Claims (1)
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Die Erfindung betrifft eine durch direkte elektrische Heizung nach dem Widerstandsprinzip betriebene Ofenanlage für die Herstellung von Siliciumcarbid, wobei die Stromzuleitung mittels Elektroden durch einen Widerstandskern aus Kohlenstoff erfolgt, der im Möller aus einer Mischung von körnigem Koks, Quarzsand und Zuschlägen eingelagert ist.
The invention relates to a furnace system operated by direct electrical heating according to the resistance principle for the production of silicon carbide, the current supply being carried out by means of electrodes through a resistance core made of carbon which is embedded in the Möller made of a mixture of granular coke, quartz sand and aggregates.
Es ist bekannt, Siliciumcarbid im technischen Massstab nach dem bereits ursprünglich von Acheson ausgearbeiteten diskontinuierlichen Verfahren im elektrischen Widerstandsofen herzustellen. Die heute in modernen, grosstechnischen Produktionsanlagen verwendeten Widerstandsöfen unterscheiden sich vom Achesonschen Prinzip nur durch grössere Dimensionen und der Verwendung von Fertigteilen für die Ofenköpfe und Seitenwände.
It is known to produce silicon carbide on an industrial scale using the discontinuous process originally developed by Acheson in an electric resistance furnace. The resistance furnaces used today in modern, large-scale production plants differ from the Acheson principle only in their larger dimensions and the use of prefabricated parts for the furnace heads and side walls.
Solche Widerstandsöfen sind im allgemeinen rechteckig gebaut, haben senkrechte Stirn- und Seitenwände, sind oben offen und bis etwa 20 m lang. Der Boden und die Stirnwände sind aus feuerfesten Steinen gemauert; die Seitenwände abtragbar. Die Stromlieferung erfolgt durch in die auf den Boden im rechten Winkel dazu stehenden Stirnwände eingebauten Graphit- oder Kohleelektroden. Zwischen den Elektroden befindet sich im Möller, bestehend aus einer Mischung von körnigem Koks, Quarzsand und Zuschlägen, ein Widerstandskern aus Kohlenstoff.
Such resistance furnaces are generally built in a rectangular shape, have vertical end and side walls, are open at the top and are up to about 20 m long. The floor and the end walls are made of refractory stones; the side walls can be removed. Electricity is supplied by graphite or carbon electrodes built into the end walls on the floor at right angles to it. Between the electrodes there is a resistance core made of carbon in the Möller, consisting of a mixture of granular coke, quartz sand and aggregates.
Bei diesem Verfahren entstehen gut ausgebildete SiC-Kri- stalle im Temperaturbereich von etwa 2000"C bis etwa 2300 C. Oberhalb von etwa 2300"C wird das SiC zersetzt.
This process produces well-formed SiC crystals in the temperature range from about 2000 "C to about 2300 C. The SiC is decomposed above about 2300" C.
Das bei der Zersetzung entstehende Silicium verdampft und schlagt sich in den kälteren Zonen nieder; der zurückbleiben- de, verhältnismässig reine Graphit verunreinigt das Siliciumcarbid.
The silicon produced during the decomposition evaporates and is deposited in the colder zones; the relatively pure graphite that remains contaminates the silicon carbide.
Bei der direkten Widerstandsheizung wird die Spannung direkt an den Heizleiter angelegt. Im Regelfall sind hier die Spannungen niedrig und die Ströme sehr hoch. Will man eine gleichförmige Erwärmung erhalten - und das wird immer erstrebt - so muss der Widerstand des Heizgutes über die ganze Strombahn (Querschnitt) gleichmässig sein, es dürfen also weder Ungleichheiten im Gefüge noch im Querschnitt vorliegen; beide Voraussetzungen sind schwer zu erfüllen.
With direct resistance heating, the voltage is applied directly to the heating conductor. As a rule, the voltages are low here and the currents are very high. If you want to achieve uniform heating - and this is always the aim - the resistance of the material to be heated must be uniform over the entire current path (cross-section), so there must not be any inequalities in structure or cross-section; both conditions are difficult to meet.
Diesem herkömralichen Ofen sind im Hinblick auf Querschnitt und Länge Grenzen gesetzt.
There are limits to the cross-section and length of this conventional furnace.
Es wurde nun gefunden, dass man eine gleichmässige Ofenleistung auch bei grossem dimensionierten Ofen erreichen kann, wenn man den Ofen mit Drehstrom betreibt.
It has now been found that a uniform furnace output can be achieved even with a large furnace if the furnace is operated with three-phase current.
Erfindungsgemass ist der Widerstandskern im Möller dreiteilig in Stern- oder Dreieckform ausgebildet, und die drei zu diesem Widerstandskern gehörigen Elektroden sind je an eine Phase eines Drehstromtransformators angeschlossen.
According to the invention, the resistance core in the Möller is designed in three parts in a star or triangle shape, and the three electrodes belonging to this resistance core are each connected to a phase of a three-phase transformer.
Eine vorteilhafte Ausführung besteht darin, dass im
Mittelpunkt des Sternofens eine Hilfselektrode angebracht ist. Diese Hilfselektrode dient dazu, eine genaue Spannungs regelung zu erreichen.
An advantageous embodiment is that in
An auxiliary electrode is attached to the center of the star furnace. This auxiliary electrode is used to achieve precise voltage regulation.
Die Sekundär-Phasenspannungen u, v, w des Transformators sind einzeln gegeneinander durch einen Stufenschalter regelbar, je nach Leistung und Ofengrösse zwischen
100 V bis 400 V.
The secondary phase voltages u, v, w of the transformer can be regulated individually against each other by a step switch, depending on the power and furnace size between
100 V to 400 V.
Die Abmessungen des Ofens können stark variieren.
The dimensions of the oven can vary widely.
Vorteilhaft werden öfen angewendet, deren Seitenlänge zwischen 10-20 m, zweckmässig bei 15 m liegen.
It is advantageous to use ovens with a side length of between 10-20 m, suitably 15 m.
Die erfindungsgemässen Öfen können sowohl Stirn- als auch Seitenwände besitzen; zweckmässig werden aber bfen verwendet, die nur Stirnwände, die die Elektroden in sich tragen, aufweisen. Diese Stirnwände können senkrecht zur
Ofensohle oder mit einem Anstellwinkel von über 45" zur
Ofensohle angeordnet sein.
The ovens according to the invention can have both front and side walls; however, bfen are expediently used which only have end walls that contain the electrodes. These end walls can be perpendicular to the
Oven sole or with an angle of more than 45 "to the
Be arranged furnace sole.
Die Beladung der Öfen erfolgt durch Aufschüttung des Möllers auf der Bodensohle, dann wird der dreiteilige Widerstandskern zwischen den Elektroden verlegt, wobei vorzugsweise der Widerstandskern (Heizkern) mit einer Wölbung nach oben verlegt wird. Anschliessend wird weiterer Möller, einfachheitshalber mit Hilfe von Förderbändern, aufgebracht.
The ovens are loaded by pouring the Möllers onto the bottom of the floor, then the three-part resistance core is laid between the electrodes, with the resistance core (heating core) preferably being laid with an upward curvature. Then, for the sake of simplicity, additional Möller is applied using conveyor belts.
Beim Dreieckofen, bei welchem der dreiteilige Heizkern in Form eines Dreiecks ausgebildet ist, sind die einzelnen Teile des Heizkerns (je in Heizkernteil ist Schenkel des Dreiecks) in der Mitte desselben nach oben gewölbt im Möller angebracht.
In the triangular furnace, in which the three-part heater core is designed in the shape of a triangle, the individual parts of the heater core (each in the heater core part is the leg of the triangle) are attached in the middle of the same arched upwards in the Möller.
Beim Sternofen, bei welchem der dreiteilige Heizkern in Form eines Sterns ausgebildet ist, ist die stärkste Wölbung im Mittelpunkt des Ofens.
In the star furnace, in which the three-part heating core is designed in the shape of a star, the strongest arch is in the center of the furnace.
Die Beladung des Ofens ist beim Dreieckofen etwas ungünstiger als beim Sternofen, so dass letzterem der Vorzug zu geben ist.
The loading of the furnace is somewhat less favorable with the triangular furnace than with the star furnace, so that the latter should be given preference.
Vorteilhaft werden drei bis sechs solcher Öfen zu einer selbständigen Ofengruppe mit einem Drehstromtransformator zusammengestellt. Das hat den Vorteil, dass beispielsweise bei einer Dreiergruppe ein Ofen in Fahrt ist, während der zweite auskühlt und der dritte Ofen ent- und beladen wird.
It is advantageous to combine three to six such ovens to form an independent oven group with a three-phase transformer. This has the advantage that, for example, in a group of three, one furnace is in motion while the second is cooling down and the third is being unloaded and loaded.
Während des Reaktionsprozesses wird ein Teii der elektrischen Leistung, dank der zunehmenden elektrischen Leitfähigkeit des heissen Möllers, im Reaktionsmaterial selbst abgegeben und nicht im leitenden Graphit als Wärme verbraucht.
During the reaction process, part of the electrical power is given off in the reaction material itself, thanks to the increasing electrical conductivity of the hot dross, and is not consumed as heat in the conductive graphite.
Die erfindungsgemässen Öfen bringen dank günstigerer Stromquellen kleinere Investitionen und gestatten bessere Platzausnützung bei grossen Ofeneinheiten. Das Beladen der Öfen ist äusserst einfach, mit z.B. Förderbändern durchführbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das elektrische Netz gleichmässig belastet wird, da alle drei Phasen annähernd mit gleicher Last gefahren werden.
The ovens according to the invention bring smaller investments thanks to cheaper power sources and allow better use of space with large oven units. Loading the ovens is extremely easy, e.g. Conveyor belts feasible. Another advantage is that the electrical network is evenly loaded, since all three phases are driven with approximately the same load.
Anschliessend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen beispielsweise erläutert.
The invention is then explained, for example, with reference to the drawings.
In den Figuren 1 und 2 ist der Aufriss und der Grundriss einer Ofenwanne für einen mit Drehstrom betriebenen Ofen dargestellt. OA, OB, OC sind die Ofenköpfe, bestehend aus schräg unter einem Winkel von mehr als 45" zur Ofen sohle angeordneten Stirnwänden mit eingelassenen Elektroden A, B, C; von den Ofenköpfen zur Ofensohle sind schräge Seitenwände D vorhanden.
FIGS. 1 and 2 show the elevation and the floor plan of a furnace pan for a furnace operated with three-phase current. OA, OB, OC are the furnace heads, consisting of end walls inclined at an angle of more than 45 "to the furnace base with embedded electrodes A, B, C; there are inclined side walls D from the furnace heads to the furnace base.
In den Figuren 3 und 4 ist ein Ofen mit sternförmig ausgebildeter Widerstandsheizung im Aufriss und Grundriss gezeigt. Der dreiteilige Widerstandskern H, ausgehend von den Elektroden A, B, C, liegt gewölbt sternförmig zum Mit telpunlct S hin, im Möller M. Im Mittelpunkt S ist eine Hilfselektrode HS angebracht. Der Möller ist pyramidenförmig aufgeschüttet,
Fig. 5 zeigt einen Ofen mit dreieckförmiger Widerstandsheizung, in welchem der dreiteilige Widerstandskern H dreieckförmig zwischen den Elektroden A, B, C im Möller M angeordnet ist.
In Figures 3 and 4, a furnace with a star-shaped resistance heater is shown in elevation and floor plan. The three-part resistor core H, starting from the electrodes A, B, C, is arched in a star shape towards the center point S, in the Möller M. In the center S, an auxiliary electrode HS is attached. The Möller is piled up in a pyramid shape,
5 shows a furnace with triangular resistance heating, in which the three-part resistance core H is arranged triangularly between the electrodes A, B, C in the Möller M.
Fig. 6 zeigt eine Ofengruppe, bestehend aus drei erfindungsgemässen öfen 1,2 und 3, deren Elektroden A, B, C über einen Trenner T an einem Drehstromtransformator mit Einzelphasenregelung DT angeschlossen sind. Der Ofen 3 ist in Betrieb gezeigt.
6 shows a furnace group consisting of three furnaces 1, 2 and 3 according to the invention, the electrodes A, B, C of which are connected to a three-phase transformer with single-phase control DT via a separator T. The furnace 3 is shown in operation.
PATENTANSPRUCH
PATENT CLAIM
Durch direkte elektrische Heizung nach dem Widerstandsprinzip betriebene Ofenanlage für die Herstellung von Siliciumcarbid, wobei die Stromleitung mittels Elektroden durch einen Widerstandskern aus Kohlenstoff erfolgt, der
Furnace plant operated by direct electrical heating according to the resistance principle for the production of silicon carbide, the current being conducted by means of electrodes through a resistance core made of carbon, the
im Möller aus einer Mischung von körnigem Koks, Quarzsand und Zuschlägen eingelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Widerstandskern dreiteilig in Stern- oder Dreieckform ausgebildet ist, und die drei zu diesem Widerstandskern gehörigen Elektroden je an eine Phase eines Drehstromtransformators angeschlossen sind.
is stored in the Möller from a mixture of granular coke, quartz sand and aggregates, characterized in that the resistance core is designed in three parts in a star or triangle shape, and the three electrodes belonging to this resistance core are each connected to a phase of a three-phase transformer.
UNTERANSPRSCHE
1. Ofenanlage gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der dreiteilige Widerstandskern in Sternform angeordnet ist.
SUBCLAIMS
1. Furnace installation according to claim, characterized in that the three-part resistance core is arranged in a star shape.
2. Ofenanlage gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der dreiteilige Widerstandskern in Dreieckform angeordnet ist.
2. Furnace system according to claim, characterized in that the three-part resistor core is arranged in a triangular shape.
3. Ofenanlage gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenstimwände, die die Elektroden enthalten, senkrecht zur Ofensohle angeordnet sind.
3. Furnace system according to claim, characterized in that the furnace end walls, which contain the electrodes, are arranged perpendicular to the furnace base.
4. Ofenanlage gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Ofenstimwände, die die Elektroden enthalten, mit einem Anstellwinkel von mehr als 45" zur Ofen sohle angeordnet sind.
4. Furnace system according to claim, characterized in that the furnace end walls, which contain the electrodes, are arranged at an angle of more than 45 "to the furnace sole.
5. Ofenanlage gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der dreiteilige Widerstandskern nach oben gewölbt im Möller eingebettet ist.
5. Furnace system according to claim, characterized in that the three-part resistance core is arched upwards and embedded in the Möller.
6. Ofenanlage gemäss Patentanspruch und Unteranspruch 1, dadurch gekenezeichnet, dass im Mittelpunkt des Sternes eine Hilfselektrode angebracht ist.
6. Furnace system according to claim and dependent claim 1, characterized in that an auxiliary electrode is attached in the center of the star.