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Verfahren zur Erhitzung von Körpern auf elektrischem Wege Vorliegende
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Hrzeugung hoher Temperaturen durch elektrische
Widerstandserhitzung, insbesondere für Ausführung chemischer Reaktionen. Im Gebiete
hoher, über 3000'
liegender Temperaturen findet die elektrische Erhitzung
vielseitige technische Anwendung, ebenso im Temperaturgebiet unterhalb i ooo`. Während
für die hohen Temperaturen ausschließlich der elektrische Lichtbogen den technischen
Wärmeerzeuger bildet, ist es für die tieferen Temperaturgebiete die elektrische
Widerstandserhitzung. Es ist-leicht, Laboratoriumsvorrichtungen zur elektrischen
Widerstandserhitzung für den Temperaturbereich oberhalb Rotglut bis gegen- Lichtbogentemperatur
hin für Versuchszwecke mit relativ kleinen Abmessungen herzustellen; es ist jedoch
schwierig, große Apparate für technische Leistungen zu bauen. In der Tat ist, abgesehen
von einigen Konstruktionen für spezielle Fälle, z. B. beim Induktionsofen der Elektrostahlindustrie,
im Carborundumofen, kein Verfahren der elektrischen Widerstandserhitzung bekannt,
das in dem obengenannten Temperaturbereich einer allgemeinen Anwendung fähig wäre.
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung ist geeignet, diese Lücke zu schließen.
Abgesehen von den besonderen Fällen der Anwendung hochschmelzender Metalle zu Heizelementen
oder von gewissen hochfeuerfesten und bei hohen Temperaturen den elektrischen Strom
leitenden Metalloxyden und Gemischen von solchen, wie z. B. Nernststiftmasse., die
ihrer Kostspieligkeit wegen nur in Heizvorrichtungen von kleinen Abmessungen verwendet
werden können, hat die Laboratoriumstechnik wesentlich zwei Verfahren geschaffen
zur Erzeugung hoher Temperaturen durch elektrische Widerstandserhitzung. Bei beiden
dient Kohle als Leiter. Die eine Arbeitsweise verwendet ein aus Kohle geformtes
Hohlgefäß, z. B. ein Rohr, das, zwischen dicke Stromzuführungen aus Metall geklemmt,
die zugeführte Energie in Wärme umsetzt. Sein niedriger Widerstand bedingt relativ
kleine Klemmenspannungen und sehr hohe Stromstärken, die bei öfen hoher Leistung
außerordentliche Beträge annehmen. Das bedingt, daß ein derartiger Ofen nicht an
das gewöhnliche elektrische -Verteilungsnetz angeschlossen werden kann. - Es ist
vielmehr ein Spezialtransformator mit wenigen sekundären Windungen von sehr geringem
Widerstand nötig. Bei größeren Abmessungen eines solchen Kohlerohrofens wird das
Kohlerohr ziemlich teuer, und da es, insbesondere bei
hoher Temperatur,
einem raschen Verschleiß unterliegt, ist der Betrieb eines derartigen Ofens kostspielig.
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Die zweite Arbeitsweise verwendet die Kohle in gekörnter Form. Körner
bis Erbsengröße sind gebräuchlich. Diese Masse, die als Kohlengrieß bezeichnet wird,
hat, wie eine Flüssigkeit, infolge großer innerer Beweglichkeit und daher leichter
Deformierbarkeit keine eigene Form; diese muß vielmehr durch einschließende Wände
gegeben werden. Bei den gebräuchlichen Formen dieser Erhitzungsart befindet sich
der Kohlengrieß zwischen zwei isolierenden Schamottezylindern, die konzentrisch
ineinandergestellt sind, als relativ dünne Schicht. Die geringe und lose Berührung
der Körner untereinander erzeugt einen hohen Widerstand, so daß dieselbe Leistung
beim Kohlengrießofen bei wesentlich höherer Spannung und geringerer Stromstärke
aufgenommen wird als bei Kohlerohröfen. Der unmittelbare Netzanschluß ist meist
ohne weiteres möglich. Damit entfällt der teure Transformator.
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Mit Bezug auf Erreichung hoher und höchster Temperaturen ist dagegen
das Kohlengrießverfahren nicht so leistungsfähig wie das Rohrverfahren, und zwar
deshalb, weil der Kohlengrieß gegen den zu beheizenden Raum hin durch ein isolierendes
Rohr gestützt werden muß. Solche Rohre aus hochfeuerfesten keramischen Stoffen sind
jedoch äußerst teuer in Anschaffung und Betrieb und für größere Ofenabmessungen
geradezu unmöglich. Dieses in elektrischer Hinsicht sonst sehr günstige Verfahren
hat sich daher, wie übrigens auch das Kohlerohrverfahren, nicht über die Verwendung
im Laboratorium hinaus entwickeln können.
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Das Verfahren gemäß vorliegender Erfindung ist in einigen Ausführungsweisen
diesem bekannten I<ohlengrießverfahren verwandt, geht aber in seinen Verwendungsmöglichkeiten
weit darüber hinaus. Es hat zunächst die Vorteile dieses Verfahrens in elektrischer
Hinsicht: Relativ hohe Spannungen und niedrige Stromstärken, indem der stromführende
Heizwiderstand aus einer Schicht von gekörntem Leitermaterial, z. B. Kohle, bestehen
kann. Es können aber auch Metalle in Grießform verwendet werden, ferner gekörntes
Carb.orundum und ähnliche Stoffe sowie Materialien, die erst bei hoher Temperatur
stromleitend werden. Das Verfahren vermeidet aber die Nachteile des bekannten Grießverfahrens
und die daraus sich ergebenden Beschränkungen, indem es auf eine Abstützung des
beweglichen Leitermaterials gegen den zu beheizenden Raum hin verzichten kann. Die
Formung des an sieh formlosen Leiters zu einem einen Hohlraum einschließenden, elektrisch
zusammenhängenden Körper wird gemäß der Erfindung durch Zentrifugalkräfte bewirkt.
Die Widerstandstasse von großer innerer Beweglichkeit wird im Innern eines axial-symmetrischen
Gefäßes auf dessen Wand zu einer rohrförmigen Schicht ausgebreitet, dadurch, daß
man das Gefäß sich rasch um seine Rotationsachse drehen läßt. Dabei wird die Widerstandsmasse
durch die Zentrifugalwirkung gegen die Innenfläche der mit einem thermisch und elektrisch
isolierenden Belag versehenen Gefäßwand gedrückt und bildet so einen gleichmäßigen
Rotationshohlkörper. Dieses so gebildete Heizelement berührt an geeigneten Stellen
Stromzuführungen, welchen die elektrische Energie aus dem speisenden Kraftnetz,
z. B. über Schleifringe, zufließt.
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Dieses neue elektrische Erhitzungsverfahren ist im vorstehenden unter
Bezugnahme auf Idas bekannte Kohlengrießverfahren beschrieben. Es ist aber nicht
auf Kohlengrieß und überhaupt nicht auf einen festen Leiter in Grießform beschränkt.
Jeder leicht deformierbare leitende Stoff oder jedes ebenso geschaffene Stoffgemenge,
wobei die Deformierbarkeit dem Stoff bis in seine kleinsten Teile zukommen kann,
dieser also eine Flüssigkeit ist, oder nur durch genügende Unterteilung eines an
sich festen Körpers zustande kommt, kann nach dem vorliegenden Verfahren durch Anwendung
der Zentrifugalkräfte zu einem zusammenhängenden Rotationsheizelement ausgebreitet
werden. Das- Verfahren ist nicht auf die Anwendung einer einzigen Leiterart von
großer innerer Beweglichkeit beschränkt. Es können mehrere zusammen verwendet werden.
Beispielsweise kann ein Leitermaterial, das erst bei hohen Temperaturen genügende
Leitfähigkeit erhält, wie Zirkondioxyd, in genügend zerkleinertem Zustand zusammen
mit Kohlengrieß durch Rotation zu einer Heizschicht ausgebreitet werden, wobei die
beigemengte Kohle das Anheizen bequem ermöglicht.
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Zweckmäßig wird das neue Verfahren auch für chemische Prozesse, die
relativ hohe Temperaturen erfordern, angewendet. Für diesen Zweck werden die nicht
gasförmigen Reaktionskomponenten im Zustande leichter innerer Beweglichkeit auf
der Innenisland des rasch um seine Achse gedrehten Reaktionsgefäßes durch Zentrifugalwirkung
ausgebreitet und mindestens zeitweise festgehalten. Ist keiner der Reaktionsteilnehmer
stromleitend, so wird zweckmäßig ein für das Reaktionsgemisch indifferentes leitendes
Material im Zustande leichter Beweglichkeit zusammen mit dem Reaktionsgemisch ausgebreitet,
wobei man es in der Hand hat, durch die Wahl der relativen Dichten die Heizmasse
außerhalb
oder innerhalb des Reaktionsgutes anzuordnen- oder auch beides sich gegenseitig
durchdringen zu lassen. Insbesondere für Prozesse, bei denen Gase mitwirken, wird
das neue Erhitzungsverfahren vorteilhaft angewendet, da diese leicht zu- und abgeführt
werden können und da die Ausbreitung des nicht gasförmigen Teiles des Reaktionsgernisclies
auf der Innenwand des Reaktionsgefäßes in beliebig dünner Schicht den Gasaustausch
sehr erleichtert. Eine gasdichte Ausführung der hierbei verwendeten Reaktionsgefäße
ist leicht zu bewerkstelligen.
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Für viele Zwecke wird das Heizverfahren g erriä iß vorliegender k#
Erfindung in der Weise ausgeübt werden, daß als rasch umlaufende äußere Hülle ein
zvlindrisclies Gefäß verwendet wird. Der Arbeitsprozeß wird hierbei diskontinuierlich
sein.
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Das neue Verfahren gestattet jedoch auch ein kontinuierliches Arbeiten.
Gibt man dem Reaktionsgefäß eine konische 1#oriri, so erhält <las auf der Innenwand
des Gefäßes ausgebreitete Reaktionsgut durch die Zentrifugalkräfte einen Vorschub
in axialer Richtung, der uni so größer ist, je größer der @eigungswinkel der Gefäßwand
gegen die Drehachse und je größer die Drehgeschwindigkeit ist.
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Das Verfahren- kann weiterhin in seiner Anwendung auf chemische Reaktion
so durchgeführt werden, daß durch geeignete Wahl der Dichten von Reaktionsgut und
Heizmasse die letztere nach innen zu liegen kommt. Diese Anordnung bringt Vorteile
einerseits in wärmetechnischer Richtung, indem der ganze vom Heizelement ausgehende
Wärmefluß die Reaktionsmasse durchfließt, in elektrischer Hinsicht, indem bei gleicher
Schichtdicke der gesamte Querschnitt des Heizelemente: kleiner, sein Widerstand
bei gleicher Länge daher größer wird als bei Außenlagerung. Der Aufbau des Ofeninhaltes
nach dieser Ausführungsweise ist demnach der folgende. Unmittelbar an der festen
metallischen Außenhülle anliegend eine Schicht eines wärmeschützenden und elektrisch
isolierenden Materials. Darauf folgend eine Schicht, enthaltend die Bestandteile
des Reaktionsgemisches, und, nächst der Ofenachse gelegen, die Widerstandsschicht.
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Da die Reaktionsmasse im allgemeinen in körniger bis pulveriger--
Form vorliegt, wirkt sie selbst in unerwünschter Weise als Wärmeschutz und läßt
den vorn Heizelement ausgehenden Wärmefluß nur langsam durch, so daß es bei dieser
Anordnung schwierig erscheint, in einer einigermaßen dicken Reaktionsschicht gleichmäßige
Temperatur herzustellen. Dieser Nachteil wird nun dadurch behoben, daß der Wärmeübergang
in die Reaktionsschicht weniger durch Leitung als hauptsächlich durch Strahlung
und Gaszirkulaticii zustande kommt. Hierzu wird die Reaktionsmasse in grobgekörnter
Form zur Anwendting gebracht. Es kommt so zur Bildung von zahlreichen relativ weiten
Kanälen, wodurch der Wärmestrahlung ein rasches Fortschreiten ermöglicht und der
Gasbewegung möglichst geringe Hindernisse geschaffen werden. In den groben Körnern
der Reaktionsschicht müssen natürlich die nicht gasförmigen Reaktionsteilnehmer
in inniger Mischung vorhanden sein.. Handelt es sich uin Reaktionen, bei welchen
Gase absorbiert oder entwickelt werden, ist es zweckmäßig, die groben Körner der
Reaktionsschicht möglichst porös herzustellen, was nach bekannten Verfahren bewirkt
werden kann.
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Durch die beschriebene Maßnahme wird der Wärmeübergang und -durchgang
in der Reaktionsschicht ein so ausgiebiger, daß das Teniperatttrgefälle in dieser
Schicht nur ein geringes ist. Der Temperaturabfall wird demnach wesentlich in die
äußerste eigentliche Wärmeschutzschicht verlegt, die im allgemeinen eine feste Ausfütterung
der metallischen Ofenhülle mit einem feuerfesten Material ist. Bei der oben angegebenen
Anordnung der Reaktionsschicht könnte es vorkommen, daß in der Grenze gegen die
Wärine-#chutzschicht ein Anbacken an die Wärineschutzschicht eintritt, «-as mit
Nachteilen verknüpft wäre, indem einerseits die Ofenentleerung erschwert und andererseits
die Ofenausfiitteriing rasch zerstört würde. Dies ,wird dadurch vermieden, daß man,
statt Sie ganze Wärmeisolation als feste Ausmauerung herzustellen, mindestens einen
Teil derselben dadurch erzeugt, daß man in analoger Weise wie das Material der Reaktionsschicht
und der Heizschicht auch das feuerfeste Material in ungeformtem, leicht beweglichem
Zustande durch die Rotation der Ofenhülle auf deren Innenfläche ausbreitet und festhält.
Die so hergestellte Wärmeisolation wird zum mindesten in ihren äußeren Teilen infolge
der niedrigen Temperatur nur wenig durch Zu-@ammenbacken der Teilchen verfestigt,
ist daher leicht z u entfernen und andererseits ebenso leicht wiederherzustellen.
Man kaim auch die Dicke der Isolationsschicht so groß wählen, daß es eine Zone gibt,
in der die Temperatur so weit abgefallen ist, daß eine Verfestigung, ein sogenanntes
»Brennen.< der Masse überhaupt nicht eintritt. Dann vollzieht sich die Entleerung
des Ofens nach vollendeter Reaktion mit Leichtigkeit; dabei wird natürlich auch
dieser durch Zentrifugalwirkung erzeugte Teil der Wärmeschutzschicht mit entleert.
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Um eine Verunreinigung des Reaktionsproduktes zu vermeiden, ist es
daher zweckmäßig,
zur Ausbildung der Isolationsschicht das Reaktionsprodukt
selbst in gekörnter Form zu verwenden, sofern dieses Material ausreichend thermi-sch
und elektrisch isoliert. Durch diese Maßnahme wird die Durchführung eines elektrothermischen
Prozesses außerordentlich vereinfacht.- In die rasch umlaufende metallische Ofenhülle,
z. B. zylindrische Stahltrommel, die evtl., j,ed-och nicht notwendigerweise, eine
feste, thermisch und elektrisch isolierende Ausfütterung besitzt, wird das Reaktionsprodukt
(aus einem früheren Prozeß stammend), das Reaktionsgemisch in obenerwähnter Form
und die Widerstandsmasse eingetragen. Die Dichten dieser drei Bestandteile werden
so gewählt, daß die Heizmasse den geringsten, die Wärmeschutzmasse den größten und
das Reaktionsgemisch einen zwischenliegenden Dichtewert hat. Durch die Rotation
findet die Anordnung des Ofeneinsatzes in den vorerwähnten drei Schichten statt.
Man kann auch die drei Einsatzbestandteile nacheinander durch Rotation einformen.
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Die als Wärmeschutz dienende äußerste Schicht muß, um den Wärmeübergang
möglichst zu erschweren, mindestens zum Teil aus feinkörnigem Material bestehen.
Verwendet man dazu das Reaktionsgemisch, so ist dieses gegebenenfalls von Beimengungen
nicht isolierender Art, z. B. Kohle oder Metallen, zu befreien.
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Die Ausbildung einer Ofenausfütterung durch Rotation einer körnigen
feuerfesten Masse ist an sich nicht auf die angegebene Ausführungsform beschränkt,
sondern kann auch in Anwendung gebracht werden in solchen Fällen, wo es sich nicht
um chemische Reaktion, sondern um gewöhnliche Erhitzungswirkungen handelt. Das Verfahren
gemäß vorliegender Erfindung kann z. B. bei der Bildung von Aluminiumnitrid wie
folgt zur Ausführung gelangen.
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i. Äußerste Schicht für -Isolation: Technisches Aluminiumnitrid, mindestens
die Hälfte des Materials ist feingekörnt, der Rest gröber gekörnt.
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a. Reaktionsgemisch: Fein gemahlener Bauxit wird mit der ausreichenden
Menge fein gemahlenen Koks gemischt, nötigenfalls unter Verwendung eines Bindemittels
brikettiert und zweckmäßig gebrannt. Die Briketts werden zerkleinert und in der
Form grober Körner als Ofeneinsatz verwendet. Bei dem erwähnten Brennprozeß kann
man das Material des Reaktionsgemisches leicht ausreichend porös erhalten, derart,
daß der zur Bildung des Aluminiumnitrids erforderliche Stickstoff leicht auch in
das Innere der groben Körner eindringen kann. Gegebenenfalls kann die Porosität
in bekannter Weise durch geeignete Zuschläge und Bindemittel vermehrt werden. Man
hat es so in der Hand, die Dichte der Körner des Reaktionsgemisches kleiner zu halten
als die Dichte des Reaktionsproduktes.
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3. Schicht für Widerstandserhitzung: Grob gekörnter Koks.