DE3786805T2

DE3786805T2 - Heizvorrichtungen.

Info

Publication number: DE3786805T2
Application number: DE89122321T
Authority: DE
Inventors: Adrian Geoffrey Howgate; Stanley Barnett Moug; Peter Hamish Athey Roebuck
Original assignee: Kanthal Ltd
Current assignee: Sandvik Materials Ltd
Priority date: 1986-06-20
Filing date: 1987-06-17
Publication date: 1993-11-18
Anticipated expiration: 2007-06-18
Also published as: EP0364008A3; GB8615162D0; EP0250231B1; ATE69349T1; DK311587D0; BR8703095A; ZA874432B; US4975563A; EP0364008B1; NO872592L; EP0250231A1; DE3786805D1; AR241378A1; GB2192119A; FI872746A0; EP0364008A2; ES2028079T3; ATE92232T1; KR880001171A; JPS636769A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Heizvorrichtungen, bei denen ein elektrisches Widerstandsheizelement teilweise in einem feuerfesten Boden eingebettet ist. Derartige Anordnungen werden als ebene Paneele, gebogene Paneele, Kupellen oder in komplizierteren Geometrien hergestellt und die vorliegende Erfindung ist nicht auf irgendeine spezielle Form der Vorrichtung beschränkt.
Aus Gründen der Einfachheit wird sich die folgende Beschreibung auf die Herstellung ebener Paneele beziehen, obwohl die Erfindung nicht auf diese Geometrie beschränkt ist.
Elektrische Heizpaneele wurden in der Vergangenheit durch Pressen eines Heizelementes, gewöhnlich in der Form eines gewickelten Drahtelements, in eine nasse Mischung aus thermisch isolierendem gießbarem feuerfesten Material, das sich dann um das Element legt, hergestellt. Das Element ist nur teilweise in das gießbare feuerfeste Material gepreßt, so daß ein Teil der Spule freiliegt und auf diese Form von Paneelen wird unter "teilweise eingebettetes Paneel" Bezug genommen.
Eine alternative Form von Paneelen wird durch Gießen einer dünnen Schicht aus gießbarem feuerfesten Material (von der für teilweise eingebettete Paneele benutzten Art) in ein Formstück, Legen des gewickelten Drahtelementes auf das gießbare feuerfeste Material und dann Hinzufügen von weiterem gießbarem feuerfesten Material zum vollständigen Einbetten des Elementes in das gießbare feuerfeste Material hergestellt. Auf solche Paneele wird unter "vollständig eingebettete Paneele" Bezug genommen.
Die derzeitig benutzten Formstücke sind von einfacher Form, um die Form des Endproduktes zu treffen (im allgemeinen rechteckig) und sind aus Holz oder zinkbeschichtetem Stahl hergestellt.
Derartige Paneele werden verbreitet beim Aufbau von Öfen und als Heizer in metallurgischen Verfahren benutzt.
Diese Paneele weisen eine Anzahl von Nachteilen auf. Das vollständig eingebettete Paneel verleiht dem Element Schutz gegen beispielsweise Metallspritzer, aber weil das Element in einem isolierenden feuerfesten Material eingebettet ist gibt es einen Temperaturgradienten zwischen dem Element und der Oberfläche des Paneels, so daß die wirksame Oberflächentemperatur bei der das Paneel benutzt werden kann unterhalb der maximalen Arbeitstemperatur des Heizelementes liegt. Höhere Temperaturen können mit dem teilweise eingebetteten Paneel erreicht werden, aber das Element ist dann der Atmosphäre ausgesetzt und ist durch Metallspritzer oder korrosive Gase beschädigbar; zusätzlich wird der Teil des Elementes, der in dem thermisch isolierenden Paneel eingebettet ist heißer sein als der Teil des Elementes, der frei liegt und daß kann zu Betriebsstörungen des Elementes führen.
Die deutsche Patentbeschreibung 32 06 508 legt eine offenkernige Spule aus Draht eingebettet in ein keramisches Paneel offen, wobei der Kern der Spule zur Oberfläche des Paneels offen ist. Die Spule liegt vollständig unter der Paneeloberfläche. Die französische Patentbeschreibung 249 9060 ist ähnlich.
Die britische Patentbeschreibung Nr. 1441577 (Albert George Docx) schlägt ein Heizpaneel für Kupellenöfen mit einem in einem filtergegossenen keramischen Faserboden befestigem gewickelten Drahtelement vor, bei dem das Innere der Spule im wesentlichen frei von keramischen Fasern ist und eine Lücke zwischen der Rückseite der Spule und dem keramischen Faserboden vorgesehen ist. Dieser Aufbau weist nur einen Teil der Elemente freiliegend an der Oberfläche auf, die Lücken zwischen den Windungen sind mit keramischen Fasern gefüllt (siehe Seite 2, Zeilen 55 bis 58 der Beschreibung).
Die britische Beschreibung 1441577 zeigt auch eine zweite Konstruktionsform, bei der der Kern des Elementes an der Oberfläche freiliegt, aber dieses Ausführungsbeispiel ist durch Zementieren der Spule in einem Kanal in einem bestehenden Paneel hergestellt und einiges von dem Zement kann das Element stellenweise bedeckend in den Kern der Spule fließen, was zu heißen Flecken führt. Weiterhin besteht ein Nachteil der Benutzung keramischer Fasern für Offenspulensysteme darin, daß bei hohen Temperaturen Probleme des Verschiebens entstehen, die Windungen sich bündeln und verwerfen.
Die Anmelder haben erkannt, daß es zur Verbesserung sowohl des strahlenden als auch des konvektiven Hitzetransports von einem teilweise eingebetteten Paneel vorteilhaft ist, durch Vermindern der Menge des das Element an der Vorderseite des Paneels umgebenden feuerfesten Materials auf ein Minimum soviel wie möglich von dem Element freizulegen.
Demnach liefert die vorliegende Erfindung ein Heizpaneel mit einem elektrischen Heizelement in der Form einer Spule, getragen und gehalten auf einem Boden aus gießbarem feuerfesten Material von mit dem Boden und um einen Teil der Außenseite der Spule geformten Rippen, bei dem das Material des Bodens zwischen benachbarten Windungen der Spule geformt ist, der Kern der Spule frei von feuerfestem Material und offen zur Oberfläche des Paneels ist und ein Teil zumindest der Spulenaußenseite über der umgebenden Oberfläche des Paneels erhöht ist. Der Anteil der in Kontakt mit dem feuerfesten Material stehenden Oberfläche der Spule kann so gering wie 50% sein, obwohl er vorzugsweise größer als 60% ist, und dennoch kann die Spule teils aufgrund des zwischen benachbarten Windungen der Spule geformten feuerfesten Materials noch gut an dem feuerfesten Material haften.
Diese Erfindung liefert weiterhin Verfahren zur Bildung von wie in der folgenden Beschreibung dargelegten und wie in den beigefügten Ansprüchen beanspruchten Heizvorrichtungen. Die folgende Beschreibung ist nur beispielhaft und bezieht sich auf die Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:
Fig. 1 bis 3 Schnittansichten von Heizpaneelen nach dem Stand der Technik;
Fig. 4 eine Draufsicht auf das Heizpaneel der Fig. 2;
Fig. 5 eine Schnittansicht eines in den Bereich der vorliegenden Erfindung fallenden Heizpaneels;
Fig. 6 eine Schnittansicht einer Gußform in Übereinstimmung mit einem Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Paneels in Übereinstimmung mit der Erfindung und
Fig. 8 ein solches Paneel.
Fig. 1 zeigt ein wie vorstehend beschrieben vollständig eingebettetes Paneel, das aus gießbarem feuerfestem Material gebildet ist.
Die Fig. 2 und 4 zeigen ein von einer teilweise in feuchtes gießbares feuerfestes Material gepreßten Spule gebildetes teilweise eingebettetes Paneel.
Bei typischen Beispielen dieses Aufbaus würde das Drahtheizelement aus einer Eisen-Chrom-Aluminium-Legierung, beispielsweise Kanthal (Schutzmarke) vom Gütegrad AI, das eine vom Hersteller angegebene nominelle Zusammensetzung aus 22% Chrom, 5,8 % Aluminium, aufgewogen mit Eisen, hat oder Kanthal (Schutzmarke) vom Gütegrad AF, das eine vom Hersteller angegebene nominelle Zusammensetzung von 22% Chrom, 5,3% Aluminium aufgewogen mit Eisen (alle Prozentangaben sind Gewichtsprozente)hat, hergestellt sein.
Das feuerfeste Material kann zwei Teile Mullit (22 mesh) ein Teil Secar 71 (Schutzmarke), einem näherungsweise 71% Al&sub2;O&sub3; enthaltender hydraulischer Zement, aufweisen, wobei der Rest aus CaO besteht.
Vollständig eingebettete Paneele dieser Art können bis zu Ofentemperaturen von etwa 1100ºC benutzt werden und diese Materialien benutzende teilweise eingebettete Paneele können bis zu etwa 1200ºC benutzt werden. Diese Temperaturen entsprechen Elementtemperaturen, die etwa 50ºC oder mehr höher sind.
Fig. 3 zeigt ein vollständig eingebettetes Paneel, wie es in der britischen Patentbeschreibung Nr. 1441577 beschrieben ist. Ausführungsfiguren eines solchen Paneels sind nicht erhältlich.
Fig. 5 zeigt ein Paneel nach der vorliegenden Erfindung mit einer Spule (1) aus Kanthal A1- oder Kanthal AF-Draht getragen von einem feuerfesten Boden (2) aus gießbarem Material, wie vorstehend beschrieben, bei der der Kern (3) der Spule im wesentlichen frei von keramischem Material ist. Die Spule 1 wird von um die Spule geformten Rippen (12) und von dem zwischen benachbarten Windungen der Spule geformtem feuerfesten Material (dieses dient auch zum Verhindern des Verschiebens und Bündelns der Windungen der Spule) an dem feuerfesten Boden gehalten.
Der Anteil der in Kontakt mit dem feuerfesten Boden stehenden Außenseite der Spule (1) kann so gering wie 50% sein, obwohl er vorzugsweise größer als 60% ist, und dennoch kann die Spule (1) eine gute Haftung mit dem Boden (2) behalten. In der Praxis wurde herausgefunden, daß die Benutzung von Kanthal AF Draht einen besseren Schiebewiderstand liefert, als die Benutzung von Kanthal A1 Draht, aber in jedem Fall kann die Arbeitstemperatur eines solchen Paneels so hoch wie 1300ºC sein, was eine Ofentemperatur von etwa 1270ºC ergibt, eine wesentliche Verbesserung der bekannten vollständig eingebetteten Paneele oder teilweise eingebetteten Paneele.
Diese Form eines Paneels wird durch Benutzung einer Gußform (4) von ähnlicher Form, wie in Fig. 6 dargestellt, hergestellt; die Gußform weist Kanäle (5) in ihrem Boden auf, wobei die Kanäle in der endgültigen Geometrie der Elemente des Paneels angeordnet sind. Das Element (1) ist entweder auf eine Wickelschablone gewickelt oder eine Wickelschablone wird durch den Kern des Elements (1) eingeführt. Die Wickelschablone kann aus Pappe oder irgendeinem anderen Material bestehen, das bei Heizen des Paneels wegbrennt oder wegschmilzt. Petroleumgallerte oder irgendein anderes Abdeckmedium wird zur Abdeckung derjenigen Gebiete des Elements (1) die vollständig frei von feuerfestem Material sein sollen, in den Gußkanal (5) gegeben. Das Element (1) und seine Wickelschablone werden in den Kanal (5) der Gußform (4) plaziert. Feuerfestes Keramik- Material wird dann in die Gußform gegossen, ihm wird erlaubt sich abzusetzen, und das feuerfeste Material, das Element, und die Wickelschablone werden dann aus der Gußform entfernt. Ggf. kann die Gußform sofort nach Gießen des feuerfesten Materials in die Gußform zum Ausdrücken eingeschlossener Luft und zum Absetzen des gießbaren feuerfesten Materials geschüttelt werden. Beim Heizen des Paneels, entweder durch Stromfluß durch den Draht oder durch Führen des vollständigen Paneels durch einen Ofen, wird die Wickelschablone unter Belassung des Paneels und Elements weggebrannt oder weggeschmolzen.
Wenn das Paneel einige verbundene Abschnitte eines gewickelten Elements (beispielsweise wie in Fig. 4) aufweist, liegen die Verbindungsdrähte vorzugsweise auch frei, so daß heiße Flecken vermieden werden. Dieses wird einfach durch Aufbringen von Wachs oder irgendeinem anderen Abdeckmedium auf die Gußform an die Stelle der Verbindungsdrähte und anschließendem Gießen erreicht. Beim Brennen geht der Wax verloren, wodurch der Draht freigelegt wird.
Die Gußform (4) ist aus vakuumgeformtem Kunststoffmaterial, wie ABS (Acrylonitrilbutadienstyrol) hergestellt. Das Material muß zum Aushalten des Seitendrucks des nassen feuerfesten Materials an seinen Wänden (10) dick genug sein und eine geeignete Dicke liegt im Bereich von 2,4 mm. Ein Umfangsflansch (11) unterstützt bei der Widerstandsgebung gegen Deformationen während des Gießens. Das Gießen dieser Paneele durch Benutzen einer derartigen Gußform bietet einige Vorteile, 1. daß die "heiße" Fläche des Paneels eine glattere Begrenzung aufweist, als bekannte Produkte, 2. daß komplexere Profile möglich sind und 3., daß die Gußformen nach dem Gießen leicht von dem Paneel gelöst werden können.
Es ist auch möglich derartige Paneele durch Benutzung einer Gußform, ähnlich der aus Fig. 6, herzustellen, die aber an einem Ende von jedem Kanal (5) zur Aufnahme einer Kunststoffgewindewickelschablone (13) ein Loch aufweisen, wie in Fig. 7 gezeigt ist. Das verfolgte Verfahren besteht darin, das Element auf dem Boden eines jeden Kanals (5) zu plazieren; ein Abdeckmittel, wie etwa Petroleumgallerte wie vorstehend beschrieben zu benutzen, Kunststoffschrauben durch die Löcher (nicht gezeigt) einzuführen; feuerfestes Material in die Gußform zu gießen; und wenn das feuerfeste Material sich teilweise abgesetzt hat, die Kunststoffschrauben (13) herauszuziehen. Das resultiert in einem wie in Fig. 8 gezeigten Paneel mit ausgesparten Rinnen (14) in einer Linie mit den Heizelementspulen.
Vergleichende Tests wurden auch zwischen einem Paneel, wie in Fig. 5 gezeigt und vorstehend beschrieben, und einem Paneel, das mit einer vollständig unter der Oberfläche des feuerfesten Materials, obwohl offen zu der Oberfläche, liegenden offenkernigen Spule hergestellt ist, d. h., wie in der deutschen Patentbeschreibung 32 06 508, durchgeführt. Die Paneele waren ansonsten identisch.
In jedem Test wurde ein Paar von Paneelen benutzt jedes Paneel mit den Massen 152 · 152 · 25 mm, die Paneele waren 100 mm voneinander beabstandet. Die Ofenisolation umfaßte 114 mm dicke feuerfeste Ziegel, die Paneele wurden mit einer 12 mm Schicht einer keramischen Faserdecke hinterlegt. Die Temperaturen des Elements, der Paneelvorderfläche, der Paneelhinterfläche und des Ofenhohlraums (d. h. des Raums zwischen den Paneelen) wurden gemessen. Einzelheiten der Ergebnisse dieser Tests sind nachstehend angegeben.
Test A Erfindungsgemäßes Paneel (Element oberhalb der allgemeinen Oberfläche des feuerfesten Materials)
Element Temperaturen 1300ºC
Vorderflächentemperatur des feuerfesten Materials: 1292ºC
Hinterflächentemperatur des feuerfesten Materials: 1081ºC
Temperaturdifferenz 211ºC
Ofentemperatur: 1240ºC
Belastung der Paneele 429 Watt pro Paneel = 858 Watt insgesamt
Lebensdauer der Elemente: Paneele wurden 672 Stunden getestet. Test wurde beendet, als beide Elemente noch eine gute Beschaffenheit aufwiesen.
Test B Paneel mit gerade unter der allgemeinen Oberfläche des feuerfesten Materials eingebettetem offenkernigem Element (Stand der Technik).
Elementtemperatur: 1300ºC
Vorderflächentemperatur des feuerfesten Materials: 1280ºC
Hinterflächentemperatur des feuerfesten Materials: 1122ºC
Temperaturdifferenz: 158ºc
Ofentemperatur: 1250ºC
Belastung der Paneele 431 Watt pro Paneel = 862 Watt insgesamt
Lebensdauer der Elemente: Paneel 1 : 5 Stunden
Paneel 2 : 12,5 Stunden
Mittlere Lebensdauer: 8,75 Stunden
Von diesen Tabellen kann entnommen werden, daß:
a) Die Temperaturdifferenz zwischen Hinter- und Vorderflächen eines erfindungsgemäßen Paneels höher ist als die für ein Paneel, bei der sich das offenkernige Element unter der Oberfläche des feuerfesten Materials befindet. D.h., daß weniger Energie durch die Rückseite des Paneels verloren wird, und
b) die Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Paneels ist höher als die für ein Paneel, bei dem sich ein offenkerniges Element unter der Oberfläche des feuerfesten Materials befindet. Es wird angenommen, daß das durch verbesserte Abstrahlung von dem Element bewirkt wird und die höhere Vorderflächentemperatur der erfindungsgemäßen Paneele unterstützen das.

Claims

1. Heizpaneel mit einem elektrischen Heizelement in der Form einer Spule (1), getragen und gehalten auf einem Boden (2) aus gießbarem feuerfesten Material von mit dem Boden (2) und um einen Teil der Außenseite der Spule geformten Rippen (12), wobei der Kern (3) der Spule (1) frei von feuerfestem Material und offen zur Oberfläche des Paneels ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Material des Bodens (2) zwischen benachbarten Windungen der Spule (1) geformt ist und ein Teil zumindest der Spulenaußenseite über der umgebenden Oberfläche des Paneels erhöht ist.

2. Heizpaneel nach Anspruch 1 mit einer Mehrzahl von verbundenen Spulen (1), bei dem Verbindungsdrähte zwischen den Spulen (1) auf der Oberfläche der Vorrichtung frei liegen.

3. Verfahren zur Herstellung eines Heizpaneels nach Anspruch 1, mit den Schritten:

i) Bilden einer Spule (1) auf einer Wickelschablone (13) innerhalb der Spule (1)

ii) Nehmen eines Formstücks (4) mit einer oder mehreren Oberflächen zur Festlegung der Heizvorrichtung und Kanälen (5) in den Oberflächen zur Aufnahme der Spule (1)

iii) Anordnen der Spule (1) in den Kanälen (5) des Formstücks (4), wobei die abgedeckten Teile der Spule der Kanaloberfläche benachbart sind

iv) Füllen des Formstücks (4) mit feuerfestem Material bis zur gewünschten Höhe zur Bildung des Bodens und der Rippen der Heizvorrichtung

v) Entfernen der Heizvorrichtung aus dem Formstück (4), und

vi) Entfernen der Wickelschablone (13) und Abdeckung.

4. Verfahren zur Herstellung eines Heizpaneels nach Anspruch 2 durch Befolgen des Verfahrens nach Anspruch 3 und Aufbau von Wachs oder anderem abdeckenden Material von dem Formstück (4) zu dem Verbindungsdraht vor Füllen des Formstücks (4) mit feuerfestem Material.