NO121376B

NO121376B -

Info

Publication number: NO121376B
Application number: NO166617A
Authority: NO
Inventors: F Pangalila
Original assignee: Mcmullen Ass John J
Priority date: 1966-02-07
Filing date: 1967-01-30
Publication date: 1971-02-15
Also published as: BE693325A; NL6701844A; DE1274909B; ES336483A1; FI45734C; FI45734B; US3322090A; FR1511755A; SE343025B; GB1165605A

Description

Anordning ved elektriske motstandselementer. Device for electrical resistance elements.

Foreliggende oppfinnelse angår en anordning ved elektriske motstandselementer for elektriske ovner bestemt for temperaturer over 1000° C, og fortrinsvis opp til minst 1400° C. The present invention relates to a device for electric resistance elements for electric ovens designed for temperatures above 1000°C, and preferably up to at least 1400°C.

Det har tidligere vært foreslått ved slike It has previously been proposed by such

temperaturer å anvende motstandselementer som ved hjelp av pulvermetallurgiske frem-gangsmåter er fremstilt i det vesentligste av silisider, særlig molybdensilisid med eventu-ell rest av oksyder, karbider som silisiumkarbid og borider, hvorunder det som metall-atom, foruten molybden, kan komme i be-traktning et eller flere av grunnstoffene Ti, Zr, V, Nb, Ta og Cr. Ved sterk opphetning dannes det på slike motstandselementer som følge av innvirkning av luftens oksygen, et overflateskikt av silisiumdioksyd som ved høy temperatur er noe plastisk og klebende og sintrer sammen til en gasstett hinne som hindrer ytterligere oksydasjon av elementets indre. temperatures to use resistance elements which, by means of powder metallurgical processes, are produced mainly from silicides, in particular molybdenum silicide with any residual oxides, carbides such as silicon carbide and borides, under which the metal atom, apart from molybdenum, can be - extraction of one or more of the elements Ti, Zr, V, Nb, Ta and Cr. During strong heating, a surface layer of silicon dioxide is formed on such resistance elements as a result of the impact of the air's oxygen, which at high temperatures is somewhat plastic and sticky and sinters together to form a gas-tight film that prevents further oxidation of the element's interior.

Motstandselementer av slikt materiale Resistance elements of such material

har en begrenset mekanisk holdfasthet slik at man hittil har hatt valget mellom enten å understøtte dem på flere steder eller utføre dem med en lengde som ofte er altfor kort i forhold til forekommende ovnsdimensjoner. have a limited mechanical holding strength, so that until now you have had the choice between either supporting them in several places or making them with a length that is often far too short in relation to the existing oven dimensions.

Hvis man herunder forsøker å understøtte et element av den ovennevnte type på den måte som er vanlig ved metalliske motstandselementer, direkte på ovnenes ildfaste foring, resulterer dette i at elementene kleber fast til foringen og trekkes i stykker ved tempera-turendringer, da de ikke er fritt bevegelige. Fastklebingen kan foruten innvirkning av silisiumdioksyd-hinnen skyldes at elementma-terialet ofte er tilbøyelig til å reagere kjemisk med underlaget under dannelse av reaksjonsprodukter som har lavere mykningstempera-tur enn elementenes driftstemperatur. Det skal herunder påpekes at fastklebingen ikke i og for seg har noen forbindelse med graden av foringens ildfasthet. If one then tries to support an element of the above type in the manner usual for metallic resistance elements, directly on the furnace's refractory lining, this results in the elements sticking to the lining and being pulled to pieces by temperature changes, as they are not freely movable. In addition to the influence of the silicon dioxide film, the sticking may be due to the fact that the element material is often inclined to react chemically with the substrate, forming reaction products that have a lower softening temperature than the element's operating temperature. It should be pointed out below that the gluing in and of itself has no connection with the degree of fire resistance of the lining.

For å unngå denne ulempe har man for-søkt å montere elementene frittbærende, slik at det ikke oppstår noen berøring mellom elementene og foringsmaterialet innenfor elementenes opphetningssoner. Dette medfører imidlertid at det må stilles store krav til elementenes mekaniske holdfasthet, hvilket kan lede til dimensjoneringer som ikke er hensiktsmessige fra et elektrisk synspunkt. In order to avoid this disadvantage, attempts have been made to mount the elements cantilevered, so that no contact occurs between the elements and the lining material within the heating zones of the elements. However, this means that great demands must be made on the mechanical strength of the elements, which can lead to dimensions that are not appropriate from an electrical point of view.

Foreliggende oppfinnelse tar sikte på å unngå denne ulempe og består i hovedtrekkene deri at elementet, som vesentlig består av silisider, særlig molybdensilisid med eventu-ell rest av oksyder, karbider og borider, hviler løst på et skikt som bare delvis berører elementet og består av i forhold til hverandre bevegelige korn av ildfast elektrisk isolerende materiale som også ved driftstemperatur er kjemisk motstandsdyktig mot materialet i motstandselementet. Herved understøttes elementene godt og skiktet hindrer dem i å feste seg til ovnsforingen. Skiktkornene bør ha en slik ildfasthet at fri bevegelighet mellom de enkelte korn bibeholdes i det minste ved 1000° C. og i hvertfall opp til driftstemperaturen. Helst bør kornene være fritt bevegelige opp til en temperatur på minst 1400° C. Ved at skiktmaterialet er kjemisk motstandsdyktig overfor materialet i elementene hindres disse i å ødelegges ved de steder hvor de berører skiktet. Ved at den elektriske motstanden av skiktmaterialet er tilstrekkelig høy hindres at eventuelle lekkasjestrømmer i skiktet skader elementene på kontaktstedene mellom skikt og element. På grunn av de øvrige krav som stilles til materialet i skiktet med hensyn til ildfasthet og kjemisk motstandsevne er det som regel ingen vanskelighet samtidig å tilfreds-stille kravet til høy elektrisk motstand. The present invention aims to avoid this disadvantage and consists in the main features in that the element, which essentially consists of silicides, in particular molybdenum silicide with any residual oxides, carbides and borides, rests loosely on a layer which only partially touches the element and consists of Relatively movable grains of refractory electrical insulating material which are also chemically resistant to the material in the resistance element at operating temperature. In this way, the elements are well supported and the layer prevents them from sticking to the oven lining. The layer grains should have such a refractoriness that free movement between the individual grains is maintained at least at 1000° C. and in any case up to the operating temperature. Ideally, the grains should be free to move up to a temperature of at least 1400° C. As the layer material is chemically resistant to the material in the elements, these are prevented from being destroyed at the places where they touch the layer. By the fact that the electrical resistance of the layer material is sufficiently high, any leakage currents in the layer are prevented from damaging the elements at the contact points between the layer and the element. Due to the other requirements placed on the material in the layer with regard to fire resistance and chemical resistance, there is usually no difficulty in simultaneously satisfying the requirement for high electrical resistance.

Under driften kommer endel korn i den del av skiktet som ligger nærmest elementene til å klebe fast til kiseloksydskiktet på dette. Da elementene ved varierende temperatur en-drer sin lengde, trekkes de fastsittende korn med elementet og glir herunder langs de lett bevegelige korn i skiktet som ikke sitter fast på elementet. Elementet befris herved for ska-delige mekaniske påkjenninger. During operation, some grains in the part of the layer that is closest to the elements will stick to the silicon oxide layer thereon. As the elements change their length at varying temperatures, the stuck grains are pulled along with the element and thus slide along the easily moving grains in the layer that are not stuck to the element. The element is thereby freed from harmful mechanical stress.

Det er ifølge oppfinnelsen hensiktsmessig at skiktet utgjøres av ett eller flere av stoffene kiselsyre, silisiumkarbid eller aluminiumsilikat. Særlig gode' resultater er opp-nådd med et skikt av mullit eller silimanit. Oppfinnelsen er imidlertid ikke begrenset til skiktmateriale av denne sammensetning, men man kan anvende et hvilket som helst varme-bestandig materiale med høy elektrisk led-ningsmotstand. Dog må skiktmaterialet bestå av slike stoffer som selv ved den høyest forekommende driftstemperatur forholder seg kjemisk indifferent overfor materialet i motstandselementet, slik at det hindrer dannel-sen av reaksjonsprodukter. De stoffer som ifølge oppfinnelsens videste omfang kan inn-gå i motstandsskiktet er karbider, borider, silisider, silikat og oksyder, enkeltvis eller i kombinasjon med hverandre. According to the invention, it is appropriate for the layer to consist of one or more of the substances silicic acid, silicon carbide or aluminum silicate. Particularly good results have been achieved with a layer of mullite or sillimanite. However, the invention is not limited to layer material of this composition, but any heat-resistant material with high electrical conduction resistance can be used. However, the layer material must consist of substances which, even at the highest operating temperature, are chemically indifferent to the material in the resistance element, so that it prevents the formation of reaction products. The substances which according to the broadest scope of the invention can be included in the resistance layer are carbides, borides, silicides, silicates and oxides, individually or in combination with each other.

Kornene i skiktet bør, for en overveiende dels vedkommende, være runde eller i det minste ha avrundete kanter og hjørner, slik at de lett kan bevege seg i forhold til hverandre. Kornene bør utgjøres av et i bestemte kornfraksjoner siktet materiale, for eks. med forskjellige sikter, utført ifølge Tylers Stan-dard Siktskala, hvorunder kornene i hvert skikt bør tilhøre samme kornfraksjon, for eks. mellom to avgrensete mesh-verdier, eller i det minste kornfraksjoner som ligger nær hverandre, for eks. en fraksjon med korn-størrelser fra 2,3 — 3,3 mm (6 — 8 mesh) og en fraksjon med kornstørrelser 3,3 — 4,7 mm (4 — 6 mesh). Herunder bør iakttas at kornenes gjennomsnittlige størrelse er avpas-set slik at understøttelsen av elementet blir tilfredsstillende. Det er funnet at hvis skiktet skal oppfylle den funksjon det er bestemt for bør tykkelsen være minst 2 ganger gjennom-snittsdiameteren av kornene som inngår i skiktet. Generelt gjelder at kornstørrelsen av skiktets partikler bør ligge på mellom 0,1 og 10 mm. The grains in the layer should, for the most part, be round or at least have rounded edges and corners, so that they can easily move in relation to each other. The grains should consist of a material sieved into specific grain fractions, for example with different sieves, carried out according to Tyler's Standard sieve scale, under which the grains in each layer should belong to the same grain fraction, for example between two delimited mesh values, or at least grain fractions that are close to each other, e.g. a fraction with grain sizes from 2.3 — 3.3 mm (6 — 8 mesh) and a fraction with grain sizes 3.3 — 4.7 mm (4 — 6 mesh). Here it should be observed that the average size of the grains is adjusted so that the support of the element is satisfactory. It has been found that if the layer is to fulfill the function it is intended for, the thickness should be at least 2 times the average diameter of the grains included in the layer. In general, the grain size of the layer's particles should be between 0.1 and 10 mm.

Det har vist seg at hvis man understøt-ter motstandselementene ifølge oppfinnelsen, kan disse anvendes også i forbindelse med ovnsforinger som ved direkte berøring skulle ha en ødeleggende virkning på elementene. Ved hjelp av foreliggende oppfinnelse blir det således mulig å anvende foringsmateriale av standardkvalitet, valgt utelukkende med hensyn til ildfastheten og uten hensyn til materialets eventuelle tilbøyelighet til ved høye temperaturer å reagere kjemisk med materialet i elementene. It has been shown that if the resistance elements according to the invention are supported, these can also be used in connection with oven linings which, upon direct contact, would have a destructive effect on the elements. With the help of the present invention, it is thus possible to use lining material of standard quality, chosen solely with regard to fire resistance and without regard to the material's possible tendency to react chemically with the material in the elements at high temperatures.

Forskjellige praktiske utførelsesformer for elementenes montering i ovner er vist på vedlagte tegninger, hvor Different practical designs for the elements' installation in ovens are shown on the attached drawings, where

fig. 1 er et vertikalsnitt gjennom nedre fig. 1 is a vertical section through the lower

delen av en ovn, mens the part of a furnace, while

fig. 2 er et tilsvarende grunnriss. fig. 2 is a corresponding floor plan.

Fig. 3 og 4 viser et element plasert på Fig. 3 and 4 show an element placed on

hyller anordnet på mot ovnen vendende sider. shelves arranged on the sides facing the oven.

Fig. 5 er et sideriss og fig. 6 et grunnriss Fig. 5 is a side view and fig. 6 a floor plan

av et støtterør for horisontal montering, mens of a support pipe for horizontal mounting, while

fig. 7 og 8 viser tverrsnitt etter linjene fig. 7 and 8 show cross sections following the lines

VII — VII og VIII — VIII i fig. 5. VII — VII and VIII — VIII in fig. 5.

Fig. 9 viser grunnriss av foringens nedre Fig. 9 shows a floor plan of the liner's lower part

halvdel for en rørovn og half for a tube furnace and

fig. 10 et tverrsnitt etter linjen X — X fig. 10 a cross-section along the line X — X

gjennom foringen. through the lining.

Ved den på fig. 1 og 2 viste utførelses-form utgjøres bunnen 1 og sideveggene 2 — 5 av ildfast materiale. På bunnen er anbragt et skikt 6 av korn bestående av aluminiumsilikat med den omtrentlige sammensetning 65 % Ah.Os og 35 % SiC-2. Halvveis nedsenket i skiktet hviler et motstandselement 7 bestående av 95 % molybdensilisid (MoSi2) og resten av oksyder og silikater. Ved endene er elementet utført med fortykkete tilslutningspartier 8 a, 8 b, som er tredd gjennom hull i veggen 2. Den egentlige høytempererte opp-hetningssonen utgjøres av elementets 7 smale del, mens tilslutningspartiene 8 a, 8 b, på grunn av sitt større tverrsnittsareal har et betydelig lavere temperatur. At the one in fig. In the embodiment shown in 1 and 2, the base 1 and the side walls 2 - 5 are made of refractory material. On the bottom is placed a layer 6 of grains consisting of aluminum silicate with the approximate composition 65% Ah.Os and 35% SiC-2. Halfway immersed in the layer rests a resistance element 7 consisting of 95% molybdenum silicide (MoSi2) and the rest of oxides and silicates. At the ends, the element is made with thickened connection parts 8 a, 8 b, which are threaded through holes in the wall 2. The actual high-temperature heating zone is formed by the narrow part of the element 7, while the connection parts 8 a, 8 b, due to their larger cross-sectional area has a significantly lower temperature.

I stedet for å la skiktmaterialet bestå av aluminiumoksyd og kiselsyre i form av aluminiumsilikat, kan man anvende ren silisiumkarbid i form av korn med en størrelse på 2 — 5 mm. Det er hensiktsmessig å anvende den såkalte lysegrønne silisiumkarbid, da dette er den reneste form som forekommer tek-nisk. Instead of letting the layer material consist of aluminum oxide and silicic acid in the form of aluminum silicate, pure silicon carbide can be used in the form of grains with a size of 2 - 5 mm. It is appropriate to use the so-called light green silicon carbide, as this is the purest form that occurs technically.

Alternativt kan ytterligere et annet skiktmateriale forekomme, nemlig på pulver-metallurgisk vei fremstilte 4 mm's kuler, in-neholdende i meget finmalt form 15 vektprosent MoSb og 85 vektprosent silisiumkarbid. Alternatively, another layer material may be present, namely 4 mm spheres produced by powder metallurgy, containing in very finely ground form 15% by weight of MoSb and 85% by weight of silicon carbide.

Som ytterligere utførelseseksempel kan nevnes et tilfelle hvor motstandselementet 7 består av 90 vektprosent MoSb, 5 vektprosent kromborid (CrB) og resten bindemiddel samt skiktet 6 av knust ren kvarts i form av utsiktede korn med en størrelse av 3 — 4 mm. As a further design example, a case can be mentioned where the resistance element 7 consists of 90 weight percent MoSb, 5 weight percent chromium boride (CrB) and the rest binder as well as the layer 6 of crushed pure quartz in the form of exposed grains with a size of 3 — 4 mm.

Hvis skiktet påny utgjøres av ren aluminiumoksyd (AkOii) i stedet for det angitte aluminiumsilikat, viser det seg at det danner silikat med elementets silisium, hvilket fører til at elementet blir fattigere på dette stoff og derved ødelegges. Et slikt valg av skiktmateriale strider således mot det oppstilte vilkår at skiktmaterialet skal være kjemisk motstandsdyktig overfor elementets materiale. If the layer is again made up of pure aluminum oxide (AkOii) instead of the stated aluminum silicate, it turns out that it forms silicate with the element's silicon, which causes the element to become poorer in this substance and is thereby destroyed. Such a choice of layer material thus contravenes the established condition that the layer material must be chemically resistant to the element's material.

Ved den på fig. 3 og 4 viste utførelses-form er den ildfaste vegg 10 anordnet på inn-siden av bæredigel 11 og på sin inn mot ovnen vendende side forsynt med hyller 12, 13 o.s.v. På disse er skikt 14, 15 o.s.v. anbragt og i disse hviler to parter 7 a, 7 b av motstandselementet. Disse forbindes med en frittbærende overgangsdel 7 c. På fig. 3 er vist de bredere tilslutningspartier 8 c og 8 d. At the one in fig. 3 and 4, the refractory wall 10 is arranged on the inside of the support crucible 11 and on its side facing the oven is provided with shelves 12, 13, etc. On these are layers 14, 15, etc. arranged and in these rest two parts 7 a, 7 b of the resistance element. These are connected with a free-supporting transition part 7 c. In fig. 3 shows the wider connection parts 8 c and 8 d.

Ved utførelsesformen ifølge fig. 5 — 8 som er bestemt for horisontal montering, hviler det hårnålformete bøyete motstandselement 21 på et i røret 20 innlagt skikt 31 av stykkformet, ildfast og overfor materialet i motstandselementet også ved driftstemperatur kjemisk motstandsdyktig, elektrisk isolerende materiale. Skiktets 31 elektriske motstand er så høy at det hindres dannelse av nevneverdige lekkasjestrømmer. Materialet i skiktet har som ovenfor angitt en slik ildfasthet at de enkelte korn bibeholder sin inn-byrdes bevegelighet også ved de høyest forekommende temperaturer, hvorved sikres at motstandelementet ved opphetning og avkjø-ning kan bevege seg fritt i forhold til støtte-røret. In the embodiment according to fig. 5 - 8 which is intended for horizontal installation, the hairpin-shaped bent resistance element 21 rests on a layer 31 inserted in the tube 20 of piece-shaped, refractory and chemically resistant, electrically insulating material opposite the material in the resistance element, also at operating temperature. The electrical resistance of the layer 31 is so high that the formation of significant leakage currents is prevented. As stated above, the material in the layer has such a refractoriness that the individual grains retain their mutual mobility even at the highest occurring temperatures, thereby ensuring that the resistance element can move freely in relation to the support pipe during heating and cooling.

Motstandselementets 21 tilførselslednin-ger 25, som har øket tverrsnittsareal er ført gjennom og fyller hull i en propp 26 som stenger røret 20 ved den tilsvarende ende og er utført av keramisk materiale. The supply lines 25 of the resistance element 21, which have an increased cross-sectional area, are passed through and fill holes in a plug 26 which closes the tube 20 at the corresponding end and is made of ceramic material.

På fig. 9 og 10 betegner 40 nedre halvdel av den keramiske foring og 41 den øvre halvdel. 42 betegner et keramisk rør som er innskjøvet i ovnsforingen og avgrenser ovns-rommet 43. I den nedre halvdel 40 av foringen er opptatt et flertall, i det viste tilfelle 6, aksielt forløpende åpne spor 44, som danner hver sin hylle. På bunnen i hvert spor eller hylle 44 er anbragt et skikt 45 av stykkformet, ildfast og overfor materialet i motstandselementet også ved driftstemperatur kjemisk motstandsdyktig, elektrisk isolerende materiale av ovenfor angitte beskaffenhet. På de forskjellige skikt 45 hviler de rettlin-jete partier 46 av et motstandselement som er ført i slyngninger og som i sin lengderet-ning er bøyet langs en sylinderflate. De to øverste spor eller hyller 44 er utformet i gren-seflaten mellom innforingens nedre og øvre halvdeler 40 og 41. Motstandselementets til-førselsledninger 47 som har større tverrsnittsareal enn den egentlige motstandsled-ningen 46 er innført gjennom hull i ovnens bakre vegg 48. I ovnens frontvegg 49 er ovnsåpningen 50 anordnet. Denne kan på vanlig måte lukkes ved hjelp av en ikke vist luke. Det buktete motstandselement innleg-ges i sporene 44 før det keramiske rør 42 skyves på plass. Motstandsviklingen kan be-kvemt uttas for utskiftning eller reparasjon etter at det keramiske rør 42 først er truk-ket ut av ovnen. In fig. 9 and 10, 40 denotes the lower half of the ceramic liner and 41 the upper half. 42 denotes a ceramic tube which is inserted into the furnace lining and delimits the furnace space 43. In the lower half 40 of the lining, a plurality, in the case shown 6, axially extending open grooves 44 are occupied, each forming a shelf. On the bottom of each track or shelf 44 is placed a layer 45 of piece-shaped, refractory and opposite the material in the resistance element, chemically resistant even at operating temperature, electrically insulating material of the nature stated above. On the various layers 45 rest the rectilinear parts 46 of a resistance element which is led in windings and which is bent in its longitudinal direction along a cylindrical surface. The two uppermost grooves or shelves 44 are formed in the branch surface between the lower and upper halves 40 and 41 of the insert. The resistance element's supply lines 47, which have a larger cross-sectional area than the actual resistance line 46, are introduced through holes in the rear wall 48 of the oven. the oven's front wall 49, the oven opening 50 is arranged. This can be closed in the usual way using a hatch not shown. The curved resistance element is inserted into the grooves 44 before the ceramic tube 42 is pushed into place. The resistance winding can conveniently be removed for replacement or repair after the ceramic tube 42 has first been pulled out of the furnace.

Claims

1. Device for electrical resistance elements, designed for temperatures above 1000° C and essentially consisting of silicides, especially molybdenum silicide with any residual oxides, carbides and borides, characterized in that the element rests loosely on a layer which only partially touches the element and consists of grains that move in relation to each other.

2. Device as stated in claim 1, characterized in that the layer grains are predominantly round or at least have rounded edges and corners so that they can easily move in relation to each other.

3. Device as stated in claim 1 or 2, characterized in that the grain size of the layer particles is between 0.1 and 10 mm.

4. Device as stated in one of claims 1-3, characterized in that the layer thickness is at least 2 times the average grain size.

5. Device as stated in one of the claims 1-4, with a layer consisting of a material layered in specific grain fractions, characterized in that the largest grain size is a maximum of 2-3 times the smallest grain size.