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Härteofen aus Silizium infiltriertem Siliciumcarbid, Riesenproblem

H

Hallo22

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55
Hallo,

Jetzt war ich ja schon eine weile nicht mehr aktiv hier und nun muss ich mich gleich mit einem Riesen Problem an euch wenden.
Eigentlich wollte ich erst wieder schreiben wenn mein Härteofen fertig ist und ein Tutorial erstellen.
Jetzt stehe ich aber vor einem Riesen Problem.

Der Aufbau des von mir geplanten Ofen sieht so aus:

Ich lies mir einen Kompletten Korpus aus SiSic fertigen um diesen Herum befinden sich die Heizwendeln dann Isolierung aus Keramikfaserplatten, dann Gehäuse.

Ich habe denn Aufbau so geplant weil ich die Heizwendeln gerne unsichtbar Installieren will und ich diesen auch mit Schutzatmosphäre jenseits der 1000C° betreiben möchte.
Das Problem jetzt ist das der SiSic Korpus Elektrisch sehr gut leitend ist, diese gravierende Eigenschaft ist mir bei der Planung entgangen. Gemerkt hab ich es heute als ich nach dem Installieren der Heizwendeln sicherheits- halber noch einmal durch gemessen habe und einen Kurzschluss feststellen musste.


Meine Fragen:

1. hat jemand eine Idee mit was ich die Heizwendeln gegen den Korpus Isolieren könnte?

2. bei dem Draht handelt es sich um Kanthal A1 der ja bei normaler Atmosphäre im betrieb eine Oxidschicht bildet die wiederum Elektrisch Isolierend ist.
Denkt ihr, dass diese Oxidschicht als Isolation ausreichend wäre?


Hier noch Bilder die das beschriebene zeigen.

dsc0185gj.jpg

dsc0208q.jpg

dsc0215rk.jpg


Grüße Peter
 
Zuletzt bearbeitet:
AW: Härteofen aus Silizium infiltriertem Siliciumcarbid, riesen Problem

Nur einfach mal drauf losgedacht:

Wie wäre es mit dünnen Keramikplatten. Die halten die Temperatur aus und sind elektrisch isolierend. AluminiumNitrid ist da wohl erste Wahl als Hochtemperatur Isolator, aber keine Ahnung wo du das jetzt auf die Schnelle beziehen kannst.

Gruß Max
 
Härteofen aus Silizium infiltriertem Siliciumcarbid, riesiges Problem

Hallo22 schrieb:
.......Ich ließ mir einen kompletten Korpus aus SiSic fertigen. Um diesen herum befinden sich die Heizwendeln, dann Isolierung aus Keramikfaserplatten, dann Gehäuse.....Das Problem jetzt ist, dass der SiSiC-Korpus elektrisch sehr gut leitend ist, diese......Eigenschaft ist mir bei der Planung entgangen.....
Zum Vergrößern anklicken....
Solche Konstruktionsfehler lassen sich nur schwer korrigieren. Die Heizwendeln 'arbeiten' bei Erwärmung, und ihre Ausdehnung/Kontraktion sollte mit möglichst wenig Reibung und Materialkontakt möglich sein. Daher werden sie in der Regel auf keramischen Tragrohren frei aufgehängt. Bei Deiner Konstruktion ist das nicht möglich.

Abhilfe wäre nur möglich, wenn die Wärmedämmung aus Keramikfaser so großzügig dimensioniert wäre, dass die Muffel (der SiC-Einsatz) ohne Kontakt zu den Heizwendeln eingebaut werden könnte. Die Erwärmung erfolgt ja über Infrarotstrahlung, da kommt es nicht auf Millimeter an. Allerdings ist in diesem Stadium der Konstruktion eine Umstellung auf keramische Heizwendelträger schwierig.

Die Dimensionierung des KANTHAL-Drahts sieht mir für einen Härteofen, der über 1.000°C erreichen soll, etwas schwach aus, aber Du hast Dir das hoffentlich ausrechnen lassen?

Gruß
sanjuro
 
Zuletzt bearbeitet:
Hallo Hallo ;-)

tja, SiSiC leitet Wärme und el. Strom ganz gut. Ich nehme an wegen der Wärme kam die Idee?

Na egal, erstmal Zustimmung zu den Vorrednern. Bei dünnen Keramikplatten denke ich erstmal an keramische Folien, wie sie für Leistungselektronik verwendet werden. AlN hat sicher die beste Wärmeleitung, aber bei den Dicken unter 1 mm isses auch eher egal, wenns dann Al2O3 ist.

Gruß,
Daniel
 
wie wäre es mit Keramik-Spray für Bremsen und co (Anti-Seize-Spray)?
Das Zeug wird aufgesprüht (ca 0,3mm), ist nach dem Trocknen elektrisch nichtleitend und brennt bei ~800°C ein. Eingebrannt wird es dann braun/aubergin-farben und kratzunempfindlich

Shop: http://www.ldm-tuning.de/artikel-7087.htm

und bei 7 Euro... :)

Ich habe das Zeug glaube ich schon bei Obi und ATU gesehen..
 
Erstmal danke an das Forum, und an euch!

M.Schmid schrieb:
Nur einfach mal drauf losgedacht:

Wie wäre es mit dünnen Keramikplatten. Die halten die Temperatur aus und sind elektrisch isolierend. AluminiumNitrid ist da wohl erste Wahl als Hochtemperatur Isolator, aber keine Ahnung wo du das jetzt auf die Schnelle beziehen kannst.

Gruß Max
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Ich habe mich ein wenig schlau gemacht (zumindest versucht), die Idee mit Keramikplatten oder Folien zu Isloieren ist gut, doch alles was ich zu Aluminiumnitrid finden konnte bewegt sich weit auserhalb meiner Finaziellen möglichkeiten. Also die Fläche mit dem Material bei den Preisen die ich gefunden habe würde mehrer Tausend Euro kosten.

sanjuro schrieb:
Solche Konstruktionsfehler lassen sich nur schwer korrigieren. Die Heizwendeln 'arbeiten' bei Erwärmung, und ihre Ausdehnung/Kontraktion sollte mit möglichst wenig Reibung und Materialkontakt möglich sein. Daher werden sie in der Regel auf keramischen Tragrohren frei aufgehängt. Bei Deiner Konstruktion ist das nicht möglich.

Abhilfe wäre nur möglich, wenn die Wärmedämmung aus Keramikfaser so großzügig dimensioniert wäre, dass die Muffel (der SiC-Einsatz) ohne Kontakt zu den Heizwendeln eingebaut werden könnte. Die Erwärmung erfolgt ja über Infrarotstrahlung, da kommt es nicht auf Millimeter an. Allerdings ist in diesem Stadium der Konstruktion eine Umstellung auf keramische Heizwendelträger schwierig.

Die Dimensionierung des KANTHAL-Drahts sieht mir für einen Härteofen, der über 1.000°C erreichen soll, etwas schwach aus, aber Du hast Dir das hoffentlich ausrechnen lassen?

Gruß
sanjuro
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Die Heizwendeln auf Keramikrohren zu montieren wäre natürlich mit einigem Aufwand möglich. würde jedoch meine ganze Planung durch einander werfen da ich die Isolierung tiefer ausschneiden müsste und dadurch wahr. auch dicker Isolieren müsste.
Wäre es möglich die Wendeln nicht um sondern in einem Rohr zu montieren? oder käme es dadruch zu einer Art Hitzestau?

Wegen der Dimensionierung des Kanthal drahtes.... Ich habe gut 80m 1,25mm Draht auf 5 Seiten des Ofens verlegt. Das entspricht 5100W bei einer Oberfläche von knapp 0,6qm.
Das Entspricht einer Leistungsdichte von 0,8W/cm2 + 360Watt Reserve, und einer Oberflächenbelastung von 1,63W/cm2

Ich habe es nicht berechnen lassen jedoch so gut ich konnte selbst berechnet... Siehe Foto.

hrteofenberechnung.jpg


haasi schrieb:
Hallo Hallo ;-)

tja, SiSiC leitet Wärme und el. Strom ganz gut. Ich nehme an wegen der Wärme kam die Idee?

Na egal, erstmal Zustimmung zu den Vorrednern. Bei dünnen Keramikplatten denke ich erstmal an keramische Folien, wie sie für Leistungselektronik verwendet werden. AlN hat sicher die beste Wärmeleitung, aber bei den Dicken unter 1 mm isses auch eher egal, wenns dann Al2O3 ist.

Gruß,
Daniel
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Kennst du zufällig bezugsquellen für solche Platten oder Folien?

kababear schrieb:
wie wäre es mit Keramik-Spray für Bremsen und co (Anti-Seize-Spray)?
Das Zeug wird aufgesprüht (ca 0,3mm), ist nach dem Trocknen elektrisch nichtleitend und brennt bei ~800°C ein. Eingebrannt wird es dann braun/aubergin-farben und kratzunempfindlich

Shop: http://www.ldm-tuning.de/artikel-7087.htm

und bei 7 Euro... :)

Ich habe das Zeug glaube ich schon bei Obi und ATU gesehen..
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Das hört sich für mich sehr Interessant an.
Kennst du das Material? Soweit ich mich Informieren konnte verdampft das Öl zwischen 200 und 250C° und dann bleibt eine schicht Keramik zurück?! Ist diese Schicht "fest"? oder Pulverförmig?

Die nächste Frage ist wie sich das Keramik auf dem SiSic bei 1200C° verhält sprich Spannungen wegen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten.

Hast du oder sonst jemand erfahrungen mit diesem Produkt?

Grüsse Peter
 
Pack deine Muffel einfach in ein 3-4mm dünne Schicht aus Feuerfestzement (www.messermacherbedarf.de), schlickere Trockungsrisse zu und schon ist dein Problem gelöst. Elektr. leiten tut der Zement nicht und die Hitze hält er auch gut aus. Wäre jedenfalls ne einfache und billige Lösung.
 
Nemo.26 schrieb:
Pack deine Muffel einfach in ein 3-4mm dünne Schicht aus Feuerfestzement (www.messermacherbedarf.de), schlickere Trockungsrisse zu und schon ist dein Problem gelöst. Elektr. leiten tut der Zement nicht und die Hitze hält er auch gut aus. Wäre jedenfalls ne einfache und billige Lösung.
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Hallo Nemo

:) Das wäre natürlich eine möglichkeit aber, 3-4mm sind schon recht viel... und dann sind auch die Kräfte die bei der Ausdehnung wirken nicht mehr zu vernachlässigen,
Und die Wärmeleitfähigkeit vom Beton im Vergleich zum SiSic ist sehr schlecht. was bei 3-4mm merkbar ausfallen würde.
Da muss noch mehr gehen, trotz meines schweren Fehlers!

Grüße Peter
 
Die Keramikpasten sind eher zäh, aber sie werden nicht "brenn"hart. Ich habe zwei Ausführungen von Liqui Moly, einmal als Spray, einmal als Tubenpaste und noch ein Spray von Weicon ("ASA 400" bis 1200°C). Verwendet habe ich das von LM bisher als Verzunderungsschutz zum Härten von Damasteel. Nach dem Lufthärten ließen sich die Reste mit einem Lappen abwischen... - von daher wäre ich von dem Material als Isolierung nicht so überzeugt, ist maximal so zäh wie Penaten Creme.

Darin sind ja nur feine lose Keramikpartikel als Paste gebunden, weil es dann den gedachten Zweck des "anti seize" erfüllt, das ist speziell für Hochtemperatureinsatz entwickelt worden, um Verbindungen trotzdem noch lösen zu können. Von daher darf es nicht hart- oder festbrennen.

Alternativ fiele mir spontan Calciumcarbonat aus dem gerwerblichen Ofenbau ein, es hat zwar eine sehr empfindliche = eher bröselige Konsistenz, aber man kann es mit entsprechender Vorsicht und einer frischen Cutterklinge in ganz dünne Streifen schneiden um diese dann zwischen Wendel und Muffel zu schieben. So sollte genug Luft für die Ausdehnung der Wendeln bleiben.

Allerdings kann ich zur el. Leitfähigkeit dieses Materials nichts sagen. Da meine neueren Laboröfen damit ausgekleidet sind, nehme ich an, dass sie nicht elektrisch leiten.

Gruß Andreas
 
Fliesen wird bestimmt zu dick. Man könnte den Feuerfesten Zement doch aber sehr dünnflüssig anrühren und dann streichen, oder?

Gruß,

Stefan
 
Hallo,

allein vom Widerstand der SiC Muffel würde ich mir keine Sorgen machen. Wenn ich Deine Dimensionen aus dem Foto so abschätze, so hat die Muffel einen Widerstand von 1.5 Ohm/cm also 0,15 Ohm/mm (wenn die Anzeige auf Deinem Multimeter auf Ohm steht). Dein Draht hat 1 Ohm/m also 0,001 Ohm/mm. Eine Drahtwendel wird so geschätzte 30mm haben also 0,03 Ohm und das auf einen Wendelabstand von wiederum geschätzen 3mm. Auf 3mm hat Deine Muffel aber 0,45 Ohm, was bei einer Parallelschaltung der Widerstände praktisch keinen Einfluss hat.
Aber: Du musst Deine Muffel elektrisch so isolieren, dass eine Berührung ausgeschlossen ist und Du brauchst eine 100% sichere Abschaltung durch einen Türkontakt (wie bei anderen Öfen aber auch):teuflisch
Eine andere Sache ist, wie der Kantaldraht auf die Dauer den Kontakt mit dem SiC verträgt, aber da wird sich wohl eine SiO2 Schicht an der Oberflache ausbilden, die eine Kohlenstoff Diffusion zu unterbindet (is aber reine Spekulation).
Und noch ein aber: die obige Widerstandsabschätzung gilt nur für Raumtemperatur, bei 1000°C sieht´s ungünstiger aus, da Dein SiSiC ein Halbleiter mit negativem Temperaturkoeffizient ist, also der Widerstand geringer wird.

Gruß

MythBuster
 
Zuletzt bearbeitet:
also das Zeug was wir immer zum Einsprühen (Übrigens auch Klingen ;)) verwendet haben brennt richtig ein und wird wie gesagt kratzfest. War teilweise ein richtiger Akt das Zeug wieder runter zu bekommen. Mit Wischen war da nichts mehr!

Ich schau zwischen den Jahren mal in Schwabach vorbei, dann kann ich
Dir genau sagen, wie das Zeug heisst.
 
Moin!
Wäre es nicht eine Möglichkeit, die Muffel mit Glasband zu umwickeln und das dann dünn mit dem feuerfesten Beton einzupinseln? Vielleicht müßtest du die Einschnitte für die Heizwendeln etwas anpassen (tiefer einarbeiten).
Gruß Stefan
 
Was ist Glasband genau?

Also ich muss vor allem, was ein Glasphase bildet, warnen. Glas im Ofen auskippen ist die sicherste Möglichkeit, einen Ofen zu schrotten. Evtl. ist SiSiC da beständiger, aber alles oxidische wird prima gelöst und irgend wann ist ein Loch in der Isolierung und in der Wendel. Je niedriger schmelzend das Glas ist, um so agressiver ists idR.

Ich finde das Spray gut (wenn bis 1450 °C sicher Glasfrei) und v.a. mit Sicherheit die günstigste Möglichkeit.

Gruß,
Daniel
 
Härteofen aus Silicium-infiltriertem Siliciumcarbid, riesiges Problem

Hallo22 schrieb:
...Die Heizwendeln auf Keramikrohren zu montieren wäre natürlich mit einigem Aufwand möglich, würde jedoch meine ganze Planung durcheinander werfen, da ich die Isolierung tiefer ausschneiden müsste und dadurch wahrscheinlich auch dicker isolieren müsste.
Wäre es möglich, die Wendeln nicht um, sondern in einem Rohr zu montieren? Oder käme es dadurch zu einer Art Hitzestau?

Ich habe es nicht berechnen lassen, jedoch so gut ich konnte selbst berechnet...
Zum Vergrößern anklicken....
Das Problem sehe ich darin, dass ein Konzept mit elementaren Fehlern manchmal auch durch weitergehende Maßnahmen nicht gerettet werden kann.

Bei KANTHAL-Drähten (wie bei allen anderen Widerstandsdrähten) habe ich die Erfahrung gemacht, dass stehende Wendeln - abhängig von Drahtstärke, Wendelabstand, Temperaturhöhe und Heizdauer - früher oder später umkippen und so Kontakt mit dem 'Nachbarn' bekommen. Dadurch verkürzt sich die Drahtlänge und der Widerstand geht hoch, es gibt sog. Temperatur-Spots an den Kontaktstellen, an denen dann der Draht durchbrennt. Daher ist die Montage IN einem Rohr die schlechteste von allen Möglichkeiten. Die Aufhängung auf Tragrohren hingegen sorgt für die geringstmögliche Verformung.

Man baut solche Öfen so, dass jede Drahtstrecke einzeln angeschlossen wird; dazu gibt es von KANTHAL spezielle Anschlussklemmen, die für großflächigen und vor allem sicheren Kontakt sorgen, um lokale Wärmekorrosion zu vermeiden. Bei Deiner Konstruktion hast Du die Wendeln 'um die Ecken' geführt. Das geht gar nicht, weil sich an diesen Stellen die einzelnen Wendelgänge zu nahe sind und sich quasi gegenseitig aufheizen, selbst wenn sie sich (wider Erwarten) nicht berühren sollten. Bei einzelnen Drahtstrecken ist zudem der Austausch im Fall von Defekten leichter und billiger.

Es gibt Elektro-Heizöfen, deren Wendeln in horizontalen Rillen/Nuten in der Ofenwand liegen. Das ist aber konstruktiv nur bei den Seitenwänden und im Boden eines Ofens möglich, nicht bei einer Rundum-Beheizung wie bei Dir. Zudem wählt man in solchen Fällen die Drahtstärke eher etwas dicker, damit die Wendeln stabil stehen.

Generell ist ein elektrischer Ofen so zu konstruieren, dass ein Ersatz der Wendel als Verschleißteil leicht möglich ist. Bei Deiner Konstruktion ist nicht nur die Wendel durch die Rückstrahlung der Muffel thermisch höher belastet, sondern sie ist zudem für einen Austausch nur schwer zugänglich.

Abschließend noch der Hinweis, dass KANTHAL Dir beim Kauf kostenlos die Drähte berechnet, wenn Du die die Ofen-Parameter angibst. Dazu benötigst Du auch die Wärrmewerte der Keramikfaser-Wärmedämmung. Diese verändern sich gegenüber dem Ausgangswert, wenn Du sie wie bei Deiner Konstruktion offenbar mit Metallgewindestäben verbindest (sieht zumindest auf den Fotos so aus).

Zur Wärmedämmung noch eine Anmerkung: die Klassifikationstemperaturen geben nur die kurzzeitige Belastung an. Das bedeutet, dass Keramikfaser mit Kennzahl 1260 in der Praxis bei max. 1.000°C °C dauerhaft eingesetzt werden kann, die Fasern/Steine mit Bezeichnung 1420 gehen gut bis ca. 1.250°C.

Keramikfaser-Boards, die zur besseren Verarbeitung mit Kunststoffen getränkt sind (auf Grund der Farbe vermute ich das bei Deinen Platten auch), müssen ausgebrannt werden. Dabei entsteht giftiger Qualm, der auch an kälteren Ofenbauteilen teerartig kondensieren kann. Auch hier muss man genau wissen, was man tut.

Eine letzte Frage: Du hast von der Leistung her einen Kraftstrom-Ofen (400 V) gebaut. Ich meine mich zu erinnern, dass es da auch noch Vorschriften der VDE gibt, die zu berücksichtigen wären.

Gruß

sanjuro

P.S. Einfach mal funktionierende Konstruktionen anschauen. Hilfreich ist da ein Blick in einen möglichst alten Keramikbrennofen, dann siehst Du gleich, wo die Schwachstellen sind!

Von der Terminologie her solltest Du zwischen (elektrischer) Isolierung und Wärmedämmung unterscheiden.
 
Zuletzt bearbeitet:
Hallo22,

deine Berechnungen sind soweit ich das sehen kann korrekt :) Um dünneren Draht zu verwenden kann man wie du hier ausgerechnet hast mit mehreren parallel betriebenen Wendeln arbeiten Durch die Addition paralleler Wendeln erhöht sich die Gesamtleistung um die Wattzahl der einzelnen Leistung. Die Oberflächenbelastung der einzelnen Wendel bleibt dabei jedoch gleich. Dünnerer Heizdraht hat grundsätzlich eine geringere Lebensdauer als dickerer inwieweit sich das auf die Gesamtbetriebsdauer auswirkt kann ich aber nicht sagen. Bei der errechneten Oberflächenbelastung sollten sie aber schon ne Weile halten. Da du den Ofen ja wohl nicht gewerblich jeden Tag 8 Stunden laufen lassen willst seh ich da erstmal kein Problem.

Wie sanjuro vorschlägt würde ich die Wendeln mehr strecken. Durch die Aufheizung/Abkühlung fangen die an zu wandern und einmal beheizt wird Kanthaldraht spröde und die Wendeln lassen sich im Kalten Zustand dann nicht mehr strecken. Kanthal gibt da einen Wert von 2-3 Drahtdurchmessern zwischen den Einzelwicklungen als Minimum vor. Wie schon gesagt bei Kurven besser etwas mehr strecken da in der Kurveninnenseite die Wicklungen enger zusammenrücken.

Was dein eigentliches Problem angeht so fällt mir da auch keine billige und einfache Lösung ein. Es gibt z.b. Aluminiumoxidkeramikplatten in der größe 15x10cm diese haben jedoch 6-7mm Stärke. Kosten 4,45 Stk. Dadurch müssten diese aber jedesmal mit aufgeheizt werden und da die Heizwendeln nur punktuell aufliegen könnten sie auch evtl reißen durch ungleichmäßige Erhitzung. Ein Neudesign wäre besser und auf dünne Beschichtungen würde ich mich nicht verlassen schon gar nicht bei 380V Drehstrom....

Wenn du die SIC Kammer verwenden willst würde ich diese am Besten sozusagen freischwebend im Ofen installieren so dass zwischen Heizwendeln und Kammer überall ein Zwischenraum ist. Heizwendeln besonders in der Decke machen Probleme da sie sich verformen/durchhängen können. Zumindest die Deckenwicklungen solltest du auf Keramikrohre aufziehen. Um zu vermeiden dass sich im Betrieb eine Heizwendel löst und mit der Kammer ein Kurzschluß entsteht, wäre es mögl. einen FI- Schutzschalter benutzen (für 400V natürlich) und die Kammer mit dem Nulleiter verbinden. Fließt jetzt ein Fehlerstrom durch die Kammer schaltet der FI automatisch aus und das Durchbrennen der Wicklungen wird verhindert. Türkontaktschalter zusätzlich ist auch zu empfehlen! Der kann aber dadurch ersetzt werden dass du jedes mal vor öffnen einfach den Stecker ziehst:D
 
Glas wird bei den angestrebten Temperaturen von über 1000° flüssig, zudem leitet es je nach Glassorte im Glühenden Zustand Strom. Auch können Keramische Materialien ihre elektrische Leitfähigkeit bei hohen Temperaturen verändern und plötzlich vom Nichtleiter zum Leiter werden!
 
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