CS219324B2 - Roasting place with direct electric resistance heating - Google Patents

Description

Vynález se týká peciště s přímým elektrickým odporovým ohřevem, (zejména pro výrobu karbidu křemíku.

Výrolba technického karbidu křemíku probíhá v elektrické odporové peci podle neisjpajlitého postupu (vypracovaného Achesonem. V takových odporových pecích, to jest v pecištích pracujících s přímým 'elektrickým ohřevem na odporovém principu, jichž se užívá výlučně pro čisté reakce pevných látek, se proud vede přes elektrody odporovým jádrem z materiálu obsahujícího uhlík, které je uloženo vodorovně do vsázky tvořené Směsí zrnitého koksu, křemenného· písku a přísad. Elektrický proud působí v ležícím sloupci materiálu čisté odporové ohříivání, přičemž reakce látek nastává v pevné fáizi, to je při výrobě karbidu křemíku ,probíhá v teplotním rozmezí 1700 °C až 2 500 °C difúzní reakce.

Odporové pece známé konstrukce jsou obecně obdélníkové, nahoře otevřené a až '20 m dlouhé. Dno a pevné čelní stěny jsou 'zděny ze žárovzdorných cihel, zatímco boční stěny jsou odnímatelné. Elektrody pro přívod proudu jsou vestavěné do čelních stěn (Ullmannova Encyklopedie technické chemie, svazek 3, 4. vydání 1973, str. 534 a další, kapitola: Odporové pece).

V novějším provedení takových odporových pecí podle německého patentu číslo· '2 364 107 mohou být elektrody též uspořádány ve dně a spojeny s odporovým jádrem prostřednictvím elektricky vodivého materiálu, přičemž toto spojení netvoří součást odporového jádra a má vyšší elektrickou vodivost než jádro. Proud se přitom přivádí přípojkou к proudovým vedením pod dnem. Vsázka potřebná pro reakci může být nasypána na elektrody uložené ve dně a na odporové jádro do přirozeného sypného kužele a zařízení může pracovat jako volná pec bez stěn, to znamená neomezená na bočních a čelních sitranách stěnovými prvky. Celé peciště může být však též obvyklým způsobem obklopeno stěnami, které drží vsázku, přičemž však к ohraničení jak ze stran, tak z čel může být užito jednoduchých transportovatelných stěn. Otevřený násyp není však v hale vzhledem ke zvýšené potřebě místa rentabilní, takže pece tohoto druhu pracují nejlépe jako stacionární zařízení na vodném prostoru. Jako elektrody ve dně mohou sloužit grafitové a/nebo uhlíkové elektrody opatřené přípojkami proudu a chladicí vody, jichž se obvykle užívá v pecištích s takzvaným čelním uspořádáním elektrod. Dále může být к tomuto účelu užito pěchovaných elektrod z koksu a/nebo grafitu, vybavených přípojkami proudu a chladicí vody, i elektrod z kovu, protože v důsledku zvětšené prostorové vzdálenosti mezi elektrodami a vlastní ohřívací zónou jsou teploty na elektrodách značně nižší než u známých pecišť s elektrodami vestavěnými na čelní straně.

Podle dalšího provedení popsaného v popisu vynálezu к německému patentu číslo 2 364 108 mohou taková zařízení pracovat i s kombinovaným uspořádáním elektrod, například s jednou elektrodou uspořádanou na čelní straně a s jednou elektrodou uspořádanou ve dně.

U všech zařízení známé konstrukce je však odporové jádro uloženo ve vsázce vodorovně v podélném směru, to znamená ve tvaru jediného ležatého sloupce materiálu mezi elektrodami, přičemž vzájemná vzdálenost obou elektrod je dána předem stanovenou délkou odporového jádra. Těleso karbidu křemíku, vytvořené po ukončení fáze ohřevu, má tedy tvar protáhlého válce.

Bylo již popsáno několik pokusů s uspořádáním odporového jádra odchylným od tvaru jediného protáhlého ležatého sloupce materiálu. Například podle německého patentu č. 160101 jsou uspořádána mezi dvěma čelními elektrodami dvě rovnoběžná vedle sebe ležící protáhlá vodivá jádra. Toto uspořádání však neslouží к výrobě karbidu křemíku, nýbrž takzvaných oxikarbidů křemíku, které vznikají nedostatkem uhlíku ve vsázce a při teplotě, která nestačí pro tvorbu karbidu křemíku.

V popisech vynálezů к USA patentům č. 941 339 a č. 1 044 295 se doporučuje uspořádání odporového jádra v klikatém tvaru mezi čelními elektrodami, čímž mají být sníženy ztráty tepla vyzařováním, a podle německého patentu č. 409 356 se užívá prstencového ohřívacího jádra ve spojení s kulovým tvarem tělesa pece, přičemž elektrody jsou zavedené na obvodu koule. Konečný produkt má mít tvar koláče ve formě plochého sféroidu. Žádný z těchto návrhů nedosáhl doposud technického významu.

¹ U všech pecišť známých konstrukcí jde proudová dráha od transformátoru přes první elektrodu, odporovým jádrem, přes druhou elektrodu a od ní takzvaným sekundárním vedením zpět к transformátoru, přičemž sekundární vedení musí býit uloženo co nejblíže v oblasti pece к dosažení příznivého účinku, tkerý je závislý na velikosti plochy uzavřené proudovou dráhou. Běžné je sekundární vedení uloženo pod dnem pece, tedy pod podlahou, aby nemohlo být poškozeno nebo zničeno mechanickými zařízeními při zavážení a demontáži pece nebo korozivním účinkem horkých reakČních plynů a plynovými bublinami během fáze ohřívání. Pro účinnou ochranu proti vysokým teplotám, na které se může dno ipece zahřát během ohřevu, jsou však pro sekundární vedení nutná nákladná chladicí zařízení, a kromě toho je vedení položené pod podlahou jen velmi obtížně přístupné, pokud je to nutné z důvodu poruchy provozu pece. Při (tepelném zničení pláště s vodním chlazením během fáze ohřívání je nebezpečí, že chladicí voda vnikne do pece a vyvolá tam reakce s explozivním průběhem.

Vynález odstraňuje uvedené nevýhody a jeho· předmětem je peciště s přímým elektrickým odporovým ohřevem, zejména pro výrobu karbidu křemíku z kysličníku křemičitého a uhlíku po vsázkách, s elektrodami spojenými s odporovým jádrem z uhlíkatého materiálu, které je uloženo vodorovně do vsázky ze zrnitého koksu, křemenného písku a přísad.

Podstata vynálezu spočívá v tom, že elektrody jsou uspořádány vedle sebe, přičemž poměr celkové délky odporového jádra к vzájemné vzdálenosti elektrod je alespoň 1,6 a odporové jádro je zhotoveno ve tvaru půlkruhu až tvaru písmene U.

Tato hodnota, stanovená jako podíl délky jádra a vzdálenosti elektrod, udává největší možnou vzájemnou vzdálenost obou elektrod a vylučuje obvyklé uspořádání, kdy jádro probíhá v podélném směru mezi elektrodami a vzdálenost elektrod je určována celkovou délkou jádra na základě podílu délky jádra a vzdálenosti elektrod rovnému jedné.

Pro odporové jádro, uložené vodorovně ďo vsázky jako ležatý sloupec materiálu, vyplývá z uvedené hodnoty poměru tvar odchylný od podélného směru; obzvláště se osvědčilo podle vynálezu provedení odporového jádra ve tvaru písmene U, jehož konce ramen tvoří spojení s elektrodami. Nejmenší nutná vzdálenost mezi elektrodami uspořádanými vedle sebe závisí na vnitřní vzdálenosti ramen odporového jádra ve tvaru písmene U. Tato vnitřní vzdálenost musí být zvolena alespoň tak, aby byl bezpečně vyloučen dotyk a zarůstání vzniklého válce karbidu křemíku, který má rovněž tvar písmene U, na vnitřních stranách jeho ramen, aby nemohlo dojít к přímému průtoku proudu místem styku a srůstu. Z parametrů určujících požadovanou velikost vzniklého válce karbidu křemíku, to je z přiváděného množství proudu, jakož i z celkové délky a průřezu odporového jádra, může být vždy empiricky stanovena nejmenší vzdálenost vnitřních stran ramen odporového jádra ve tvaru písmene U, nutná v jednotlivém případě.

V pecišti podle vynálezu odpadá dosud nezbytné sekundární vedení v peci a s ním spojené nevýhody, protože dráhu proudu v peci tvoří výlučně samotné odporové jádro. Zhotovení odporového jádra ve tvaru písmene U má tu výhodu, že plocha uzavřená dráhou proudu je co nejmenší, což má rozhodující vliv na příznivý účinek. Kromě toho může být délka celého peciště, která je nutná pro odporové jádro stejných rozměrů, uspořádané však v podélném směru, zkrácena přibližně na polovinu, takže dochází к úspoře nákladů při konstrukci pecistě.

U peciště podle vynálezu může být jako elektrod uspořádaných vedle sebe užito jak čelních elektrod známé konstrukce, tak 1 elektrod uspořádaných ve dně podle německého patentu č. 2 364 107, nebo kombinace čelních a ve dně uspořádaných elektrod podle německého patentu č. 2 364 108. Je výhodné umístit mezi obě vedle sebe uspořádané elektrody izolační vrstvu, aby se vyloučilo nebezpečí přímého přechodu proudu mezi elektrodami, zejména během fáze spouštění, v níž se pracuje s nejvyšším napětím. Jako izolační vrstvy může například sloužit štěrkový násyp nebo desky z osinku nebo dřeva.

Odporové jádro je uloženo do vsázky nutné pro reakci tak, aby bylo na všech stranách, to je i na vnitřních stranách ramen, vsázkou obklopeno.

Peciště může být běžným způsobem obklopeno stěnami, které drží vsázku nebo zhotoveno jako· volná pec bez stěn, v níž je vsázka nasypána v kuželi podle přirozeného sypného úhlu, to zmámená bez bočních a popřípadě i bez čelních omezovačích stěn.

Pro peciště podle vynálezu se jako obzvláště výhodné ukázalo uspořádání se dvěma čelními elektrodami nebo s elektrodami uspořádanými ve dně, znázorněné na výkrese v půdorysném pohledu. Odporové jádro 2 zhotovené ve tvaru písmene U, má ramena, jejichž konce tvoří spoijení s elektrodami 1 uspořádanými vedle sebe, které jsou obklopeny betonovou obrubou 5. Mimo oblast pece je umístěn transformátor 3 s proudovými přípojkami 4 pro eletkrody 1.

V následujících příkladech bylo· užito pro výrobu karbidu křemíku pecišť podle schématu, znázorněného na výkresu s udanými rozměry.

Příklad 1

Vzdálenost dvou vedle sebe uspořádaných elektrod ve dně měřená od vnitřku vnějších hran kontaktních ploch:80 cm

Vzdálenost ramen odporového jádra ve tvaru písmene U:80 cm

Celková délka odporového jádra:5 m

Podíl délky jádra a vzdálenosti elektrod: 6,.214

Průřez odporového jádra: 40X12 cm

Celkový příkon proudu: 12 500 kWh

Získaný válec karbidu křemíku měl bezvadný tvar U bez srůstů na vnitřních stranách ramen.

Příklad 2

Vzdálenost dvou vedle sebe uspořádaných elektrod ve dně měřená od vnitřku vnějšícsh hran kontaktních ploch: 2,5 m

Vzdálenost ramen odporového jádra ve tvaru písmene U: ,2,5 m

Celková délka odporového jádra: 12 m

Podíl délky jádra a vzdálenosti elektrod: 4,8

Průřez odporového jádra: 100x20 cm

Celkový příkon proudu: 244 150 kWh

Získaný válec karbidu křemíku měl bezvadný tvar U, bez srůstů na vnitřních stranách ramen.

Je překvapující, -že pomocí vedle sebe uspořádaných elektrod podle vynálezu ve spojení s odporovým jádrem s výhodou ve tvaru písmene U je možné vést proud od první k druhé elektrodě výlučně přes odporové jádro. V uspořádání podle vynálezu

Claims (2)

1. Peciště s přímým elektrickým odporovým ohřevem, zejména pro výrobu karbidu křemíku z kysličníku křemičitého a uhlíku po vsázkách, s elektrodami spojenými s odporovým jádrem z uhlíkatého materiálu, které je uloženo vodorovně do vsázky -ze zrnitého koksu, křemenného písku a přísad, vyznačené- tím, že elektrody (1) jsou uspořádány - vedle sebe, přičemž se totiž nejen opouští - princip předem zadané nejkratší dráhy proudu, považovaný doposud za nutný; bylo totiž nutné počítat s tím, že by se i při zachování požadovaných minimálních vzdáleností při postupující fázi ohřívání ubíral proud zkrácenou cestou přes vsázku mezi rameny odporového jádra, jejíž odpor při vysokých teplotách klesá. Nečekaně je však rozptyl příčným proudem vsázkou mezi rameny odporového jádra mimořádně malý, takže ani při relativně vysoké celkové spotřebě proudu nedochází k poklesu účiníku peciště.

VYNÁLEZU poměr celkové délky odporového jádra (2) k vzájemné vzdálenosti elektrod (1) je alespoň 1,6 a odporové jádro- [2] je zhotoveno ve tvaru půlkruhu až tvaru písmene U.

2. Peciště podle bodu 1, vyznačené tím, že odporové jádro (2) je zhotoveno ve tvaru písmene U a - konce ramen písmene U tvoří spojení s elektrodami (1).

1 -list výkresů