<Desc/Clms Page number 1>
Ljchtbogen-Reduktionsofen, insbesondere zur Reduktion von Aluminiumoxyd mit Kohlenstoff
Die Erfindung bezieht sich auf Verbesserungen an Lichtbogen-Reduktionsöfen, insbesondere zur Reduktion von Aluminiumoxyd mit Kohlenstoff.
Es ist bekannt, elektrische Öfen mit dem Lichtbogen unter der Beschickung arbeiten zu lassen und die Beschickung zwischen die Elektrode oder die Elektroden und die Wand des Ofens einzuführen.
Diese bekannten Öfen weisen aber verschiedene Nachteile auf, die umso schwerwiegender sind, je höher die im Arbeitsraum des Ofens herrschende Temperatur ist.
Wenn nämlich eines oder mehrere der Rohmaterialien, der Zwischenprodukte oder der Endprodukte der im Ofen stattfindenden carbothermischen Reaktion bei der sehr hohen Temperatur dieser Reaktion flüchtig sind, entweichen sie ausdemArbeitsraum desOfens. Im allgemeinen kondensieren diese flüchtigen Produkte in der den Lichtbogen bedeckten Beschickungsschicht. Diese Kondensation verursacht häufig ein Zusammenbacken der Teile der Beschickung, die dem Arbeitsraum des Ofens am nächsten liegen, zu zusammenhängenden Massen in Form von Krusten. Unter dem Gewicht der Beschickung ergeben sich Zusammenbrüche dieser Krusten, was dann zu einem ruckweisen Absinken der Beschickung ebenso wie zu Unregelmässigkeiten im Stromdurchgang Anlass gibt. Diese Zusammenbrüche haben somit Störungen im Arbeitsgang des Ofens zur Folge.
Um diese durch die Krustenbildung verursachten Störungen zu verringern bzw. zu beseitigen, ist bei einem bekannten Lichtbogenofen eine mechanisch betätigte Einrichtung vorgesehen, die die Elektrode unter Freilassung eines Ringspaltes umgibt und durch oszillierende Bewegungen eine Zerstörung der Krusten herbeiführen soll. Diese bekannte Anordnung ist jedoch nicht imstande, die weiteren durch die flüchtigen Produkte verursachten Schwierigkeiten zu beseitigen.
Oft ist nämlich auch festzustellen, dass ein Teil dieser flüchtigen, kondensierbaren Produkte von der Beschickung nicht zurückgehalten wird, was einen Verlust an Ausbeute der Reaktion darstellt.
Die durch Kondensation der flüchtigen Produkte gebildeten Krusten sind überdies häufig gute elektrische Leiter. Dies ist besonders dann der Fall, wenn diese Lichtbogenöfen mit einem Bad arbeiten, das einen hohen Metalldampfdruck aufweist. In diesem Fall kann es vorkommen, dass sich diejenigen Teile der bekannten Lichtbogen-Öfen, die für die elektrische Isolation und Abdichtung um die Elektroden vorgesehen sind, schnell mit diesen leitenden Krusten bedecken. Dann finden Ableitungen des elektrischen Stromes, die ganz erheblich sein können, zwischen der Elektrode, auf die sich die Krusten stützen, und dem flüssigen Bad oder dem Schmelztiegel des Ofens statt. Diese Teile erhitzen sich stark und sind der Gefahr schneller Zerstörung ausgesetzt.
Überdies führen diese Stromableitungen schwere Störungen im elektrischen System des Ofens herbei.
Der Strom trachtet mehr oder weniger direkt durch diese Krusten zu fliessen, so dass die Spannung des Lichtbogens, der direkt zwischen der Elektrode und der geschmolzenen Reaktionsmasse überspringen soll,
<Desc/Clms Page number 2>
sinkt, ebenso wie schliesslich auch die Leistung dieses Lichtbogens. Die Temperatur der Reaktionsmasse sinkt dementsprechend, die Reaktion wird verlangsamt und kommt zum Stillstand. Es kommt sogar vor, dass der Lichtbogen gan erlischt.
Man hat versucht, diesem Stand der Dinge durch Erhöhen der Stromstärke abzuhelfen, aber diese Massnahme führt in der Elektrode zu einer Stromdichte, welche die zulässigen Werte übersteigt. Aber selbst wenn es so gelingt, die ursprüngliche Leistung wiederherzustellen, kann es doch nicht gelingen, im Arbeitsraum des Ofens eine ausreichende Temperatur zu erhalten, weil diese Leistung nicht genug konzentriert ist.
Ziel der Erfindung ist es nun, die bekannten Lichtbogenöfen derart zu verbessern, dass sämtliche vorstehend geschilderten Nachteile beseitigt sind. Die durch den erfindungsgemässenofenzu lösenden Probleme können somit, wie folgt, zusammengefasst werden :
Die bei der im Ofen ahlaufendenReaktion entstehenden flüchtigen Produkte, die aus dem Reaktionsraum zu entweichen trachten, sollen möglichst vollständig wieder zumArbeitsraum des Ofens zurückgeführt werden. Durch diese Ruckführung ist eine beträchtliche Steigerung der Ausbeute der im Lichtbogenofen durchgeführten Reaktionen möglich.
Weiters sollen die durch Krusten oder leitende Niederschläge verursachten energieverbrauchenden elektrischen Nebenschlüsse zwischen den Elektroden und den übrigen Ofenteilen, insbesondere dem Schmelzbad und dem nicht im Reaktionsbereich befindlichen Ausgangsmaterial, möglichst vermieden werden, um eine starke Konzentration der elektrischen Leistung im Arbeitsraum des Ofens zu erhalten.
Schliesslich soll die Speisung des Ofens mit Rohmaterialien möglichst gleichmässig erfolgen, um einen hinsichtlich seiner Lange und Leistung stabilen Lichtbogen zu gewährleisten. Dadurch wird auch die Temperatur der Reaktionsmasse im Schmelzzustand stabil und die Reduktion des oxydischen Erzes geht in regelmässiger und praktisch vollkommener Weise vor sich.
Dies wird bei einem Lichtbogen-Reduktionsofen, insbesondere zur Reduktion von Aluminiumoxyd mit Kohlenstoff, bei welchem eine oder mehrere Elektroden mit einem Schmelzbad innerhalb einer Wanne zusammenwirken und bei welchem die Reaktionsgase nur durch die Ofenbeschickung nach aussen treten können und hei welchem jede Elektrode mit einer Ummantelung umgeben ist, die einen gekühlten und an der Elektrode gasdicht anliegenden Oberteil und einen die Elektrode zum Schutz derselben vor Berührung mit derOfenbeschickung umgebenden Unterteil aus wärmebeständigem Material aufweist, erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass an der Austrittsstelle der Elektrode aus dem Unterteil in den Ofenraum zwischen diesem aus wärmeleitendem Material bestehenden Unterteil und derElektrode ein an sich bekannter enger Ringraum ausgebildet ist,
wobei zwecks Verhinderung einer Krustenbildung an dieser Elektrodenaustrittsstelle entweder dem Ringraum von aussen, vorzugsweise intermittierend, ein Spülgas zugeführt wird oder eine die Elektrode dicht umgebende und mit ihr fest verbundene Hülse aus hitzebeständigem Isoliermaterial vorgesehen ist oder zwischenoberteil und Elektrode eine die Elektrode dicht umschliessende fliessfähige Isoliermasse mit geringen Hafteigenschaften vorgesehen ist.
Die Erfindung wird im folgenden anHand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielennä-
EMI2.1
: Fig. 1ben ; Fig. 2 zum Vergleich einen Vertikalschnitt durch eine der erfindungsgemässen Ausführungsformen, wobei diese Figur in erster Linie dazu dient, die gemäss der Erfindung erzielten Verbesserungen in Gegenüberstellung zu den Nachteilen des bekannten Ofens gemäss Fig. 1 zu veranschaulichen ; die Fig. 3, 4 und 5 in Vertikalschnitten detaillierte andere Ausführungsformen des erfindungsgemässen Ofens.
In diesen Figuren, in denen gleicheTeile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, bedeutet 1 eine oder mehrere Elektroden, die beispielsweise aus Graphit bestehen können ; 10 sind die Wände des Ofens ; 9 seine leitende Sohle ; 6 stellt die Materialien dar, welche die in den Ofen einge- führte Beschickung bilden ; 8 ist die schmelzflüssige Reaktionsmasse ; 3 kennzeichnet die Umman-
EMI2.2
der Elektrode,heissen Unterteil bezeichnet. Mit 4 sind Leitungen zur Kühlung durch Flüssigkeitsströmung bezeich- net.
In den Fig. 1 und 2 bezeichnet 7 die elektrisch leitenden Krusten. In Fig. 2 bezeichnet 11 ein festes Kondensat, das durch die Dämpfe gebildet wurde, die aus der geschmolzenen Reaktionsmasse 8 frei werden ; 2 sind isolierende Einlagen, die jeden Kontakt zwischen der Elektrode 1 und dem Oberteil 31 der Ummantelung 3 verhindern, ohne ein allfälliges Gleiten der Elektrode gegenüber dieser Ummantelung zu verhindern, wobei diese Einlagen gleichzeitig als Abdichtung wirken.
In Fig. 3 ist 12 ein Dichtungsteil, der auf eine Asbestschnur 13 drückt ; 14 ist ein Körper
<Desc/Clms Page number 3>
aus feuerfestem, isolierendem Material, 15 ein Teil aus Graphit, 16 ein sich um die Elektrode 1 erstreckender Ringraum im unteren Bereich der Ummantelung ; 151 bezeichnet die den Ringraum 16 begren. : ende Wand des Teiles 15 ; 17 ist ein freier Raum, der als Kammer bezeichnet wird und die Elektrode umgibt. Mit 51 sind Leitungen bezeichnet für das Einblasen bzw. den Auslass eines Spülgases, wobei die Strömungsrichtung dieses Gases durch Pfeile bezeichnet ist.
In Fig. 4 bezeichnen die Zahlen 12, 13, 14 und 151 die gleichen Elemente wie vorstehend in Fig. 3. Weiter kennzeichnet 52 eine Hülse aus hitzebeständigem Isoliermaterial, die die Elek- trode 1 umschliesst. In dieser Figur wird der Ringraum 16, der vorstehend in Fig. 3 definiert wurde, praktisch von der Hülse 52 eingenommen.
In Fig. 5 bezeichnen die Ziffern 15, 151 und 16 die gleichen Teile, wie sie vorstehend an Hand der Fig. 3 und 4 beschrieben wurden ; 53 bezeichnet eine die Elektrode 1 dicht umschliessende fliessfähige Isoliermasse mit geringen Hafteigenschaften.
Die grundlegenden Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik sindausdenFig. l und : 1 ersichtlich. Wie die Fig. l zeigt, ist die Beschickung 6 in direkter Berührung mit der Elektrode 1, so dass zwischen derElektrode 1 und der leitenden Sohle 9 über die leitenden Krusten 7 Stomnebenschlüsse auftreten können, durch welche die Leistung des Lichtbogens geschwächt wird.
Der Lichtbogen sollte eigentlich zwischen der Elektrode l und der schmelzflüssigen Reaktio ns- masse 8 brennen. Auf Grund dieser Nebenschlüsse sinkt jedoch die elektrische Spannung unter den die Bildung des Lichtbogens erforderlichen Wert.
Hingegen befindet sich in Fig. 2 die Beschickung 6 nicht mehr in direkter Berührung mit der Elektrode 1, sondern stützt sich auf dem äusseren Rand der Ummantelung 3 ab, die jeden direkten Kontakt zwischen den leitenden Krusten 7 und dieser Elektrode verhindert. Aus diesem Grund können die Krusten 7 nicht mehr zu Stromnebenschlüssen führen und es ist somit praktisch die gesamte Leistung im Lichtbogen konzentriert, der direkt zwischen dem Ende der Elektrode 1 und der Sohle 9 des Ofens bzw. der geschmolzenen Reaktionsmasse 8 brennt. Die elektrische Spannung wird also nicht merklich herabgesetzt, da die Stromnebenschlüsse entfallen.
Auf Grund der durch die Leitungen bzw. Kanäle 4 bewirkten Kühlung kann sich der Unterteil 32 der Ummantelung 3, welcher infolge der Nähe des Lichtbogens der intensiven Wärmestrahlung am meisten ausgesetzt ist, mit einem festen Kondensat 11 überziehen, das gegebenenfalls als selbsttätig aufgetragene Schutzschicht gegen diese Wärmestrahlung eine Rolle spielt.
Dieses Kondensat 11 kann aber auch als Abdichtung von Bedeutung sein. Es kann nämlich so lange anwachsen, bis es sehr nahe an die Wand der Elektrode heranreicht, wobei es dieselbe jedoch nicht berühren kann, da diejenigen Teile, welche der Elektrode zu nahe kommen, durch kleine Lichtbogen abgeschmolzen werden, die dann auf sehr begrenztem Raum zwischen diesen Teilen und der Elektrode überspringen.
Die Ummantelung 3 spielt gegebenenfalls auch die Rolle eines echten Kondensators für den Rückfluss der kondensierbaren flüchtigen Produkte, die aus der geschmolzenen Reaktionsmasse 8 entweichen.
Die Ummantelung 3 ist mit der Elektrode 1 nicht fest verbunden, so dass sich diese frei durch die Ummantelung bewegen kann, wobei die Ummantelung in ihre Höhenlage einstellbar ist.
Falls zurFreihaltung desRingraumes 16 von leitenden Krusten ein Spülgas verwendet wird, wird dieses in diesenRingraum durch Leitungen, die im allgemeinen im Unterteil 32 der Ummantelung 3 angeordnet sind, wie z. B. die in Fig. 3 bei 51 dargestellten, kontinuierlich oder intermittierend zugeführt. Dieses Spülgas besteht vorzugsweise aus einem nichtoxydierend wirkenden Gas, wie Stickstoff, Wasserstoff, Kohlenoxyd usw. Gegebenenfalls kann es aber dennoch geringe Mengen eines Gases und/oder von Dämpfen enthalten, die normalerweise oxydierend wirken, u. zw. vorzugsweise Wasserdampf. Die Gaszuführungsleitungen münden in passend gewählten Richtungen vorzugsweise oberhalb des Ringraumes 16, so dass dieses Gas die aus dem Bad 8 des Ofens aufsteigenden Dämpfe daran hindert, aus dem Ringraum herauszutreten.
Ferner wird von diesem Gas ein beträchtlicher Teil der leitenden Krusten, die sich an den Wänden des Ringraumes ablagern, weggeblasen.
Vorzugsweise erweitert sich der Ringraum 16 in Richtung auf den Oberteil 31 in eine Ringkammer 17, welche die Elektrode umgibt. Durch die Wände dieser Kammer wird eine dichte und isolierende Verbindung zwischen dem Unterteil 32 und dem Oberteil 31 der Ummantelung 3 hergestellt. Das Spülgas kann dabei zweckmässigerweise der Ringkammer 17'zugeführt werden. Um zu verhindern, dass die Spülgase in störender Menge in die Atmosphäre des Ofens eindringen, kann in der Wand der Ringkammer 17 ein Auslass für einen Teil dieser Gase vorgesehen werden.
<Desc/Clms Page number 4>
Die Ummantelung 3, insbesondere die Ringkammer 17, kann mit einer isolierenden Seitenwand versehen sein, die durch ein beispielsweise zylindrisches Flüssigkeitssystem, das jede Elektrode umgibt, gekühlt ist. Dieses Flüssigkeitssystem umfasst eine im Unterteil 32 der Ummantelung 3 ausgebildete ringförmige Rinne, in der Wasser zirkuliert und eine zylindrische Scheidewand, die mit dem Oberteil 31 der Ummantelung 3 zusammenhängt. Diese Scheidewand taucht in das in der ringförmigen Rinne zirkulierende Wasser ein, so dass eine Flüssigkeitsringdichtung gebildet wird, die die Atmosphäre in der Ringkammer 17 von der äusseren Atmosphäre trennt.
Das in der ringförmigen Rinne zirkulierende Wasser steht vorzugsweise mit der Atmosphäre der Ringkammer 17 in direkter Verbindung, so dass dieser Wasserstrom die aus dieser Atmosphäre stammenden Kondensate mitnimmt und die Flüssigkeitsringdichtung praktisch rein hält.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, kann zum Freihalten der den Ringraum 16 begrenzenden Wand 151 von leitenden Krusten auch eine die Elektrode dicht umgebende und mit ihr fest verbundene Hülse 52 aus hitzebeständigem Isoliermaterial Verwendung finden. Vorzugsweise ist dieses hitzebeständige Isoliermaterial eine feste Zementmasse, basierend auf demselben Metalloxyd wie in der Ofenbeschickung, insbesondere Aluminiumoxyd. Wenn diese Hülse eine leichte Abwärtsbewegung ausführt, fegt sie im Zuge dieser Bewegung die leitenden Krusten weg, die sich auf der Wand 151 möglicherweise abgelagert haben. Diese Hülse schmilzt ab, sobald sie unterhalb des Unterteiles 32 der Ummantelung 3 gelangt, d. h. beim Annahern an die heisseste Zone des Ofens.
Wie in Fig. 5 dargestellt ist, kann zum Freihalten des Ringraumes 16 von leitenden Krusten eine die Elektrode 1 dicht umschliessende fliessfähige Isoliermasse 53 mit geringen Hafteigenschaften verwendet werden. Diese Isoliermasse wird vorzugsweise von dem gleichen Oxyd gebildet, wie jenes im Beschickungsgemisch, das in den Ofen eingeführt wird. Sie wird mit Hilfe von Wasser und gegebenenfalls eines isolierenden Bindemittels gebunden. So kann z. B. dieses Oxyd Aluminiumoxyd sein, das mit Wasser gebunden ist, dem gegebenenfalls ein Zusatz wie Natriumaluminat, beigefügt ist.
Es ist hervorzuheben, dass es auf Grund der vorstehend beschriebenen Massnahmen zum Freihalten des Ringraumes 16 normalerweise nicht notwendig wird, die Ringkammer 17 vom Ofen zu demontieren, da sie gereinigt werden kann, ohne den Stromdurchgang im Ofen zu unterbrechen.
Zweckmassigerweise ist der Unterteil 32 der Ummantelung 3 glockenförmig ausgebildet, wie dies/.. B. aus Fig. 3 ersichtlich ist.
Da sich der Oberteil 31 in unmittelbarer Nachbarschaft der Elektrode 1 befindet, besteht die Gefahr des Entstehens elektrisch leitender Verbindungen zwischen Elektrode und Oberteil, von wo der Strom über den aus Graphit od. dgl. bestehenden Unterteil 32 auf die sich an diesem abstützende Be- schickung abgeleitet werden könnte. Diese soll aber unter allen Umständen verhindert werden und daher ist zweckmässigerweise der Unterteil 32 vom Oberteil 31 elektrisch isoliert.
Im Vorstehenden ist unter dem "verhältnismässig kühlen Oberteil" ein Teil zu verstehen, dessen Oberfläche im Bereich seiner Berührung mit der Elektrode eine Temperatur von höchstens etwa 3000C aufweist, und unter dem"verhältnismässig heissen Unterteil"ein Teil, dessen Oberfläche inseinem der Elektrode am nächsten liegenden Bereich eine Temperatur von mindestens etwa 6000C aufweist.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Lichtbogen-Reduktionsofen, insbesondere zur Reduktion von Aluminiumoxyd mit Kohlenstoff, bei welchem eine oder mehrere Elektroden mit einem Schmelzbad innerhalb einer Wanne zusammenwirken und bei welchem die Reaktionsgase nur durch die Ofenbeschickung nach aussen treten können und bei welchem jede Elektrode mit einer Ummantelung umgeben ist, die einen gekühlten und an der Elektrode gasdicht anliegenden Oberteil und einen die Elektrode zum Schutz derselben vorBerührung mit der Ofenbeschickung umgebenden Unterteil aus wärmebeständigem Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass an der Austrittsstelle der Elektrode (1) aus dem Unterteil (32) in denOfenraum zwischen diesem aus wärmeleitendem Material bestehenden Unterteil (32)
und der Elektrode (l) ein an sich bekannter enger Ringraum (16) ausgebildet ist, wobei zwecks Verhinderung einer Krustenbildung an dieser Elektrodenaustrittsstelle entweder dem Ringraum (16) von aussen, vorzugsweise intermittierend, ein Spülgas zugeführt wird oder eine die Elektrode (1) dicht umgebende und mit ihr fest verbundene Hülse (52) aus hitzebeständigem Isoliermaterial vorgesehen ist oder zwischen Oberteil (31) und Elektrode (1) eine die Elektrode dicht umschliessende fliessfähige Isoliermasse (53) mit geringen Hafteigenschaften vorgesehen ist.