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Verfahren zur Herstellung von Kohleformkörpern und
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung von Kohleformkörpern, insbesondere von Ofenfuttern zur Auskleidung der bei der schmelzflusselektrolytischen Aluminiumerzeugung verwendeten Wannen, bei welchem eine im wesentlichen aus Kohlepulver und einem Bindemittel, z. B. Kohleteerpech, bestehende plastische Masse zu Formkörpern geformt und sodann durch Erhitzen hart gebrannt wird.
Bisher gab es bei den üblichen Methoden der Bildung einer kohlehaltigen Auskleidung an einem Ofenkörper, insbesondere in den ersten Stufen des Brennens, grosse Schwierigkeiten, Versuche haben dargelegt, dass eine Quelle dieser Schwierigkeiten darin zu suchen ist, dass grüne Einsatzgemische in der soge-
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"plastische" Zonedehnt sich aus und zersetzt sich. An das Schwellen schliesst sich eine Periode an, in welche die kohlehaltige Masse zu einem harten, festen Kokskörper erstarrt. Man hat festgestellt, dass dieses Phänomen der Ausdehnung und der Schrumpfung nicht nur von der Zusammensetzung des Gemisches abhängt, sondern in weitem Masse auch von der Geschwindigkeit des Erhitzens in der erwähnten kritischen Zone ; besonders ausgeprägt ist diese Erscheinung, wenn das Erhitzen sehr schnell vor sich geht.
Plötzliche Änderungen der Temperatur führen leicht zu einer nachteiligen Einwirkung auf die endgültige Dauerhaftigkeit und erhöhen die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung im Ofenfutter. Das gleiche Phänomen kann nachteilige Folgen haben, wenn ein grosser zu brennender Körper wechselnden Temperaturen ausgesetzt wird, wobei gleichzeitig in verschiedenen Teilen des Körpers ungleiche Grade der Dehnung und der Schrumpfung auftreten. Demzufolge ist eines der Haupterfordernisse für die Herstellung besserer Ofenfutter eine gleichmässige und genau regulierte Geschwindigkeit des Erhitzens in dieser kritischen "plastischen" Zone.
Bei den üblichen Verfahren ist ein allmähliches und gleichmässiges Erhitzen unter niedrigen Temperaturen fast unmöglich. Durch Versuche hat man ermittelt, dass ein zweistufiges Brennverfahren sehr gute Ergebnisse liefert. Während der ersten Stufe, unter welche die "plastische" Zone fällt, erfolgt das Brennen unter Verhältnissen, welche eine verhältnismässig elastische und genaue Regelung der Temperatur gestatten. Die zweite Stufe kann dann durch das gewöhnliche Widerstandsbrennen ausgeführt werden.
In der Tat kann, da ein bei 6000C gebrannter Kohlekörper bereits eine erhebliche elektrische Leitfähigkeit besitzt, das Brennen der zweiten Stufe während des regelmässigen Anfahrens des Ofens stattfinden.
Die Erfindung befasst sich also insbesondere mit der ersten Stufe des Brennverfahrens.
Das erfindungsgemässe Verfahren besteht darin, dass das Erhitzen zumindest im Temperaturbereich der Formkörper von 300 bis 5000C durch Infrarotstrahler vorgenommen wird, die den überwiegenden Teil der von ihnen abgegebenen Strahlungsenergie im Bereich von 0, 3 bis 4 jn Wellenlänge abstrahlen, wobei diese Strahler über die freien Oberflächen des zu brennenden Körpers gleichmässig verteilt und so angeordnet sind, dass sie von diesen Oberflächen nicht weiter als etwa 10 cm, u. zw. vorzugsweise etwa 5 cm, entfernt sind, so dass die derart übertragene Wärmeenergie den Formkörpern durch deren Oberfläche hindurch im wesentlichen gleichmässig zugeführt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden diese Strahler direkt über einer dünnen Schutzschicht aus Koks angeordnet. Dadurch bekommt man einen Zwischenraum für den Umlauf der Luft zwischen den Heizstrahlern und der dünnen Koksschicht. Ein bedeutender Vorteil dieser Anordnung ist der, dass die beim Brennen entwickelten Dämpfe, welche normalerweise die Luft über dem Arbeitsplatz sehr verschlechtern, an der Oberfläche der Koksschicht abgebrannt werden können. Derartige Dämpfe sind für das Bedienungspersonal sehr schädlich, und wenn dieselben in merklichem Ausmasse auftreten, muss man für deren Abfiihrung Sorge tragen. Durch dieses neuartige rauchlose Brennverfahren wird die Notwendigkeit der Beschaffung von Anlagen zum Absaugen des Rauches und der Dämpfe beseitigt.
Als ein Grund für die Rauchlosigkeit dieses Brennverfahre is kann angenommen werden, dass dann, wenn die Heizelemente sich sehr
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Rauch und den Dämpfen enthaltenen Kohlenwasserstoffe jeweils aufgespalten bzw. zerlegt werden.
Ein derartiges rauchloses Brennen bietet einen sichtlichen Vorteil gegenüber den üblichen Methoden hinsichtlich des Energiebedarfs, denn Rauch und Dämpfe neigen dazu, das Eindringen der Wärmeenergie zu hemmen. Da nun bei diesem neuartigen Brennverfahren Rauch und Dämpfe beseitigt werden, können die Heizelemente mit grösserem Wirkungsgrad und unter geringeren Kosten als bei den üblichen Brennver- fahren verwendet werden.
Zusätzliche Vorteile ergeben sich aus der Anwendung der dünnen Koksschicht. Da dieser Koks ver- braucht wird, bildet sich bei seiner Oxydation Asche, welche die Oberfläche des Ofenfutters vor der wei- teren Oxydation schützt. Da ferner bei den üblichen Widerstandsbrennmethoden während des Brennvorgan- ges von Zeit zu Zeit Koks hinzugesetzt werden muss und da nach dem Brennen der noch verbleibende und immer noch sehr heisse Koks entfernt werden muss, ergeben sich durch das neue Verfahren erhebliche Er- sparnisse an Koks, Zeit, Arbeitskräfte und Überwachung.
Die Hauptwärmequelle besteht aus einer Reihe von Tafeln, von denen jede mehrere Heizelemente enthält, deren Hauptstrahlung im Infrarot-Bereich liegt. Diese Heizelemente sind mit Parabolreflektoren kombiniert, um eine gleichmässigere Wärmestreuung zu bekommen. Die Aufheizgeschwindigkeit wird durch einen Regulier-Spartransformator oder eine sonstige geeignete Energiereguliervorrichtung gesteuert, um die Stromaufnahme der Widerstände zu regeln.
Um ein rauchloses Brennen zu erreichen, werden, wie gesagt, die Heizelemente dicht neben dem zu brennenden Ofenfutter angeordnet, d. h. weniger als 10 cm, vorzugsweise etwa 5 cm, von der Oberfläche des Futters entfernt. Um die Heiztafeln in der richtigen Weise anzuordnen, ruhen dieselben auf Stell- schrauben, welche auf jede beliebige Höhe eingestellt werden können. Wenn beispielsweise die Koksschicht 2, 5 cm dick ist und die Heizelemente über dieser Koksschicht durch die Höheneinstellschrauben im Abstand von weiteren 2, 5 cm gehalten werden, dann beläuft sich der Abstand zwischen der Infrarotquelle und dem zu brennenden Ofenfutter auf die gewünschten 5 cm.
Da ein ständiger Zustrom an Sauerstoff erfolgen muss, um das Abbrennen der flüchtigen Stoffe so vollständig als möglich zu gestalten, sollen die Heiztafeln weit genug entfernt sein, um den freien Umlauf der Luft zuzulassen. Anderseits müssen sie aber auch wieder nahe genug angeordnet sein, um so viel Hitze als möglich zurückzuhalten und dieselbe möglichst gleichmässig zu verteilen.
Fig. l der Zeichnungen ist ein perspektivischer Vertikalschnitt einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung zum Brennen des Futters einer Wanne für die Reduktion von Tonerde durch Schmelzflusselektr0- lyse.
Fig. 2 ist eine Draufsicht einer Gruppe von Heiztafeln, die auf der Reduktionswanne angeordnet sind.
Fig. 3 ist eine teilweise schematische Ansicht einer Heiztafel, von der Unterseite derselben gesehen. Fig. 4 ist eine Ansicht in grösserem Mässstabe, in Perspektive und im Vertikalschnitt, eines Heizelementes, des zugehörigen Parabolreflektors und eines Teiles des Heiztafelrahmens. Fig. 5 ist ein Schnitt durch ein Heizelement. Fig. 6 ist ein Vertikalschnitt einer Heiztafel ; sie zeigt eine Modifikation, bei welcher die Heizelemente ohne Reflektoren verwendet werden.
Die Fig. 1 und 2 sind zwei verschiedene Ansichten einer Apparatur, wie man sie bei einem bevorzugten Verfahren des Brennens eines Kohlefutters bei einer Aluminiumreduktionswanne verwendet. Die Wanne bzw. der Ofen - als Ganzes mit 10 bezeichnet-ist in der Regel ein oben offenes, mässig flaches, rechteckiges Gefäss und besteht im wesentlichen aus einem Sockel 11 und dem Ofenfutter 12. Gewöhnlich besteht das grüne Ofenfutter aus einem Gemisch feiner Kohleteilchen mit Bindemitteln, wie z. B. Pech, Teer u. dgl.
Dieses Gemisch wird zu der ungefähren Form des Ofenfutters aufgestampft, um beispielsweise einen horizontalen'Bodenteil mit ebener Oberfläche zu bekommen (in welchen die hier nicht dargestellten üblichen Leiterstäbe eingebettet sein können), ferner Seiten- und Stirnwände, welche vertikal sein können
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oder auch-wie es hier dargestellt ist-mit einer Neigung nach unten und innen auf den Boden zu versehen sind. Auf die Oberseite des Futtergemisches kommt eine dünne Schicht 13 aus Hüttenkoks. Dieser Koks hat in erster Linie die Aufgabe, die Oberfläche des Kohlefutters während des Brennens vor der Oxydation zu schützen. Der Koks wird während des Brennvorganges aufgebracht.
Nach dem Auflegen des Kokses auf das Ofenfutter werden die Heiztafeln 14 in der in den Fig. l und 2 dargestellten Weise angeordnet, so dass sie miteinander praktisch die gesamte freie Oberfläche des Futters überdecken.
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1Abstützung der Heiztafeln 14. Die gewünschte Höhe der letzteren über der Koksschicht 13 kann durch die geeignete Einstellung der Stellschrauben 15 erreicht werden.
Die Heiztafeln bestehen aus einem Rahmen 18 und einer Reihe von Heizelementen 16, welche parallel zueinander und zu der Ebene des Futters verlaufen. Diese Heizelemente sprechen auf einen elek- trischen Strom an und wandeln dessen Energie in Wärmeenergie bzw. in eine Infrarot-Strahlung um. Man hat festgestellt, dass eine Infrarot-Strahlung in dem Wellenbereich von 0, 3 bis 4 J1. Wellenlänge beim
Brennen der Wannenfutter die grösste Wirkung entfaltet. Zu jedem Heizelement 16 gehört ein Reflektor
17, welcher im Querschnitt ungefähr die Form einer Parabel hat, wie aus den Fig. 1 und 4 hervorgeht.
Wenn also die Heizelemente - wie hier dargestellt-lange gerade Stange 1 sind, nehmen auch die Ref- lektoren eine entsprechende längliche Form an, etwa in der Gestalt, umgekehrter Tröge, die parallel zu den Stangen laufen und einen parabolischen Querschnitt haben. Bei der in Fig. 4 dargestellten bevorzugten
Ausführungsform hält der Rahmen 18 die Heizelemente in einer Lage, welche dem Brennpunkt bzw. der
Brennlinie der parabolisch geformten Reflektorelemente entspricht. Der Zweck dieser Massnahme besteht darin, dass die reflektierten Wärmestrahlen in das Ofenfutter in einem Bündel zueinander paralleler Strah- len eindringen.
Wie aus der Fig. 2 hervorgeht, sind die Heiztafeln 14 so angeordnet, dass eine maximale Überdeckung des Ofenfutters mit Heizelementen zustande kommt und doch noch genügend Zwischenraum für den Um- lauf der Luft verbleibt, um die völlige Verbrennung der flüchtigen Stoffe zu begünstigen. Es ist ein wichtiges Kennzeichen der Erfindung, dass die flüchtigen Stoffe an der Grenzfläche von Ofenfutter und umgebender Atmosphäre abgebrannt werden. Wäre die Quelle der Wärmeenergie von der Oberfläche des Futters weiter entfernt, dann würden diese flüchtigen Stoffe das Eindringen der Wärmeenergie wahrscheinlich hemmen.
Nach dem Einstellen der Heiztafeln auf die gewünschte Höhe über der Oberfläche der Koksschicht wird den Heizelementen elektrische Energie aus einer geeigneten Quelle zugeführt. Fig. 3 ist ein Schema der Verteilung des elektrischen Stroms für die Heizelemente 16 in einer Heiztafel 14. Die Menge der den Heizelementen zugeführten elektrischen Energie wird durch einen verstellbaren Spartransformator oder durch eine sonstige geeignete, hier nicht dargestellte Reguliervorrichtung geregelt.
Da die Lage der Heizelemente nahe dem Futter und die Rauchlosigkeit dieses Brennverfahrens ein wirkungsvolles Brennen ergeben, kann eine direkte Beziehung zwischen der Leistungsaufnahme und der auf das Futter übertragenen Wärmeenergie angenommen werden. Infolge dieser direkten Beziehung kann die Aufheizgeschwindigkeit durch die Regelung der Leistungsaufnahme seitens der Abstrahlelemente genau gesteuert werden. Man hat ausserdem festgestellt, dass die Masse des Ofenfutters auf diese Weise durch die Infrarot-Strahlung so gleichmässig durchgewärmt wird, dass die Temperaturschwankungen innerhalb der gleichen Ebene auf : ! : 100C gehalten werden.
Obwohl man bei der bevorzugten Ausführungsform Reflektoren hohen Reflexionsvermögen, wie z. B. hochpolierte Parabolreflektoren aus Aluminium, verwendet, müssen die Reflektoren nicht gerade diese Form oder ein solch hohes Reflexionsvermögen haben. Es ist durchaus richtig, dass im allgemeinen der optimale Wirkungsgrad von der geometrischen Form und dem Reflexionsvermögen der Reflektoren abhängt, jedoch kann man gute Ergebnisse, wenn auch mit einigem Verlust an Wirkungsgrad, auch mit billigeren Reflektoren geringerer Qualität erreichen. Man hat nämlich festgestellt, dass dann, wenn die Leiter in Quarz gehüllt sind, die hiebei erzielten Ergebnisse ausgezeichnet waren, selbst bei rostfreiem Stahl mit rauher Oberfläche.
Die Fig. 5 zeigt ein als Ganzes mit 16 bezeichnetes Heizelement aus einem Leiter 19, der sich in einer Quarzhülle 20 befindet. Die ungewöhnlich guten Ergebnisse bei der Verwendung von in Quarz gehüllten Leitern sind durch die theoretische Überlegung erklärt worden, dass die Quarzhülle das Abkühlen der Heizelemente durch Konvektionsströme verhindert. Man darf daher wohl annehmen, dass dieser Kühleffekt der Konvektionsströme von grösserer Bedeutung ist als das Reflexionsvermögen der Reflektoren.
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Es zeigte sich weiterhin, dass es bei Leitern mit Quarzhülle überhaupt nicht notwendig ist, Reflekto- ren zu verwenden oder dass man einen einfachen Hintergrund mit verhältnismässig geringem Reflexions- vermögen gebrauchen kann. So zeigt beispielsweise die Fig. 6 eine Reihe von Heizelemente 16, bei wel- chen die Leiter in Quarz eingehüllt sind, und einen einfachen Asbestbogen 21 dahinter an Stelle einer
Reihe von Reflektoren. Der Wirkungsgrad eines Verfahrens, welches diese Kombination verwendet, ist von der gleichen Grössenordnung wie bei Reflektoren aus rostfreiem Stahl.
Die besondere Anordnung der bei der bevorzugten Ausführungsform dargestellten Heiztafeln ist kein wesentliches Kennzeichen der Erfindung. Die gleichen Vorteile kann man mit den verschiedensten An- ordnungen erzielen, vorausgesetzt, dass dabei die Hauptkennzeichen der Erfindung gewahrt bleiben. An- statt die Heiztafeln mit dem in Fig. 2 dargestellten Abstand anzuordnen, kann man die Tafeln auch mit
Schlitzen versehen, um den erforderlichen Luftumlauf herbeizuführen. Man muss sich jedoch darüber im
Klaren sein, dass bei zunehmendem Abstand zwischen den Heizelementen und dem zu brennenden Ofen- futter die Rauchlosigkeit des Verfahrens und dessen Wirkungsgrad stark abfallen ; das gilt insbesondere dann, wenn der Abstand grösser ist als etwa 10 cm.
Es ist nicht notwendig, dass die Heiztafeln als ein Ganzes von starker Struktur sind. Wenn die Um- stände es wünschenswert erscheinen lassen, können diese Heiztafeln 14 an geeigneten Stellen mit Scharnieren versehen werden, in welchem Falle die gleiche Tafel für das Brennen von Ofenfuttern bei Wannen von sehr verschiedenen Umrissen verwendet werden kann.
Es wurde bereits oben darauf hingewiesen, dass die Schutzschicht aus Koks für die Erfindung nicht we- sentlich ist ; es handelt sich dabei eher um eine Frage der Zweckmässigkeit als um eine solche der Notwendigkeit. Natürlich kann es bei Fehlen einer solchen Koksschutzschicht zu etwas Grübchenbildung auf der Oberfläche des Kohlefutters kommen, jedoch sind solche flachen Grübchen noch zulässig, und da sonstige ernste Nachteile damit nicht verbunden sind, ist es in der Tat für die Erfindung nichtwesentlich, eine derartige Koksschicht zu verwenden.
Eine Anzahl von 42 000-Ampere Kathodenzellen wurden nach dem erfindungsgemässen Verfahren behandelt. Die Auskleidung wurde in einen Kathodenbehälter des Ausmasses 3 X 5, 4 m gegeben, und die 37, 5-42, 5 cm tiefe Kohleauskleidung wog mehr als 4 Tonnen. Während des Einbrennens der Auskleidung entwickelten sich keine schädlichen oder störenden Dämpfe und die Auskleidung erreichte eine Temperatur von etwa 6000C. Es liessen sich keine Risse oder Sprünge in der Auskleidung feststellen, wenn die Einrichtung in vollem Betrieb für die Aluminiumerzeugung stand, und das Anfahren der Reaktion vollzog sich ausserordentlich reibungslos.
Bei dem bekannten Einbrennverfahren für die Zellenauskleidung entwickelte sich schädlicher Rauch in beträchtlichem Ausmass, das Einbrennen vollzog sich ungleichmässig und grosse Risse oder Sprünge traten auf ; beim Inbetriebnehmen der Zellen wurden sogar Verluste an geschmolzenem Aluminium und Elektrolyt durch Leckstellen beobachtet.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Herstellung von Kohleformkörpern, insbesondere von Ofenfuttern zur Auskleidung der bei der schmelzflusselektrolytischen Aluminiumerzeugung verwendeten Wannen, bei welchem eine im wesentlichen aus Kohlepulver und einem Bindemittel, z. B.
Kohlenteerpech, bestehende plastische Masse zu Formkörpern geformt und sodann durch Erhitzen hart gebrannt wird, dadurch gekennzeichnet. dass das Erhitzen zumindest im Temperaturbereich der Formkörper von 300 bis 500 C durch Infrarotstrahler vorgenommen wird, die den überwiegenden Teil der von ihnen abgegebenen Strahlungsenergie im Bereich von 0,3 bis 4 u Wellenlänge abstrahlen, wobei diese Strahler über die freien Oberflächen des zu brennenden Körpers gleichmässig verteilt und so angeordnet sind, dass sie von diesen Oberflächen nicht weiter als etwa 10 cm, u. zw. vorzugsweise etwa 5 cm, entfernt sind, so dass die derart übertragene Wärmeenergie den Formkörpern durch deren Oberflächen hindurch im wesentlichen gleichmässig zugeführt wird.