DE4330953A1 - Hochtemperatur-Heizelement - Google Patents

Description

Die Erfindung findet Anwendung beim Erhitzen und Warmhalten von metallischen, keramischen oder anderen Einsatzgütern in Elektroöfen in verschiedenen Atmosphären.

Heizleiter für elektrisch beheizte Hochtemperaturöfen werden u. a. nach den im Ofen befindlichen Atmosphären ausgewählt. Oberhalb einer Temperatur von etwa 1600°C wird dabei unterschieden zwischen Heizelementen für oxidierende und für inerte/reduzierende Atmosphären.

Für inerte/reduzierende Umgebung werden in bekannter Weise Wolfram, Molybdän, Tantal oder Graphit eingesetzt. Diese Werkstoffe werden bei höheren Temperaturen beim Hinzutritt von Sauerstoff durch Oxidation zerstört.

Für oxidierende Atmosphären werden vorzugsweise Molybdänsilizid-Heizelemente eingesetzt, die sich durch eine selbstbildende Siliziumdioxid-Schicht vor Oxidation schützen. In reduzierenden Gasen ist bei derartigen Systemen allerdings die Anwendungstemperatur stark herabgesetzt. Sie beträgt z. B. für trockenen Wasserstoff 1400°C.

Heizelemente aus Zirkondioxid erlauben Temperaturen in Luftatmosphäre bis zu 2000°C, benötigen aber eine Vorheizung, da dieses Material erst ab 800°C elektrisch leitfähig wird. Aufgrund der geringen Temperaturwechselbeständigkeit ist die Lebensdauer bei diskontinuierlichem Betrieb gering.

In der Vergangenheit sind Versuche bekannt geworden, auch refraktärmetallische Heizleitermaterialien, besonders Wolfram und Molybdän, in oxidierenden Medien einzusetzen, wobei diese dann vor dem Zutritt von Sauerstoff geschützt werden müssen. Der Vorteil solcher Anordnungen liegt in der hohen erreichbaren Temperatur, der guten Verträglichkeit von Temperaturwechselbelastungen und in den hohen erzielbaren Wärmestromdichten an der Oberfläche.

In US-PS 3.538.231 ist ein Hochtemperatur-Heizelement für das Arbeiten in Luftatmosphäre beschrieben, bei dem direkt auf den metallischen Heizleiter Schutzschichten aufgebracht sind. Die damit erzielten Betriebszeiten schließen allerdings einen praktischen Einsatz im Ofenbau aus.

In US-PS 3.571.477 werden elektrische Heizelemente, die aus einem oxidablen Material bestehen, durch ein sauerstoffpufferndes Material geschützt. Dieses schafft eine reduzierende CO-CO₂-Atmosphäre und erhält diese aufrecht. Als Puffersysteme werden Materialien vorgeschlagen, die mit Sauerstoff reagierende kohlenstoffhaltige Stoffe und mit Sauerstoff reagierende metallische Stoffe sowie kohlenstoffhaltige Stoffe und Oxide und Carbide von Aluminium, Zirkonium, Beryllium und Thorium einschließen. Die oxidablen Materialien sind entsprechend ihrer Funktion elektrische Leiter oder Halbleiter wie Siliziumcarbid, Tantalcarbid oder Silizide. Die durch das Puffersystem gewährleistete reduzierende Atmosphäre schützt zwar diese oxidablen Materialien gegen eindringenden Sauerstoff. Das CO-CO₂-System wirkt jedoch gerade auf einige Hochtemperatur-Heizleiter wie Niob, Tantal, Wolfram oder Molybdän carburierend, so daß diese Metalle zwar vor Oxidation geschützt, aber einer Umwandlung in Carbid ausgesetzt sind. Des weiteren kann das Puffersystem Stoffe enthalten, die selbst elektrisch leitend sind wie Kohlenstoff, Metalle oder einige Carbide. Damit kann aber der elektrische Strom zusätzlich zum Heizleiter auch durch das Puffersystem selbst fließen. Außerdem kann der im Puffersystem eingesetzte Kohlenstoff bei hohen Temperaturen zu einer Carboreduktion von Ofenbauteilen aus Aluminiumoxid führen, die in dieser US-PS eingesetzt werden.

Aus US-PS 4.885.454 ist ein Hochtemperaturofen bekannt, bei dem sich Wolfram-Heizwendel in Saphir-Rohren befinden, die von Schutzgas durchströmt werden. Nachteilig ist hier die notwendige externe Gasversorgung für die Heizleiter.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges Hochtemperatur-Heizelement anzugeben, das sowohl in Luftatmosphäre, als auch unter Schutzgasatmosphäre eingesetzt werden kann, bei dem eine externe Gasversorgung nicht notwendig ist und bei dem während des Betriebes keine Kohlenstoffverbindungen freigesetzt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß in einem Hochtemperatur-Heizelement, bestehend aus einem metallischen Heizleiter, der von einer Hülle aus temperaturbeständigem Material umgeben ist, das elektrisch isolierende und zwischen Heizleiter und Hülle angeordnete Material eine höhere Affinität zum Sauerstoff aufweist als der Heizleiter und bei hohen Temperaturen einen Stickstoffüberdruck im Inneren der Hülle aufbaut.

In einer erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist dieses Material Aluminiumnitrid.

Die Öffnungen der keramischen Außenumhüllungen sind mit elastischem Material abgedichtet, so daß eine gasdichte Durchführung für die elektrischen Anschlüsse entsteht.

Wird das Heizelement zum ersten Mal aufgeheizt, so oxidiert das Wolfram oder Molybdän des Heizdrahtes bei etwa 600°C mit dem im abgeschlossenen Volumen vorhandenen Sauerstoff zu flüchtigem Metalloxid. Der Abtrag vom Heizdraht ist aufgrund des begrenzten Sauerstoffvorrates gering.

Oberhalb 1600°C tritt dann aufgrund von Volumen- und Grenzflächendiffusion ein Sauerstofftransport durch die polykristalline Keramikhülle hindurch in das Innere des Heizelementes auf. Der durch die Hülle diffundierende Sauerstoff reagiert mit dem Nitrid, welches sich unter Abgabe von Stickstoff zum chemisch stabileren Oxid umwandelt.

Somit wirkt das Aluminiumnitrid als Aktivgetter, der Sauerstoff wird chemisch gebunden, kann nicht zum Heizdraht gelangen und diesen zerstören. Außerdem wird damit ständig im Inneren des Heizelementes ein Stickstoffüberdruck erzeugt. Bei Verwendung von AlN werden keine Kohlenstoffverbindungen freigesetzt. Das AlN ist elektrisch isolierend, mit Korundsinterbauteilen bestens verträglich und besitzt den Vorteil hoher Wärmeleitfähigkeit, so daß ein guter Wärmetransport vom Heizdraht zur Elementoberfläche erzielt werden kann. Damit verringert sich die Übertemperatur der Heizwendel gegenüber der Oberfläche, und die Lebensdauer der Wendel wird erhöht.

Das erfindungsgemäße Heizelement kann in vielerlei Varianten Verwendung finden.

Die äußere Keramikhülle kann aus polykristalliner oder einkristalliner Keramik, wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Berylliumoxid bestehen. Die geometrische Form kann dabei dem jeweiligen Anwendungszweck entsprechend gestaltet sein. So können z. B. beidseitig offene Rohre, einseitig geschlossenen Rohre oder aus Platten zusammengesetzte Quader Verwendung finden.

Die Getterzone kann sowohl als Schüttung aus Nitridgranulat oder aus einem durch Sintern gebildeten Festkörper bestehen. Im letzteren Fall wird die Wärmeleitung von der Heizwendel zur Elementoberfläche besonders verbessert.

Der Heizdraht selbst kann aus Wolfram, Molybdän, Tantal oder einem anderen hochschmelzenden Metall bestehen.

Der Schutz von metallischen Teilen vor Oxidation bei hohen Temperaturen mittels AlN läßt sich nicht nur für Hochtemperatur-Heizleiter erreichen, sondern kann auch Anwendung finden zum Schutz von metallischen Teilen in Hochtemperaturöfen.

Das erfindungsgemäße Hochtemperatur-Heizelement zeichnet sich neben den bereits erwähnten Vorteilen dadurch aus, daß alle Komponenten des Heizleiters mit vergleichsweise geringem finanziellen Aufwand beschaffbar sind, und es damit eine preisgünstige Alternative zu bekannten Lösungen darstellt.

Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und wird in folgendem näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Heizelement für Elementtemperaturen bis 1700°C in oxidierenden oder reduzierenden oder inerten Atmosphären.

Die Außenhülle (1) des Elementes besteht aus einem dicht gesinterten Rohr mit über 99% Anteil an Aluminiumoxid. Der Außendurchmesser beträgt 20 mm, der Innendurchmesser 15 mm, die Länge 800 mm. Im Inneren befindet sich eine Wendel (2) aus Mo-Draht (Drahtdurchmesser 1 mm) mit einem Außenwendel­ durchmesser von 12 mm und einer Wendellänge von 400 mm. Die Windungssteigung beträgt 5 mm. Die Kontaktierung der Wendel (2) erfolgt an beiden Enden mittels mehrfach verdrillter Drähte (3), so daß sich der vom Strom durchflossene Querschnitt erhöht. Der Hohlraum wird mit Aluminiumnitrid- Granulat (4) der Körnung 0,5 bis 1,0 mm verfüllt. Beide Enden des Elementes werden mit elastischem Material (5), z. B. mit CENUSIL (Chemiewerk Nünchritz GmbH), gasdicht verschlossen.

Claims (2)

1. Hochtemperatur-Heizelement, bestehend aus einem metal­ lischen Heizleiter, der von einer äußeren Hülle aus temperaturbeständigem Material umschlossen ist, wobei der Innenraum dieser Hülle mit einem elektrisch isolierenden Material verfüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Material sowohl eine höhere Sauerstoffaffinität aufweist als der Heizleiter als auch bei hohen Temperaturen einen Stickstoffüberdruck im Innenraum der Hülle aufbaut.

2. Hochtemperatur-Heizelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das isolierende, eine höhere Sauerstoff­ affinität als der Heizleiter aufweisende und bei hohen Temperaturen einen Stickstoffüberdruck im Innenraum der Hülle aufbauende Material Aluminiumnitrid ist.