Die "Sammlung Vieweg" hat sich die F\ufgabe gestellt, Wissens- und Forschungsgebiete, Theorien, chemisch-technische Verfahren usw., die im Stadium der Entwicklung stehen, durch zusammenfassende Behandlung unter BeifUgung der wichtigsten Literaturangaben weiteren Kreisen bekanntzumachen und ihren augenblicklichen Entwicklungsstand zu beleuchten. Sie will dadurch die Orientierung erleichtern und die Richtung zu zeigen suchen, welche die weitere Forschung einzuschlagen hat. F\ls Herausgeber der elnzelnen Gebiete, auf welche sich die Sammlung Vieweg zunachst erstreckt, sind tatig, und zwar fUr: Physik (theoretische und praktische, und mathematlsche Probleme): Herr Geh. Reg.-Rat Prof. Dr., Dr.-Ing. E. h. Karl Scheel, Physika\.-Techn. Reichsanstalt, Chariottenburg; Chemie (F\lIgemeine, Organische und F\norganische Chemie, Physikal. Chemie, Elektrochemie, Technische Chemie, Chemie in ihrer F\nwendung auf Kunste und Gewerbe, Photochemie, Metallurgie, Bergbau): Herr Prof. Dr. B_ Neumann, Techn. Hochschule Bresiau; Technik (Wasser-, StraBen- und Briickenbau, Maschinen- und Elektrotechnik, Schiffs bau, mechanische, physikalische und wirtschaftliche Probleme der Technik): Herr Prof. Dr.-Ing. E. h. Fritz Emde, Techn. Hochschule Stuttgart. I Neuere und neueste Hefte der I.Sammlung Viewegll Heft 20. Dr. Erik Liebreich: Rost und Rostschutz. Mit 22 F\bbildungen. M.3.25. Heft 21. Prof. Dr. Bruno G latzel: Elektrische l1ethoden derl1omentphotographie. Mit dem Bilde des Verfassers und 51 F\bbildungen. M.4,-. Heft 22. Prof. Dr. med. et phil. Ca rl 0 ppe n hei mer: Stoffwechselfermente. M.2,5O. Heft 23. Dr. F\lfred Wegener: Die Entstehung der J<ontinente und Ozeane. 3., ganzlich umgearb~itete F\uflage, erschien als Bd. 66 unserer Sammlung "Die Wissenschaft". Heft 24. Dr. W. Fahrion: Die Hartung der Fette. 2., vollstandig umgearbeitete F\uflage. Mit 5 F\bbildungen. M.6,-. Heft 25. Prof. Dr. F\. Was s m u t h: Grundlagen und Anwendungen der statistischen l1echanik. 2. F\uflage. Mit 4 F\bbildungen. M.4,-. Heft 26. Dr. F\. Lipschutz: Zur aflgemeinen Physiologie des Hungers. Mit 39 F\bbildungen. M.3,-. Heft 27. Prof. Dr. C. Doelter: Die Farben derl1ineralien, insbesondere derEdel- steine. Mit 2 F\bbildungen. M. 3,-. Heft 28. Dr. W. Fahrion: Neuere Gerbemethoden und Gerbetheorien. M.4,50. Heft 29. Dr. E r i k Hag 9 I u n d : Die Sulfitablauge und ihre Verarbeitung auf Alkohol. 2. F\ufiage. Mit 6 F\bbildungen und einer Tafe\. M.3,50. Heft 31. Dr. Heinrich FaBbender: Die technischen Grundlagen der Elektro- medizin. Mit 77 F\bbildungen. M.4,-. Heft 32!33. Prof. Rudolf Richter: Elektrische l1aschinen mit Wicklungen aus Aluminium, Zink und Eisen. Mit 51 F\bbiidungen. M.6,-. Fortsetzung siehe 3. und 4. Umschlagseite. ·. Elektrisdle Ofe n mit Heizkorpern aus Wolfram Von Werner Fehse Mit 48 Abbildungen und einem Vorwort von Dr. Franz Skaupy Druck von Friedr. Vieweg & Sohn Akt.-Ges. Braunschweig 1928 Herausgeber dieses Heftes: Geh. Reg.-Rat Prof. Dr.-Ing. e. h. Karl Scheel, Berlin ISBN 978-3-322-98205-6 ISBN 978-3-322-98892-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-322-98892-8 AIle Rechte vorbehalten Vorwort. Fur Untersuchungen und Arbeiten bei den hOchsten kunstlich erreichbaren Temperaturen, wie sie insbesondere auch in der elektrischen Beleuchtungstechnik vorkommen, sind handliche und dauerhafte Of en, die solche Temperaturen be quem zu erreichen gestatten, eine dringende Notwendigkeit. Seit durch die Entwicklung der Gliihlampe die Tem peraturbestandigkeit des Wolframs allgemeiner bekannt wurde, sind auch verschiedene Konstruktionen von Of en, die Wolfram als Heiz korper enthalten, in der wissenschaftlichen und technischen Literatur beschrieben worden, meist kleinere primitive Apparate, wenig geeignet fur eine groBere Anzahl aufeinanderfolgender Versuche oder tech nischer Operationen. Aus diesem Grunde betraute ich vor einigen Jahren meinen Mitarbeiter Werner Fehse im Rahmen der Studiengesellschaft fur elektrische Beleuchtung G. m. b. H. Osram mit der systematischen Entwicklung solcher Of en, die sowohl fur fortgesetzte wissenschaftliche Untersuchungen wie fur den Fabrikationsbetrieb geeignet sein sollten. Den Ausgangspunkt der Arbeiten bildete· ein kleines Ofchen, dess~n Heizrohr ich aus einem massiven, vorgesinterten Wolframstab durch Ausbohren und Abdrehen und Nachsintero bei hoher Temperatur hatte herstellen lassen. Rohre dieser Art haben vor solchen aus Blech oder Draht den groBen Vorteil, nicht durch Rekristallisation sprOde zu werden. Auch ist die Neigung zu Formanderungen selbst bei hOchsten Tem peraturen eine geringe. Es gelang im Laufe der Zeit, wesentlich groBere und gut durchgebildete Konstruktionen zu schaffen. Gleichzeitig ergaben sich brauchbare Konstruktionen anderer Art, z. B. Drahtofen mit Stutzung des Heizkorpers aus keramischen Massen. Letzteren, vor allem dem Zirkonoxyd und seiner geeigneten Anwendung, wurde be sondere Aufmerksamkeit geschenkt. Bei einem Teil der Arbeiten, haupt sachlich bei den letztgenannten, wurden wir nicht unwesentlich von Herro Professor M. Pirani unterstiitzt. Wahrend die bisher erwahnten Of en einer reduzierenden Schutzatmosphare bedurfen, ergab sich fiir Untersuchungen an gliihenden Oxyden und Oxydgemischen das Be- - IV - durfnis, Of en fUr moglichst hohe Temperaturen in oxydierender Atmo sphare zu besitzen. Die Schwierigkeiten, in oxydierender Atmosphare uber 20000 C zu kommen, sind wesentlich groBer als bei den mit Schutzgas betriebenen Wolframofen, und die Grenze, welche durch die Feuer bestandigkeit der Oxyde gegeben ist, wurde bei den bisher bekannten und hier beschriebenen Of en noch lange nicht erreicht. Einige von uns ausprobierte Of en dieser Art sind am Ende des Buches beschrieben. Aus auBeren Grunden muBten unsere Arbeiten fUr neue Of en leider vor der Zeit abgebrochen werden; doch konnen wir hoffen, daB die mitgeteilten Ergebnisse einer weiteren Entwicklung des Gebietes durch andere niitzlich sein werden. Besonderen Dank schulden wir auch Herrn Oberingenieur Ado IfF e h s e fUr seine Mithilfe bei Durch bildung vieler hier beschriebener Konstruktionen. Berlin, den 5. September 1927. Dr. Franz Skaupy. Inhaltsverzeichnis. Seite Vorwort .. IV Einleitung. E r s t erA b s c h nit t. Freitragende Wolframofen. 1. Mit Schutzgasspiilung. a) Schutzgas . . . . . . . . . . . . . . . . 1 b) Herstellung der Heizkorper. . . . . . . . . 2 c) Schutz gegen Ausstrahlung und Konvektion . 3 d) Horizontaler Wolframrohrofen ...... . 4 e) Vertikaler Wolframofen mit Quecksilberstromzufilhrung. 13 f) Vertikaler Wolframofen mit flexibler Stromzufilhrung. 15 g) Vertikaler Wolframofen mit Strahlungsschutz 15 2. Vakuumofen. a) Wartenbergofen ............ . 17 b) Horizontaler Wolframrohrofen (Wolframblech) 21 c) Vertikaler Wolframofen (DrahtgefJecht) . 24 d) Vertikaler Wolframrohrofen (Massivrohr) . . 26 Zweiter Abschnitt. 1. Dlen mit Wolframheizkorpern auf keramischer Unterlage. a) Rohrofen mit Wolframdrahtwicklung .. 29 b) Rohrofen mit rechteckigem Querschnitt . 31. c) Biindelrohrofen 32 2. Wolframwendel- und Stabolen. a) Wolframwendelofen mit Wasserkiihlung . 35 b) Wolframwendelvakuumofen ..... . 36 c) Wolframwendelofen ohne Wasserkiihlung 38 d) Wolframwendclmuffelofen ...... . 38 e) Wolframstabofen (nach Le Rossignol) . 40 - VI - Dr i tt erA b s c h n i tt. Energiebedarf und Berechnung der Of en. Anhang. Einige elektrische ()fen besonderer Art. 1. Hochfrequenziifen. Seite a) Schaltung nach Debuch-Lorenz 48 b) Schaltung nach Northrup . . . 49 c) Hochfrequenzofen nach Northrup 50 d) Schaltung nach Ribaud 50 e) Hochfrequenzofen mit Maschine und Schaltung nach Lorenz 51 f) Hochfrequenzofen nach der General Electric Co.. . . . . . 55 2. Kathodenstrahliifen. a) Nach Wartenberg . 56 b) Nach Tiede .. 57 c) Nach Gerdien und Rigger. 59 3. Wolframlichtbogenofen. 4. Oxydierende Ofen. a) Gassauerstoffofen fUr Temperaturen tiber 2200° C . . . . . . . . 66 b) OberfUichenverbrennungs5fen fUr Temperaturen bis 2200° C (System Schnabel). . 67 Namenregister 69 Sachregister . 70 Einleitung. In den letzten Jahren ist auf dem metallurgischen und dem kera mischen Gebiet eifrig an der Erhohung der Brenntemperatur der Of en gearbeitet worden. Das vorliegende Buch will durch die Beschreibung der angewandten Arbeitsmethoden und die anschauliche Darstellung der Konstruktionen es den beteiligten Kreisen ermoglichen, sich seIber Of en zu bauen, in denen sie die hochsten Temperaturen erreichen konnen. Unter den beschriebenenKonstruktionen befinden sich auch einige Ofentypen, besonders fUr niedrige Temperaturen, die seit Jahren in der Gliihlampen industrie gebraucht werden. Es war aber notig, auch diese aufzufUhren, wei! die Entwicklung der Neukonstruktionen tei!weise auf ihnen auf gebaut ist. Erster Abschnitt. Freitragende W olframrohrofen. 1. Mit SChutzgasspiiIung. Wir konnen sie in zwei Gruppen tei!en, je nachdem ihr Heizkorper und Erhitzungsraum in einer Gasatmosphare oder im Vakuum sich befinden. 1m ersteren Fall bedingt die Oxydierbarkeit des Wolframs ein indifferentes bzw. reduzierendes Schutzgas, fiber welches hier das Notige vorausgeschickt werden soIl. a) Schutzgas. Als Schutzgas wird entweder Wasserstoff oder noch besser das sogenannte Abb. 1. Trockenanlage. Formiergas verwendet. Unter Formiergas verstehen die Gliihlampenfabriken ein Gemisch + von Stickstoff und Wasserstoff (z. B. 75 % N2 25 % H2). Es ist bei Gebrauch des Gases darauf zu achten, daB es sowohl trocken wie auch sauerstofffrei und kohlensaurefrei ist. Die fibliche Reinigung wird durch Abb. 1 veranschaulicht. Fe h s e. Elektrische Of en mit Heizkorpem aus Wolfram. 1 - 2 - a ist ein Riickstrombrenner aus Eisen, dessen Boden b durch die Flamme c auf Rotglut gehalten wird. Das Gas wird iiber den Boden getrieben, wodurch der in ihm enthaltene Sauerstoff mit dem iiber schiissigen Wasserstoff zu Wasser verbrennt. d ist ein mit Alkalistiicken gefiillter Turm zum Entfernen des Kohlenoxyds, e ein mit Phosphor pentoxyd gefiilJtes Glasrohr und dient zum Trocknen des Gases. Das so gereinigte und getrocknete Gas ist nun gebrauchsfahig und wird durch eine Gasuhr f (z. B. Rotamesser, Ventourimesser) in den Ofen geleitet. Das ausstromende Gas wird entweder am Ausstromungsende des Ofens angeziindet oder in den Abzug geleitet, urn ein Ansammeln brennbarer oder giftiger Gase im Arbeitsraume zu verhindern. b) Herstellung der Heizkorper. Einer der ersten Wolfram rohrofen ist der von Wartenberg gebaute1). Das Heizrohr wurde her gesteJlt, indem das mit etwas Starkekleister zu einem moglichst trockenem backenden Brei angemachte Wo]frampulver in die in Abb. 12 abgebildete Presse getan wurde. Auf der Basis der PreBform sitzt ein Dorn von dem inneren Durchmesser des zu formenden Rohres, der mit Marineleim oder dergleichen iiberschmolzen ist. Der Brei wird eingestampft, Y2 Stunde mit dem Kolben zwischen Reitstock und Futter einer Drehbank ge preBt und schlieBlich der Dorn samt dem Rohr mittels des Kolbens und der Reitstockspindel herausgedriickt, wahrend das Futter gegen die angelotete Platte a preBt. Nach Trocknung bei gelinder Warme wird der Dorn erhitzt, worauf sich das Rohr leicht abheben laBt. Es kommt ein unglasiertes PorzelJanrohr oder dergleichen zur Stiitze hinein, und dann wird es bei moglichst hoher Temperatur (etwa 12000 C) in Wasserstoff gegliiht. Man erhalt so ein festes Rohr, das sich leicht diinnwandig feilen laBt und mit einem wasserigen Brei von Thoriumoxyd ausgeschmiert wird. Der Wunsch, Bindemittel zu vermeiden, auch Rohre groBerer Dimensionen leicht herzustelJen, fiihrte uns zu folgenden zwei Methoden: 1. Wolframpulver wurde in einer PreBform zu Vierkantstaben gepreBt, in Formiergas bis 13000 C vorgesintert und aus dem Stab ein Rohr gedreht. Die GroBe der Rohre war nach dieser Arbeitsweise natiirJich beschrankt. ZweckmaBig laBt man solche Rohre an den Enden etwas dicker (s. Abb. 3). 2. Wo]frampulver wurde zwischen zwei koaxialen Gummischlauchen hydraulisch zu Rohren gepreBt. Dadurch wurde erreicht, diese in einer 1) Wartenberg, Zeitschr. f. Elektrochem. 15, 870, 1909. - 3 - Lange von 600 mm mit einer gleichmaBigen Wandstarke zu erhalten. Abb. 2 veranschaulicht die PreBvorrichtung. a, das PreBgefaB, kann unter einen Wasserdruck bis zu 4000 kg/qcm gesetzt werden. b ist ein mit Nut und Feder versehenes Stahlrohr, das innen eine geschliffene Wan dung hat. "In diesem liegt das mit Gummi schlauch d iiberzogene und durchlocherte Stahlrohr c, zwischen Gummi schlauch und Rohr b das Wolfram pulver e. Urn das Rohr b legt man zur Dichtung den Gummischlauch t mit den Schellen g. Seitwarts werden Stahlpfropfen h und hi eingesetzt. Der PreBvorgang ist folgender: 1m Rohr b wird nach Anbringen von Schlauch und Schellen das Rohr emit dem Schlauch d durch Einstecken in den einen Pfropfen h zentriert. Zwischen d und b wird nun Wo!frampulver e eingefUl1t, der zweite Pfropfen hi eingesetzt und nach Abdichten der beiden Schlauche durch die Schellen g die ganze PreBform in das GefiiB a gelegt. Dabei wird, da der Druck sich auf die beweglichen FIachen auswirkt, der Gummi schlauch d in radialer und die Pfropfen h und hi in axialer Richtung, dabei aber auch das Wolfram pulver zusammengepreBt. Der PreBdruck betragt etwa 1000 kg/qcm. Die PreBform wird nun auseinandergenommen und das Wolframrohr von den beiden Halften des Rohres b befreit. Dies laBt sich, da die Innenflache poliert ist, leicht abheben, und das Wolframrohr kann auf einer Abb. 2. PreBvor Wolframunterlage in irgend einem Of en mit redu rich tung zum Pressen zierender, nicht kohlender Atmosphare bis 20000 C von Wolframrohren. hochgesintert werden. Die Wolframunterlage ist von ausschlaggebender Bedeutung, da ein Sinterndes Wolframrohres auf anderer Unterlage erfahrungsgemaB zu cinem Rei Ben des Rohres fUhrt. c) Schutz gegen Ausstrahlung und Konvektion. Die Of en dieser Gruppe sind fUr so hohe Temperaturen gebaut, daB ein Verwenden von keramischen Massen zu Ofenkammern oder als Warme schutz nicht in Frage kommt. Zirkonoxyd gibt bei 26000 C schon er hebliche Dampfe ab, die den Heizkorper angreifen. Thoriumoxyd ist seines groBen Ausdehnungskoeffizienten wegen nicht zu empfehlen, da jegliches rapides Variieren der Temperatur ein Auseinanderspringen 1*