Die Erfindung betrifft eine elektrische Einrichtung zur Erhitzung von Metallen und/oder Salzen im geschmolzenen Zustand sowie von Lösungen, mit direkter Erhitzung des Bades mittels darin teilweise eingetauchter Widerstandsheizkörper.
Bei den bisher bekannten elektrischen Heizeinrichtungen, bei denen die in den Heizkörpern erzeugte Wärme direkt in das Bad übertragen wird, haben, wie in der polnischen Patentschrift Nr. 81 320 dargestellt, die Heizkörper die Form von einer oder mehreren Trennwänden, die vorzugsweise parallel zu in dem Boden oder in den Wänden der Schmelzwanne untergebrachten Elektroden angeordnet sind. Diese aus einer Platte aus Keramikwerkstoff gefertigten Trennwände trennen die Schmelzwanne in zwei oder mehrere Teile. Die Platte weist an der Oberseite einen Abschnitt auf, der einen höheren elektrischen Widerstand besitzt als der übrige Plattenabschnitt. Die Heizkörper können aber auch in den Wänden oder in dem Boden der Schmelzwanne eingebaut sein und mit mindestens einer Fläche das Metallband berühren.
Durch die US-PS 1 971 025 und in ähnlicher Weise durch die DE-PS 27 06 811 sind vollständig aus homogenem Stoff einer bestimmten Porosität hergestellte Heizkörper in Form von Gefäßen bekannt, die einen aus dem erwärmten Bad herausragenden, der Wirkung der Ofenatmosphäre ausgesetzten Teil aufweisen und daher einer schnellen Alterungs-, einer Widerstandsänderung und Rissen unterliegen. Die Einheitsleistung dieser Heizkörper ist in Hinsicht auf die Ausführungstechnologie beschränkt. Kurzschlüsse in den aus dem Bad herausragenden Teilen der Heizkörper, die durch zufälliges Absetzen des metallischen Einsatzgutes und/oder Kontaktmaterials sowie durch Überhitzung aufgrund von entstehenden Stromkanälen an manchen Stellen der Oberfläche der herausragenden Teile des erwähnten Heizkörpers verursacht werden, können die Heizkörper rasch zerstören. Ein einziges, aus flüssigem Metall bestehenden Kontaktmaterial erzeugt praktisch keine zusätzliche Wärmemenge und bewirkt eine Korrosion der in ihm untergebrachten Metallelektroden, wodurch sehr vorteilhafte Metallelektroden nicht angewandt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, die als bekannt vorausgesetzten Einrichtungen so weiterzubilden, daß eine Zerstörung des Widerstandsheizkörpers aufgrund chemischer und/oder physikalischer Angriffe oder aufgrund thermischer Spannungen weitgehend vermieden ist.
Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen gekennzeichnete Erfindung gelöst.
Eine erste Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß bei einer elektrischen Einrichtung zur direkten Erwärmung von Metallen und/ oder Salzen im geschmolzenen Zustand sowie von Lösungen mit mindestens einem in das zu erwärmende Bad teilweise eingetauchten Widerstandsheizkörper in Form eines Gefäßes, in dem ein Kontaktstoff eingebracht ist, in den mindestens eine Elektrode eingeführt ist, mittels der in Zusammenarbeit mit mindestens einer auf das Bad wirkenden Gegenelektrode ein Spannungspotential zwischen Kontakstoff, Heizkörper und Bad angelegt wird, erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß der Heizkörper mindestens zwei dauerhaft miteinander verbundene Formstücke umfaßt, wobei die Formstücke aus verschiedenen Werkstoffen mit unterschiedlichen physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften bestehen.
Zweckmäßige Weiterbildungen dieser Einrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen 2-5.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel nach der Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur direkten Erwärmung von Metallen und/oder Salzen im geschmolzenen Zustand sowie von Lösungen mit mindestens einem in das zu erwärmende Bad teilweise eingetauchten Widerstandsheizkörper in Form eines Gefäßes, in dem ein Kontaktstoff eingebracht ist und mit mindestens einer Elektrode eingeführt ist, mittels der in Zusammenarbeit mit mindestens einer Gegenelektrode ein Spannungspotential zwischen Kontaktstoff, Heizkörper und Bad angelegt wird, das dadurch gekennzeichnet ist, daß ein Heizkörper in Form eines Doppelgefäßes vorgesehen ist, welches eine Reihenschaltung von zwei einzelnen Heizkörpern bildet und beidseits einer Wand, die das zu erhitzende Bad in zwei voneinander isolierte Teile teilt, in das zu erhitzende Bad eingetaucht ist, wobei die beiden Elektroden auf der einen und auf der anderen Seite der Trennwand angeordnet sind (Fig. 14).
Eine dritte Ausführungsform der Erfindung ist darin zu sehen, daß bei einer Einrichtung zur direkten Erwärmung von Metallen und/oder Salzen im geschmolzenen Zustand sowie von Lösungen mit mindestens einem in das zu erwärmende Bad teilweise eingetauchten Widerstandsheizkörper in Form eines Gefäßes, in dem ein Kontaktstoff eingebracht ist, in den mindestens eine Elektrode eingeführt ist, mittels der in Zusammenarbeit mit mindestens einer auf das Bad wirkenden Gegenelektrode ein Spannungspotential zwischen Kontaktstoff, Heizkörper und Bad angelegt wird, erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß die elektrisch aktive Fläche des Heizkörpers mindestens zum Teil mit einer Schicht eines gegenüber der chemischen Einwirkung des Einsatzgutes und/oder von Kontaktstoff beständigen Werkstoffs bedeckt ist (Fig. 13).
Eine vierte erfindungsgemäße Einrichtung zur direkten Erwärmung von Metallen und/oder Salzen im geschmolzenen Zustand sowie von Lösungen mit mindestens einem in das zu erwärmende Bad teilweise eingetauchten Widerstandsheizkörper in Form einer Trennwand, der mindestens eine Elektrode zugeordnet ist, mittels der in Zusammenarbeit mit mindestens einer auf das Bad wirkenden Gegenelektrode ein Spannungspotential zwischen Heizkörper und Bad angelegt wird, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Trennwand rohrförmig ausgebildet ist und die im Innern des Rohrs eingebaute Elektrode die Funktion eines Kontaktstoffs erfüllt (Fig. 12).
Eine fünfte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß bei einer Einrichtung zur direkten Erwärmung von Metallen und/oder Salzen im geschmolzenen Zustand sowie Lösungen mit mindestens einem teilweise in dem zu erwärmenden Bad eingetauchten Widerstandsheizkörper einem mit diesem Widerstandsheizkörper zusammenwirkenden Kontaktstoff, in den mindestens eine Elektrode eingeführt ist, mittels der in Zusammenarbeit mit mindestens einer auf das Bad wirkenden Gegenelektrode ein Spannungspotential zwischen Kontaktstoff, Heizkörper und Bad angelegt wird, erfindungsgemäß vorgesehen ist, daß der Heizkörper in Form von innerhalb eines Begrenzungsrings untergebrachten Körpern ausgebildet ist, wobei die Körper mit einer Schicht eines Kontaktstoffs mit einer in bezug auf die Dichte des Werkstoffs des zu erhitzenden Bades und des Werkstoffs des Heizkörpers kleineren Dichte bedeckt sind (Fig. 10 und 11).
Schließlich ist bei einer elektrischen Einrichtung zur direkten Erwärmung von Metallen und/ oder Salzen im geschmolzenen Zustand sowie von Lösungen
Weitere zweckmäßige Ausbildungen dieser erfindungsgemäßen Einrichtungen ergeben sich aus den übrigen Patentansprüchen.
Die Heizkörper sind aus vorzugsweise gesinterten Werkstoffen gefertigt, die einen spezifischen Widerstand bei der Betriebstemperatur von unterhalb 100 Ωm, vorzugsweise innerhalb der Grenzen von 0,001 ... 2,5 Ωm, und eine Porosität innerhalb der Grenzen von 0 ... 30% aufweisen.
Die Elektroden sind aus Werkstoffen gefertigt, deren spezifischer Widerstand mindestens 10mal niedriger ist als der der Heizkörperwerkstoffe.
Die Kontaktstoffe sind stromleitende Werkstoffe mit einem spezifischen Widerstand von unter 200 Ωm. Die Heizkörper in Form eines Gefäßes oder einer Trennwand weisen beliebigen Querschnitt auf, wobei die Höhe der Heizkörper bis 2 m, die Gefäßwanddicke oder Trennwanddicke bis 0,2 m, und die elekrisch aktive Fläche bis 2 m2 beträgt.
Die Heizkörper sind aus einem homogenen Werkstoff in Form eines einheitlichen Formstücks oder aus fest verbundenen Formstücken gefertigt. Die Oberflächen der Heizkörper können auch zum Teil, vorzugsweise mit einer Dicke von 0,1 ... 3 mm, in bezug auf die chemische Einwirkung des Einsatzguts oder der Kontaktstoffe beständigem Werkstoff beschichtet werden.
Die Vorteile der erfindungsgemäßen Einrichtung sind unter anderem ein umfangreicherer Anwendungsbereich, insbesondere zur Erhitzung von Metallen und Salzen im geschmolzenen Zustand und von Lösungen sowie zum Schmelzen von Metallen und Salzen; eine hohe Belastbarkeit der Heizkörper infolge der Anwendung einer dem gegebenen Prozeßverfahren entsprechenden Form der Heizkörper und eines entsprechenden Verfahrens zu deren Herstellung, der Anwendung einer entsprechenden Eintauchtiefe der Heizelemente in das zu erhitzende Bad, der Reihen-Parallel- oder Reihenschaltung der Kontaktstoffe in dem Stromkreis des Heizkörpers, der Erhitzung der aus dem zu erhitzenden Bad herausragenden Bereiche der Heizelemente, der Anwendung von für das gegebene Prozeßverfahren geeigneten Werkstoffen für die Heizkörper und die Kontaktstoffe, einer vergrößerten elektrisch aktiven Oberfläche der Heizelemente durch Unterbringung eines Heizelements im Inneren eines anderen Heizkörpers und des Einsatzes einer für die gegebene Verfahrenstechnik angemessenen Stromquelle; eine lange Standzeit der Elektroden und Stromzuleitungen infolge der Anwendung von für das gegebene Prozeßverfahren entsprechenden Werkstoffen bzw. Schutzatmosphären; die Beseitigung der oberen Stromzuleitungen aufgrund der Verwendung von Heizkörpern in Form eines Doppelgefäßes; die Einfachheit des Anlaufens der Einrichtung aus dem kalten Zustand infolge der Verbesserung der Kontakte der Heizkörper mit dem festen Einsatzgut mittels zusätzlicher Kontaktstoffe, vorzugsweise von pastöser Konsistenz; eine einfache Auslegung und Bedienung der Einrichtung als Ergebnis der Verwendung von mehreren Einbauarten der Heizkörper, der Elektroden und der Stromzuleitungen; sowie eine einfache Auswechselbarkeit der Heizelemente ohne die Notwendigkeit, die Einrichtung außer Betrieb zu setzen.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung umfaßt ein Gefäß, bestehend aus Wänden 1 aus einem keramischen Werkstoff, welche zusammen mit dem Boden 2 die Kammer 3 der Einrichtung bildet. Die Wand 4 trennt die Kammer 3 in eine Abstehkammer und eine Schmelzkammer. Die Kammer 3 ist zum Teil mit dem Bad 5, hier Metall, in geschmolzenem Zustand aufgefüllt.
Im Metall 5 schwimmen zwei unter dem Schwimmer 6 angehängte Heizkörper 7, welche die Form von zum Teil mit dem geschmolzenen Metall 8 und dem geschmolzenen Salz 9 gefüllten Gefäßen aufweisen, welche die Funktion von Kontaktstoffen zwischen der im geschmolzenen Salz 9 eingetauchten Eisenelektrode 10 und einer Oberfläche des Heizkörpers 7 erfüllen. Im Boden 2 der Kammer 3 ist eine Graphitelektrode 11 derart eingebaut, daß eine ihrer Flächen mit dem Tragwerk der Einrichtung verbunden ist, während die andere Fläche mit dem Metall 5 im Kontakt steht, das andererseits die Heizkörper 7 umgibt.
Der elektrische Strom fließt unter dem Einfluß des Spannungsunterschiedes, der mittels der Stromzuleitung 12 an die Elektrode 10 und mittels der Stromzuleitung 13 an die Elektrode 11 angelegt ist, von der Elektrode 10 durch das geschmolzene Salz 9, das geschmolzene Metall 8, die Wände des Heizkörpers 7 und das Metall 5 zur Elektrode 11.
An den oberen Rändern des Heizkörpers 7 ist durch Sinterung der Ring 14 aus Aluminiumsilikatstoff befestigt. Der Heizkörper 7 ist aus nitridiertem Siliziumkarbid ausgeführt. Die äußeren und inneren Oberflächen des Heizkörpers 7 sind mit einer dünnen Schicht von Kohlenpaste 15 bedeckt. Die Metalle 8 und 5 sind Aluminium. Das Salz 9 ist eine Mischung vom Kalzium- und Natriumchlorid. Der Schwimmer 6 ist aus leichtem Kaolinstoff gefertigt.
Die Einrichtung gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung arbeitet auf folgende Weise. Nach einer Voraufwärmung der Kammer 3 der Einrichtung mittels eines zusätzlichen Heizkörpers und dem Einbringen von zum Teil geschmolzenem Metall in das Bad 5 werden die mit geschmolzenem Metall 8 und geschmolzenem Salz 9 aufgefüllten Heizkörper 7 unter gleichzeitigem Anschließen der Elektroden 10 und der Stromzuleitungen 12 in die Schmelze eingetaucht. An die nach außen aus der Einrichtung herausgeführten Stromzuleitungen 12 und 13 wird aus einer Drehstromquelle eine Spannung angelegt, wobei die Phasenspannung der Phase R an den ersten Heizkörper 7 und die der Phase S an den zweiten Heizkörper 7 angelegt wird. Der unter der Einwirkung der angelegten Spannungen durch die Wände der Heizkörper 7 und die Schicht des geschmolzenen 9 Salzes hindurchfließende Strom erzeugt die notwendige Wärme, welche auf das Metallband 5 übertragen wird. In das Metallband 5 wird das Einsatzgut im festen Zustand eingeführt, um dieses zu schmelzen. Nach Beendigung des Metallschmelzprozesses und dem Abstehen der Schmelze wird die Einrichtung durch teilweises Kippen derselben, durch Auspumpen, oder durch eine im Boden oder in der Wand der Kammer 3 angeordnete Ablaßöffnung entleert.
Der Anlauf der Einrichtung aus kaltem Zustand in dem Fall, in dem das Einsatzgut ausschließlich im festen Zustande eingebracht wird, wird mittels eines zusätzlichen Heizkörpers, der bis zum Zeitpunkt des Schmelzens des ersten Lots bzw. der ersten Charge des Einsatzguts arbeitet, oder mittels auf dem festen Einsatzgut aufgestellter Heizkörper 7 bewirkt, wobei die Oberflächen der Heizkörper 7 an dem Einsatzgut 5 und über die Kohlenpaste an dem Metall 8 anliegen, und die Elektrode 10 mit dem Metall 8 und die Elektrode 11 mit dem Einsatzgut 5 im Kontakt stehen.
Die Fig. 2 bis 5 stellen nur allgemeine Formen der Heizkörper 7 dar, jeder aus verschiedenen Werkstoffen geformt und darauffolgend gesintert oder aus verschiedenen Teilen bestehend.
Fig. zeigt einen Heizkörper 7, an dessen oberen Rändern durch Sinterung der Ring 14 aus Aluminiumsilikatstoff befestigt ist.
In Fig. 7 ist ein aus zwei, durch Sintern verbundene Formstücke 16, 17 ausgeführter Heizkörper 7 dargestellt, wobei der Werkstoff des Fomstücks 17 eine niedrigere elektrische Leitfähigkeit aufweist als die des Formstücks 16.
Fig. 8 zeigt einen aus drei, durch Sintern miteinander verbundene Formstücke ausgeführten Heizkörper 7.
In den Fig. 9 bis 14 sind die Einbauweisen der Heizkörper der erfindungsgemäßen Einrichtung dargestellt.
Fig. 9 zeigt zwei gefäßförmige Heizkörper, welche in das Metall 5 aufgrund eines Beschwerungsgewichts 18 eingetaucht sind, wobei ein Heizkörper 7 in dem anderen Heizkörper 7 untergebracht ist und sowohl der Raum zwischen den Heizkörpern 7 als auch der innere Heizkörper 7 zum Teil mit Metall 8 gefüllt sind. Die Metalle 8 und 5 sind Zink. Die Elektroden 10 und 11 sind aus Graphit und das Beschwerungsgewicht 18 ist aus mit Stahlstäben bewehrtem Zement-Schamottenstoff. Die beiden Heizkörper 7, der innere und der äußere, sind jeweils aus nitridiertem Siliziumkarbid gefertigt.
In Fig. 10 sind vier quaderförmige, frei im Metall 5 innerhalb des Begrenzungsrings 19 schwimmende Heizkörper 7 dargestellt, wobei die Heizkörper 7 mit einer Schicht von geschmolzenem Salz 9 bedeckt sind. Unter dem Einfluß des an die Elektroden 10, 11 angelegten Potentialunterschiedes fließt der Strom von der Elektrode 10 parallel durch das Salz 9 und die Heizkörper 7 zum Metall 5 und schließlich zur Elektrode 11. Das Metall 5 ist eine Legierung von Zink und Aluminium. Das Salz 9 ist eine Mischung von Kalzium- und Natriumchlorid. Die Elektrode 10 ist aus Eisen gefertigt, die Elektrode 11 aus Graphit. Der Begrenzungsring 19 besteht aus Schamottestoff. Der Heizkörper 7 ist aus nitridiertem Siliziumkarbid ausgeführt.
Der Anlauf der Einrichtung aus dem kalten Zustand wird mittels auf das feste Einsatzgut 5 aufgesetzter Heizkörper 7 durchgeführt, wobei die Oberflächen der Heizkörper 7 mittels Kohlepaste an dem Einsatzgut und der Elektrode 10 anliegen, während die Elektrode 11 in Kontakt mit dem Einsatzgut 5 steht. Während der Anlaufzeit wird in die Kammer 3 Stickstoff eingeführt, der einen Schutz der Kohlenpaste gegen Oxidierung bildet. Nach dem Schmelzen des Einsatzgutes 5 wird in den Begrenzungsring 19 der Kontaktstoff 9 eingeführt.
Fig. 11 stellt drei quaderförmige, frei im Metall 5 innerhalb des Begrenzungsrings 19 schwimmende Heizkörper 7 dar. Die Heizkörper 7 sind mit einer Metallschicht 8 bedeckt, welche von dem Metall 5 durch eine Schicht von geschmolzenem Salz 9 getrennt ist, wobei die Schicht des geschmolzenen Salzes 9 bis unterhalb der oberen Ränder der Heizkörper 7 reicht. Unter der Einwirkung des zwischen den Elektroden 10 und 11 bestehenden Potentialunterschieds fließt der elektrische Strom von der Elektrode 10 durch das Metall 8, parallel durch das Salz 9 und die Heizkörper 7 zum Metall 5 und schließlich zur Elektrode 11. Das Metall 8 ist eine Aluminiumlegierung, und das Metall 5 eine Aluminiumbronze. Die Elektroden 10 und 11 bestehen aus Graphit und sind mit einer Schicht aus aus der Gasphase ausgetragenem Siliziumkarbid bedeckt. Das Salz 9 ist eine Mischung von Natriumkarbonat und -chlorid. Die Heizkörper 7 sind aus nitridiertem Siliziumkarbid, und der Begrenzungsring 19 ist aus Schamottestoff ausgeführt.
Fig. 12 zeigt einen kegelrohrförmigen Heizkörper 7, der in dem Bad 5, nämlich hier dem geschmolzenen Salz, mittels des Halters 20 und des Seils 21 an dem Tragwerk der Einrichtung derart beweglich aufgehängt ist, daß der Heizkörper 7 stets eine unveränderliche, von dem Badstand des Salzes unabhängige Eintauchtiefe aufweist.
Die an die Stromzuleitung 12 angeschlossene Elektrode 10 steht in unmittelbarem Kontakt mit einer Fläche des Heizkörpers 7. Der Kegelteil der Elektrode 10 erfüllt gleichzeitig die Funktion des Kontaktstoffs. Die Außenfläche des Heizkörpers 7 ist mit einer dünnen Schicht eines Stoffes 15 bedeckt.
Unter der Einwirkung des zwischen den Elektroden 10 und 11 bestehenden Potentialunterschieds fließt der elektrische Strom von der Elektrode 10 parallel durch den Heizkörper 7 und die Elektrode 10 zum Salz 5, und schließlich zur Elektrode 11. Das Salz 5 ist eine Mischung von Barium- und Kalziumchlorid. Der Stoff 15 besteht aus einem aus der Gasphase aufgetragenen Siliziumkarbid. Die Elektrode 10 ist aus reaktivweise gesintertem Siliziumkarbid ausgeführt. Die Elektrode 11 besteht aus Graphit mit einer aus der Gasphase aufgetragenen dünnen Schicht aus Siliziumkarbid. Der Halter 20 und das Seil 21 sind aus Legierungsstahl, und der Heizkörper 7 aus nitridiertem Siliziumkarbid gefertigt.
Fig. 13 zeigt einen gefäßförmigen, in eine wäßrige Lösung 5 von Schwefelsäure eingetauchten, unter einem Schwimmer 6 aufgehängten Heizkörper 7, wobei das Innere des Heizkörpers 7 mit Metall 8 aufgefüllt ist. Der Heizkörper 7 ist an seiner Außenseite mit einer dünnen Schicht eines Stoffs 15 bedeckt. Das Metall 8 ist Woodmetall. Der Schwimmer 6 besteht aus Polyäthylen, die Elektrode 10 aus Graphit, die Elektrode 11 aus säurebeständigem Stahl und der Schwimmer 22 aus Graphit. Der Heizkörper 7 ist aus gesintertem, auf Graphit basierendem Werkstoff ausgeführt. Die Schicht 15 besteht aus aus der Gasphase ausgetragenem Siliziumkarbid.
Fig. 14 zeigt einen Heizkörper 7 in Form eines Doppeigefäßes, das zum Teil in das Metall 5 eingetaucht und zum Teil mit Metall 8 gefüllt ist und wobei die Wand 23 das Bad 5 in zwei voneinander isolierte Teile trennt.
Unter der Einwirkung des zwischen der an die Stromzuleitung 12 angeschlossenen Elektrode 10 und der an die Stromzuleitung 13 angeschlossenen Elektrode 11 bestehenden Potentialunterschieds fließt elektrischer Strom von der Elektrode 10 durch das Metall 5, die Wände des Heizkörpers 7 und das Metall 5 zur Elektrode 11. Der Heizkörper 7 besteht aus einem gesinterten, auf Zirkoniumdioxid basierenden Werkstoff.
Dabei kann z. B. der Werkstoff des linken Gefäßes andere physikalische und chemische Eigenschaften aufweisen als der des rechten Gefäßes und zwar in Abhängigkeit von der unterschiedlichen Höhe der beiden Gefäße. Die Elektroden 10 und 11 bestehen aus Graphit. Die Wand 23 ist aus einem auf Korund basierenden Werkstoff gefertigt.