich steif sind, vielmehr können biegeweiche Heizelemente aus verhält­ nismäßig dünnen Drähten verwendet werden. Um ihre flächen­ mäßige Anordnung vor der Innenfläche der Faserauskleidung zu gewährleisten, sind diese wellenförmigen Heizelemente an ihren den Wellenscheiteln gegenüberliegenden Rändern zweck­ mäßig mit Distanzhaltern an der Auskleidung befestigt. Die Distanzhalter können langgestreckte Doppelhaken sein, die mit ihrem einen Ende in ein Wellental eines Heizelementes eingehängt und mit ihrem anderen Ende im Fasermaterial der Auskleidung verankert sind.

Um zu gewährleisten, daß mehrere, in einer Reihe nebeneinan­ der und untereinander angeordnete Heizelemente ihre gegensei­ tige Lage nicht verändern, ist es zweckmäßig, wenn die Aus­ kleidung im Bereich von in einer Reihe nebeneinander angeord­ neten Tragelementen eine diese abstützende Tragschicht aus gebundenen Keramikfasern und eine diese abdeckende Deckschicht aus mit Bindemitteln vermischten Keramikfasern aufweist, wel­ che sich erst nach dem vollständigen Einbau der Auskleidung verfestigt. Unter "gebundenen Keramikfasern" wird ein Faser­ material verstanden, dessen hochtemperaturbeständige Keramik­ fasern mit einem hochtemperaturfesten Phosphatbinder oder -kleber punkt- oder stellenweise verbunden sind. Derartige Materialien, die in Form von Platten oder Streifen herge­ stellt werden, sind an sich bekannt.

Die Deckschicht, die ebenfalls in Form eines Streifens oder in Form von nebeneinandergelegten Platten vorgesehen sein kann, besteht aus sogenannten "Feuchtfasern". Hierunter wird ein Fasermaterial verstanden, dessen Keramikfasern mit einem hochtemperaturfesten Bindemittel vermischt sind, welches je­ doch noch nicht abgebunden hat, sondern sich erst nach dem Einbau unter der Einwirkung der hohen Arbeitstemperaturen verfestigt.

Werden als Heizelemente schwerere Drahtwendeln oder Stäbe mit dickerem Durchmesser benutzt, ist es zweckmäßig, im In­ neren der Faserauskleidung ein Stützgerüst vorzusehen und die Tragschicht mit im wesentlichen vertikal angeordneten Stützrippen aus gebundenen Keramikfasern zu unterstützen, die im Abstand voneinander im Fasermaterial der Auskleidung angeordnet sind und beispielsweise vorgefertigte Faserblöcke seitlich begrenzen. Diese Stützrippen können beim Einbau der Auskleidung zwischen die normalen Faserblöcke ebenso wie die Tragschicht, die Deckschicht und die Tragelemente mit ein­ gebracht werden.

Man erkennt, daß die Tragvorrichtungen für die Heizelemente in einfacher Weise beim Einbau der Auskleidung mit eingebaut werden können. Sie sind von den eigentlichen Heizelementen unabhängig, so daß diese nach Bedarf an den Tragelementen in beliebiger Anzahl befestigt und auch jederzeit ausge­ wechselt werden können. Durch Anordnung der Distanzhalter ist es auch möglich, die Heizelemente fest und in der ge­ wünschten Lage im Abstand vor der Faserauskleidung zu be­ festigen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der be­ vorzugte Ausführungsformen der Erfindung an Beispielen näher erläutert sind. Es zeigt:

Fig. 1 einen Industrieofen mit Faserauskleidung und einer elektrischen Heizvorrichtung nach der Erfindung in einem senkrechten Querschnitt,

Fig. 2 einen Ausschnitt der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 einen Horizontalschnitt durch eine Seitenwan­ dung des Ofens nach Linie III-III der Fig. 1 und 2 in noch größerem Maßstab,

Fig. 4 eine teilweise Innenansicht einer Seitenwan­ dung des Ofens in Richtung des Pfeiles IV gesehen,

Fig. 5 eines der bei der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 4 verwendeten Tragelemente in einer Draufsicht,

Fig. 6 das Tragelement nach Fig. 5 in einer Seiten­ ansicht und

Fig. 7 eine andere Ausführungsform eines Tragelemen­ tes in einer perspektivischen Darstellung, wobei nur Teile des Fasermaterials darge­ stellt sind, in welche das Tragelement ein­ gebettet ist.

Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Industrieofen 10 besteht aus einem Boden 11, einer Decke 12 und Seitenwänden 13 und 14 aus Stahlblech. Sein Innenraum 15 ist mit einer isolierenden Auskleidung 16 aus einem hochtemperaturbestän­ digen Fasermaterial versehen, die am Boden 11, an der Decke 12 und an den Wänden 13 und 14 mit Ankern 17 und Haltestäben 18 befestigt ist. Die Fasern des Fasermaterials 16 verlaufen senkrecht zu den Wandungen 11, 12, 13 und 14 des Ofens 10 und werden quer zu ihrer Längsrichtung fest zusammengepreßt, wie dies an sich bekannt ist.

Zur Beheizung des Innenraumes 15 des Industrieofens 10 die­ nen elektrische Heizvorrichtungen, die in ihrer Gesamtheit mit 20 bezeichnet sind und im Innenraum 15 an den Auskleidun­ gen 16 der Seitenwände 13 und 14 des Industrieofens 10 be­ festigt sind.

Jede Heizvorrichtung 20 besteht aus einem ebenen, wellenför­ mig ausgebildeten Heizelement 21 mit mehreren, im Abstand ne­ beneinander angeordneten Wellenscheiteln 22 und diesen ver­ setzt gegenüberliegenden Wellentälern 23, die mit den Wellen­ scheiteln 22 durch gradlinig verlaufende Abschnitte 24 ver­ bunden sind (Fig. 4). Die Heizelemente 21 sind in mehreren, übereinander angeordneten Reihen und horizontal nebeneinander in vertikaler Lage und im Abstand vor der isolierenden Aus­ kleidung 16 angeordnet. Hierbei ist jedes Heizelement 21 mit seinen Wellenscheiteln 22 über Tragelemente 25 gehängt, die im gegenseitigen, seitlichen Abstand voneinander im Faser­ material 26 der Auskleidung 16 schwimmend eingebettet sind.

Jedes Tragelement 25, das in einer ersten Ausführungsform in den Fig. 5 und 6 näher dargestellt ist, besteht aus einer rechteckigen Auflageplatte 27 und einem sich in deren Längs­ richtung erstreckenden Stab 28, der mit der Auflageplatte verschweißt oder auf sonstige Weise fest verbunden ist. Der Stab 28, der ebenso wie die Auflageplatte 27 aus einem hoch­ temperaturfesten Metall hergestellt ist, hat an seinem hin­ teren Ende eine senkrecht zur Ebene der Auflageplatte 27 abgebogene Klaue 29, die in das Fasermaterial eindringen kann. An seinem gegenüberliegenden Ende hat der Stab 25 ei­ nen Befestigungsteil 30, der in den Innenraum 15 des Indu­ strieofens 10 ein Stück weit hineinragt, wenn das Tragelement im Fasermaterial 26 eingebettet wurde. Der vorstehende Be­ festigungsteil 30 ist bei dem in den Fig. 5 und 6 dargestell­ ten Tragelement als einfacher Haken ausgebildet, der im ein­ gebauten Zustand des Tragelementes nach oben weist.

Man erkennt aus den Fig. 3 und 4, daß die Tragelemente 25 in einer Reihe in einem seitlichen Abstand ª voneinander angeord­ net sind, der dem Abstand der Wellenscheitel 22 der Heizele­ mente 21 entspricht, die mit den Wellenscheiteln 22 über die Befestigungsteile 30 der Tragelemente gehängt sind, so daß je­ der Wellenscheitel 22 von einem Tragelement 25 unterstützt wird.

Um zu erreichen, daß alle Tragelemente 25 einer Reihe auf gleicher Höhe liegen, sind in dem Fasermaterial 26 Tragschich­ ten 31 angeordnet. Die Tragschichten 31 bestehen aus etwa 20 cm dicken Matten aus gebundenen Keramikfasern und erstrecken sich über die ganze Dicke der Wandauskleidung 16. Sie sind in einem vertikalen Abstand b voneinander angeordnet, der etwas größer ist als die Höhe c der in vertikaler Lage eingebauten, wellen­ förmigen Heizelemente 21. Auf diese Tragschichten 31 sind die Tragelemente 25 mit ihren Auflageplatten 27 nebeneinander auf­ gelegt. Sie werden dann von einer etwa 5 cm dicken Deckschicht 32 abgedeckt, die aus mehreren, nebeneinander angeordneten Deckplatten zusammengesetzt ist, die aus mit einem Bindemittel vermischten Keramikfasern bestehen und die im folgenden "Feuchtfaserplatten" genannt werden. Diese Feuchtfaserplatten der Deckschicht 32 passen sich den Konturen der auf der Trag­ schicht 31 liegenden Tragelemente an und verfestigen sich nach der Inbetriebnahme des Ofens unter dem Einfluß der Be­ triebstemperatur.

Damit die Heizelemente 21 in ihrer vertikalen Lage im Abstand vor der isolierenden Auskleidung 16 festgehalten werden, sind Distanzhalter 33 vorgesehen, die als verkröpfte Doppelhaken ausgebildet sind, die mit ihrem einen Ende 33 a in ein Wellen­ tal 23 eines Heizelementes 21 eingehängt und mit ihrem ande­ ren Ende 33 b im Fasermaterial 26 der Auskleidung 16 verankert sind (Fig. 2). Ebenso wie die Heizelemente 21 und die Trag­ elemente 25 bestehen auch diese Distanzhalter aus einem hoch­ temperaturbeständigen Metall.

Bei hoher mechanischer Belastung durch stark dimensionierte Heizelemente 21, welche die gesamte Wandfläche bedecken, ist es zweckmäßig, vertikal angeordnete Stützrippen 34 vorzu­ sehen, die aus dem gleichen Material hergestellt sind wie die Tragschicht 31, also aus gebundenen Keramikfasern be­ stehen. Hierbei können die Stützrippen 34 eine etwas größere Dichte haben als die Tragschicht 31. Die Stützrippen 34, die sich über die ganze Tiefe der Wandauskleidung 16 erstrecken, sind im seitlichen Abstand d voneinander und senkrecht über­ einander angeordnet, so daß sie die Last der Heizelemente, soweit diese nicht von dem Fasermaterial 26 aufgenommen wird, über die Bodenauskleidung 16 in die Bodenplatte 11 des Ofens 10 eintragen. Damit die Bodenauskleidung 16 hierbei nicht zu­ sammengedrückt wird, besteht diese aus zwei verhältnismäßig dichten Keramikfaserplatten 35 und 36, auf die eine Deck­ schicht 37 und eine Tragschicht 31 aus gebundenen Keramik­ fasern aufgebracht ist.

In Fig. 7 ist eine etwas andere Ausführungsform für die Tragelemente 25 gezeigt. Das hier dargestellte Tragelement besteht aus einer Auflageplatte 27 aus einem Metallblech, aus der eine nach einem Bogendreieck geformte Versteifungs­ rippe 38 nach oben ausgeformt ist. Die Versteifungsrippe 38 hat einen Befestigungsteil 30, der im eingebauten Zustand in den Innenraum 15 des Industrieofens 10 vorspringt und am oberen Rand eine Vertiefung 39 aufweist, in die das Heiz­ element 21 mit einem Wellenscheitel 22 eingehängt werden kann, wie dies in Fig. 7 in strichpunktierten Linien ange­ deutet ist. Tragelemente 25 der in Fig. 7 dargestellten Art werden ebenso wie die zuvor beschriebenen Tragelemente auf eine durchlaufende Tragschicht 31 im Fasermaterial 26 der Auskleidung 16 derart aufgelegt, daß sich die Versteifungs­ rippe 38 in Längsrichtung der Fasern erstreckt, die ja, wie oben ausgeführt, senkrecht zur Ofenwandung 13 bzw. 14 ver­ laufen. Hierbei dringt die Versteifungsrippe 38 in das Faser­ material der Auskleidung oder der Deckschicht 32 ein, wenn eine solche Deckschicht vorhanden ist.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist jedes der nebeneinander und übereinander angeordneten Heizelemente 21 mit Stromzuführungs­ leitern 40 und 41 an eine Speiseleitung 42 angeschlossen, wo­ bei die Stromzuführungsleiter 40 und 41 durch das Fasermate­ rial 26 und durch die Ofenwandung 13 bzw. 14 hindurchgeführt sind.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebe­ nen Ausführungsformen beschränkt, sondern es sind mehrere Än­ derungen und Ergänzungen möglich, ohne den Rahmen der Erfin­ dung zu verlassen. Beispielsweise können die Heizelemente nicht nur aus wellenförmig gebogenen Stäben, sondern auch aus Heizdrahtspiralen bestehen, die zickzackförmig vor der Innenseite der Faserauskleidung 16 über die Befestigungsteile 30 der Tragelemente 25 einerseits und die Haken der Distanz­ halter 33 andererseits gelegt sind. Ferner könnten die Be­ festigungsteile 30 der Tragelemente 25 etwas anders ausgebil­ det sein, und es ist auch möglich, auf die Tragschicht 31 und die Deckschicht 32 ganz zu verzichten. Wesentlich ist nur, daß die Tragelemente 25 mit ihrem größten Teil vollständig im Fasermaterial 26 der Faserauskleidung 16 eingebettet sind.

Claims (11)

1. Elektrische Heizvorrichtung für Industrieöfen oder andere Hochtemperaturräume, mit elektrischen Heizelementen, die im Innenraum im Abstand vor der isolierenden Auskleidung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausklei­ dung (16) aus hochtemperaturbeständigem Fasermaterial (26) besteht und daß die Heizelemente (21) an Tragelemen­ ten (25) befestigt sind, die im gegenseitigen Abstand (ª) voneinander im Fasermaterial (26) schwimmend eingebettet sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragelemente (25) mindestens eine in das Fasermate­ rial (26) eindringende Klaue (29), eine sich auf die Fa­ sern auflegende Auflageplatte (27) und einen in den In­ nenraum (15) vorstehenden Befestigungsteil (30) für das Heizelement (21) aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragelemente (25) eine sich auf die Fasern längs auf­ legende Auflageplatte (27) aufweisen, die mit einer aus dieser ausgeformten Versteifungsrippe (38) versehen ist, die in das Fasermaterial eindringt und einen in den In­ nenraum (15) vorspringenden Befestigungsteil (30) für das Heizelement (21) aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der vorspringende Befestigungsteil (30) eine Vertiefung (39) zum Einhängen des Heizelementes (21) aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Heizelement (21) Stromzufüh­ rungsleiter (40, 41) aufweist, die durch das Fasermate­ rial (26) zur Ofenwandung (13 bzw. 14) geführt sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heizelemente (21) wellenförmig aus­ gebildet und mit jedem Wellenscheitel (22) über ein Trag­ element (25) gehängt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die wellenförmigen Heizelemente (21) an ihren den Wellenscheiteln (22) gegenüberliegenden Wellen­ tälern (23) mit Distanzhaltern (33) an der Auskleidung (16) befestigt sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Distanzhalter (33) langgestreckte Doppelhaken sind, die mit ihrem einen Ende (33 a) in ein Wellental (23) eines Heizelementes (21) eingehängt und mit ihrem anderen Ende (33 b) im Fasermaterial (26) der Auskleidung (16) verankert sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Auskleidung (16) im Bereich von in einer Reihe nebeneinander angeordneten Tragelementen (25) eine diese abstützende Tragschicht (31) aus gebundenen Keramikfasern und eine diese abdeckende Deckschicht (32) aus mit Bindemittel vermischten Keramikfasern aufweist, welche sich erst nach dem vollständigen Einbau der Aus­ kleidung (16) verfestigt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Deckschicht (32) aus mehreren neben­ einandergelegten Deckplatten besteht.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Tragschicht (31) von im wesentli­ chen vertikal angeordneten Stützrippen (34) aus gebunde­ nen Keramikfasern unterstützt wird, die im Abstand (d) voneinander im Fasermaterial (26) der Auskleidung (16) angeordnet sind.