DE102008025533B3 - Vorrichtung zur Herstellung von Graphitgegenständen, insbesondere Graphitelektroden - Google Patents

Abstract

Zur Herstellung von Graphitelektroden werden üblicherweise vorgesinterte Koksstangen, die sich in einer Koksschüttung befinden, für mehrere Stunden hohen Temperaturen ausgesetzt. Nach Abschluss des Graphitierungsprozesses müssen die Stangen und die Koksschüttung abkühlen. Gemäß der Erfindung wird zur Verstärkung der Wärmeabfuhr aus den Koksschüttungen der Temperaturgradient durch Verwendung zwangsgekühlter Wände in der Graphitierungswanne erhöht, womit der gesamte Graphitierungsprozess verkürzt wird. Bei einer zugehörigen Vorrichtung mit einer Wanne (1) zur Aufnahme einer Koksschüttung (2) sind in der Wanne (1) die zu graphitierenden vorgesinterten Koksstangen (6, 7, 8) eingebracht und mit einem Heizstrom beaufschlagbar, wobei die Graphitierungswanne (1) einzelne separat austauschbare Wärmeaustauscherplatten aufweist, die ggf. doppelwandig zum Durchströmen eines Kühlmittels (11, 11', ...; 21, 21', ...) oder zur Vakuumbeaufschlagung ausgebildet sind.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Graphitgegenständen, insbesondere Graphitelektroden, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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
• Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die die im Patentanspruch 1 angegebene Vorrichtung gelöst. Weiterbildungen der Vorrichtung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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
• 1 die Graphitierung von Elektroden nach dem Stand der Technik,
• 2 eine Vorrichtung für einen verbesserten Prozess zur Graphitierung von Elektroden und
• 3 eine Alternative zu 2.
• Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen bzw. entsprechenden Bezugszeichen versehen. Die Figuren werden nachfolgend gemeinsam beschrieben.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• 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.
• Insgesamt ist der Graphitierungprozess bei 3 kürzer als bei 2 und dadurch vorteilhafterweise noch effizienter als in 2.
• 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.
• 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.
• 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.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Herstellung von Graphitgegenständen, insbesondere Graphitelektroden, mit einer Graphitierungswanne zur Aufnahme wenigstens einer vorgesinterten Koksstange innerhalb einer Koksaufschüttung bei hohen Temperaturen, um bei den hohen Temperaturen eine Umwandlung der wenigstens einen vorgesinterten Koksstange in Graphit zu bewirken, und mit Mitteln zur Abkühlung der wenigstens einen graphitierten Koksstange, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine seitliche Wandung (3, 4) der Graphitierungswanne (1) einzelne, separat austauschbare Wärmetauscherplatten (11, 21) aufweist, die zur Erhöhung der Wärmeabfuhr aus der Graphitierungswanne (1) nach der Umwandlung von Koks in Graphit dienen.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide seitliche Wandungen (3, 4) der Graphitierungswanne (1) Wärmetauscherplatten (11, 21) aufweisen.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (2) der Graphitierungswanne (1) als eine Wärmetauscherplatte (11, 21) ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten als Hohlkörper (21) ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (11, 21) aus gut wärmeleitendem Material, vorzugsweise Edelstahl, bestehen.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmetauscherplatten (21) einen Einlass (22) und einen Auslass (23) für ein strömendes Kühlmittel (25) aufweisen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als Wärmetauscherplatten ausgebildeten Hohlkörper (21) vakuumdicht sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Mittel zur Evakuierung der doppelwandigen, als Hohlkörper ausgebildeten Wärmetauscherplatten (21).