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Elektrisch beheizter Ofen für das Erwärmen oder Warmbehandeln von
insbesondere metallischen Werkstücken Bekanntlich haben die bisher entwickelten,
elektrisch beheizten öfen den Nachteil, daß die Ofenraumtemperatur nicht bis zu
einer beliebigen Höhe getrieben werden kann. Die Widerstandsfähigkeit gegen Korrosion
und Zerstörung der verwendeten metallischen Heizelemente setzt im allgemeinen die
Grenze der erreichbaren Temperaturen auf goo bis iooo° C. Es ist versucht worden,
diesen Temperaturbereich durch Verwendung anderer Heizleitermaterialien, wie beispielsweise
Molybdän, zu erhöhen. Jedoch ergeben sich hierbei erhebliche Schwierigkeiten, da
es erforderlich ist, eine Schutzgasatmosphäre zu erzeugen, um eine Zerstörung dieser
hochwertigen Heizleiterwerkstoffe zu vermeiden. Weiterhin wurde versucht, an Stelle
metallischer Heizleiterwerk stoffe Kdhleverbindungen, Graphite oder ähnliche Halbleiter
zu verwenden. Jedoch auch hier ergibt sich bei hohen Temperaturen nur kurze Lebensdauer
für die Heizorgane. Schließlich ist bekannt, daß Glasflüsse, die bei höheren Temperaturen
in schmelzflüssigem Zustand elektrisch leitend werden, Anwendung finden. Die hierbei
entstehenden Nachteile liegen jedoch darin, daß diese Glasrinnen nur in der Ebene,
d. h. am Ofenboden, untergebracht werden können und sich daher äußerst ungünstige
Temperaturverteilungen im eigentlichen Ofenraum ergeben.
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Die vorliegende Erfindung schlägt ein neuartiges Mittel zur- Beheizung
insbesondere metallischer Werkstücke vor, das die erwähnten Nachteile vermeidet.
Zwar soll ebenfalls ein schmelzflüssiger Energieträger verwendet werden. Erfindungsgemäß
ist
schwindigkeit ein um die waagerechte umlaufendes Achse zylindrisches mit.solcher
Ofen- . Gegehäuse vorgesehen, daß der schmelzflüssige, vorzugsweise metallische
Leiter durch die Fliehkraft an die Gehäusewand angedrückt wird. Bei der Erfindung
bedeckt also der schmelzflüssige Leiter als rohrförmiger Körper die gesamte Wandung
des um seine waagerechte Achse umlaufenden Ofens mit vorzugsweise zylindrischem
Innenraum. Als schmelzflüssiger elektrischer Leiter und Energieträger wird zweckmäßig
ein metallischer Werkstoff verwendet. Durch die Maßnahmen gemäß der Erfindung werden
einmal besonders günstige und gleichmäßige Temperaturverteilungen im Ofenraum geschaffen,
andererseits ist auf Grund der großen wärmeemittierenden Flächen der Wärmeübergang
zum beheizten Gut ein besonders intensiver. Durch die hierauf zurückzuführende Erhöhung
der spezifischen Leistungsdichte gelingt es gegenüber den sonst üblichen Verfahren,
die Ofen mit gleicher Durchsatzleistung wesentlich kleiner bzw. bei Durchlauföfen
wesentlich kürzer zu bauen und mithin eine erhebliche Raumeinsparung zu erzielen.
Da außerdem der Wärmeübergang solcher Ofen zum Heizgut mit 'hohem Wirkungsgrad vor
sich .geht, ist der Energieverbrauch dieser Ofen gegenüber den üblichen elektrisch
beheizten Ofen besonders günstig. Schließlich können diese .Ofen durch entsprechende
Anordnung von wärmeisolierendem Werkstoff auf der Außenseite völlig isoliert werden,
so daß Wärmeverluste nach außen nicht eintreten. Die Lebensdauer der schmelzflüssigen
metallischen Heizelemente ist praktisch unbegrenzt, insbesondere, wenn gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung die Oberfläche des wärmeemittierenden Schmelzflusses
gegen chemische Einwirkung aus den Gasen des Verbrennungsraumes .insbesondere des
Sauerstoffes geschützt wird. Dies kann dadurch geschehen, daß elektrisch leitende
oder nicht leitende Stoffe zusätzlich in dem Ofenraum eingesetzt werden, die ein
geringeres spezifisches Gewicht als der eigentliche Wärmeträger haben und sich demgemäß
bei der Rotation auf der dem Heizgut und damit dem übrigen Ofenraum zugekehrten
Oberfläche des schmelzflüssigen Heizträgers ablagern und den Zutritt von Gasen zum
schmelzflüssigen Heizträger selbst verhindern. Dabei kann -bei richtiger Auswahl
dieser Stoffe noch erreicht werden, daß das: Emissionsvermögen, d. h. der Wärmeübergang
der Strahlung vom schmelzflüssigen Energieträger zum beheizten Werkstück vergrößert
wird. Der Nachschub der Heizenergie vom schmelzflüssigen Wärmeträger zu der schmelzflüssigen
emittierenden Schutzschicht ist auf Grund der innigen Berührung in jedem Fall sichergestellt.
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Die Erfindung wird .an Hand der in den schematischen Zeichnungen dargestellten
Beispiele näher erläutert Abb. i zeigt im senkrechten Schnitt bei i ein Gehäuse
aus feuerfestem keramischem Werkstoff, wie er beispielsweise auch für metallurgische
Ofen verwendet wird. Das Gehäuse kann nach den für die Herstellung solcher Öfen
üblichen Verfahren hergestellt werden. So ist es beispielsweise möglieh, das Gehäuse
aus dem gewählten Werkstoff in einer Form aufzustampfen und sodann zu bren-. nen
bzw. zu sintern. Entsprechend der Erfahrungen bei metallurgischen Ofen kann die
Herstellung mit Werkstoffen erfolgen, die sauer reagieren wie Siliciumdioxyd, die
neutral reagieren wie Schamotte und Silimanit oder die basisch reagieren wie Dolomit,
Magnesit und Zirkon. Auch Chrommagnesit ist als Baustoff verwendbar, desgleichen
Chromerzsteine oder Chromitsteine. Welche Temperaturen diesen Werkstoffen zugemutet
werden können, ergibt sich im allgemeinen auf Grund der im einzelnen gewählten Zusammensetzungen.
Dolomit und Chrommagnesit dürften Temperaturen bis annähernd 2ooo° C aushalten..
Zirkon ist ebenfalls besonders widerstandsfähig. Innenhalb des Gehäuses befindet
sich bei ä ein im Betriebszustand schmelzflüssiger Leiter. Dieser Leiter kann aus
jedem beliebigen Werkstoff bestehen, der im schmelzflüssigen Zustand den elektrischen.
Strom leitet. Besonders zweckmäßig sind Metalle oder Metallegierungen, unter diesen
wiederum Roheisen oder Gußeisen bzw. unlegierte oder legierte .Stähle. Bei 3 befindet
sich auf der Innenseite des Leiters 2 eine ebenfalls schmelzflüssige Schicht geringeren
spezifischen Gewichtes. Bei der Wahl dieser Schicht muß Bedacht darauf gelegt werden,
daß Reaktionen mit dem Gehäuse vermieden werden. Wenn das Gehäuse aus Siliciumdioxyd
besteht, -kann die Schicht beispielsweise durch Aufstreuen von Quarzsand gebildet
werden, der bei Verwendung von Gußeisen oder Roheisen als Leiter als saure Schlacke
die Oberfläche überzieht. Bei basischer Auskleidung des Gehäuses wäre eine solche
Schlacke durch Aufstreuen von Kalkstaub zu bilden, dem Sand beigemengt werden kann,
jedoch nur in Mengen, die den basischen Charakter nicht beeinträchtigen. Ferner
ist es möglich, mit einer Decke aus Kohlenstaub zu arbeiten, die aber häufig erneuert
werden müßte.
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Im Innenraum des Ofens befindet sich das beispielsweise im Durchlauf
zu erwärmende Werkstück q., welches im dargestellten Falle als Rohr angenommen ist.
An Stelle eines Rohres können naturgemäß auch andere Werkstücke, Vollkörper beliebiger
Form, Profilkörper od. dgl., behandelt werden. Es ist nicht erforderlich, daß ein
Durchlaufendes Werkstückes stattfindet, sondern es kann auch das Werkstück während
der Aufheizperiode zur Gänze oder zum Teil im Ofen ruhen, bis es die gewünschte
Temperatur erreicht hat.
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Das Gehäuse i ist im dargestellten Beispiel von einer Induktionsspule
5 umgeben, die über Schleifringe 6 von den Schleifbürsten 7 über Kabel oder Schienenanschlüsse
8 mit elektrischem Strom geeigneter Frequenz -beäufschlagt wird. Je nach Ausbildung
des Ofens kann Netzfrequenz (5o oder 6o Hz) oder auch eine höhere Frequenz (ioo
bis io ooö Hz) Verwendung finden. In besonderen Fällen kann die Einrichtung auch
für das Einspeisen von Hochfrequenz mit io ooo Hz bis 2 Mill. Hz ausgelegt sein.
Durch
nicht dargestellte Mittel ist Vorsorge getroffen, daß der Ofen, d. h. also das Gehäuse
i, der eigentliche Wärmeträger 2 und die gegebenenfalls vorhandene Schicht 3 gemeinsam
in Richtung des Pfeiles 9 mit einer solchen Geschwindigkeit umlaufen, daß auf Grund
der Fliehkräfte eine sichere Anlage des imBetriebsfall schmelzflüss.igenWärmeträgers
2 und gegebenenfalls der Schutzschicht 3 an der Innenwand des Gehäuses i gewährleistet
ist.
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Im dargestellten Beispiel läuft die Induktionsspule mit um, wobei
die Zuführung der Energie über die Schleifringe 6 und die Zuführungsbürsten 7 erfolgt.
In der Zeichnung nicht dargestellt sind die erforderlichen Kühlwasserzuführungen
für die Spule sowie gegebenenfalls .für die Schleifringe 6. Bei Betrieb dieses Ofens
wird folgendermaßen verfahren: Ein aus mindestens zwei Hälften bestehender Zylinder
aus dem Werkstoff des zu verwendenden Heizleiters wird in das Gehäuse i eingesetzt
und gegebenenfalls für eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Einzelteilen
gesorgt. Der Werkstoff kann auch in mehr oder minder stark zerkleinerter Form eingebracht
werden. Sodann wird das Gehäuse in Umlauf gesetzt und anschließend die Induktionsspule
5 mit Strom beaufschlagt, so daß der Leiterwerkstoff n.iederschmilzt. Nach erfolgtem
Niederschmelzen kann nachträglich, falls erforderlich, das gegen Oxydation schützende
Mittel 3 in den Ofen eingebracht werden, was in stückigem, körnigem oder pulverförmigem
Zustand geschehen kann. Es ist jedoch auch möglich, den Stoff für die Schichtbildung
bei 3 gleichzeitig mit dem Werkstoff für den eigentlichen Heizleiter :2 einzusetzen
und beide gemeinsam nied.erzuschmelzen. Je nach Zusammensetzung und gewählter Temperatur
ist die Schicht 3 während des Betriebes völlig flüssig, oder sie befindet sich in
teigigem Zustand.
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Bei Au,ßerbetriebnahme des Ofens wird die Leistung zur Heizspule 5
abgeschaltet und die Rotation in Richtung des Pfeiles 9 so lange aufrechterhalten,
bis der Leiter :2 und gegebenenfalls die gegen Oxydation schützende und die Emission
erhöhende Schicht 3 erstarrt ist. Sodann kann die Rotation abgeschaltet werden.
Bei der Wiederinbetriebnahme des Ofens ist es dann nur noch erforderlich, vor Einschaltung
der Heizleistung das Gehäuse in Umlauf zu setzen.
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Während nach Abb. i die Spule 5 das Gehäuse fest umgibt und mit umläuft,
ist es auch möglich, die Spule ruhen zu lassen und das Gehäuse innerhalb der Spule
umlaufen zu lassen. In diesem Fall kann die Zuführung der Energie zur Induktionsspule
durch festen Anschluß von Kabeln oder Schienen erfolgen. Die Betriebsweise ist sinngemäß
die gleiche wie in Verbindung mit Abb. i beschrieben.
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Wird als Wärmeträger 2 ein Material verwendet, welches im nicht erwärmten
Zustand nicht elektrisch leitend ist, so muß während des Aufheizvorganges durch
zusätzliche Beheizung, beispielsweise mittels Gasbrenner, eine Aufheizung bis zu
Temperaturen, bei denen dieses Material leitend wird, durchgeführt werden. Dieses
trifft beispielsweise zu, wenn Glas an Stelle von Metall verwendet werden soll.
' Im Gegensatz zur Ausführungsform nach Abb. i, bei welcher induktive Beheizung
'des Wärmeträgers 2 vorgesehen ist, wird gemäß Abb. 2 die Beheizung des Wärmeträgers
im unmittelbaren Stromdurchgang bewirkt. Das Gehäuse i entspricht bezüglich äußerem
Aufbau und verwendetem Werkstoff praktisch der Ausführungsform nach Abb. i, nur
soll das Gehäuse mit einem Abschlußdeckel i' versehen sein und nur eine Öffnung
i" aufweisen, weil das Werkstück 4 nur am Ende 4' im ruhenden Verfahren aufgeheizt
werden soll. Die Stromzuführung zum Heizleiter :2 erfolgt über die Stromzufü'hrungsscheiben
6', die an ihrer Außenseite als Schleifringe 6 ausgebildet sind. An einem Punkt
des Umfanges dieser Ringe befinden sich Stromzuführungsglieder 7, die an Kabel 8
angeschlossen sind. Der zugeführte Heizstrom, .der Gleich- oder Wechselstrom normaler
oder erhöhter Frequenz sein kann, fließt über den unter :den Stromzuführungsgliedern
jeweils befindlichen Teil der Stromzuführungsscheiben 6' sowie durch den leitenden
Wärmeträger 2 und erwärmt diesen entsprechend. Der Umlauf des Ofens in Richtung
.des Pfeiles 9 wird auch hier durch nicht dargestellte Antriebsmittel mit einer
Umdrehungszahl bewirkt, die unter Berücksichtigung der Fliehkräfte ein genügend
festes Anliegen des flüssigen Leiters 2 an die Innenwand des Gehäuses i und gegebenenfalls
der gegen Oxydation eingebrachten Schicht 3 auf der Oberfläche des Leiters 2 herbeiführt.
Die für die Zuführung von Kühlwasser zu den stromleitenden Scheiben 6' und gegebenenfalls
zu den Schleifringen 6 .erforderlichen Einrichtungen sind in Abb. 2 der Übersicht
halber ebenfalls nicht dargestellt. Im genannten Beispiel sind Vollscheiben 6' als
Stromzuführungen zu dem Wärmeträger 2 eingezeichnet. An Stelle dieser Volllscheiben
können, auch entsprechende Segmente, Stäbe od. dgl. verwendet werden, -die mit den
Schleifringen 6 verbunden sind. In diesem Falle kann das Gehäuse aus einem Stück
hergestellt und mit entsprechenden Bohrungen versehen sein, in die beispielsweise
drei, vier oder sechs Stromzuführungsbolzen auf jeder Seite eingepreßt werden. Im
Anschluß 'hieran wird der Schleifring aufgebracht und stromleitend fest mit den
Zuführungsbolzen verbunden. Äußerstenfalls ist nur je -ein Zuführungsbolzen je Seite
erforderlich, da sich infolge des Umlaufes des Ofens eine gleichmäßige Wärmeverteilung
über den zylindrischen Leiter 2 ergibt.
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Die Vorrichtung nach Abb. 2 arbeitet einphasig. Der Strom fließt hierbei
in Achsrichtung des Ofens von dem oder den Zuführungsscheiben oder -bolzen durch
den Leiter 2. Die Einrichtung 'kann sinngemäß auch für 3-Phasen-Anschluß ausgebildet
werden, indem drei Schleifringe angeordnet werden. Beispielsweise kann der dritte
Schleifring in der Mitte zwischen den beiden äußeren Schleifringen liegen, wobei
von diesem ebenfalls bis zum Leiter :2 reichende Zuleitungen ausgehen.
Die
Stromzuführungsscheiben oder -bolzen können außer aus Metall auch aus Kohle oder
Graphit oder ähnlichen Stoffen aufgebaut sein. Auch aus Metall und Kohle oder Metall
und Graphit kombinierte Körper, die gegebenenfalls bis in den Leiter 2 hineinragen,
können verwendet werden.
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Bei induktiver Beheizung gemäß Abb. i ist es zusätzlich möglich, den
Leiter 2 nicht als zylindrischen und auf seiner gesamten Umfangfläche gleichmäßig
elektrisch leitenden Körper herzustellen. Es kann vielmehr im Gehäuse i eine in
Achsrichtung verlaufende Querwand i"' vorgesehen werden, wie in Abb. 3 angedeutet,
die einen senkrechten Schnitt durch ein Ofengehäuse i darstellt. Dies hat zur Folge,
daß sich der von Spule i im Leiter :2 induzierte Strom nicht schließen 'kann. Es
ergibt sich vielmehr ein Stromverlauf, wie er durch die Pfeile io und i i veranschaulicht
ist. Der Leiter :2 wirkt in diesem Falle als das elektrische und magnetische Feld
konzentrierende Einrichtung, die unter starker Eigenerwärmung noch eine Induktionswirkung
auf das zu beheizende Gut ausübt.
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An Stelle eines metallischen Leiters :2 kann bei den Ausführungsformen
nach Abb. i und 2 auch ein nicht metallischer Werkstoff, beispielsweise Glas, verwendet
werden. Da dieser Werkstoff im kalten Zustand den elektrischen Strom nicht .leitet,
muß die Schicht 2 zunächst mittels Gasbrennern od. dgl. in den teigig plastischen
bzw. Schmelzflüssigen Zustand übergeführt werden, in welchem er stromleitend ist.
Alsdann kann der Ofen rein elektrisch weiterbetrieben werden.