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Verfahren zur Herstellung grosser Hohlkörper aus Kohlenstoff, insbesondere von Rohren mit grossem Durchmesser
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren zur Herstellung von Hohlkörpern, die grosse Ausmasse haben, insbesondere von Rohren mit grossem Durchmesser, die ganz oder im wesentlichen aus elementarem Kohlenstoff bestehen, mittels Verwendung kontinuierlicher, verhältnismässig kleiner Pressen und einer sehr einfachen Ausstattung.
Nach dem erfindungsgemässen Verfahren können die Hohlkörper aus Kohlenstoff mit Vollwänden wie auch mit Wänden hergestellt werden, in die Heiz- oder Kühlschlangen eingelassen sind. Ausserdem können die Wände sowohl glatt wie auch mit schraubenförmig angeordneten Rippen zwecks Vergrösserung der Oberfläche hergestellt werden.
Diese Rippen können ebenso nur auf der Innen- oder der Aussenfläche der Wand oder auch auf beiden Flächen vorgesehen werden.
Hohlkörper mit grossen Dimensionen, die aus Kohlenstoff bestehen, finden hauptsächlich in Form von Rohren beim Bau chemischer Anlagen (beispielsweise Wasch- oder Destillationstürmen, Absorptionsanlagen für Chlorwasserstoffsäure, die mit Wiedereinführung in den Kreislauf oder adiabatisch arbeiten, usw. ) Verwendung, wo sie sich als sehr wertvoll infolge der grossen Widerstandsfähigkeit des Konlenstoffes gegen nichtoxydierende chemische Wirkstoffe erweisen.
Kohlenstoffrohre werden auch als Hohlelektroden verwendet, die gegenüber Vollelektroden den Vorteil aufweisen, nicht infolge durch Überhitzung hervorgerufener Ausdehnung des inneren Kernes zu brechen. Kürzlich durchgeführte Versuche lassen überdies die Annahme zu, dass Hohlelektroden einen stabileren elektrischen Bogen ergeben.
Der in der vorliegenden Beschreibung verwendete Ausdruck Kohlenstoff bezieht sich sowohl auf den sogenannten amorphen Kohlenstoff wie auch auf das Erzeugnis, das durch Erhitzen des amorphen Kohlenstoffes auf hohe Temperaturen (2500 C bis 30000 C) erhalten wird, und das allgemein als Elektrographit bekannt ist. Unter Kohlenstoff ist auch vorwiegend kohlenstoffhaltiger Werkstoff zu verstehen, bei dem die Kohlenstoffteilchen mittels geeigneter Bindemittel, beispielsweise bei Wärme erhärtender Harze, zusammengehalten werden.
Die bekannten Verfahren, die gegenwärtig für die Herstellung grosser Hohlkörper aus Kohlenstoff Verwendung finden, weisen die wesentlichen Nachteile auf, dass grosse Pressen erforderlich, die Form und Grösse der Hohlkörper aber beschränkt sind. Vor allem aber gestatten sie es nicht, Hohlkörper zu erhalten, in deren Wänden Kühl- oder Heizschlangen eingelassen oder deren Wandflächen mit Rippen versehen sind. Ausserdem ergeben sich bei den bekannten Verfahren geringere Nachteile, wie eine übermässige Arbeit zur Herstellung der Hohlkörper, erhebliches Abfallmaterial und Verwendung einer grosskörnigen Knetmasse, um mit wenig Bindemittel eine sehr gut verformbare Knetmasse zu erhalten, die dann ein mechanisch sehr wenig widerstandsfähiges, sehr poröses und nicht homogenes Material ergibt.
Einer der Hauptzwecke der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von grossen Hohlkörpern, insbesondere Rohren mit grossem Durchmesser, aus Kohlenstoff, in deren Wände Kühloder Heizschlangen eingebettet werden können, während die Wände entweder glatt oder zwecks Flächenvergrösserung mit schraubenförmigen Rippen versehen sein können.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von grossen Hohlkörpern aus Kohlenstoff mit sehr kompakten Wänden von homogener, feinkörniger Struktur.
Ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung von grossen Hohlkörpern mit den oben angegebenen Kennzeichen mittels einer nicht umfangreichen und billigen Anlage.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass mittels einer kontinuierlichen Presse von kleinem Umfang ein Kohlen- oder Graphitband hergestellt wird. Dieses Band wird spiralenförmig auf eine Form gewickelt, u. zw. derart, dass jede neue Windung genau neben die vorhergehende zu liegen kommt. Die Form dreht sich um eine Mittelachse und verschiebt sich gleichzeitig längs derselben.
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Wird zwischen die einzelnen Windungen ein entsprechendes Bindemittel gebracht, so erhält man infolge des engen Aneinanderliegens der einzelnen Windungen einen Hohlkörper mit durchgehenden Wänden, der genau der sich drehenden Form entspricht. Die Achse, um welche die Form sich dreht, kann lotrecht oder waagrecht angeordnet sein. Eine senkrechte Anordnung ist jedoch vorzuziehen, da dieselbe eine bessere Anordnung der Windungen gestattet und gleichzeitig eine Verbreiterung der Windungen infolge ihres Gewichtes verhindert.
Die Knetmasse für das um die Form zu wickelnde Band besteht aus Kohlenstoff in Pulverform und Bindemittel.
Als Bindemittel können Pech, Teer, eine Mischung aus Pech und Teer, oder ein bei Wärme erhärtendes Harz Verwendung finden.
Besteht das Bindemittel aus Pech, Teer oder einer Mischung derselben, so wird das Band warm ausgezogen und aufgewickelt, u. zw. bei einer Temperatur, bei der das Bindemittel gut flüssig ist. Die entsprechende Temperatur wird dadurch erzeugt, dass der Presse eine wärmere Knetmasse zugeführt und ausserdem die Presse selbst noch mittels elektrischer Heizkörper oder einer andern Wärmequelle beheizt wird. Besteht das Bindemittel hingegen aus einem bei Wärme erhärtenden Harz, so wird das Band kalt ausgezogen und aufgewickelt.
Je nach der Körnung des Kohlenstoffpulvers für die Knetmasse kann der Anteil an Bindemittel innerhalb weiter Grenzen schwanken, bewegt sich aber im allgemeinen zwischen 20%
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Bindemittel so bemessen sein, dass die Knetmasse gut plastisch ist und das Band ohne Rissbildung aufgewickelt werden kann.
Das Bindemittel, das zwischen die einzelnen Windungen gebracht wird, um dieselben aneinanderzukleben, kann irgendeines der oben angegebenen Bindemittel sein. Es empfiehlt sich jedoch, das gleiche Bindemittel wie für die Herstellung der Knetmasse zu verwenden.
Um in jedem Fall ein ausgezeichnetes Aneinanderkleben der einzelnen Windungen zu erreichen, so dass dieselben ineinander übergehen können, hat es sich als empfehlenswert erwiesen, dass das Band aus Kohlenstoffknetmasse aus dem Pressstock derart herauskommt, dass die beiden Wände, die zusammenkleben sollen, und auf die das Bindemittel aufgetragen wird, aufgerauht sind, d. h. dass die Ausziehhaut entfernt ist.
Es ist an sich bekannt, Kohlenstoffkörper kleineren Durchmessers (Stäbe oder Röhren) in einem Strangpressverfahren kontinuierlich herzustellen, wozu Misch- und Pressschnecken verwendet wurden. Die grünen Formlinge liess man abkühlen und brannte sie anschliessend.
Die Erfindung wird an Hand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt : Fig. 1 im Querschnitt eine rechteckige Pressform, die mit Vorrichtungen für das Aufrauhen des Bandes aus Kohlenstoffknetmasse versehen ist ; Fig. 2 im Querschnitt eine rechteckige Pressform, die mit einem mittleren Dorn zwecks Herstellung einer Kühl- oder Heizschlange versehen ist ; Fig. 3 im Querschnitt eine rechteckige Pressform, die mit einem mittleren Dorn und seitlich mit einer Vorrichtung zur Herstellung von Rippen versehen ist ; Fig. 4 im Querschnitt eine rechteckige Pressform, die in der Mitte mit einem Dorn und seitlich mit zwei Vorrichtungen zur Herstellung von Rippen versehen ist ; Fig. 5 im Querschnitt ein zylinderförmiges Rohr mit einer in die Wand eingebetteten Schlange, dessen beide Wände mit schraubenförmig angeordneten Rippen versehen sind ;
Fig. 6 eine schematische Darstellung der Rolle, auf die das Band aus Kohlenstoffknetmasse aufgewickelt wird ; Fig. 7 den unteren Teil der Aufwickelrolle mit dem aufgewickelten Band aus Kohlenstoffknetmasse und Fig. 8 eine Verbindungsstelle des Bandes aus Kohlenstoffknetmasse mit abgeschrägten Stossflächen.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung zum Aufrauhen des Bandes dargestellt. Dies wird erreicht, indem an der Vorderfläche der Pressform 1, die am Austritt des Bandes aus der Presse montiert wird, um dem Band die gewünschte Form zu geben, zwei Stücke von Metallsägeblättern 2 derart angebracht werden, dass sie nur einen Bruchteil eines Millimeters auf den beiden einander gegenüberliegenden Seiten in die Bohrung 3 der Pressform hineinragen.
Diese Art der Erzielung einer Aufrauhung ist keineswegs als ausschliesslich anzusehen.
Für das Bindemittel zwischen den einzelnen Windungen genügt es, dass dasselbe mit einem Pinsel oder einem andern geeigneten Werkzeug auf nur eine Fläche des Bandes aus Kohlenstoffknetmasse aufgetragen wird, da ein gutes Zusammenkleben auch dann erreicht wird, wenn das Bindemittel auf nur eine der zusammenzuklebenden Flächen aufgetragen wird.
Ist die drehbare Form völlig mit dem Band aus Kohlenstoffknetmasse derart bedeckt, dass eine durchgehende Fläche erzielt ist, empfiehlt es sich, den so erhaltenen Hohlkörper vor dem Abziehen von der Form in eine senkrechte Lage zu bringen und ihn mittels eines Ofens bis zu einer je nach Art des für die Herstellung der Kohlenstoffknetmasse verwendeten Binders zu bestimmenden Temperatur zu erwärmen.
Diese Erwärmung dient dazu, die verschiedenen Windungen gut miteinander zu verbinden, falls Pech, Teer oder eine Mischung dieser beiden Substanzen als Binder für die Kohlenstoffknetmasse verwendet wurde.
Ist das Bindemittel jedoch ein bei Erwärmung : hart werdendes Harz, so dient die Erwärmung dazu, dieses Harz unschmelzbar und unlösbar zu machen.
Nach diesem Arbeitsgang werden die Hohlkörper von der Form abgezogen und entsprechend
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eine Mischung derselben ist. Ist der Binder der Knetmasse jedoch ein bei Erwärmung hart
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werdendes Harz, so kann der Hohlkörper ohne weitere Wärmebehandlung seiner Verwendung zugeführt werden.
Aus dem bisher Gesagten erhellt deutlich, dass die Wanddurchmesser von Kohlenstoffrohren, die nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellt sind, von der Dicke des Bandes aus
Kohlenstoffknetmasse abhängen. Die Banddicke kann daher durch Veränderung der Pressform verändert werden. Soll ein grosser Hohlkörper aus Kohlenstoff mit Vollwänden und glatten
Flächen hergestellt werden, so wird der Quer- schnitt der Bohrung 3 (Fig. 1) und damit auch der Querschnitt des Bandes aus Kohlenstoffknetmasse rechteckig gestaltet. Soll in die Wand eine Kühl- oder Heizschlange eingebettet werden, so genügt es, die Pressform 1 mit einem Dorn 4 derart zu versehen, dass ein Band mit einem Loch in der Mitte erhalten wird. Der Querschnitt der Bohrung 3 der Pressform und damit auch des hergestellten Bandes ist in Fig. 2 dargestellt.
Sollen Hohlkörper aus Kohlenstoff hergestellt werden, die ausser mit einer Kühl- oder Heizschlange in der Wand auch mit schraubenförmig angeordneten Rippen auf den Wandflächen versehen sind, so genügt es, der Pressform 1 eine Gestalt zu geben, dass der Querschnitt der Bohrung 3 und damit auch des Bandes zwar rechteckig bleibt, aber auf einer der Vertikalseiten mit einem oder mehreren Rippenformer (n) 5 versehen ist (Fig. 3).
Die Fig. 3 zeigt eine der für die Bohrung 3 und damit den Querschnitt des Bandes mögliche Form, um Rohrwände mit Kühl- oder Heizschlangen und schraubenförmig auf einer Fläche angeordneten Rippen zu erhalten. Der dargestellte Querschnitt der Rippe 5 dient nur als Beispiel und ist nicht als ausschliesslich anzusehen, da die Rippe auch irgendeine andere Form haben kann.
Sollen auf beiden Flächen der Wände Rippen schraubenförmig angeordnet werden, so wird die Pressform derart ausgebildet, dass die Bohrung 3, die einen rechteckigen Querschnitt hat, an beiden Vertikalseiten mit einer oder mehreren Vorrichtung (en) zur Herstellung von Rippen 5 versehen wird (Fig. 4).
Fig. 4 zeigt eine mögliche Form der Bohrung 3 und damit des Bandquerschnittes. Die dargestellte Form der Rippen ist nur als Beispiel gegeben und keineswegs ausschliesslich, da auch andere Formen denkbar sind.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt durch ein zylinderförmiges Rohr aus Kohlenstoff, das eine Kühl- oder Heizschlange 4 in die Wand eingelassen hat und dessen beide Wandflächen mit schraubenförmigen Rippen 5 versehen sind.
Nachstehend sei ein nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Herstellung eines zylinderförmigen Rohres aus Kohlenstoff mit glatten Vollwänden gegeben :
Mit Hilfe eines Mischgerätes wird eine Knetmasse der folgenden Zusammensetzung hergestellt :
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<tb>
<tb> Koksstaub <SEP> der <SEP> Körnung <SEP> von <SEP> 1 <SEP> bis
<tb> 0, <SEP> 7 <SEP> mm
<tb> Koksstaub <SEP> einer <SEP> Körnung <SEP> von <SEP> weniger
<tb> als <SEP> 0, <SEP> 3 <SEP> mm..................... <SEP> 37%
<tb> Pech <SEP> 26%
<tb>
Damit der Binder sich gut verteilen kann, wird die Knetmasse während des Mischens auf 1400 C erhitzt. Die heisse Knetmasse wird sodann einer kontinuierlichen Presse zugeführt, die ebenfalls auf rund 1400 C erhitzt ist.
In der Presse ist die Pressform 1 montiert, die mit der rechteckigen Bohrung 3 und den beiden Sägeblättern 2 versehen ist (vgl. Fig. 1).
Auf diese Weise wird ein Band mit rechteckigem Querschnitt erhalten.
Für die eigentliche Herstellung des Kohlenstoffrohres wird eine zylinderförmige Trommel hergestellt, deren äusserer Durchmesser gleich dem Innendurchmesser des herzustellenden Rohres ist.
Die Trommel wird in lotrechter Lage angeordnet, weil auf diese Weise das Aufwickeln des Bandes erleichtert wird. Um das Band aufzuwickeln, muss die Trommel so konstruiert sein, dass sie um ihre eigene Achse drehbar und längs dieser Achse verschiebbar ist, u. zw. von oben nach unten. Ferner muss die Trommel so ausgebildet sein, dass das Kohlenstoffrohr nach seiner Fertigstellung leicht von ihr abgezogen werden kann.
Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung dieser Trommel. Aus der Figur ist ersichtlich, dass die Trommel 9 sich mittels der Kugellager 7 und 8 um die Achse 6 dreht. Am unteren Ende der Trommel 9 ist eine schiefe Ebene 10 vorgesehen, die zum Anlegen der ersten Windungen des Bandes dient, um das Aufwickeln vornehmen zu können, ohne zu einer Abschrägung der Windungen gezwungen zu sein.
Fig. 7 stellt den Unterteil der Trommel 9 nach Beendigung des Aufwickelns dar.
Zu sehen sind der Rand 11 der Trommel 9, die schraubenförmig verlaufende schiefe Ebene 10 und das auf die Trommel 9 gewickelte Band 12 aus Knetmasse.
Um das Aufwickeln des Bandes 12 aus Kohlenstoffknetmasse vorzunehmen, wird vor der Presse, die zum Ausziehen des Bandes dient, die oben beschriebene Trommel 9 angeordnet, indem sie an ihrer Achse 6 an einem Flaschenzug aufgehängt wird. Dieser Flaschenzug ist so angeordnet, dass die Mündung der Presse tangential zur Aussenfläche der Trommel 9 liegt.
Vor Beginn des Aufwickelns wird die Trommel 9 so weit gehoben, dass ihr unterer Rand 11 sich etwas unterhalb der Mündung der Presse befindet. Sodann wird mit dem Ausziehen des Bandes 12 aus Kohlenstoffknetmasse begonnen, u. zw. in Richtung auf die Abstufung, welche die schiefe Ebene 10 der Trommel 9 bildet. In diesem Fall wird der Trommel 9 die Drehbewegung durch den Ausstoss des Bandes 12 aus Kohlenstoffknetmasse mitgeteilt, das aus der
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Mündung der Presse austritt und sich um die Trommel 9 windet.
Mit fortschreitender Aufwicklung wird die Trommel 9 mit Hilfe des Flaschenzuges derart hinuntergelassen, dass sich die jeweilige Windung stets ungefähr auf der Höhe der Pressemündung befindet. Während des Aufwickelns wird der obere Teil des Bandes 12 aus Kohlenstoffknetmasse mittels eines Pinsels mit Teer bestrichen. Der Teer dient dazu, die einzelnen Windungen fest miteinander zu verkleben. Es empfiehlt sich, das Band 12 aus Kohlenstoffknetmasse in einem Stück aufzuwickeln. Sollte das Band jedoch reissen, kann es geflickt werden. Zu diesem Zweck werden, wie in Fig. 8 dargestellt, die beiden zu flickenden Enden des Bandes 12 schräg abgeschnitten und zwischen die beiden schrägen Flächen 13 Teer geschmiert.
Nach Beendigung der Aufwicklung wird das Rohr mittels eines vorher in der Trommel 9 untergebrachten Ofens auf ungefähr 800 C für einige Zeit erhitzt. Hierauf lässt man es abkühlen und zieht sodann das Kohlenstoffrohr von der Form ab.
Nach dem Abziehen wird das Rohr aus Kohlenstoffknetmasse in einen entsprechenden Ofen gebracht. in Koks eingebettet und in üblicher Weise bei einer Temperatur von 11000 C gebrannt, so dass amorphe Kohle entsteht.
Nach Beendigung der vorstehend beschriebenen Arbeitsgänge ist das Rohr nach entsprechendem Abschleifen der Enden oder Abdrehen gebrauchsfertig.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung grosser Hohlkörper aus Kohlenstoff, insbesondere von Rohren mit grossem Durchmesser, dadurch gekennzeichnet, dass eine Knetmasse aus Kohlenstoffstaub und einem Binder, der aus Pech, Teer, bei Wärme erhärtenden Harzen oder andern entsprechenden Bindemitteln zusammengesetzt ist, in einer kontinuierlichen Presse in an sich bekannter Weise zu einem Band verarbeitet wird, welches hierauf in spiralförmigen, eng aneinander liegenden Windungen auf eine sich drehende Form aufgewickelt wird, die sich gleichzeitig längs ihrer Drehachse derart verschiebt, dass ein Körper mit durchgehender Fläche erhalten wird, der von der Form abgezogen wird und sodann in der für die Herstellung von Kohlenstoffkörpern üblichen Weise thermisch bearbeitet werden kann.