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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung von
Graphitgegenständen,
insbesondere Graphitelektroden, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches
1.
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Speziell
bei der Herstellung von Graphitelektroden für Lichtbogenöfen in der
Metallindustrie werden vorgesinterte Koksstangen für mehrere
Stunden hohen Temperaturen von typisch 3000°C ausgesetzt. Dies wird oft
dadurch erreicht, dass die zu graphitierenden Koksstangen direkt
durch Durchgang von elektrischem Strom auf entsprechend hohe Temperaturen
aufgeheizt werden. Um die dafür
notwendige Energie zu minimieren und chemische Reaktionen des heißen Kohlenstoffs/Graphits
mit der Umgebung zu verhindern, müssen die Stangen thermisch
und chemisch von der Umgebung isoliert werden. Dies geschieht meist
dadurch, dass die zu graphitierenden Stangen in ein Bett aus gemahlenem
Koks eingelagert werden. Das hat jedoch zur Folge, dass nach Abschluss
der Aufheiz- und Graphitierungsphase eine entsprechend lange Abkühlphase
eingehalten werden muss, welche letztlich eine starke Beschränkung der
Produktivität
entsprechender Anlagen darstellt.
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Es
stellt sich somit das Problem, die in Stahlwannen befindliche Koksschüttung mit
den darin enthaltenen Graphitstangen möglichst schnell ohne Beeinträchtigung
der Qualität
der Graphitstangen nach Beendigung des Graphitierungsprozesses zu
entwärmen.
Zudem geht im gegenwärtigen
Herstellungsprozess ein extrem hoher Anteil der in das Verfahren
hineingesteckten elektrischen Heizenergie in Form von aufgeheizter
Luft wieder verloren. Eine zumindest teilweise Rückgewinnung von Wärmeenergie
würde die
Wirtschaftlichkeit des Verfahrens weiter stark verbessern.
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Bei
der bisherigen Problemlösung
wird die Koksaufschüttung
mit den darin enthaltenen Graphitstangen ausschließlich durch
natürliche
Strahlungs- und Konvektionsprozesse gekühlt, wobei insbesondere ein
wesentlicher Anteil der abzuführenden
Wärme über die
obere Koksoberfläche
abgeführt wird,
da die seitlichen Wände über Wärmestrahlung mit
benachbarten Wannen wechselwirken, was eine deutlich verringerte
Kühlleistung
zur Folge hat.
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Ein
direktes Kühlen
der Graphitstangen und der Koksschüttung durch Einleiten geeigneter
Kühlmedien
ist bei diesem Herstellverfahren wegen der hohen Temperaturen nicht
möglich
und/oder nicht wirtschaftlich durchführbar.
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Aus
der
DE 696 11 971
T2 und der
DE
27 31 760 A1 sind Verfahren zur Graphitisierung von Elektroden
aus Kohlenstoff bekannt, was bekanntermaßen durch Erhitzen unter hohem
Energieeinsatz erfolgt.
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Ausgehend
von obigem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, eine
Vorrichtung zu schaffen, mit der die Graphitierung von vorgesinterten Koksstangen
verbessert werden kann und insbesondere die Wirtschaftlichkeit des
Graphitierungprozesses erhöht
wird
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Die
Aufgabe ist erfindungsgemäß durch
die die im Patentanspruch 1 angegebene Vorrichtung gelöst. Weiterbildungen
der Vorrichtung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Vorteilhafterweise
ist es mit der neuen Vorrichtung möglich, insbesondere die Seitenwände – u. U.
aber auch den Boden – der
Graphitierungswanne aktiv zu kühlen,
um so einen größeren Temperaturgradienten
im Koks zu erzeugen und damit die Kühlrate erheblich zu erhöhen. Dazu
werden an den Wänden
der vorhandenen Graphitierungswannen Platten oder vorzugsweise gasdichte
Hohlkörper
aus druck- und temperaturbeständigem
Material, wie beispielsweise Edelstahl, als Wärmetauscher angebracht.
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In
einer ersten Variante können
massive auf niedriger Temperatur befindliche Platten, vorzugsweise
Stahlplatten, an den Wänden
angebracht werden. Durch Wärmeaustausch
mit der Wannenwand erfolgt eine Erniedrigung der Wandtemperatur
bei gleichzeitiger Aufheizung der Platten. Haben die Platten eine
ausreichende Temperatur erreicht, werden sie gegen kalte Platten
ausgetauscht.
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In
einer zweiten Variante werden die Wärmetauscherplatten als Hohlkörper ausgeführt. Dann können weiterhin
Maßnahmen
vorgesehen sein, letztere Hohlkörper
während
der Abkühlperiode
mit einem inerten Gas, wie trockenem Stickstoff oder Edelgasen,
ggf. auch Kohlendioxid (CO2), oder anderen geeigneten
Kühlmedien
zu durchströmen,
um die von den Hohlkörperwänden absorbierte
Wärmeleistung
einem Sekundärkühlsystem
zuzuführen (Zwangskühlung).
Dadurch werden die Wannenwände
auf einem erheblich niedrigerem Temperaturniveau gehalten als dies
mit natürlichen
Methoden (Konvektion, Wärmestrahlung)
allein möglich
ist. Dies führt
zu einem stark erhöhten
Temperaturgradienten im Innern der Koksschüttung, so dass der Wärmestrom
nach außen
deutlich erhöht
und die Abkühlzeit
der Koksschüttung
mit den eingelagerten Graphitstangen erheblich verkürzt wird.
Dadurch verkürzt
sich die Gesamtdauer des Prozesses erheblich, was zu einer deutlichen
Verbesserung der Wirtschaftlichkeit des Verfahrens führt.
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Im
Rahmen der Erfindung kann das aufgeheizte Inertgas dazu verwendet
werden, entweder über
Rekuperatoren/Regeneratoren zur Aufheizung des Einsatzmaterials
nachfolgender Stufen beizutragen oder aber über einen thermodynamischen
Kreisprozess mit einer Wärme-Kraft-Maschine
z. B. elektrische Energie zu erzeugen.
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Wesentlich
ist bei der Erfindung die Erkenntnis, dass es notwendig ist, die
laterale Wärmeabfuhr zu
verbessern, die beim herkömmlichen
Prozess stark beeinträchtigt
ist durch die räumliche
Nähe heißer, eng
benachbarter Graphitierungswannen. Dies erfordert eine aktive Kühlung der
Wannenwände,
wobei besonders gute Effekte erzielt werden, wenn auch der Boden
der Wanne mit entsprechenden gasdichten Hohlkörpern versehen wird, wobei
die Hohlkörper
während
der Aufheiz- und Graphitierungsphase als guter Wärmeisolator und während der
Abkühlphase
als guter Wärmetauscher
fungieren.
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Besonders
vorteilhaft ist bei der neuen Vorrichtung, wenn während der
Graphitierungs- und Aufheizphase ein thermisch schlecht leitendes
Gas in die vorzugsweise verwendeten Hohlkörper gefüllt werden kann, um deren Wärmeabfuhr
nach außen noch
weiter zu verringern. Dadurch lässt
sich auch an dieser Stelle des Prozesses noch Prozessdauer einsparen,
denn die Aufheizzeit wird auf diese Weise verringert. Alternativ
können
die Hohlkörper
evakuiert werden, was zu einer besonders guten Wärmeisolation bezüglich der
Seiten- bzw. Bodenwände führt, wodurch
ebenfalls die Aufheiz- und Graphitierungsphase minimiert werden
und eine maximale Energieeinsparung erzielt wird.
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Weitere
Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden
Figurenbeschreibung von Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung in Verbindung mit den Patentansprüchen. Es
zeigen jeweils perspektivisch
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1 die
Graphitierung von Elektroden nach dem Stand der Technik,
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2 eine
Vorrichtung für
einen verbesserten Prozess zur Graphitierung von Elektroden und
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3 eine
Alternative zu 2.
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Gleiche
Elemente sind in den Figuren mit gleichen bzw. entsprechenden Bezugszeichen
versehen. Die Figuren werden nachfolgend gemeinsam beschrieben.
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In
den 1 bis 3 bedeuten das Bezugszeichen 1 jeweils
eine Graphitierungswanne, wie sie vom Stand der Technik bekannt
ist. Eine solche Graphitierungswanne 1 wird im Wesentlichen von
Stahlplatten mit Boden 2 und seitlichen Wandungen 3 und 4 gebildet,
wobei die Stirnflächen
nicht im Einzelnen dargestellt sind. In die Graphitierungswanne 1 ist
eine Koksschüttung 5 einbringbar.
In Längsrichtung
sind dabei beispielhaft drei zu graphitierende Elektroden 6, 7, 8 in
die Koksschüttung 5 eingebracht.
Die zu graphitierenden Elektroden 6, 7, 8 werden
mit einem Heizstrom I beaufschlagt.
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Die
in den einzelnen Figuren schematisch angedeuteten breiten Pfeile
verdeutlichen Wärmeströme. Dabei
bedeuten die mit S versehenen Pfeile einen jeweils durch Strahlung
erzeugten Wärmestrom,
welche in alle Raumrichtungen verlaufen. Im vorderen Teil der Wanne 1 ist
der mit S und L versehene Pfeil ein kombinierter Strom aus Strahlung
und Wärmeleitung.
Weiterhin können
Wärmeströme auch durch
Konvektion realisiert sein, welche in den Figuren jeweils durch
gebogene Pfeile verdeutlicht und mit K bezeichnet sind.
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Anhand 2 ist
gezeigt, dass in die Seitenwände 3 und 4 einzeln
austauschbare Wärmetauscherplatten 11, 11', ... aus gut
wärmeleitendem
Material eingebracht sind. Sie können
innen oder außen an
den Wannenwänden
angebracht sein.
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Beispielsweise
ist im Boden 2 eine Wärmetauscherplatte 11 und
sind auf jeder Längsseite sechs
Wärmetauscherplatten 11' bis 116' eingeschoben.
Dies hat zur Folge, dass die Wärmeströmung S über Strahlung
verringert wird. D. h., ein größerer Teil des
Wärmestromes
erfolgt über
Wärmeleitung
der Wärmetauscherplatten 11, 11', .... Die Wärmeströme über die
Konvektion der äußeren Atmosphäre sind ebenfalls
erniedrigt, da die Temperatur der Wannenwand niedriger ist.
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Mit
der Anordnung gemäß 2 ist
bereits ein gegenüber
dem Stand der Technik wesentlich verbesserter Graphitierungsprozess
beim Glühen und
Abkühlen
der Stangen gegeben. Es ergeben sich durch Aufnahme von Wärme durch
die Wärmetauscherplatten 11, 11', ... insbesondere
eine Erniedrigung der Wandtemperatur und damit eine Verkürzung des
Produktionsprozesses.
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In 3 ist
die Anordnung gemäß der 2 derart
abgeändert,
dass einzelne oder alle Wärmetauscherplatten 21, 21', doppelwandig
ausgebildet sind und jeweils einen Kühlmitteleinlass 22, 22', ... und einem
Kühlmittelauslass 23, 23', ... haben.
Solche von einem Kühlmittel
durchströmte
doppelwandige Wärmetauscherplatten 21, 21', ... können wiederum
einzelnen in den Boden bzw. die Seitenwände 3, 4 der
Graphitierungswanne 1 eingebracht werden. Dadurch ergibt
sich eine weitere Verstärkung
des Wärmestromes,
was wiederum der Abkühlung
zugute kommt.
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Insgesamt
ist der Graphitierungprozess bei 3 kürzer als
bei 2 und dadurch vorteilhafterweise noch effizienter
als in 2.
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Wie
bereits erwähnt,
bestehen die Wärmetauscherplatten
aus gut wärmeleitenden
Materialien. Als Kühlmittel
kommen entweder strömende
Gase oder strömende
Flüssigkeiten
in Frage. Als Gas können
insbesondere trockener Stickstoff als Inertgas, Edelgase oder aber
auch CO2 verwendet werden. Als flüssige Kühlmittel
werden übliche,
bei den angewandten Temperaturen stabile wärmeabführende Flüssigkeiten verwendet. Gegebenenfalls
können auch
zusätzliche
Mittel zur Evakuierung der doppelwandigen Wärmetauscherplatten 21, 21', ... vorhanden
sein.
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Die
Erfindung wurde speziell zur Herstellung von Graphitelektroden beschrieben.
Mit dem gleichen Verfahren bzw. der gleichen Vorrichtung können auch
andere Gegenstände
aus Graphit, beispielsweise Formteile zur Verwendung bei einem Lichtbogenofen,
kostengünstig
hergestellt werden. Die anhand der 2 und 3 beschriebene
Graphitierungswanne zur Aufnahme von vorgesinterten Formteilen kann
dabei in entsprechender Weise elektrisch beheizt sein. Auch eine
derartige zur Aufnahme von vorgesinterten Formteilen kann dabei
in entsprechender Weise elektrisch beheizt sein. Auch eine derartige
Abwandlung des Verfahrens bzw. der zugehörigen Vorrichtung fällt unter
die Erfindung.
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Zusammenfassend
ist folgendes festzuhalten: Es wird davon ausgegangen, dass speziell
zur Herstellung von Graphitelektroden vorgesinterte Koksstangen
für mehrere
Stunden in einer Koksschüttung
hohen Temperaturen ausgesetzt werden und dass durch Abkühlung eine
Graphitierung der als Stangen ausgebildeten Formteile erfolgt. Bei
einer Graphitierungsvorrichtung mit einer Wanne zur Aufnahme einer
Koksschüttung
sind in der Wanne die zu graphitierenden, vorgesinterten Koksstangen
eingebracht und mit einem Heizstrom beaufschlagbar. Dabei weist
die Graphitierungswanne erfindungsgemäß einzelne separat austauschbare
Wärmeaustauscherplatten
auf, die ggf. doppelwandig zum Durchströmen eines Kühlmittels oder zur Vakuumbeaufschlagung
ausgebildet sind. Mit einer Ausbildung der Graphitierungswanne mit
zwangsgekühlter
Wänden
gemäß der Erfindung
kann zur Verstärkung
der Wärmeabfuhr
aus der Koksschüttung,
die sich um die Stangen befindet, der Temperaturgradient in der
Graphitierungswanne erhöht
werden, womit der Graphitierungsprozess verkürzt wird. Vorzugsweise sind
die Wärmeaustauscherplatten
doppelwandig zum Durchströmen
eines Kühlmittels
oder zur Vakuumbeaufschlagung ausgebildet.