DE3906986C1 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Isolierung für eine Hochtemperatur- Heizeinrichtung, wobei zur Verhinderung von temperaturbedingten Auswölbungen stabförmige Versteifungselemente aus einem Keramikmaterial für das Isoliermaterial vorgesehen sind, und eine Verwendung dieser Isolierung.

Für Hochtemperatur-Heizeinrichtungen wie insbesondere Hochtemperaturöfen, kommt als Isoliermaterial beispielsweise ein plattenförmiges Fasermaterial zur Anwendung, dessen Zusammensetzung beispielsweise auf Aluminiumsilikatbasis, auf Aluminiumoxidbasis, auf Zirkonoxidbasis od. dgl. beruht, und das eine Dichte im Bereich zwischen größenordnungsmäßig 50 kg/m³ und 600 kg/m³ aufweist. Dieses Fasermaterial kann mit geeigneten Pulvern versetzt sein. Anstelle oder in Kombination mit einem Fasermaterial können auch mikroporöse Isolierstoffe oder Isolierstoffe mit hohlkugelförmigen Partikeln als Isoliermaterial verwendet werden, wobei Isoliermaterialien aus den zuletzt genannten Stoffen eine Dichte aufweisen, die der obenerwähnten Dichte entspricht. Als Versteifungselemente kommen bislang insbesondere Stäbe aus gesintertem Aluminiumoxid zur Anwendung. Diese Stäbe können einen Vollquerschnitt oder einen Hohlquerschnitt aufweisen. Stabförmige Versteifungselemente aus gesintertem Aluminiumoxid sind zwar relativ preisgünstig, sie sind jedoch langzeitig nur bis ca. 1600°C bzw. kurzzeitig bis maximal ca. 1700°C anwendbar. Bei Temperaturen über 1700°C, wie sie beispielsweise in Öfen zum Sintern von Oxiden, Nitriden, Boriden, Karbiden od. dgl. erforderlich sind, kommt es zu unerwünschten Auswölbungen der Isolierung und der Versteifungselemente sowie Beschädigung der Heizelemente, so daß es bereits nach einer relativ kurzen Einsatzdauer eines mit Versteifungselementen aus gesintertem Aluminiumoxid ausgerüsteten Hochtemperaturofens erforderlich wird, die Versteifungselemente und das Isoliermaterial zu ersetzen. Dies ist nicht nur arbeitsaufwendig, sondern auch kostenintensiv, weil Isoliermaterialien aus Fasern der obenerwähnten Art teuer sind.

Aufgrund der vorerwähnten Probleme bei Verwendung von Versteifungselementen aus gesinterter Keramik war man bisher gezwungen, die Versteifungselemente in der Isolierung eines Ofens od. dgl. so anzuordnen, daß ihre Temperatur nicht über den genannten Grenzwert stieg. Dies bedeutet gewisse Beschränkungen in der Ofenkonstruktion. Entsprechendes gilt im übrigen auch für die Verwendung von Metall-Versteifungsstäben, wie sie beispielsweise in den US-PS 41 57 001, 44 29 504 und 43 81 634 erwähnt sind. Auch solche Versteifungselemente können nur bis zu bestimmten Temperatur-Obergrenzen eingesetzt werden, so daß auch bei Verwendung von Metall-Versteifungselementen sowohl hinsichtlich der Betriebstemperatur als auch bezüglich der Konstruktion von Öfen Grenzen gesetzt sind.

Aus der DE-OS 31 29 383 ist ein feuerfestes Bauelement aus keramischen Fasern bekannt, welches ein inneres Verstärkungselement aufweist, das aus einer hitzebeständigen Metallegierung, aus feuerfestem Ton oder aus Aluminiumoxid hergestellt sein kann. Dieses Verstärkungselement ist jedoch nicht stab- sondern kanalförmig und wird in das Faser- Isoliermaterial eingebettet, wobei die Verankerung des Versteifungselementes dadurch möglich ist, daß das Versteifungselement Maschenform haben soll. Auch dieses bekannte Versteifungselement besitzt nicht die im allgemeinen erforderliche Festigkeit. Außerdem ist die Herstellung und Einbettung des bekannten Versteifungselementes sehr kompliziert.

Aus der DE-PS 38 03 681 ist ein metallischer Anker zur Halterung einer Isolierung bekannt, der von einer Hülse aus Keramikmaterial umhüllt sein soll. Die Isolierung kann hierbei aus einem keramischen Fasermaterial bestehen. Für die Ankerhülsen werden übliche, polykristalline Keramikmaterialien verwendet, so daß die geschilderten Probleme von Sinterkeramik zu erwarten sind.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Isolierung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, die bis zu Betriebstemperaturen von größenordnungsmäßig 1900°C anwendbar ist, ohne daß es zu unerwünschten Verbiegungen bzw. Auswölbungen der Isolierung bzw. der Versteifungselemente kommt, wobei außerdem die Möglichkeit gegeben sein soll, die Heizeinrichtung weitgehend frei gestalten und konstruieren zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Versteifungselemente aus einem monokristallinen Keramik- Material bestehen.

Die Versteifungselemente aus monokristallinem Material weisen im Vergleich zu bekannten Versteifungselementen aus gesintertem, d. h. polykristallinem Material, insbesondere gesintertem Aluminiumoxid, den Vorteil auf, sehr temperaturwechselbeständig und bis zu sehr hohen Temperaturen in der Größenordnung um 1900°C sehr temperaturbeständig und formstabil zu sein. Mit solchen Versteifungselementen ausgerüstete Isolierungen sind für Hochtemperatur- Heizeinrichtungen wie z. B. Sinteröfen verwendbar, deren Betriebstemperatur bis 1900°C und mehr betragen kann, ohne daß es zu unerwünschten Verbiegungen der Versteifungselemente kommt. Somit ist auch die durch die Versteifungselemente versteifte Isolierung gegen ungewollte Auswölbungen gesichert. Infolge der hohen Temperaturfestigkeit monokristalliner Keramikmaterialien ergibt sich weiterhin der Vorteil, daß die Versteifungselemente auch an solchen Stellen angeordnet werden können, an denen vergleichsweise hohe Temperaturen herrschen, so daß es bei einem Vorgehen nach der Erfindung durchaus möglich ist, völlig neuartige Ofenkonstruktionen vorzusehen, insbesondere Isolierungen einzubauen, bei denen die Versteifungselemente hohen Temperaturen ausgesetzt sind.

Dabei ist die Verwendung von monokristallinem Keramikmaterial keinesfalls als naheliegend anzusehen, auch wenn es bekannt war, daß dieses Material hohe Temperaturen aushält. Monokristallines Keramikmaterial wurde bisher nur wegen seiner besonderen optischen Eigenschaften und der Beständigkeit gegen aggressive Medien, auch bei hoher Temperatur, verwendet. Ein Einsatz für mechanisch beanspruchte Elemente, um die es sich ja bei Versteifungselementen handelt, wurde bisher nicht in Betracht gezogen, weil monokristallines Keramikmaterial gegen mechanische Beanspruchung äußerst empfindlich ist.

Aus der DE-AS 24 61 801 ist zwar ein feuerfester Werkstoff bekannt, bei dem in einer Matrix Einkristalle in zerkleinerter Form enthalten sind. Dort werden die Einkristalle jedoch mechanisch nicht besonders beansprucht, so daß der bekannte Einsatz monokristallinen Keramikmaterials nicht mit der Verwendung entsprechenden Materials für mechanisch beanspruchte Versteifungselemente verglichen werden kann.

Die Versteifungselemente bestehen zweckmäßig aus einem monokristallinen oxidkeramischen Material. Bei diesem oxidkeramischen Material handelt es sich vorzugsweise um monokristallines Aluminiumoxid, d. h. am Saphir. Selbstverständlich wäre es auch möglich, daß die Versteifungselemente aus einem monokristallinen nichtoxidischen Keramikmaterial bestehen. Hierbei kann es sich um ein monokristallines Borid-, Nitrid- und/oder Karbid-Material handeln.

Die Versteifungselemente aus monokristallinem Material können neben dem Isoliermaterial vorgesehen sein und an diesem anliegen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß die Versteifungselemente in Aussparungen des Isoliermaterials vorgesehen sind. Unabhängig davon, ob die Versteifungselemente an dem Isoliermaterial außen anliegen oder in dafür vorgesehenen Aussparungen des Isoliermaterials angeordnet sind, wird durch die Versteifungselemente aus monokristallinem Keramikmaterial der Vorteil erzielt, daß die derartig ausgebildete Isolierung bis zu Temperaturen von 1900°C und mehr gegen unerwünschte Auswölbungen beständig ist, auch wenn diese hohen Temperaturen lange Zeit auf die Isolierung einwirken. In Dauerstandsversuchen wurde ermittelt, daß eine derartige Isolierung Temperaturen in der Größenordnung um 1900°C wochenlang widersteht, ohne daß es zu Auswölbungen der Isolierung kommt.

Die Versteifungselemente können mit einem Vollquerschnitt oder mit einem Hohlquerschnitt ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Isolierung ist in Verbindung mit jeder beliebigen Heiz- bzw. Strahlungsquelle verwendbar. Bei dieser Heiz- bzw. Strahlungsquelle kann es sich um ein elektrisches Heizelement, Mikrowellenerwärmung, um einen Brenner, oder um eine beliebige andere Infrarotstrahlungsquelle handeln.

Im Vergleich zu bislang bei solchen hohen Temperaturen zur Anwendung gelangenden Isolierungen mit dichtem Feuerfestmaterial als Isoliermaterial, die z. B. mit gasbeheizten Infrarotstrahlungsquellen verwendet werden, ergibt sich mit der erfindungsgemäßen Isolierung der Vorteil, daß der Leistungsanschlußwert bei Verwendung der erfindungsgemäßen Isolierung auf größenordnungsmäßig die Hälfte bis ein Viertel des Leistungsanschlußwertes einer mittels dichten Feuerfestmaterials isolierten Infrarotstrahlungsquelle reduziert sein kann (Energieeinsparung).

Eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Isolierung ist bei Hochtemperaturöfen für Betriebstemperaturen um 1900°C gegeben. Derartige Hochtemperaturöfen werden beispielsweise zum Sintern von Oxidkeramiken, Siliziumnitrid- oder Bornitrid- Konstruktionsteilen benötigt, die z. B. in der Elektronik, Bauteileindustrie, Medizintechnik, Raketentechnik, Motorentwicklung oder sonstigen Ingenieurkeramik u. dgl. zum Einsatz gelangen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausbildungen der Isolierung für eine Hochtemperatur-Heizeinrichtung. Es zeigt

Fig. 1 einen Schnitt durch eine abschnittsweise gezeichnete Isolierung in einer zu den Versteifungselementen parallelen Richtung,

Fig. 2 eine Ansicht der Isolierungen gemäß Fig. 1 in Richtung des Pfeiles II,

Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Schnittdarstellung durch eine andere Ausführungsform der Isolierung,

Fig. 4 eine Ansicht der Isolierungen gemäß Fig. 3 in Blickrichtung des Pfeiles IV,

Fig. 5 einige Querschnittsprofile von Versteifungselementen und

Fig. 6 eine Ansicht eines abschnittsweise gezeichneten Versteifungselementes bzw. Ankerelementes in Blickrichtung von oben.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein Isoliermaterial 10, das vorzugsweise ein plattenförmiges Isoliermaterial ist. Anstelle eines Fasermaterials, z. B. aus Aluminiumsilikat, Aluminiumoxid, Zirkonoxid od. dgl, das gegebenenfalls mit einem Pulver versetzt sein kann, kann auch ein mikroporöser Isolierstoff oder ein hohlkugelförmige Partikel aufweisender Isolierstoff zur Anwendung gelangen. Die Dichte des Isoliermaterials liegt größenordnungsmäßig zwischen 50 kg/m³ und 600 kg/m³, vorzugsweise zwischen 80 kg/m³ und 500 kg/m³. Auf der der (nicht gezeichneten) Heizeinrichtung zugewandten Seite des Isoliermaterials 10 liegen an der Fläche 12 des Isoliermaterials 10 Versteifungselemente 14 an, von denen in Fig. 1 nur ein Versteifungselement 14 sichtbar ist. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die Versteifungselemente 14 voneinander beabstandet an der Fläche 12 des Isoliermaterials 10 eng anliegen. Die Versteifungselemente 14 sind hier stabförmig mit einem runden Vollquerschnitt ausgebildet.

In Fig. 5 sind einige andere Querschnittsformen der stabförmigen Versteifungselemente angedeutet. So ist es beispielsweise möglich, die Versteifungselemente 14 mit einem kreisringförmigen Querschnitt rohrförmig, mit einem außen regelmäßig mehreckigen Querschnitt und einer zentralen kreisrunden Ausnehmung, mit einem flachen rechteckigen Querschnitt, mit einem quadratischen Vollquerschnitt, mit einem quadratischen Außenquerschnitt und einer zentralen Ausnehmung oder beliebig anders auszubilden. Fig. 6 zeigt z. B. einen Abschnitt eines Versteifungselementes 14, das streifen- bzw. bandförmig ausgebildet und mit Durchgangslöchern 16 versehen ist.

Die Fig. 3 und 4 zeigen eine Ausbildung der abschnittsweise gezeichneten Isolierung aus einem plattenförmigen Isoliermaterial 10, bei dem es sich um ein Fasermaterial, um einen mikroporösen Isolierstoff, um einen hohlkugelförmige Partikel aufweisenden Isolierstoff od. dgl. handelt, und der mit Durchgangsausnehmungen 18 versehen ist, die sich in einem mittleren Abschnitt voneinander beabstandet durch das Isoliermaterial 10 hindurcherstrecken. In jeder Durchgangsausnehmung 18 ist ein Versteifungselement 14 angeordnet, dessen Querschnittsabmessungen an die lichten Innenabmessungen der Durchgangsausnehmungen 18 angepaßt ist.

Die Versteifungselemente 14 bestehen aus einem monokristallinen oxidkeramischen oder nicht oxidischen Keramikmaterial. Durch das einkristalline Keramikmaterial der Versteifungselemente 14 sind diese bis zu Temperaturen von größenordnungsmäßig 1900°C und mehr formbeständig, so daß eine unerwünschte Verwölbung der Isolierung vermieden wird.

Claims (8)

1. Isolierung für eine Hochtemperatur-Heizeinrichtung, wobei zur Verhinderung von temperaturbedingten Auswölbungen stabförmige Versteifungselemente aus einem Keramikmaterial für das Isoliermaterial vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (14) aus einem monokristallinen Keramikmaterial bestehen..

2. Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (14) aus einem monokristallinen oxidkeramischen Material bestehen.

3. Isolierung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (14) aus monokristallinem Aluminiumoxid bestehen.

4. Isolierung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente aus einem monokristallinen nichtoxidischen Keramikmaterial bestehen.

5. Isolierung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (14) aus einem monokristallinen Borid-, Nitrid- und/oder Karbidmaterial bestehen.

6. Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (14) neben dem Isoliermaterial (10) vorgesehen sind und an diesem anliegen.

7. Isolierung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Versteifungselemente (14) in Aussparungen (18) des Isoliermaterials (10) vorgesehen sind.

8. Verwendung einer Isolierung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei Hochtemperaturöfen für Betriebstemperaturen um 1900°C.