AT506021B1 - Elektrisch beheizter schachtofen - Google Patents

Abstract

Bei einem elektrisch beheizten Schachtofen mit wenigstens einer von einem Leiter gebildeten, in Umfangsrichtung verlaufenden Wicklung, wobei der Leiter aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit, ausgebildet ist und der Leiter von Graphitringen (1) oder Ringsegmenten gebildet ist, sind die Graphitringe (1) an ihrem Umfang geschlitzt ausgebildet und die freien Enden (2, 3) der Ringe parallel oder in Serie an eine Stromquelle anlegbar.

Description

österreichisches Patentamt AT 506 021 B1 2010-08-15

Beschreibung [0001] Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch beheizten Schachtofen mit wenigstens einer von einem Leiter gebildeten, in Umfangsrichtung verlaufenden Wicklung.

[0002] In der WO 2006/079132 A1 wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von metalloxidhaltigen Schlacken bzw. Gläsern und/oder Entgasen von mineralischen Schmelzen vorgeschlagen, bei welcher die schmelzflüssigen Schlacken auf ein induktiv beheiztes Koksbett aufgegeben wurden. Die Charge wurde hierbei einem Schachtofen zugeführt und das Koksbett induktiv auf Temperaturen aufgeheizt, welche sicherstellen, dass sich bis zum Abstichende eine Schmelze ausbildet oder die Schmelztemperatur aufrecht erhalten wird. Durch den Einsatz von induktiv beheiztem Koks wurde ein Bett mit hohem Reduktionspotential bereitgestellt, sodass die Reduktion von oxidischen bzw. mit Organika belasteten Schlacken und metallurgischen Stäuben auch mit hohen Gehalten an Chromoxid- und Vanadiumoxidschlacken in einfacher Weise vorgenommen werden konnte. Induktiv beheizte Öfen sind auch als Tiegelöfen bekannt. Im Fall von elektrisch beheizten Öfen wurde zumeist der elektrische Widerstand der Schmelze genützt und die elektrische Energie über in die Schmelze eintauchende Elektroden aufgebracht. Für eine induktive Fleizung wurden bereits Kupferspulen vorgeschlagen, wobei die Übertragung von Wärme durch Induktion nur dann mit hohem Wirkungsgrad gelingt, wenn zwischen der Induktionsspule und dem induktiv zu beheizendem Medium nur geringe Abstände überbrückt werden müssen. Im Falle von Schmelzen bedeutet dies, dass entsprechende Wärme auch in die Induktionsspulen abgestrahlt wird, sodass im Falle von Kupferwicklungen wassergekühlte Kupferrohre als Leiter vorgeschlagen wurden. Wassergekühlte Leiter haben in aller Regel eine bedeutende Verlustleistung mit sich gebracht.

[0003] Die DE 2801170 AI beschreibt Graphitheizkörper zum elektrischen Beheizen von Öfen, welche durch Pressen von Graphitplatten hergestellt werden. In der JP 2004-324965 A ist ein elektrisch beheizbarer, vertikaler Ofen mit u.a. zylindrischen Hohlkörper beschrieben, in dessen aus hitzebeständigem Isolationsmaterial bestehende Wand in Umlaufrichtung Rillen angebracht sind, in denen jeweils ein Heizkörper mit u.a. rechteckigem Querschnitt montiert ist. Die Tiefe der Rillen ist hierbei größer als die Wandstärke des Heizkörpers in radialer Richtung.

[0004] Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Ausbildung für die elektrische Beheizung eines Schachtofens zu schaffen, bei welcher mit geringer Verlustleistung Hochfrequenzenergie eingebracht werden kann oder wahlweise andere Formen der elektrischen Beheizung realisiert werden können und mit der die beim Stand der Technik vorgesehene aufwendige Wasserkühlung vermieden werden kann.

[0005] Zur Lösung dieser Aufgabe besteht der erfindungsgemäße elektrisch beheizte Schachtofen der eingangs genannten Art im Wesentlichen darin, dass der Leiter aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit, ausgebildet ist und der Leiter von Graphitringen oder Ringsegmenten gebildet ist und dass die Graphitringe an ihrem Umfang geschlitzt ausgebildet sind und die freien Enden der Ringe parallel oder in Serie an eine Stromquelle anlegbar sind. Die Wahl von Kohlenstoff bzw. Graphit für den Leiter hat zur Folge, dass hier ein hochfeuerfestes Material eingesetzt werden kann, das keine aufwendige Kühlung mehr erfordert. Die Leitfähigkeit von Kohlenstoff bzw. von Graphit steigt mit zunehmender Temperatur, sodass eine entsprechende stufenweise Erhitzung vorteilhaft erscheint, wofür zu Beginn beispielsweise auch der Leiter nach Art einer Widerstandsheizung geschaltet werden kann. Die Ausbildung kann hierbei mit Vorteil so getroffen sein, dass die Ringe aus gestampftem Graphitpulver oder einem mit elektrisch leitenden Substanzen, insbesondere thermisch dissoziierenden Salzen dotiert ausgebildet sind.

[0006] Graphit hat in der Regel weniger als die Hälfte der Leitfähigkeit von Kupfer, wodurch entsprechend große Graphit-Induktoren bzw. Graphit-Leiterquerschnitte vorgesehen werden müssen. In besonders einfacher Weise kann dies dadurch sichergestellt werden, dass die Ausbildung so getroffen ist, dass der Mantel des Schachtofens aus feuerfestem Material besteht und an seiner Innenfläche Rillen, insbesondere schraubenlinienförmige Rillen für die Aufnahme von aus Graphit gebildeten Leiterbahnen aufweist. Die Leiterschicht bzw. die Gra- 1/4 österreichisches Patentamt AT 506 021 B1 2010-08-15 phitringe können hierbei unmittelbar in die Feuerfestummantelung des Schachtofens eingearbeitet werden, wobei Graphit selbst ein hervorragendes refaktäres Material ist und auch bei sehr hohen Temperaturen formbeständig bleibt. Da die Induktionsverluste im Fall einer induktiven Beheizung quadratisch mit dem Abstand zwischen dem Induktor und dem anzukoppelnden Material, beispielsweise einem Koksbett, steigen, können die Induktionsverluste dadurch wesentlich minimiert werden, dass der Leiter unmittelbar in das feuerfeste Material eingebettet ist, wobei lediglich eine entsprechende Isolation zwischen einem Koksbett und dem Induktor erforderlich ist, wofür aber besonders einfache Maßnahmen ausreichen. Mit Vorteil wird die Ausbildung hierbei so getroffen, dass der Innenmantel mit einer feuerfesten Isolationsschicht bzw. Folie oder Isolationsmatte ausgekleidet ist, wobei vorzugsweise das feuerfeste Material und/oder die Isolationsschicht aus Al203 gebildet ist. Alternativ zu dieser Verwendung einer Folie kann bei entsprechend schmalen Rillen und einem entsprechenden Dimensionieren der Graphitringe bei gleichzeitig entsprechend großer Korngröße der Koksschüttung so vorgegangen werden, dass die Tiefe der Rillen im Mantel größer als die Breite der Graphitringe gewählt ist und der Innendurchmesser der Graphitringe größer als der Innendurchmesser des Mantels des Schachtofens gewählt ist.

[0007] Prinzipiell eignet sich ein aus Kohlenstoff bzw. Graphit gebildeter Leiter für den Einsatz über einen überaus großen Frequenzbereich, wobei im Fall von Gleichstrom eine rein konduktive Erhitzung der Graphit-Ringsegmente aufgrund des ohmschen Widerstandes erfolgt. Wenn Wechselstrom angelegt wird, dann wird je nach Frequenz des Wechselstroms die Widerstandsheizung oder eine Induktionserhitzung des Einsatzgutes, beispielsweise eines Koksbettes oder im Falle eines Tiegels einer Stahlschmelze, erfolgen, wobei die Verwendung von Graphit als Leiter überall dort besonders vorteilhaft ist, wo neutrale bis reduktive Bedingungen herrschen. Induktionsschmelzöfen, bei denen im Vakuum oder unter Inertgas hochschmelzende Stahllegierungen erschmolzen werden, sind hier ein mögliches Anwendungsbeispiel. Gegenüber wassergekühlten Kupferspulen wird hier die mögliche Explosionsgefahr eliminiert, da es im Fall von Leckstellen bei Austreten von Wasser zur Bildung von Knallgas kommen kann, wobei zu allem Überfluss Wasserstoff in die Stahlschmelze diffundieren könnte. Die Verwendung des hochfeuerfesten Leitermaterials erlaubt es, die Temperatur des Leiters im Wesentlichen gleich der Temperatur des Behandlungsgutes zu wählen, womit die Leitfähigkeit signifikant ansteigt. Eine weitere Erhöhung der Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen gelingt wie bereits oben erwähnt durch Beimengen von thermisch dissoziierenden Metallsalzen, welche bei hohen Temperaturen sehr gute Leiter darstellen.

[0008] Prinzipiell eignet sich der erfindungsgemäße elektrisch beheizte Schachtofen sowohl als Induktionsofen als auch als konduktiv beheizter Ofen, wobei im Falle elektrisch leitender Chargen und insbesondere im Falle eines Koksbettes oder eines Tiegels mit Stahlschmelze bei Magnesiumoxyd bzw. dolomitischer Feuerfesttemperaturen Temperaturen von ungefähr 2300° C ohne weiteres realisiert werden können. Graphit bleibt in reduzierender Atmosphäre bis zu Temperaturen von etwa 3400° C formbeständig, wobei bei reiner Widerstandserhitzung die Wärmeübertragung über Strahlung und Leitung mit sehr hohem Wirkungsgrad gelingt.

[0009] Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels eines Schachtofens mit Graphitringen bzw. -ringsegmenten oder geschlitzten Ringen näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine Draufsicht auf einen geschlitzten Graphitring, Fig. 2 eine Schnittdarstellung in Richtung des Pfeiles II - II der Fig. 1 und Fig. 3 eine Schnittdarstellung in Richtung des Pfeiles III - III der Fig. 1. Die Schnittdarstellung nach Fig. 2 und Fig. 3 zeigen hierbei jeweils nur den halben Schachtofen im Schnitt.

[0010] In Fig. 1 ist mit 1 ein geschlitzter Graphitring bezeichnet, dessen freie Enden in Stirnflächen 2 und 3 münden. Über diese Stirnflächen 2 und 3 können die geschlitzten Graphitringe elektrisch kontaktiert werden und entsprechend mit Gleichstrom, niederfrequentem oder hochfrequentem Wechselstrom beaufschlagt werden.

[0011] Bei der Darstellung nach Fig. 2 sind jeweils die Kontaktflächen 3 ersichtlich, die bei in Richtung der Achse 4 des Schachtofens 5 übereinander liegenden Graphitringen miteinander 2/4

Claims (7)

1. österreichisches Patentamt AT 506 021 B1 2010-08-15 verbunden sind. Über den Bereich a sind hierbei, wie sich in Kombination mit der Darstellung nach Fig. 3 ergibt, die Graphitringe in Serie geschaltet, wohingegen über den axialen Bereich b zwei Graphitringe parallel zu einander betrieben werden. [0012] Bei der Darstellung nach Fig. 3 sind jeweils die freien Stirnflächen 2 der geschlitzten Ringe ersichtlich. In Kombination mit der Darstellung nach Fig. 2 mit den Stirnflächen 3 ergibt sich somit, dass über den Bereich a Strom an die unterste Stirnfläche 2 angelegt wird und in der Folge über in Höhenrichtung benachbarte Stirnflächen 3 die Kontaktierung auf den nachfolgenden Graphitring 1 erfolgt, worauf wiederum - um einen Winkel von etwa 180° verdreht - die Kontaktierung benachbarter Stirnflächen 2 zur Erzielung einer Serienschaltung der Ringe erfolgt. Über die Anschlüsse 6 und 7 kann hier Gleichstrom oder niederfrequenter Wechselstrom zugeführt werden. Für die Zufuhr von hochfrequentem Wechselstrom und insbesondere für den Einsatz bei Frequenzen von über 60 kHz, und zwar bis etwa 350 kHz, empfiehlt sich eine Parallelschaltung, wie sie im axialen Bereich b ersichtlich ist, wobei die entsprechenden Anschlüsse hier mit 8 und 9 bezeichnet sind und jeweils zwei in Achsrichtung aufeinanderfolgende Ringe 1 parallel geschaltet sind. Eine derartige Parallelschaltung führt zu einer Verringerung der benötigten Spannung im Falle einer induktiven Beheizung, sodass das Gefahren- und Überschlagspotenzial verringert wird. [0013] Im Prinzip kann die Ausbildung über die axiale Höhe des Schachtofens 5 flexibel gewählt werden und es kann wahlweise in einzelnen axialen Breichen eine Parallelschaltung oder eine serielle Schaltung vorgenommen werden um den jeweils erforderlichen Temperaturprofilen Rechnung tragen zu können. Patentansprüche 1. Elektrisch beheizter Schachtofen mit wenigstens einer von einem Leiter gebildeten, in Umfangsrichtung verlaufenden Wicklung, wobei der Leiter aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit, ausgebildet ist und der Leiter von Graphitringen (1) oder Ringsegmenten gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Graphitringe (1) an ihrem Umfang geschlitzt ausgebildet sind und die freien Enden (2, 3) der Ringe (1) parallel oder in Serie an eine Stromquelle anlegbarsind.
2. 2. Schachtofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantel des Schachtofens (5) aus feuerfestem Material besteht und an seiner Innenfläche Rillen, insbesondere schraubenlinienförmige Rillen für die Aufnahme von aus Graphit gebildeten Leiterbahnen aufweist.
3. 3. Schachtofen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche mit einer feuerfesten Isolationsschicht bzw. Folie oder Isolationsmatte ausgekleidet ist.
4. 4. Schachtofen nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das feuerfeste Material und/oderdie Isolationsschicht aus Al203 gebildet ist.
5. 5. Schachtofen nach einer der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringe (1) aus gestampftem Graphitpulver oder einem mit elektrisch leitenden Substanzen, insbesondere thermisch dissoziierenden Salzen dotiert ausgebildet sind.
6. 6. Schachtofen nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Rillen im Mantel größer als die Breite der Graphitringe (1) gewählt ist und der Innendurchmesser der Graphitringe (1) größer als der Innendurchmesser des Mantels des Schachtofens (5) gewählt ist.
7. 7. Schachtofen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beheizung induktiv durch Beaufschlagung der Graphitringe (1) mit Wechselstrom und/oder konduktiv durch Beaufschlagung mit Gleichstrom erfolgt. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 3/4