DE3026324C2 - Ofen für einen Betrieb mit gesteuerter Atmosphäre - Google Patents

Description

widerstehende keramische hochwarmfeste Materialien besitzen eine gewisse Gasdurchlässigkeit

Eine ummantelte Grenzschicht 20, die wenigstens einen Körper oder eine Schicht aus einem hochwarmfesten oder isolierenden Material aufweist und Vorzugsweise einen Verbundkörper aus einer Kombination derartiger Materialien darstellt, umgibt und überdeckt wenigstens einen wesentlichen Teil der äußeren oder kalten Oberfläche der Wände 18, die die Ofenheizkammer 16 bilden. Die Grenzschicht 20 oder ihre Komponenten muß wenigstens bis zu einem gewissen Grad eine Gasdurchlässigkeit besitzen, um eine begrenzte Gasübertragung zu gestatten. Es könen jedoch auch gasundurchlässige Metalle verwendet werden oder in der Grenzschicht 20 vorgesehen sein, vorausgesetzt, daß Fugen, Verbindungsstellen oder andere Öffnungen in der Metallkomponente in einer Weise vorgesehen sind, daß ein Durchtritt von Gas ermöglicht ist

Trotzdem sollte die Grenzschicht 20 oder wenigstens eine Komponente davon eine relativ geringe Gasdurch-Jässigkeit haben, so daß sie eine wirksame Begrenzung geringer Durchlässigkeit bildet, die jede wesentliche oder schnelle Strömung oder Wanderung des Gases durch die Ummantelung hindurch und dadurch wiederum eine Wärmeübertragung verhindert bzw. erschwert

Hohen Temperaturen widerstehende hochwarmfeste und isolierende Materialien, die für die Grenzschicht 20, entweder alleine oder in Verbindung mit anderen Komponenten oder Materialien, geeignet sind, umfassen übliche oder im Handel erhältliche keramische hochwarmfeste Ziegel oder Platten und isolierende feuerbeständige Ziegel oder Platten, Metalloxide, wie beispielsweise Zirkonoxid oder Aluminiumoxid in verschiedenen Raumformen, wie beispielsweise Tafeln oder Blöcke verschiedener Porositäten, und sogar Hochtemperaturmetalle, wie beispielsweise Molybdän- und Chromnikkeilegierungen. Die verwendeten hochwarmfesten oder isolierenden Materialien, ihre Abmessungen, die ver- , wendete Anzahl und Kombinationen oder Anordnungen werden jeweils durch die Betriebstemperaturen für einen gegebenen Ofen oder Zweck, Raumbegrenzungen und ähnlichen praktischen Überlegungen bestimmt, die für jeden Fall oder jeden Einbau bestimmend sind.

Die durch die Wände 18 gebildete Ofenheizkammer 16 und die die Wände 18 umgebende Grenzschicht 20 sind alle innerhalb des Ofengehäuses 12 angeordnet und zwar im Abstand dazu, um einen Raum 22 zwischen dem Gehäuse 12 und der die Heizkammerwände 18 umgebenden Grenzschicht 20 zu bilden.

Der Raum oder die Räume 22 sind mit einer eine sehr geringe Dichte aufweisenden oder einem stark porösen Hochtemperatur-Isoliermaterial 24 versehen, wie beispielweise Aluminiumoxid oder Aluminiumoxid-Siliziumoxid-Fasern oder -Partikeln. Ein derartiges aus Feststoffen bestehendes und stark poröses Material wie Isolierfasern oder Granulate sorgt für eine sehr hochgradige Gasdurchlässigkeit und einen kleinen Widerstand für die Gasbewegung und die Strömung durch das Material hindurch.

Die Heizeinrichtung für die Heizkammer 16 kann irgendein bekanntes System oder eine Vorrichtung sein uüu ist uisnäiu κι uur ^ciCnfiüiig üiühi dargcsieüi. Beispielsweise kann die Wärmequelle elektrische Widerstandsheizelemente umfassen, wie beispielsweise übliche Calrod-Einheiten, oder, für höhere Temperaturen, Molybdän-Widerstandsheizeinrichtungen. Die Heizeinheiten oder -elemente können an der oberen oder den Seitenwänden auf der Innenseite der Heizkammer oder des Bereiches 16 oder an jeder anderen geeigneten Stelle angebracht oder montiert sein.

Die Heizkammer 16 enthält Mittel zur Erzeugung und Aufrechterhaltung einer gesteuerten Atmosphäre eines bestimmten Gases innerhalb der Heizkammer 16, wie beispielsweise eine Leitung 26, die die Heizkammer 16 mit einer Quelle eines geeigneten Gases verbindet wie beispielsweise Wasserstoff oder Helium. Es sind ferner Mittel (nicht gezeigt) vorgesehen zum Abziehen des atmosphärischen Gases oder der Gase und entweder zum Auffangen des Gases für die Wiederverwendung oder zum Verbrennen, wenn ein brennbares Gas verwendet ist

Gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung ist der Raum oder die Räume 22, die ein stark poröses Isoliermaterial 24 enthalten, mit einer Verbindung, wie beispielsweise einer Leitung 28, mit einer Quelle eines Gases verbunden, das ein relativ höheres Gewicht besitzt als das Gas, das die Atmosphäre innerhalb der Heizkammer 16 bildet und das über die Leitung 26 zugeführt wird. Weiterhin sind Mittel vorgesehen, wie beispielsweise Druckmesser und Ventile in diesen Leitungen, um das relativ schwerere Gas in den Raum oder die Räume 22 bei einem Druck zuzuführen, der höher ist als der Druck des relativ leichteren Gases in der Heizkammer 16.

Im Betrieb des Ofens gemäß den beschriebenen Ausführungsbeispielen der Erfindung wird zusätzlich zu der üblichen Erzeugung und Aufrechterhaltung der gesteuerten Atmosphäre innerhalb der Heizkammer durch eine kontinuierliche Zufuhr eines geeigneten Gases zur Heizkammer aus einer Einspeisung über die Leitung 26 ein zweites Gas in den Ofen 10 eingeführt. Das zweite Gas wird dem Ofen 10 zugeführt, indem es über die Leitung 28 in den Raum oder die Räume 22 eingeführt wird, die sich zwischen dem Ofengehäuse 12 und der Grenzschicht 20 auf den Wänden 18 befinden und das stark poröse Isoliermaterial 24 enthalten.

Das zweite Gas muß ein relativ größeres Gewicht als das erste Gas aufweisen, das über die Leitung 26 in die Heizkammer 16 eingeführt wird. Zusätzlich muß das zweite und schwerere Gas in den Ofen 10 mit einem Druck eingeführt werden, der höher als der Druck des ersten oder in die Heizkammer eingeführten Gases ist

F i g. 2 zeigt ein praktisches Ausführungsbeispiel der Erfindung mit Einzelheiten, das einen eine gesteuerte Atmosphäre aufweisenden Sinterofen 10 mit einem Stahlgehäuse 12 und einem hochwarmfesten Blockfundament 14 und hochwarmfesten Ziegelseitenwänden 18-18' und eine Oberwand 18" aufweist, die die Heizkammer 16 und deren heiße Fläche bilden. Der hochwarmfeste Ziegel der Heizkammerwände besteht aus etwa 11 cm dickem handelsüblichem Aluminiumoxid-Porenziegel.

In diesem Ausführungsbeispiel umfaßt die Grenzschicht 20, die die äußere oder kalte Oberfläche der Wände 18 umgibt und überdeckt, die die Ofenheizkammer 16 bilden, eine Zusammensetzung aus sehr hohen Temperaturen widerstehenden hochwarmfesten und isolierenden Materialien, die eine gewisse relativ kleine Gasdurchlässigkeit besitzen. Die Grenzschicht 20 gemäß diesem Ausführungsbeispiei der Erfindung enthält eine Schicht 30-30'-30", die aus 0,25 mm dicken Blechen aus Molybdänmetall besteht und an die kalte Außenfläche der Wände 18 der Heizkammer 16 angrenzt, dann eine Schicht 32-32'-32", die aus einer 25 mm dicken handelsüblichen faserigen Isolierplatte aus Zirkondioxid besteht, und danach folet eine Schicht 34-34'-34" ans

einer 25 mm dicken handelsüblichen Isolierplatte aus Aluminiumdioxid.

Die Räume 22-22'-22" zwischen dem Ofengehäuse 12 und der Grenzschicht 20 sind mit einer Isolation aus handelsüblichen hochwarmfesten Aluminiumdioxid-Fasern oder »Wolle« gefüllt und zu einer Dichte von etwa 0,112 g/cm³ verdichtet.

Der Ofen kann mit elektrischen Molybdän-Widerstands-Heizelementen versehen sein, die von der oberen Wand 18" der Heizkammer 16 abgehängt waren. ι ο

Der vorstehend beschriebene, eine gesteuerte Atmosphäre aufweisende Sinterofen gemäß einem speziellen praktischen Ausführungsbeispiel wurde dazu verwendet, die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile nachzuweisen, wobei Aluminiumoxid-Ziegel als Proben zum Sintern und eine gesteuerte Atmosphäre aus dissoziiertem Ammoniak innerhalb der Heizkammer 16 verwendet wurden, das über die Leitung 16 zugeführt wurde. Der Zusatz eines zweiten und schwereren Gases, in diesem Fall Stickstoff, bei einem leicht höherem Druck als das zugeführte Ammoniak in die Räume 22 zwischen dem Gehäuse und der Grenzschicht führte zu einer Senkung um 18% beim elektrischen Energieverbrauch durch den Ofen im Vergleich zu dessen Betrieb bei identischen Bedingungen, abgesehen von der Verwendung des zweiten Gases, für das hier Stickstoff verwendet wurde.

Als ein geringes Gewicht aufweisende Gase für den Betrieb mit gesteuerter Atmosphäre können Wasserstoff, Helium, Methan und Ammoniakgas verwendet werden, wogegen zu den möglicherweise geeigneten schwereren Gasen Stickstoff, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Neon, Argon, Krypton, Xenon und Radon und deren Mischungen gehören.

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Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1 2 enthält eine gasdichte Muffel- oder Manteleinheit die Patentansprüche: das jeweilige atmosphärische Gas innerhalb der Begrenzungen enthält und isoliert, die den Heiz- oder Sin-

1. Ofen für einen Betrieb mit gesteuerter Atmo- terkammerbereich bilden. Der Raum außerhalb der Sphäre, bei welchem 5 Muffel- oder Manteleinheit, der gewöhnlich die Wärmeisolation und Heizmittel oder -elemente enthält, weist

— die wenigstens einen wesentlichen Teil der hei- eine Gasatmosphäre auf, die mit allen Komponenten ßen Fläche der Heizkammer (16) bildenden kompatibel ist, wie beispielsweise der Isolation und der Wände (18) aus einem gasdurchlässigen hoch- in den Außenteilen eines Muffelofens angeordneten wannfesten Keramikmaterial hergestellt sind; io Heizmittel, und deshalb kann sie von der Atmosphäre

— ein im wesentlichen gasundurchlässiges Ofen- innerhalb des Muffelofens unterschiedlich sein, öfen gehäuse (12) wenigstens einen Teil der Heiz- dieser letztgenannten Art mit Muffeleinrichtungen oder kammer (16) im Abstand zu den ummantelten gasdichten Isoliermänteln sind in den US-Patentschrifgasduchlässigen Wänden (18) unter Ausbildung ten 14 72 401 und 20 64 532 beschrieben.

eines Zwischenraumes (22) dazwischen umgibt; 15 Muffelofen sind jedoch relativ teuer herzustellen und

— ein hoch-poröses, festes thermisches Isolierma- bei ihnen treten häufig Schwierigkeiten in bezug auf terial (24) in dem Zwischenraum (22) angeord- ihre Betriebssicherheit unter bestimmten Betriebsbenetist; dingungen auf, wie beispielsweise die Erreichung und

— Mittel (26) zum Einleiten eines relativ leichten Aufrechterhaltung sehr hoher Tempaturen, die häufig Gases in die Heizkammer (16) zur Bildung einer 20 für viele derzeitige Fertigungsverfahren erforderlich Gasatmosphäre darin, und sind.

— Mittel (28) zum Einleiten eines relativ schweren Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ofen zu schaffen, Gases in den Raum (22) zwischen dem Ofenge- der bei Verwendung eines relativ leichten Gases, wie häuse (12) und den ummantelten gasdurchlässi- beispielsweise Wasserstoff, Helium oder Ammoniakgas, gen Wänden (18) der Heizkammer (16) bei ei- 25 als Atmosphäre in der Heizkammer eine Ummantelung nem Druck, der höher ist als der Druck des mit geiinger Gasdurchlässigkeit aufweist.

relativ leichteren Gases, welches eine Atmo- Die Erfindung wird durch die Maßnahmen gemäß

Sphäre in der Heizkammer (16) bildet, vorgese- dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs i gelöst,

hen sind, Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in

30 den Unteransprüchen gekennzeichnet

dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen ein Teil der kalten Außenflächen der Wände (18) des insbesondere darin, daß die hochwarmfesten und isoliegasdurchlässigen hochwarmfesten Keramikmateri- renden Komponenten, die die Heizkammer bilden und als, das die Heizkammer (16) bildet, von einer um- ummanteln, so angeordnet sind, daß jede der Kompomantelten Grenzschicht (20) überdeckt ist die aus 35 nenten in bezug zueinander in einer geschichteten Folge einem Material mit einer relativ niedrigen Gas- angeordnet sind, die durch ihre relative Gasdurchlässigdurchlässigkeit und aus mehreren Schichten (30,30', keit bestimmt ist, um so eine eine geringe Durchlässig-30"; 32,32', 32"; 34,34', 34") aufgebaut ist. keit aufweisende Begrenzung für die Gasströmung und

2. Ofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet die dadurch erfolgende Wärmeübertragung zu sorgen, daß eine dünne Schicht (30,30', 30") aus Molybdän 40 Dadurch kann eine wesentliche Senkung der Wärmedie Heizkammerwände (18) umgibt. Verluste erreicht werden. Beispielsweise konnte in ei-

3. Ofen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, nem derartigen Ofen der elektrische Energieverbrauch daß eine Schicht (32, 32', 32") aus Zirkondioxid die um 18% gesenkt werden.

Molybdänschicht (30,30', 30") außen umgibt. Die Erfindung wird nun anhand der Beschreibung und

4. Ofen nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet 45 der Zeichnung von Ausführungsbeispielen näher erläudaß eine Schicht aus Aluminiumdioxid (34,34', 34") tert.

die Zirkondioxidschicht (32,32', 32") außen umgibt. F i g. 1 — zeigt einen schematischen Querschnitt von

einem Ofen gemäß einem Ausführungsbeispiel der Er-

findung.

50 F i g. 2 — zeigt eine Querschnittsansicht von einem anderen Ausführungsbeispiel des Ofens gemäß der Er-

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ofen für einen findung.

Betrieb mit gesteuerter Atmosphäre gemäß dem Ober- F i g. 1 zeigt einen Ofen 10 mit einem Gehäuse 12, begriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiger Ofen ist einer Basis oder einem Fundament 14 aus einer oder aus der US-PS 31 98 503 bekannt. 55 mehreren Einheiten aus hohen Temperaturen widerste-Wärmebehandlungs-, Sinter- und ähnliche öfen sind henden, keramischen, hochwarmfesten Materialien und bisher nach einer von zwei festgelegten Kategorien Wänden 18, wie beispielsweise Seitenwänden 18-18' und oder Systemen aufgebaut. Der eine Ofentyp arbeitet in einer oberen Wand 18", die die Heizkammer 16 bilden der Weise, daß das jeweilige Gas der gesteuerten Atmo- und deren heiße Flächen darstellen. Das Ofengehäuse Sphäre innerhalb der Heizkammer sich einfach über den 60 12 ist üblicherweise aus Stahl oder einem anderen wärgesamten Querschnitt der vollständigen Einheit er- mebeständigen Metall aufgebaut und besitzt normaler-

StrCCkt oder di;*S£r. durchdringt *»»***"^1ίοί11ΐ/^ irewanA. iiiaica alnon im u/acAntli/ihon orocHir^htpn Ällfhnu Dip

welcher Bereiche jenseits oder außen von den hoch- Wände 18, die die Heizkammer 16 bilden und deren warmfesten Wänden, die die heiße Fläche und den Heiz- heiße Flächen darstellen, sind aus einem geeigneten ke- oder Sinterkammerbereich bilden und sich zum äußeren 65 ramischen hochwarmfesten Material geeigneter Tem-Ofengehäuse erstrecken, das im allgemeinen einen im peraturbeständigkeit für den beabsichtigten Zweck aufwesentlichen gasdichten Aufbau besitzt. gebaut, wie beispielsweise aus üblichen feuerbeständi-Der andere Ofentyp für eine gesteuerte Atmosphäre gen Ziegel oder Blöcken. Typische hohen Temperaturen