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Halterung und Stromzuführung für elektrische Öfen Es sind Halterungen
und Stromzuführungen für mit hohen Temperaturen arbeitende elektrische Öfen bekannt,
bei welchen aus Siliziumkarbid od. dgl. bestehende Widerstandsheizstäbe benutzt
werden, deren Enden gegen in der Ofenwandung angeordnete, als hohle Körper ausgebildete
und flüssigkeitsgekühlte Kontakte aus hitzebeständigem Metall angepreßt sind. Bei
den bisherigen Bauarten hat man die eigentliche dem Ofenraum zugekehrte Kontaktfläche
dieser Metallkontakte klotzartig, d. h. sehr starkwandig ausgebildet unter Berücksichtigung
der Tatsache, daß diese Wand den Ofenraum (mit einer" Temperatur von z. B. 170o°
bei Heizstabtemperaturen bis zu 230o'°) von dem Kühlwasserraum (mit einer Temperatur
von unter ioo°) trennt. In der Praxis hat sich nun gezeigt, daß an der Berührungsstelle
zwischen Heizstab und diesen Metallkontakten kleine Lichtbögen und Schmelzerscheinungen
eintraten verbunden mit einer mehr oder weniger starken Erweichung der Kontaktfläche,
wodurch allmählich eine völlige Zerstörung des Kontaktkörpers herbeigeführt wurde,
so daß diese Metallkontakte in verhältnismäßig kurzen Zeitabständen ausgewechselt
werden mußten.
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Um der schnellen Zerstörung der Kontaktkörper vorzubeugen, hat man
verschiedene Vorschläge gemacht; zum Beispiel ist empfohlen worden, die Heizstäbe
an ihren Enden mit vergrößertem Querschnitt auszuführen oder die Stabenden aus einem
Werkstoff spezifisch höherer Leitfähigkeit herzustellen. Beide Vorschläge sollten
zu geringeren Erhitzungen der Stabenden und damit der Kontaktflächen führen. Man
hat weiter vorgeschlagen, zwischen Kontaktkörper und die Stabenden besondere aus
Metall
bestehende auswechselbare Zwischenglieder z. B. in Form von
Kappen oder mit Ankeransätzen versehene Platten einzuschalten. Alle diese Vorschläge
führen zu umständlichen und-teuren Bauarten oder erschweren die Auswechselbarkeit
der Widerstandsstäbe, ohne daß vielfach die Lebensdauer der Kontakte wesentlich
erhöht wurde.
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Die beschriebenen Nachteile der bisherigen Metallkontakte machen sich
in noch stärkerem Umfang bemerkbar, wenn man als Heizleiter in bekannter Weise aus
Kohle oder Graphit bestehende Stäbe benutzt. Es wurde nämlich erfindungsgemäß festgestellt,
daß der besonders schnelle Verschleiß der mit solchen Graphitstäben zusammenarbeitenden
Metallkontakte auf die Erscheinung zurückzuführen ist, daß das Metall des Kontaktes
bei hohen Temperaturen insbesondere beim Erweichen in besonders starkem Maße Kohlenstoff
aus dem Heizstab aufnimmt, wodurch der Schmelzpunkt der Metalllegierung in einer
ihre Hitzebeständigkeit stark beeinträchtigenden Weise herabgesetzt wird. Aus den
geschilderten Gründen konnte sich der Metallkontakt insbesondere bei aus Graphit
oder Kohle bestehenden Stäben in der Praxis nicht durchsetzen, sondern man benutzt
als Kontaktkörper kräftige Kohleblöcke von sehr großem Querschnitt, gegebenenfalls
in Verbindung mit einem außerhalb der Ofenwand angeordneten Metallkontakt.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es bei flüssigkeitsgekühlten
hohlen Metallkontakten für aus Kohle oder Graphit bestehende Hochtemperaturheizleiter
möglich ist, die Wandstärke des Metallkontaktes an der Kontaktfläche so stark zu
verringern, daß ein Erweichen des Metalls an der Kontaktstelle verhindert wird und
daß die sich hierbei ergebende Wandstärke, z. B. 5 mm, gerade noch innerhalb derjenigen
Grenzen liegt, welche im Hinblick auf die mechanischen Beanspruchungen durch den
axialen Kontaktdruck eingehalten werden müssen. Auf diese Weise wird eine praktisch
fast unbegrenzte Lebensdauer der Metallkontakte bei einfachster baulicher Ausgestaltung
der gesamten Halterung und Stromzuführung und der Möglichkeit der bequemen Auswechselung
sowohl der Kontaktkörper als der Heizstäbe erreicht, ohne daß wirtschaftlich untragbare
Wärmeverluste auftreten. Das von der Erfindung erzielte Ergebnis war insofern nicht
vorauszusehen, als die Temperaturgestaltung und Wärmebewegung innerhalb der in Wechselwirkung
stehenden Körper, insbesondere an der Kontaktfläche des Metallkontaktes, durch verschiedene
in ihrer Größenordnung oder gegenseitigen Beeinflussung nicht übersehbare Erscheinungen
bestimmt werden, nämlich durch den Vorgang des Wärmedurchgangs vom Stabende durch
die Kontaktwandung zum Kühlwasserraum, ferner durch gleichzeitige Wärmeeinstrahlung
in den Kontaktkörper vom Ofenraum und Mauerwerk aus und schließlich durch die gleichzeitige
Wärmeneubildung durch Stromdurchgang innerhalb des Kontaktkörpers. Dabei wird die
sehr erhebliche Einstrahlung von Wärme in den Metallkontakt durch Verringerung der
Kontaktwandstärke kaum beeinflußt, während bezüglich der durch den Stromdurchgang
(es handelt sich in der Praxis um sehr große Stromdichten bis zu 5oo Amp/cm2) im
Kontaktkörper erzeugten Wärme eine Verringerung der Wandstärke sogar zu einer Erhöhung
der Temperatur führt.
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Versuche haben indessen ergeben, daß die Wechselwirkung der verschiedenen
Faktoren insgesamt überraschenderweise derart ist, daß durch die geringe Wandstärke
des Metallkontaktes bei durch erhöhte Stromzuführung sichergestellten Ofentemperaturen
tatsächlich eine die Zerstörung des Metallkontaktes vermeidende Temperaturverringerung
ohne Unterschreitung der Festigkeitsgrenzen und bei wirtschaftlich tragbaren Wärmeverlusten
möglich ist. Die Wirkung der Erfindung dürfte vermutlich auf die eigenartigen Wärmebewegungs-und
Temperaturverhältnisse in den Endteilen des Heizstabes selbst zurückzuführen sein,
indem das im Stabende selbst liegende Temperaturteilgefälle einen über Erwarten
großen Anteil an dem gesamten Temperaturgefälle hat und dieses Temperaturgefälle
bei weitem nicht, wie sonst, proportional dem Wärmefluß steigt, sondern bereits
mit geringer Zunahme des Wärmeflusses eine große Steigerung des Temperaturgefälles
und damit eine entsprechende Senkung der Temperatur des Stabendes verbunden ist.
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Die Verwendung von aus Kohle oder Graphit bestehenden, d. h. im Gegensatz
zu den bekannten Siliziumkarbidstäben weichen Stäben ist im Rahmen der Erfindung
auch deswegen von Bedeutung, weil solche Graphitstäbe sich sehr leicht völlig glatt
schleifen lassen, so daß eine gute Kontaktwirkung erreicht wird. Die Bauart nach
der Erfindung hat den Vorteil, daß sie bei elektrischen Ofen, z. B. Schmelzöfen,
mit sehr hohen Ofen- bzw. Heizstabtemperaturen anwendbar ist.
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Es sind an sich mit Widerstandsstäben beheizte elektrische Öfen bekannt,
bei denen die wassergekühlten Metallkontakte nicht ausgesprochen klotzartig sind.
Dabei handelt es sich aber um Öfen, bei denen die Metallkontakte sich ganz oder
im wesentlichen außerhalb der Ofenwand befinden und die notwendige Kühlung der Heizstabenden
ganz oder im wesentlichen dadurch erfolgt, daß diese auf einer langen Strecke im
Ofenmauerwerk geführt sind und gegebenenfalls sogar an dieser Stelle durch einen
Gasstrom gekühlt werden. Derartige Ofen haben unter anderem den schwerwiegenden
Nachteil, daß ein verhältnismäßig großer Anteil der Stablänge für die Nutzwärmeleistung
des Ofens fortfällt, womit eine Verschlechterung des Ofenwirkungsgrades verbunden
ist. Im übrigen liegen naturgemäß bei solchen Metallkontakten, bei denen die Kühlung
der Stabenden im wesentlichen durch Vorschalten anderer Mittel erfolgt, die Voraussetzungen
der vorliegenden Erfindung nicht vor.
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Die Verwendung dünnwandiger wassergekühlter Metallkontakte, die in
geringem Abstand von der inneren Ofenwandung angeordnet sind, ist an sich bekannt,
hierbei hat man aber im Gegensatz zu der Erfindung diesen dünnwandigen aus Chromstahl
bestehenden
Kontakthülsen eine dünnwandige Aluminiumkappe vorgeschaltet, mit der sich das Ende
des Heizstabes infolge der Ofentemperatur verschweißen soll. Unterschiedlich von
der vorliegenden Erfindung handelt es sich hierbei nicht um für sehr hohe Stabtemperaturen
(bis 2q.00'° C) verwendbare Stäbe aus nichtmetallischem Werkstoff, wie Kohle oder
Graphit, sondern um Siliziumkarbidstäbe, die nur für geringere Temperaturen geeignet
sind. Außerdem hat die bekannte Anordnung den Nachteil, daß der Heizstab durch besondere
Vorbehandlung kalte Enden erhält, d. h. die Enden erhalten eine spezifisch höhere
Leitfähigkeit, um von vornherein die Erhitzung derselben geringer zu halten. Ein
wesentlicher Nachteil der bekannten Bauart besteht darin, daß die Wirkung des von
der Erfindung vorgeschlagenen dünnwandigen Kontaktkörpers deswegen nicht erreichbar
ist, weil die Zusammenschaltung zweier metallischer Kontaktkörper, auch wenn jeder
derselben dünnwandig ist, infolge des an der Berührungsstelle dieser Teile auftretenden
Wärmeübergangswiderstandes die gleiche Wirkung wie ein üblicher dickwandiger Kontaktkörper
mit sich bringt. Außerdem ist die bekannte Anordnung für hohe Temperaturen deswegen
nicht geeignet, weil durch Verbrennen von Aluminiumteilchen zu einer Unterbrechung
des Stromflusses führende Schlacken gebildet werden, die die Kontaktwirkung erheblich
verschlechtern. In dem Ausführungsbeispiel gemäß der Zeichnung bedeutet i den Heizstab
aus Kohle, 2 den durch die Feder 3 angedrückten Metallkontakt, der an der Kontaktstelle
eine Mulde zur Aufnahme des Heizstabendes besitzt und dessen Wandstärke hier derart
gering gewählt ist, daß ein Erweichen des Metalls auch bei sehr hohen Ofentemperaturen
vermieden wird.
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Das Kühlwasser tritt durch das Rohr q. in den Metallkontakt ein und
verläßt den Kontakt durch das Rohr 5. Die Stromzuführung zum Kontakt 2 geschieht
durch den Leiter 6. Der Kontakt selbst ist im wesentlichen in der Ofenwandung 7
angeordnet.