DE660946C - Elektrischer Ofen mit Heizwiderstaenden aus Siliciumcarbid - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein elektrischer Ofen mit Heizwiderständen aus Siliciumcarbid, bei welchem die Enden zweier in Reihe geschalteter Heizwiderstände mit nachgiebigem Druck mit einem innerhalb des Ofens angeordneten Verbindungskörper in Eingriff stehen.

Bei elektrischen Öfen mit Heizwiderständen aus Siliciumcarbid bereitet es erhebliche Schwierigkeiten, einwandfreie elektrische Kontakte herzustellen, ohne die Heizwiderstände durch die Wandung des Ofens hindurchzuführen. Die Kontakte 'müssen nämlich sehr hohen Temperaturen standhalten, und es findet ferner auch an den Kontaktflächen eine gewisse Lichtbogenbildung statt. Bisher war es üblich, Anschlußkörper aus Metall zu verwenden. Es ist aber kein Metall bekannt, welches einer wiederholten Lichtbogenbildung bei hohen Temperaturen widerstehen kann, so daß bei den meisten Öfen die Notwendigkeit besteht, eine Wasserkühlung für die Anschlüsse vorzusehen. Durch die Wasserkühlung ergeben sich jedoch erhebliehe Wärmeverluste, da sich die Anschlüsse annähernd bis in die heißeste Zone des Ofens erstrecken. Andererseits findet, wenn man auf die Wasserkühlung der Anschlüsse verzichtet, gewöhnlich eine schädliche Zersetzung statt, insbesondere wenn die Heizwiderstände auf hohe Temperaturen erhitzt werden. Die Aufgabe der Herstellung eines einwandfreien elektrischen Kontaktes ist bei Siliciumcarbidheizwiderständen eine" wesent-Hch andere als bei metallischen Widerstandskörpern oder bei solchen aus Kohle oder Graphit. Bei metallischen Heizwiderständen kann die elektrische Verbindung in einfacher Weise durch Schweißung oder ähnliche Maßnahmen bewirkt werden. Bei Heizwiderständen aus Kohle oder Graphit sind die Oxydationsprodukte gasförmig, so daß die Oxydation der Kontaktfläche durch Lichtbogenbildung zu keinen Schwierigkeiten Anlaß gibt. Bei Heizwiderständen aus Siliciumcarbid sind ^4S dagegen die Oxydationsprodukte nicht nur fest, sondern auch elektrisch isolierend, und es zeigt sich daher, daß bei den in der üblichen Weise ausgebildeten Kontakten infolge der Lichtbogenbildung die Kontaktfläche sich mit einer dünnen Schicht der festen Oxydationsprodukte überzieht. Die Folge hiervon ist eine Verstärkung der Lichtbogenbildung und eine weitere Oxydation, die so weit geht, bis schließlich der Kontakt elektrisch isolierend und der Stromfluß unterbrochen wird.

Zwecks Beseitigung der vorerwähnten Übelstände wird erfindungsgemäß ein aus Siliciumcarbid oder siliciertem Siliciumcarbid bestehender Verbindungskörper verwendet. Wie sich gezeigt hat, kann ein derartiger Verbindungskörper ohne Wasserkühlung verwendet und vollständig innerhalb der Ofenkammer angeordnet werden, so daß er zur Verbindung zweier in Reihe geschalteter Heizwiderstände dienen kann. Die bisher durch die Lichtbogenbildung hervorgerufenen Schwierigkeiten können durch die Anordnung des aus Siliciumcarbid oder siliciertem Siliciumcarbid zusammengesetzten Verbindungskörpern einwandfrei überwunden werden. Der Kontaktstoff besitzt ferner die unge-

wohnliche Eigenschaft, daß der Kontakt bei hohen Betriebstemperaturen eine geringere Zersetzung erleidet als in verhältnismäßig kai-, tem Zustand. Diese Eigenschaft besitzt Jc&L^ ner der bisher bekannten Kontaktstoffe.

körpers aus Siliciumcarbid werden die durch' Lichtbogenbildung erzeugten örtlichen Temperaturen durch die hohe Ofentemperatur bis ίο zu einem Punkt gesteigert, an welchem die in der Regel infolge Oxydation gebildete Kieselerde zu elementarem Silicium reduziert wird, und zwar vermutlich infolge Wechselwirkung mit dem Siliciumcarbid. Unter diesen Umständen wird der Kontakt nicht infolge der Bildung einer Kieselerdeschicht isolierend, sondern mit Rücksicht darauf, daß eine teilweise Silicierung des Kontaktstoffes stattfindet, tatsächlich in stärkerem Maße leitend. Wenn die Poren des Siliciumcarbids vor dem Einsetzen des Verbindungskörpers _pin den Ofen mit Silicium imprägniert werden, bewirken die an der Kontaktfläche auftretenden örtlichen Temperaturen eine zeitweilige Verschweißung zwischen dem Kontaktstoff und dem Ende des Heiz Widerstandes, und zwar insbesondere dann, wenn der Endteil des Heizwiderstandes ebenfalls mit Silicium imprägniert ist. Durch die Verschweißung wird eine weitere Lichtbogenbildung verhindert, Bei den üblichen metallischen Anschlüssen findet eine derartige Schweißwirkung nicht statt.

Die Zeichnung zeigt eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes in einem Schnitt durch einen elektrischen Ofen mit zwei in Reihe geschalteten und durch einen inneren Verbindungskörper miteinander verbundenen Heizwiderständen.

_, Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ofen werden die Siliciumcarbidheizwiderstände ι durch nachgiebig gegen ihre Enden anliegende Anschlußstücke 2 in ihrer Lage gehalten. Die Anschlußstücke bestehen aus siliciertem Siliciumcarbid oder aus Siliciumcarbid, welches mit einem Stoff mit metallischen Eigenschaften imprägniert ist, um eine hohe elektrische Leitfähigkeit zu erzielen. Auf "die Enden der Widerstandskörper wirkt der durch die Anschlußstücke übertragene Druck je einer Druckfeder.

Der Verbindungskörper 4 kann entweder aus Siliciumcarbid hoher elektrischer Leitfähigkeit oder siliciertem Siliciumcarbid hergestellt sein. Unter der Bezeichnung sill-" ciertes Siliciumcarbid ist ein Stoff zu verstehen, welcher einen wesentlichen Anteil von Siliciumcarbid enthält und mit Silicium oder einer Siliciumlegierung imprägniert ist oder bei welchem elementares Silicium oder eine Siliciumlegierung mit dem Siliciumcarbid vermischt ist. Ein Stoff dieser Art kann in der Weise hergestellt werden, daß die Poren vollständig mit dem Imprägnier stoff gefüllt sind, so daß es einen niciht porösen Körper ^darstellt, der nicht allein eine erheblich

r uer uisner ueiiannien rvoniaKcsxoiie. _ », > j,uarsieiit, eier ment anein eine erneuucn Infolge der Herstellung des ■■ Verbindung^ ^ höhere elektrische Leitfähigkeit besitzt als

'''die üblichen Carbidwiderstände, sondern auch gegen Oxydation bei sehr hohen Temperaturen widerstandsfähig ist. Ein derartiger Körper ist erheblich beständiger als die üblichen Heizkörper aus Siliciumcarbid und kann gegebenenfalls in die Wandung der Heizkammer als fester Bestandteil des Ofens eingebaut werden. Andererseits kann der Verbindungskörper auch herausnehmbar angeordnet werden, wie es auch bei der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform der Fall ist, bei welcher der Verbindungskörper bei etwaiger Beschädigung bequem ausgewechselt werden kann.

Der Verbindungskörper 4 ist mit Aussparungen 5 versehen, in die die äußeren Enden der Heizwiderstände einfassen. Das Ende j edes Heizwiderstandes wird nachgiebig gegen die Fläche der Aussparung des Verbindungskörpers gedrückt. Der Verbindungskörper 4 ist in eine Aussparung der Ofenwandung eingesetzt und ragt etwas über die Wandung hervor, so daß er leicht herausgenommen werden kann. Die zum nachgiebigen Festhalten der äußeren AnschluBstücke und zur Ausübung eines Druckes auf die Enden der Heizwiderstände dienende Vorrichtung kann in beliebiger Weise ausgeführt sein.

Die aus siliciertem Siliciumcarbid bestehenden Anschlußstücke 2 können gegebenenfalls mit einem Metallüberzug 11 versehen sein, dessen Herstellung nach den bekannten Metallspritzverfahren erfolgen kann. Der ioq Überzug besteht zweckmäßig aus hitzebeständigem Metall, beispielsweise Aluminiumbronze oder einer Legierung von Nickel und Chrom oder Nickel und Aluminium. Das äußere Ende des Anschluß Stückes kann mit Aluminium überzogen sein.

Die Verwendung eines inneren Verbindungskörpers kann auch dann von Vorteil sein, wenn die äußeren Anschlüsse in bekannter Weise mit Wasserkühlung versehen sind.no

Der Verbindungskörper kann aus einer beliebigen Art Siliciumcarbid bestehen, welche eine hohe elektrische Leitfähigkeit besitzt. Beispielsweise kann rekristallisiertes Siliciumcarbid der für stark leitende Heizwiderstände "5 verwendeten Art benutzt werden. Es läßt sich ein Stoff dieser Art herstellen, welcher einen spezifischen Widerstand von nur 0,06 Ohm/cm³ hat. Der Verbindungskörper besitzt zweckmäßig einen verhältnismäßig großen' Querschnitt, damit sein elektrischer Widerstand im Vergleich zu dem der Heiz-

widerstände gering ist. Die Poren des SiIi ciumcarbids können mit Silicium oder einer Siliciumlegierung imprägniert werden, und zwar vorzugsweise in dem Maße, daj3 ein nicht poröser Körper entsteht. Die Oxydation eines Siliciumcarbidkörpers bei 'holjen Temperaturen ist eine direkte Funktion *der Gasdurchlässigkeit des Stoffes, und es können demnach, wenn der Stoff nicht porös ist,

ίο die physikalischen und elektrischen Eigenschaften für sehr lange Zeit erhalten bleiben. Ein nicht poröser Verbindungskörper wird auch durch die Ofengase und Schlacken nicht angegriffen. Die durch den Durchgang von elektrischem Strom durch den Verbindungskörper erzeugte Wärme wird vollständig innerhalb des Ofens ausgenutzt, so daß das Verhältnis zwischen der elektrischen Leitfähigkeit des Verbindungskörpers und der-

ao jenigen der Heizwiderstände nicht von der gleichen Bedeutung ist wie bei äußeren Anschlußkörpern. Bei äußeren Anschlüssen ist es zweckmäßig, das Siliciumcarbid zu imprägnieren, um eine möglichst hohe elek- irische Leitfähigkeit zu erzielen.

Die Herstellung des Verbindungskörpers aus imprägniertem Siliciumcarbid kann in bekannter Weise derart erfolgen, daß der Körper zunächst-in an sich bekannter Weise durch Erhitzen verfestigt wird, worauf die Poren des Körpers mit geschmolzenem Silicium imprägniert werden. Die Imprägnierung erfolgt in der Weise, daß der Körper mit einer bestimmten Menge Silicium, die etwas größer ist als die zur Imprägnierung erforderliche Menge, umgeben wird und hierauf die beiden Stoffe gemeinsam bis zu dem Verdampfungspunkt des Siliciums erhitzt werden. Das geschmolzene Silicium dringt dann in die gesamte Masse des Siliciumcarbids ein und füllt die Poren des Körpers vollständig aus.

Häufig empfiehlt es sich, dem Silicium weitere Legierungsbestandteile zuzusetzen, um die elektrische Leitfähigkeit des imprägnierten Körpers zu erhöhen. Zur Legierung mit dem Silicium geeignete Stoffe sind beispielsweise Eisen und Aluminium. In gewissen Fällen können zur Imprägnierung auch andere Metalle als Silicium verwendet werden, um eine noch höhere elektrische Leitfähigkeit zu erzielen. Die Vermeidung der Zersetzung des Verbindungskörpers durch Lichtbogenbildung im Betrieb des Ofens beruht auf verschiedenen Umständen. Wenn der Verbindungskörper vollkommen aus Siliciumcarbid besteht, trägt die rohe kristallische Oberfläche und das Ineinandergreifen der Kontaktflächen dazu bei, die mechanische Verschiebung des Endes des Widerstandskörpers innerhalb der Aussparung des Kontaktkörpers soweit wie möglich zu beschränken. Bei metallischen Anschlüssen bildet die in-, folge der Ausdehnung stattfindende geringe Bewegung einen der Hauptgründe der Lichtbogenbildung. Wenn bei Kontakten aus Siliciumcarbid eine Lichtbogenbildung eintritt, ist die Temperatur in der Regel ausreichend hoch, um die infolge der Oxydation entstehende Kieselerde zu elementarem Silicium zu reduzieren, und zwar auf Grund des nachstehenden Reaktionsverlaufs

SiO₂+ 2 SiC = 3 Si+ 2 CO.

Diese Reaktion tritt bei 1900⁰ C schnell ein, und wenn der Verbindungskörper vollständig innerhalb des Ofens liegt, wird diese Temperatur infolge der örtlichen Überhitzung durch die Lichtbogenbildung bald erreicht. Insbesondere ist dies bei öfen der.Fall, die bei Temperaturen von 1000 bis 1450° C arbeiten.

Bei Verbindungskörpern aus siliciertem Siliciumcarbid ist das Silicium schmelzbar, während das Siliciumcarbid ein unschmelzbares Netzgebilde darstellt, welches eine Formänderung des Stoffes selbst bei sehr hohen Temperaturen verhindert. Die durch die anfängliche Lichtbogenbildung erzeugten örtlichen Temperaturen sind ausreichend hoch, um ein örtliches. Niederschmelzen des Siliciums in den Poren des Stoffes zu bewirken und eine zeitweilige Verschweißung zwischen dem Ende des Heizwiderstandskörpers und dem Kontakt herbeizuführen. Sobald die Verschweißung erfolgt ist, tritt keine weitere Lichtbogenbildung ein.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Elektrischer Ofen mit Heizwiderständen aus Siliciumcarbid, bei welchem die Enden zweier in Reihe geschalteter Heizwiderstände mit nachgiebigem Druck mit einem innerhalb des Ofens angeordneten Verbindungskörper in Eingriff stehen, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskörper aus Siliciumcarbid oder siliciertem Siliciumcarbid besteht.

2. Elektrischer Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der Heizwiderstände mit dem Verbindungskörper verschweißt sind, wobei die Verschweißung vorzugsweise durch die an den Kontaktstellen beim Hindurchleiten von elektrischem Strom entstehende Er-

■ hitzung erfolgt. ·

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen