DE4306896C2 - Heizrohr für einen Industrieofen und Verwendung des Heizrohres in einem Industrieofen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein keramisches, poröses Heizrohr zur elektrischen Beheizung eines Industrieofens, einen mit derartigen Heizrohren ausgerüsteten Industrieofen sowie ein Verfahren zur elektrischen Beheizung des Ofens.

Die elektrische Beheizung von Industrieöfen in Form einer sogenannten Widerstandsheizung ist seit langem bekannt. Die Widerstandsheizung beruht auf dem Prinzip, daß der elektrische Strom beim Durchfließen der entsprechenden Heizkörper einen Widerstand entwickelt, wobei Wärme frei wird.

Als Heizleiterwerkstoffe kommen sowohl metallische wie auch keramische Werkstoffe in Frage.

Insbesondere bei höheren Temperaturen finden keramische Heizstäbe und Rohre Anwendung, die zum Beispiel aus Siliziumcarbid hergestellt werden. Alle erfordern verhältnismäßig hohe Stromstärken, was die Anwendung von Transformatoren bedingt.

Derartige keramische Heizrohre können grundsätzlich in allen Typen von Industrieöfen Anwendung finden, sind aber besonders dann problematisch, wenn "extreme" Ofenatmosphären existieren. So stellt sich zum Beispiel beim Brennen von Ferriten, insbesondere Weichferriten die Forderung, einen nahezu 100%ig oxidierende Ofenatmosphäre einzustellen, um optimale Werkstoffeigenschaften des Brenngutes zu erhalten.

Umgekehrt treten auch Anwendungsfälle auf, bei denen die Ofenatmosphäre nahezu vollstandig reduzierend sein soll.

Bei Verwendung von keramischen Heizstäben (Heizrohren) wird in diesen Fällen eine drastische Reduzierung der Lebensdauer der Heizrohre beobachtet. Diese ist auf den aggressiven Angriff der Ofenatmosphäre zurückzuführen, die begünstigt wird durch die Tatsache, daß die genannten keramischen Heiz­ rohre eine (auch offene) Porosität besitzen, die 10 bis 20 Vol.-% betragen kann. Dabei kommt es teilweise dann auch zu einem Ausbrennen des eigentlichen Heizleiter-Werkstoffes und damit zu einer Zerstörung der Heizrohre.

Es ist zwar versucht worden, die Lebensdauer derartiger keramischer Heizrohre dadurch zu verlängern, daß diese beschichtet oder glasiert werden (DE 20 14 480 A1). Der auch in diesem Fall bleibt eine Restporosität, so daß die beschriebenen Effekte allenfalls verlangsamt, nicht jedoch verhindert werden können.

Mit der Zerstörung des Heizleiter-Werkstoffes tritt gleichzeitig eine Widerstandszunahme auf. Es ist zwar möglich, diese durch eine Regelbarkeit des zugehörigen Transformators teilweise zu kompensieren, um die ausgehende Spannung (Sekundärspannung) entsprechend anzupassen, letzt­ endlich kann die Zerstörung aber so weit gehen, daß keine oder zumindest keine ausreichende Heizleistung mehr erreicht wird.

Insoweit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein keramisches, poröses Heizrohr zur elektrischen Beheizung eines Industrieofens anzubieten, das auch unter extremen Ofenatmosphären, insbesondere extrem oxidierenden und extrem reduzierenden Bedingungen eine höhere Standfestigkeit auch über längere Zeiten (also eine geringere Alterung) aufweist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die oben beschriebene Zerstörung der Heizstäbe (Heizrohre) durch eine Art "Infiltration" der aggressiven Ofenatmosphäre hervorgerufen wird, die über die Poren in den Werkstoff eindringen kann. Die Erfindung geht insoweit von der Überlegung aus, eine derartige "Atmosphäreninfiltration" soweit wie möglich zu verhindern. In diesem Zusammenhang wurde erkannt, daß dieses Ziel dadurch erreicht werden kann, indem in den entsprechenden Heizrohren ein Überdruck erzeugt wird, der mit Hilfe eines entsprechenden Gases ausgebildet wird, so daß aufgrund der gebildeten Partialdruck-Unterschiede das Gas die Heizrohre von innen nach außen durchdringt und damit einen Eintritt der Ofenatmosphäre in die Heizrohre verhindert.

Auf diese Weise werden die Heizrohre gegenüber einem Angriff der Ofenatmosphäre geschützt und es wird gleichzeitig bei Verwendung eines Inertgases eine Art "Inertgasschleier" um die Heizrohre herum ausgebildet.

Dabei genügt es, den Überdruck der Inertgas-Atmosphäre innerhalb der Heizrohre nur geringfügig über dem Gasdruck der Ofenatmosphäre anzulegen. Theoretisch würde es sogar genügen, den Inertgasdruck und den Druck der übrigen Ofen­ atmosphäre gleichzusetzen. Da die Ofenatmosphäre jedoch schwanken kann und eine möglichst hohe Sicherheit gegenüber atmosphärischen Angriffen geschaffen werden soll, liegt der Inertgas-Druck vorzugsweise etwas (beispielsweise 1 bis 5%) über dem Atmosphärendruck innerhalb des Ofens.

Dies vorausgeschickt betrifft die Erfindung in ihrer allgemeinsten Ausführungsform ein keramisches, poröses Heiz­ rohr zur elektrischen Beheizung eines Industrieofens mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Erfindungsgemäß kann der (rohrförmige) Innenraum des Heizrohres mit einem Gas, vorzugsweise einem Inertgas gefüllt und das Inertgas dort unter einen gewissen Überdruck gesetzt werden kann, wobei der Inertgasstrom ausschließlich über die Mantelfläche des Heizrohres und beispielsweise nicht am gegenüberliegenden zweiten Ende austreten kann.

Um diese ausschließliche Inertgasströmung über die Mantelfläche des Heizrohres sicherzustellen, bietet die Erfindung verschiedene Ausführungsformen an.

Im einfachsten Fall wird das Heizrohr an dem, dem gasan­ schlußseitigen ersten Ende gegenüberliegenden freien zweiten Ende geschlossen ausgebildet, so daß der Inertgasstrom hier nicht austreten kann. Aufgrund des stets unter Druck zugeführten Inertgasstromes am ersten Ende wird gleichzeitig eine Rückströmung des Gases verhindert.

Nach einer alternativen Ausführungsform ist das Heizrohr an dem, dem ersten gasanschlußseitigen Ende gegenüberliegenden zweiten Ende mit einem weiteren Adapter zum Anschluß einer Inertgaszuführung ausgebildet. Hierbei strömt das Inertgas also von zwei Seiten in das Heizrohr ein, wobei sich die Inertgasströme in der Mitte treffen und insoweit ebenfalls nur über den porösen Heizrohrmantel austreten können.

Auch bei dieser Ausführungsform ist es möglich, den freien Rohrquerschnitt an einer Stelle zwischen den gasanschluß­ seitigen Enden geschlossen auszubilden, so daß sich die beiden - entgegengesetzt gerichteten - Teilgasströme nicht unmittelbar berühren.

Aufgrund der elektrischen Widerstandseigenschaften besteht das Heizrohr vorzugsweise aus Siliziumcarbid, reaktionssili­ ziertem Siliziumcarbid oder siliziuminfiltrierten Silizium­ carbid (SiSiC). Das Heizrohr kann aber auch aus anderen keramischen, porösen Werkstoffen bestehen, die die Funktion einer Widerstandsheizung erfüllen.

Ebenso ist es möglich, das Heizrohr mit einer glasierten Oberfläche auszubilden. In diesem Fall wird die Oberfläche des Heizrohres zusätzlich geschützt (dichter gemacht); wenngleich eine vollständige Dichte auch hier nicht erreicht werden kann und braucht. Aufgrund der teilweisen "Sperr­ wirkung" der glasierten Oberfläche treten bei dieser Ausführungsform jedoch geringere Inertgasströme aus.

Ein elektrisch beheizter Industrieofen läßt sich mit mehreren Heizrohren der beschriebenen Art ausrüsten und umfaßt mindestens eine Inertgasstation zur Zuführung von (Inert)gas über die an den Heizrohren endseitig angeschlossenen Adapter in das Innere der Heizrohre. Die Anordnung der Heizrohre kann gegenüber dem Stand der Technik unverändert bleiben. Üblicherweise werden die Heizrohre unterhalb der Decke und quer durch den Ofenkanal (Ofenraum) angeordnet, wobei sie endseitig aus den Ofenwänden vorragen, so daß die entsprechenden Adapter beziehungsweise Gasan­ schlüsse außerhalb des Ofens und damit außerhalb der temperaturbelasteten Zone montiert werden können.

Die Inertgasstation kann aus einer kontinuierlichen Gas­ quelle; ebenso aber auch aus einer Gasflasche bestehen. Zum Betrieb des Ofens wird der Inertgasstrom in die Heizrohre derart eingeführt, daß das Inertgas im Inneren der Heizrohre unter Überdruck gegenüber der Ofenatmosphäre steht.

Grundsätzlich kann jedes Inertgas (Schutzgas) verwendet werden, das die Ofenatmosphäre und damit die Qualität des Brenngutes nicht negativ beeinflußt. Ein preisgünstiges Inertgas für diesen Zweck stellt Stickstoff dar (N₂). Ebenso kann aber beispielsweise auch Argon verwendet werden.

Bei Bedarf kann das Heizrohr auch zur gezielten Zuführung eines Gases in den Ofen genutzt werden. Das Gas, welches das Heizrohr von innen nach außen durchströmt, kann ebenfalls ein Inertgas, aber auch irgendein anderes Gas sein. Das Heiz­ rohr dient in diesem Fall dazu, eine Schutzgasatmosphäre im Ofen einzustellen oder aufrechtzuerhalten oder auch als "Belüfter", um zum Beispiel das Brenngut in der Vorheizzone des Ofens vorzuwärmen und/oder flüchtige Bestandteile aus dem Brenngut auszutreiben (zum Beispiel: Wasser, Bindemittel). Das Heizrohr kann bei dieser Verwendung zusätzliche Löcher in der Mantelfläche aufweisen, so daß mehr Gas durchströmt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spieles näher erläutert, wobei

Fig. 1 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Heizrohr in einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Heizrohr in einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen zugehörigen Industrie­ ofen jeweils in stark schematisierter Darstellung zeigen.

In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen dargestellt.

Das in Fig. 1 dargestellte Heizrohr ist insgesamt mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet. Das Heizrohr 10, dessen Mantel das Bezugszeichen 12 trägt, besteht aus Siliziumcarbid mit einer Porosität von 15%.

Am einen (in der Figur linken) Ende 10a ist das Heizrohr 10 mit einem Adapter 14 ausgebildet, der einen geringeren Querschnitt als das Heizrohr 10 aufweist und an dieses Ende gasdicht angeschlossen ist.

Am gegenüberliegenden (zweiten) Ende 10b ist das Heizrohr 10 mit einer ebenfalls gasdichten, geschlossenen Abdeckung 16 versehen.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 unterscheidet sich von dem nach Fig. 1 dadurch, daß beide Enden des Heizrohres 10 mit den beschriebenen Adaptern 14 ausgebildet sind und etwa in der Mitte des Heizrohres eine geschlossene Wand 18 das Heizrohr 10 in zwei Teile teilt.

Fig. 3 zeigt schematisch einen Industrieofen (hier einen Herdwagenofen), der unterhalb seiner Decke 20 mit mehreren, senkrecht zur Zeichenebene hintereinander angeordneten Heizrohren 10 gemäß Fig. 1 ausgebildet ist, wobei die Heizrohre 10 eine größere Breite als der Ofen aufweisen, so daß sie die Ofenwände 22a, b durchdringen. Dabei überragt das geschlossene Ende 10b der Heizstäbe 10 die in der Figur linke Ofenwand 22a, während das mit dem Anschlußstutzen (Adapter) 14 ausgebildete erste Ofenende die rechte Wand 22b überragt.

Im Betrieb wird nun eine Inertgasleitung, hier: eine Stick­ stoffleitung, an die Adapter 14 der diversen Heizrohre angeschlossen, so daß der Stickstoff in das Innere 10c der Heizrohre 10 strömt, wobei im Heizrohr 10 jeweils ein Überdruck gegenüber der im Ofenraum 20a herrschenden Ofenatmosphäre, die hier rein oxidierend ist, ausgebildet wird.

Das Inertgas ist danach bestrebt, den Heizrohrmantel 12 zu durchdringen und dies erfolgt schließlich über das offene Porenvolumen des Mantels 12 in Richtung der Pfeile P.

Es ist selbstverständlich, daß der Inertgasstrom über die gesamte Oberfläche des Mantels 12 austritt. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß in umgekehrter Richtung die Ofen­ atmosphäre nicht in den Mantel 12 eindringen und die Heizrohre 10 zerstören kann.

Die Inertgaszufuhr (Pfeil 1) ist hier im einzelnen nicht dargestellt, sie besteht aus einer Stickstoff-Station mit einer entsprechenden Druckeinrichtung zur Förderung des Gases in die Heizrohre 10, die im übrigen selbstverständlich auf bekannte Art und Weise an eine Spannungsquelle angelegt sind.

Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit ist in Fig. 3 das Brenngut nicht dargestellt. Es handelt sich hier um Weichferrite.

Claims (7)

1. Keramisches Heizrohr zur elektrischen Beheizung eines Industrieofens, das mindestens an einem ersten Ende (10a) mit einem Adapter (14) zum Anschluß einer Gaszuführung und im übrigen in sich geschlossen, jedoch mit einer porösen, gasdurchlässigen Mantelfläche (12) ausgebildet ist.

2. Heizrohr nach Anspruch 1, dessen, dem ersten, gasanschlußseitigen Ende (10a) gegenüberliegendes zweites Ende (10b) ebenfalls mit einem Adapter (14) zum Anschluß einer Gaszuführung ausgebildet ist.

3. Heizrohr nach Anspruch 2, bei dem der freie Rohrquer­ schnitt an einer Stelle zwischen den endseitigen, gasanschlußseitigen Enden (10a, b) mit einer Trennwand (18) geschlossen ausgebildet ist.

4. Heizrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bestehend aus Siliziumcarbid, rekristallisiertem Siliziumcarbid oder reaktionssiliziertem Siliziumcarbid.

5. Heizrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 4 mit einer glasierten Oberfläche.

6. Heizrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dessen Mantelfläche (10) Bohrungen für den Gasdurchtritt aufweist.

7. Verwendung eines Heizrohrs nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in einem elektrisch beheizten Industrieofen, der mit mindestens einer Gasstation zur Zuführung von Gas über den an dem Heizrohr endseitig angeschlossenen Adapter in das Innere des Heizrohrs verbunden ist.