DE102015223692A1

DE102015223692A1 - Backstatusüberwachung einer selbstbackenden Elektrode

Info

Publication number: DE102015223692A1
Application number: DE102015223692.7A
Authority: DE
Inventors: Jörg Thomasberger; Andreas Haaks; Frank Hempen; Krishnan Premanand
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2015-11-30
Filing date: 2015-11-30
Publication date: 2017-06-01
Also published as: WO2017093274A1

Abstract

Selbstbackende Elektrode (1) für einen Schmelz-Reduktionsofen und Verfahren zur Bestimmung des Backstatus einer solchen Elektrode (1), die eine hohlzylindrische Hülle (10), eine darin eingefüllte Elektrodenpaste (20) und eine Kontrolleinrichtung zur Ermittlung des Backstatus der Elektrode (1) aufweist, wobei die Kontrolleinrichtung ein oder mehrere Rohre (40), die in die Elektrodenpaste (20) eingebettet sind und sich in axialer Richtung der Hülle (10) durch die Elektrodenpaste (20) erstrecken, und ein oder mehrere Temperatursensoren (41) aufweist, die über die Rohre (40) ins Innere der Elektrode (1) einbringbar und herausholbar sind.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft eine selbstbackende Elektrode für einen Schmelz-Reduktionsofen und ein Verfahren zur Bestimmung des Backstatus einer solchen Elektrode, die eine hohlzylindrische Hülle und eine darin eingefüllte Elektrodenpaste aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Schmelz-Reduktionsöfen werden zur Herstellung von Ferrolegierungen, zum Erschmelzen von Legierungsbestandteilen oder Zuschlägen verwendet. Der Schmelzvorgang erfolgt dadurch, dass Elektroden in eine Schmelze, die etwa eine Möllerschicht oder Schlacke sein kann, eingetaucht und über Kontaktklemmen mit einem sogenannten Schmelzstrom, beispielsweise bis zu 130 kA, beaufschlagt werden. Die Schmelze wirkt als elektrischer Widerstand, wodurch eine Heizleistung durch den Schmelzstrom entsteht und ein Schmelzvorgang im Ofen stattfindet. Die Leistung des Ofens hängt unter anderem vom Durchmesser der Elektroden ab, zur Steigerung der Leistung werden daher Elektroden mit großem Durchmesser benötigt.
Als Elektroden kommen sogenannte Söderberg-Elektroden, Composite-Elektroden oder Graphit-Elektroden zum Einsatz. Graphit-Elektroden sind vorgebackene Elektroden, deren Durchmesser und damit Leistung sehr begrenzt sind, zudem sind sie teuer. Söderberg- und Composite-Elektroden sind selbstbackende oder selbstbrennende Elektroden, um die es im Weiteren geht. Selbstbackende Elektroden werden unmittelbar vor der Verbrennung gebacken, dazu nutzen sie die Wärme aus der Schmelze und/oder dem Schmelzstrom. Die Composite-Elektrode ist eine Kombination aus einer Söderberg- und einer Graphit-Elektrode, sie setzt sich aus einer vorgebackenen Graphit-Elektrode als Kern und einer Söderberg-Elektrode am Rand zusammen.
Im Folgenden wird der typische Aufbau einer Söderberg-Elektrode mit Bezug auf die 1 beschrieben.
Die Söderberg-Elektrode 1 weist eine zylindrische Hülle 10, auf dem technischen Gebiet auch als Casing bezeichnet, und Söderbergpaste 20 in verschiedenen Zuständen auf. Die Hülle 10 ist ein zylindrisches Metallgefäß, das im Beispiel der 1 mit Lamellen 13, auch als Fins bezeichnet, verstärkt ist. Die Lamellen 13 erstrecken sich von der Hülle 10 sternförmig nach innen. Die Lamellen 13 weisen Öffnungen 14 auf, vorzugsweise mit runden oder abgerundeten Ecken, um höheren Belastungen standzuhalten. Außen steht die Hülle 10 mit Kontaktabschnitten 11, die mit einer Leistungszufuhr 12 verbunden sind, in Kontakt. Darüber wird der Elektrode 1 der Schmelzstrom zugeführt. Die Söderbergpaste 20 besteht üblicherweise aus Anthrazitpulver, Petrolkos und Teer. Die Söderbergpaste 20 kann sowohl in Pellets als auch in Zylinderform verarbeitet werden und nimmt im Verlauf des Backens, auf ihrem Weg durch die Hülle 10, verschiedene Zustände in den Zonen 21 bis 24 an, die im Folgenden beschrieben werden.
Die Söderbergpaste 20 wird in fester Form in der Zone 21, im oberen Bereich der 1 in die Hülle 10 eingebracht. Das Rohmaterial hat dort eine Temperatur von etwa 20 bis 100°C. Anschließend verflüssigt sich die Söderbergpaste 20 in der Zone 22 bei einer Temperatur von etwa 100–400°C. In der Backzone 23 geht die Söderbergpaste 20 bei etwa 400 bis 550°C durch die Hitze der Schmelze 30 vom flüssigen Zustand in einen leitenden Feststoff über. Die Zone 24 der gebackenen Elektrode 1 beginnt bei etwa 550°C.
Da die in die Schmelze 30 eingetauchte Elektrode 1 – sowohl die Hülle 10, als auch die Söderbergpaste 20 – nach und nach verbraucht wird, muss die Elektrode 1 während des Betriebs nachgesetzt werden. Dazu wird die Hülle 10 verlängert, etwa durch Anschweißen eines neuen Blechmantels, ferner wird neue Söderbergpaste 20 oben nachgefüllt. Die Söderberg-Elektrode 1 wird mittels einer nicht dargestellten Nachsetzvorrichtung in den Ofen befördert. Die Rate, mit der die Elektrode 1 nachgesetzt wird, wird als Slippingrate bezeichnet.
Die Söderbergpaste 20 wird zwischen den Kontaktabschnitten 11 gebacken, da andernfalls Probleme mit der Einspeisung des Stroms entstehen können und die hohen Belastungen durch den eingespeisten Strom zum Bruch der Elektrode 1 führen kann. Der Grund liegt vor allem darin, dass die Söderberg-Elektrode 1 erst im gebackenen Zustand leitfähig wird und den Strom in die Schmelze 30 leitet. Ist der Zustand ungebacken, ist die Belastung auf die Elektrode 1 – die Söderbergpaste 20 und die Hülle 10 – groß, und es kann zum Bruch der Elektrode 1 kommen. Aus diesem Grund ist eine Überwachung des Backstatus im Innern der Elektrode 1 wünschenswert, um die optimale Slippingrate einzustellen.
Oft wird der Backstatus einer Söderberg-Elektrode durch die Erfahrung des Mitarbeiters bestimmt. Dieser hat keine Möglichkeit zur Überprüfung der Slippingrate usw.. Es gibt jedoch auch Verfahren zum Messen oder Berechnen des Backstatus, auf zwei dieser Verfahren wird im Folgenden Bezug genommen:
Die DE 2 040 854 A beschreibt ein Verfahren, das auf einer Spannungsmessung in der Elektrode beruht. Ist die Söderberg-Elektrode gebacken, so wird sie elektrisch leitfähig und es lässt sich eine Spannung – die sogenannte Cavigli-Spannung – zwischen der Hülle und einem Stab, der in der Mitte der Elektrode platziert ist, messen. Das Verhältnis zwischen der Spannung und dem Elektrodenstrom – der sogenannte C-Faktor – wird als Maß für den Backstatus der Elektrode angenommen. Eine technische Schwierigkeit besteht darin, dass der Stab zentral gehalten werden muss und die Hülle nicht berühren darf, da sonst kein Spannungsabfall gemessen werden kann. Ferner erlaubt der C-Faktor keine genauen Rückschlüsse auf die Temperaturen und den Temperaturverlauf im Innern der Elektrode.
Ein zweiter Weg zur Bestimmung des Backstatus einer Söderberg-Elektrode nutzt die Simulation. Dabei werden auf der Basis der Finite-Elemente-Methode die Temperaturen der Söderberg-Elektrode theoretisch ermittelt. Fehlende oder ungenaue Angaben, etwa zur Söderbergpaste, Ofenleistung usw., sowie Vereinfachungen im Modell können unter Realbedingungen zu ungenauen Ergebnissen führen.
Darstellung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine selbstbackende Elektrode für einen Schmelz-Reduktionsofen und ein Verfahren zur Bestimmung des Backstatus einer solchen Elektrode anzugeben, mit denen sich die Gefahr eines Elektrodenbruchs verringern lässt.
Gelöst wird die Aufgabe mit einer selbstbackenden Elektrode mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11. Vorteilhafte Weiterbildungen folgen aus den Unteransprüchen, der folgenden Darstellung der Erfindung sowie der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
Die erfindungsgemäße selbstbackende Elektrode ist für einen Schmelz-Reduktionsofen vorgesehen, insbesondere zur Herstellung von Ferrolegierungen. Die Elektrode weist eine hohlzylindrische Hülle und eine darin eingefüllte Elektrodenpaste auf, vorzugsweise ein Gemisch aus Anthrazitpulver, Petrolkoks und Teer. Die Elektrode kann hierbei beispielsweise eine Gesamthöhe von etwa 15 Metern haben. Die Hülle ist vorzugsweise ein zylindrisches Metallgefäß, das beispielsweise einen Durchmesser von 1.800 mm und eine Höhe von 2.500 mm haben kann. Während des Betriebs der Elektrode nimmt die Elektrodenpaste vorzugsweise verschiedene Zuständen in der Hülle ein, die sich wie folgt charakterisieren lassen: Während die Elektrodenpaste in fester Form (etwa als Pellets oder in Zylinderform) in die Hülle eingefüllt wird – das Rohmaterial hat dort etwa eine Temperatur von etwa 20 bis 100°C – verflüssigt sich die Elektrodenpaste mit zunehmender Tiefe, bei einer Temperatur von etwa 100–400°C; anschließend folgt die Backzone, in der die Elektrodenpaste bei etwa 400 bis 550°C durch die Hitze der Schmelze gebacken wird und vom flüssigen Zustand in einen leitenden Feststoff übergeht. Auch wenn die Elektrodenpaste im Laufe des Prozesses verschiedene Zustände durchläuft (fest, flüssig, gebacken) und somit der Zustand nicht immer pastös, fließfähig oder streichfest ist, wird sie der Einfachheit halber in all ihren Zuständen als Elektrodenpaste bezeichnet. Die Elektrode leitet den sogenannten Schmelzstrom in das zu schmelzende Produkt. Zu diesem Zweck stehen vorzugsweise ein oder mehrere Kontaktabschnitte oder Kontaktklemmen mit der Hülle in elektrisch leitendem Kontakt.
Erfindungsgemäß ist eine Kontrolleinrichtung zur Ermittlung des Backstatus der Elektrode vorgesehen. Die Kontrolleinrichtung weist ein oder mehrere Rohre auf, die in die Elektrodenpaste eingebettet sind und sich in axialer Richtung der Hülle durch die Elektrodenpaste erstrecken. Sie erstrecken sich vorzugsweise parallel zur Zylinderachse der Hülle. Ferner durchdringen sie vorzugsweise mehrere Zonen oder Zustände der Elektrodenpaste, insbesondere reichen die Rohre wenigstens bis in die oben dargelegte Backzone. Vorzugsweise durchdringen die Rohre die Elektrodenpaste in Längsrichtung der Elektrode vollständig. Ferner weist die Kontrolleinrichtung ein oder mehrere Temperatursensoren auf, die in den Rohren ins Innere der Elektrode, vorzugsweise wenigstens bis zur Backzone, einbringbar und herausholbar sind. Ein kreisförmiger Querschnitt der Rohre ist bevorzugt, allerdings nicht unbedingt erforderlich, solange sie zur Aufnahme und zum Führen der entsprechenden Temperatursensoren geeignet sind.
Durch die Rohr/Sensor-Konstruktion lässt sich die Temperatur im Inneren der Elektrode direkt und präzise, schnell, ohne Beschädigung der Temperatursensoren und in unterschiedlichen Höhen bestimmen. Somit lässt sich der Backstatus der Elektrode präzise ermitteln. Dies wiederum ist nützlich zur Optimierung der Nachsetzrate, um die Bruchgefahr der Elektrode zu vermindern. Die konkrete Nachsetzrate hängt unter anderem von dem Durchmesser und der chemischen Zusammensetzung der Elektrodenpaste, sowie dem Schmelzstrom ab. Typische Werte für die Nachsetzrate liegen im Bereich von 60 bis 90 cm/Tag. Ferner lässt sich eine herkömmliche selbstbackende Elektrode mit der Rohr/Sensor-Konstruktion einfach und ohne erheblichen Aufwand nachrüsten. Das oder die Rohre werden, wie die Hülle, im Schmelzofen mitgeschmolzen, sie verunreinigen den Prozess kaum. Wenn im Verlauf des Abbrennens der Elektrode die Hülle verlängert wird, etwa eine weitere Hülle angeschweißt wird, muss lediglich ein weiterer Arbeitsschritt vorgenommen werden, d.h. die Verlängerung und Befestigung der Rohre, etwa durch Anschweißen oder Aufstecken. Wird eine neue Hülle auf die alte gesetzt, werden die Sensoren vorzugsweise zuvor aus den Rohren herausgenommen, etwa mittels zugeordneter Motoren hochgefahren, anschließend können Hülle und Rohre verlängert werden.
Vorzugsweise sind genau zwei Rohre in unterschiedlichen radialen Abständen bezüglich des Hüllenmantels, d.h. der zylindrischen Wand der Hülle, vorgesehen. Um eine Verbesserung der Ermittlung des Backstatus herbeizuführen, ist es von Vorteil, wenn eine Temperaturverteilung sowohl entlang der axialen Richtung der Elektrode als auch radial ermittelt wird. Zwei Rohre mit unterschiedlichem Abstand vom Mantel der Hülle reichen für diesen Zweck in vielen Fällen aus.
Vorzugsweise sind die Rohre an der Hülle befestigt. Die Befestigung kann am Hüllenmantel und/oder an Lamellen der Hülle vorgenommen werden. Lamellen, die sich vom Mantel radial nach innen erstrecken, verstärken die Hülle. Die Lamellen weisen vorzugsweise Löcher auf, die abgerundet sein sollten, um die Belastbarkeit der Lamellen zu verbessern. Vorzugsweise ist wenigstens ein Rohr an einer Lamelle befestigt, vorzugsweise am Endbereich, radial einwärts gesehen. Denn so dienen die Lamellen nicht ausschließlich der Verstärkung der Hülle, sondern stellen auf synergetische Weise eine bequeme Möglichkeit bereit, ein oder mehrere Rohre im Inneren (in radialer Richtung gesehen) der Elektrode zu platzieren und sicher zu befestigen.
Vorzugsweise sind die Rohre mittels elektrisch isolierter Mittel, vorzugsweise mittels elektrisch isolierter Rohrschellen, an der Hülle befestigt sind. So wird eine elektrisch leitende Verbindung zwischen den Rohren und der Hülle unterbunden.
Vorzugsweise weist die Kontrolleinrichtung ferner einen oder mehrere Motoren, vorzugsweise Schrittmotoren, auf, mittels der die Temperatursensoren in den Rohren verfahrbar sind. So werden etwa im Verlauf der Backstatusermittlung ein oder mehrere Sensoren in den Rohren herabgelassen, um zum Beispiel in einer Tiefe von 10 bis 15 Metern Temperaturen im Bereich von 100 bis 700°C zu messen. Vorzugsweise ist jedem Temperatursensor genau ein Motor zugeordnet. Werden zu diesem Zweck Schrittmotoren eingesetzt, dann lässt sich auf einfache Weise eine genaue Schrittweite – zum Beispiel 2 cm – zur Messung des Temperaturverlaufs an verschiedenen Höhen einstellen. Mithilfe eines solchen Temperaturverlaufs lässt sich der Backstatus im Inneren der Elektrode genau bestimmen und gegebenenfalls grafisch darstellen.
Vorzugsweise sind Temperatursensoren jeweils mit einem Faden und/oder einem Draht und/oder einer dünnen Stange verbunden, worüber diese auf technisch einfache Weise in den Rohren verfahrbar sind.
Vorzugsweise sind zusätzlich zur Rohr/Sensor-Konstruktion Mittel zur Bestimmung und Auswertung der Cavigli-Spannung vorgesehen, vorzugsweise eines Spannungsabfalls zwischen dem Mantel der Hülle und einem oder mehreren Rohren. Damit lassen sich die über die Temperatursensoren gemessenen Werte verifizieren und die Bruchgefahr der Elektrode weiter verringern.
Vorzugsweise ist die selbstbackende Elektrode eine Söderberg-Elektrode oder eine Composite-Elektrode, die eine Kombination aus einer Söderberg- und einer vorgebackenen Graphit-Elektrode ist. Die Elektrode leitet den Schmelzstrom in das zu schmelzende Produkt. Dabei kann die Elektrode einen Strom von beispielsweise mehr als 130 kA leiten. Wie groß der maximal zu leitende Strom ist, bestimmt sich unter anderem anhand des Durchmessers der Elektrode. Aus diesem Grund eignen sich die Söderberg-Elektrode und die Composite-Elektrode besonders gut für die dargelegte Rohr/Sensor-Konstruktion und das dargelegte Verfahren, im Vergleich etwa zur vorgebackenen Graphit-Elektrode. Die Söderberg-Elektrode ist günstig und deren Durchmesser lässt sich nahezu unbegrenzt vergrößern. So werden die Grenzen des maximalen Schmelzstroms erst spät erreicht.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst zumindest folgendes: Einbringen wenigstens eines Temperatursensors in ein Rohr; Aufnehmen eines oder mehrerer Temperaturmesswerte; Auswerten der Temperaturmesswerte zur Bestimmung des Backstatus der Elektrode.
Wird nun mithilfe eines Sensors in der Backzone eine Temperatur von beispielsweise 700°C gemessen, so ist die Elektrode – gemäß diesem sehr einfachen Auswertungsschema – in der Backzone gebacken und kann nachgesetzt werden. Die Auswertung der gemessenen Temperaturwerte erfolgt jedoch vorzugsweise mithilfe eines Computers, insbesondere einer entsprechend ausgelegten Software, die eine Temperaturverteilung im Inneren der Elektrode berücksichtigt. Zu diesem Zweck könnten die aufgenommenen Messwerte elektronisch bearbeitet und grafisch aufbereitet werden.
Vorzugsweise werden ein oder mehrere Sensoren in eine Tiefe eingebracht, in der Temperaturen im Bereich von 100 bis 700°C, vorzugsweise 400 bis 550°C, herrschen.
Vorzugsweise werden mehrere Temperaturmesswerte mit einem Temperatursensor aufgenommen und wird der Temperatursensor im Rohr verfahren, vorzugsweise mittels eines Schrittmotors und/oder vorzugsweise mit einer konstanten Schrittlänge, so dass eine Temperaturverteilung entlang der Erstreckungsrichtung des Rohrs erhalten wird.
Vorzugsweise wird zur Bestimmung des Backstatus der Elektrode ferner die Cavigli-Spannung gemessen, vorzugsweise ein Spannungsabfalls zwischen dem Mantel der Hülle und einem oder mehreren Rohren.
Es wurde oben dargelegt, dass das Gehäuse wie die Elektrodenpaste während des Schmelzprozesses im Ofen verbraucht werden. Aus diesem Grund werden eine neue Hülle und neue Rohre oben nachgesetzt, vorzugsweise aufgesteckt und/oder verschweißt, um ein kontinuierliches Abbrennen der Elektrode zu gewährleisten. Dabei kann es wichtig sein, dass die Verbindungsabschnitte, etwa die Schweißnähte, sauber und dicht erstellt werden, insbesondere bei der Verwendung von Lamellen, da jede einzelne Lamelle extremen Belastungen standhalten muss. Nach dem Schweißen kann das Abschleifen und Glätten der Nähte ein wichtiger Arbeitsschritt sein, um keine Beschädigungen an den Kontaktklemmen zu verursachen und so einen guten Übergang des Schmelzstroms zu gewährleisten.
Wenngleich die Erfindung besonders bevorzugt im technischen Umfeld der Herstellung von Ferrolegierungen zum Einsatz kommt, kann die Erfindung auch in anderen Bereichen umgesetzt werden, speziell seien genannt das elektrochemische Schmelzen von Aluminium, Silicium und Calciumcarbid. Ferner ist die hier dargelegte Elektrode nicht auf Konzepte gemäß einer Söderberg-Elektrode oder Composite-Elektrode beschränkt, denn die Rohr/Sensor-Konstruktion sowie das dargelegte Verfahren lassen sich für selbstbackende Elektroden verschiedener Art anwenden, bei denen eine Backstatusüberwachung erforderlich oder nützlich ist. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung sind aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele ersichtlich. Die dort beschriebenen Merkmale können alleinstehend oder in Kombination mit einem oder mehreren der oben dargelegten Merkmale umgesetzt werden, insofern sich die Merkmale nicht widersprechen. Die folgende Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele erfolgt dabei unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die 1 zeigt schematische eine Söderberg-Elektrode im Betrieb, eingetaucht in eine Schmelze.
Die 2 zeigt schematische eine selbstbackende Elektrode – teilweise aufgeschnitten – mit integrierten Rohren für Temperatursensoren.
Die 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine selbstbackende Elektrode gemäß der 2.
Die 4 zeigt ein Blockdiagramm für einen beispielhaften Weg zur Ermittlung des Backzustands im Inneren einer selbstbackenden Elektrode.
Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei sind gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholende Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
Die 2 zeigt schematische eine selbstbackende Elektrode 1, teilweise aufgeschnitten. Die selbstbackende Elektrode kann beispielsweise eine Söderberg-Elektrode, ähnlich der der 1, oder eine Composite-Elektrode sein.
Aus der 2 geht die Hülle 10 mit den Lamellen 13 hervor. Die Lamellen 13 weisen Öffnungen 14 auf und erstrecken sich zur Stabilisierung der Hülle 10 ausgehend vom Hüllenmantel sternförmig nach innen. Besonders deutlich geht der Aufbau der Hülle 10 und die Form und Lage der Lamellen 13 aus der 3 hervor, welche die Elektrode 1 im Querschnitt zeigt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind die Kontaktabschnitte 11 und die Leistungszufuhr 12 weggelassen.
Im Unterschied zu der herkömmlichen Söderberg-Elektrode 1 der 1 sind im Ausführungsbeispiel der 2 und 3 Rohre 40 im Inneren der Elektrode 1, eingebettet in die Elektrodenpaste 20 vorgesehen. Diese Rohre 40 dienen der Führung von Temperatursensoren 41, die etwa als Thermoelemente ausgeführt sein können. Konkret sind im vorliegenden Beispiel 2 Rohre 40 vorgesehen, eines befindet sich unmittelbar am Mantel der Hülle 10, ein anderes befindet sich am radial inneren Ende einer Lamelle 13, beide erstrecken sich parallel zur axialen Richtung der Hülle 10. Vorzugsweise sind die Rohre 40 an der Hülle 10 und/oder einer oder mehreren Lamellen 13 befestigt. Beispielsweise können die Rohre 40 mittels isolierten Rohrschellen (nicht dargestellt) mit der Hülle 10 bzw. den Lamellen 13 verbunden werden, sodass keine elektrisch leitende Verbindung mit der Hülle 10 bzw. den Lamellen 13 besteht. Es sei darauf hingewiesen, dass bereits mit einem einzigen Rohr 40 und einem einzigen Sensor 41 eine Verbesserung der Backstatusüberwachung erreicht werden kann. Vorzugsweise sind jedoch genau zwei Rohre 40 und zwei Sensoren 41, an unterschiedlichen radialen Positionen vorgesehen. Ferner können mehr als zwei Rohre 40 mit entsprechenden Temperatursensoren 41 vorgesehen sein, um die Backstatusüberwachung weiter zu verbessern. Die Rohre 40 werden wie die Hülle 10 im Schmelzofen mitgeschmolzen, sie verunreinigen den Prozess kaum.
In den Rohren 40 sind die Temperatursensoren 41 in Längsrichtung der Elektrode 1 verfahrbar, wodurch sich eine Temperaturverteilung ermitteln lässt. Beispielsweise können die Sensoren 41 in den Rohren 40 herabgelassen werden, um in 10 bis 15 Metern Tiefe die Temperaturen – etwa 100 bis 700°C – zu messen. Die Sensoren 41 können beispielsweise über Fäden 43 mittels eines oder mehrerer Motoren 42 und/oder Winden herabgelassen und hochgezogen werden. Vorzugsweise werden ein oder mehrere Schrittmotoren 42 eingesetzt, da somit eine genaue Schrittweite eingestellt und die Sensoren 41 präzise positioniert werden können. Zur Messung des Temperaturverlaufs in Längsrichtung der Elektrode 1 wird etwa mithilfe der Schrittweite des Motors 42 – beispielsweise 2 cm – die Temperatur in verschiedenen Höhen des Rohrs 40 gemessen und so eine Verteilung bestimmt. So können beispielsweise auf fünf Meter 250 Temperaturwerte erfasst werden. Der mit den gemessenen Temperaturwerten bestimmte Temperaturverlauf kann händisch oder elektronisch ausgewertet und grafisch dargestellt werden. Wird nun mithilfe der Sensoren 41 in der Backzone eine Temperatur von beispielsweise 700°C gemessen, so ist die Elektrode 1 in diesem Bereich gebacken und kann nachgesetzt werden. So lässt sich die Bruchgefahr der Elektrode 1 erheblich reduzieren.
Die Rohre 40 und die darin verfahrbaren Sensoren 41 sind Bestandteile der Kontrolleinrichtung zur Überwachung des Backstatus. Die Kontrolleinrichtung umfasst im vorliegenden Beispiel ferner die oben genannten Motoren 42, ggf. Winden sowie die Fäden 43. Um den Wärmeübertrag zwischen der Innenwand des Rohrs 40 und dem Sensor 41 zu verbessern, können ein oder mehrere Schleifkontakte und/oder Federklemmen (nicht dargestellt) als Teil der Kontrolleinrichtung vorgesehen sein, die einen zuverlässigen Kontakt zur Rohrinnenwand herstellen.
Wird im Verlauf des Betriebs und im Rahmen des Nachsetzens der Elektrode eine neue Hülle 10 auf die alte gesetzt, werden die Sensoren 41 hochgefahren und aus dem Rohr 40 entfernt. So können die Rohre 40 verlängert werden, und die neue Hülle 10 kann auf die alte gesetzt werden. Der Zusatzaufwand und die zusätzliche Arbeit zur Anpassung der Rohre 40 während des Nachsetzens sind sehr gering. Denn beim Anschweißen der neuen Hülle 10 muss lediglich ein weiterer Arbeitsschritt vorgenommen werden, nämlich das Anschweißen und/oder Aufstecken des Rohrs 40. Die konkrete Nachsetzrate hängt unter anderem von dem Durchmesser der Elektrode 1 und der chemischen Zusammensetzung der Elektrodenpaste 20, sowie dem Schmelzstrom ab. Typische Werte für die Nachsetzrate liegen im Bereich von 60 bis 90 cm/Tag.
Vorzugsweise wird neben der Temperaturmessung die Cavigli-Spannung zur Verifizierung der gemessenen Temperaturen ermittelt und aufgezeichnet. Dabei wird beispielsweise der Spannungsabfall von einem Rohr 40, beispielsweise dem am weitest innenliegenden Rohr 40, zur Außenwand der Hülle 10 gemessen und ausgewertet.
Die 4 zeigt ein Blockdiagramm für einen beispielhaften Weg zur Ermittlung des Backzustands im Inneren einer selbstbackenden Elektrode 1. Konkret erfolgt die Bestimmung mithilfe ein oder mehrerer Temperaturmessungen über die Sensoren 41. Dabei wird vorzugsweise der Temperaturverlauf im Innern der Elektrode 1 entlang einer oder mehrerer Raumrichtungen bestimmt. Gemäß dem Beispiel der 4 werden zwei Temperatursensoren 41 sowie zwei Schrittmotoren 42 verwendet. Die Temperatursensoren 41 halten vorzugsweise einer Temperatur von mindestens 1000 °C stand und besitzen in diesem Bereich vorzugsweise eine Temperaturabweichung von unter 1%.
Die gemessenen Temperaturen unterstützen die Bedienperson oder eine automatische Einrichtung, die optimale Slippingrate der Elektrode 1 zu bestimmen. Die Auswertung der gemessenen Temperaturwerte erfolgt beispielsweise mithilfe eines Computers, insbesondere einer entsprechend ausgelegten Software, die dann Bestandteil der Kontrolleinrichtung sind. Zu diesem Zweck können die aufgenommenen Messwerte elektronisch bearbeitet und grafisch aufbereitet werden.
Über die dargelegte Rohr/Sensor-Konstruktion lässt sich die Temperatur im Inneren der Elektrode direkt und präzise, schnell, ohne Beschädigung der Temperatursensoren und in unterschiedlichen Höhen bestimmen. Somit lässt sich der Backstatus der Elektrode präzise ermitteln. Dies wiederum ist nützlich zur Optimierung der Nachsetzrate, um die Bruchgefahr der Elektrode zu vermindern. Insbesondere lassen sich mittels der hier dargestellten Technologie mehr Informationen als über die bisher verwendeten Techniken ermitteln. Die Erweiterung oder Aufrüstung herkömmlicher selbstbackender Elektroden ist unproblematisch, insbesondere ist kein Produktionsabbruch im Werk erforderlich. Ferner ist die beschriebene Elektrode nicht auf Konzepte gemäß einer Söderberg-Elektrode oder Composite-Elektrode beschränkt, denn die Rohr/Sensor-Konstruktion sowie das entsprechende Verfahren lassen sich für selbstbackende Elektroden verschiedener Art anwenden, bei denen eine Backstatusüberwachung erforderlich oder nützlich ist.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: selbstbackende Elektrode/Söderberg-Elektrode
10: Hülle
11: Kontaktabschnitt
12: Leistungszufuhr
13: Lamellen
14: Öffnungen in den Lamellen
20: Söderbergpaste/Elektrodenpaste
21–24: Zonen im Inneren der Elektrode
30: Schmelze
40: Rohr
41: Temperatursensor
42: Motor/Winde
43: Faden

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 2040854 A [0009]

Claims

Selbstbackende Elektrode (1) für einen Schmelz-Reduktionsofen, die eine hohlzylindrische Hülle (10), eine darin eingefüllte Elektrodenpaste (20) und eine Kontrolleinrichtung zur Ermittlung des Backstatus der Elektrode (1) aufweist, wobei die Kontrolleinrichtung ein oder mehrere Rohre (40), die in die Elektrodenpaste (20) eingebettet sind und sich in axialer Richtung der Hülle (10) durch die Elektrodenpaste (20) erstrecken, und ein oder mehrere Temperatursensoren (41) aufweist, die über die Rohre (40) ins Innere der Elektrode (1) einbringbar und herausholbar sind.
Selbstbackende Elektrode (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Rohre (40) in unterschiedlichen radialen Abständen zur Hülle (10) vorgesehen sind.
Selbstbackende Elektrode (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (40) an der Hülle (10) befestigt sind.
Selbstbackende Elektrode (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülle (10) mehrere Lamellen (13) aufweist, die sich vom Hüllenmantel radial nach innen erstrecken, wobei wenigstens ein Rohr (40) an einer Lamelle (13) befestigt ist, vorzugsweise am Endbereich, radial einwärts gesehen.
Selbstbackende Elektrode (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohre (40) mittels elektrisch isolierter Mittel, vorzugsweise mittels elektrisch isolierter Rohrschellen, an der Hülle (10) befestigt sind.
Selbstbackende Elektrode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrolleinrichtung ferner einen oder mehrere Motoren (42), vorzugsweise Schrittmotoren, aufweist, mittels der die Temperatursensoren (41) in den Rohren (40) verfahrbar sind.
Selbstbackende Elektrode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatursensoren (41) jeweils mit einem Faden (43) und/oder einem Draht und/oder einer dünnen Stange verbunden sind, worüber diese in den Rohren (40) verfahrbar sind.
Selbstbackende Elektrode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontrollvorrichtung ferner eine elektronische Einrichtung zur Steuerung der Temperaturmessung und Auswertung der Messwerte aufweist.
Selbstbackende Elektrode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Bestimmung und Auswertung der Cavigli-Spannung vorgesehen sind, vorzugsweise eines Spannungsabfalls zwischen dem Mantel der Hülle (10) und einem oder mehreren Rohren (40).
Selbstbackende Elektrode (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Söderberg-Elektrode oder Composite-Elektrode ist, die eine Kombination aus einer Söderberg- und einer vorgebackenen Graphit-Elektrode ist.
Verfahren zur Bestimmung des Backstatus einer selbstbackenden Elektrode (1) für einen Schmelz-Reduktionsofen, die eine hohlzylindrische Hülle (10), eine darin eingefüllte Elektrodenpaste (20) und eine Kontrolleinrichtung zur Ermittlung des Backstatus der Elektrode (1) aufweist, wobei die Kontrolleinrichtung ein oder mehrere Rohre (40), die in die Elektrodenpaste (20) eingebettet sind und sich in axialer Richtung der Hülle (10) durch die Elektrodenpaste (20) erstrecken, und ein oder mehrere Temperatursensoren (41) aufweist, wobei das Verfahren umfasst: – Einbringen wenigstens eines Temperatursensors (41) in ein Rohr (40); – Aufnehmen eines oder mehrerer Temperaturmesswerte; – Auswerten der Temperaturmesswerte zur Bestimmung des Backstatus der Elektrode (1).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere der Temperatursensoren (41) in eine Tiefe eingebracht werden, in der Temperaturen im Bereich von 100 bis 700°C, vorzugsweise 400 bis 550°C, herrschen.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Temperaturmesswerte mit einem Temperatursensor (41) aufgenommen werden und der Temperatursensor (41) dazu im Rohr (40) verfahren wird, vorzugsweise mittels eines Schrittmotors (42) und/oder vorzugsweise mit einer konstanten Schrittlänge, so dass eine Temperaturverteilung entlang der Erstreckungsrichtung des Rohrs (40) erhalten wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass genau zwei Rohre (40) in unterschiedlichen radialen Abständen zur Hülle (10) vorgesehen sind und die Rohre (40) an der Hülle (10) befestigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Backstatus der Elektrode (1) ferner die Cavigli-Spannung gemessen wird, vorzugsweise ein Spannungsabfall zwischen dem Mantel der Hülle (10) und einem oder mehreren Rohren (40).
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass während eines Nachsetzens der Elektrode (1) ein oder mehrere neue Rohre (40) aufgesteckt oder verschweißt werden.