DE2364107A1 - Durch direkte elektrische heizung nach dem widerstandsprinzip betriebene ofenanlage, insbesondere zur herstellung von siliciumcarbid - Google Patents

Description

Es 7502 ■ München, den Γ?.12.1973

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Eloktrosdinielzwerk Kempteu

G.m.b.H.

Durch direkte elektrische Heizung nach dem Widerstandsprinzip betriebene Ofenanlage, insbesondere zur Herstellung von Siliciumcarbid. (I)

Die Herstellung von technischem Siliciumcarbid erfolgt nach dem bereits ursprünglich von Acheson ausgearbeiteten diskontinuierlichen Verfahren im elektrischen Widerstandsofen. Der chargenweise Betrieb und der fast ausschließliche Einsatz eines Widerstandsofens an Stelle eines Lichtbogenofens sind durch die Natur des Siliciumcarbids, das bei normalem Druck nicht schmilzt, sondern über 2500⁰C sublimiert und dissoziiert ,sowie durch die beabsichtigte Verwendung bedingt.

Derartige Widerstandsöfen^die in gleicher Weise auch zur Herstellung von beispielsweise Elektrographit verwendet werden können, sind im aligemeinen rechteckig, oben offen und bis zu 20m lang. Der Boden und die festen Stirnwände sind aus feuerfesten Steinen gemauert, während die Seitenwände abnehmbar sind. Die Stromzuführung erfolgt durch in die Stirnwände eingebaute Elektroden, die aus einem Paket rechteckiger Kohlestäbe bestehen, die von der Stirnwand aus in den Ofen hineinragen. Zwischen den Kohlen angeordnete Kupferlamellen^die mit einer gemeinsamen Kupferplatte verbunden sind, dienen zum Stromanschluß? Die Schüttung oder der Möller besteht aus einer Mischung von körnigem Koks und Quarzsand und Zuschlägen wie Sägemehl und Kochsalz, in die der Widerstandskern aus gekörntem Koks waagrecht zwischen den beiden Stirnwänden eingelegt ist, der noch eine Seele aus weitgehend graphitiertem Koks enthält· Zur Verbesserung des Stromübergangs wird zwischen Widerstandskern und Elektroden Koks-oder Graphitpulver eingebracht. Durch Stromzufuhr wird im Temperaturbereich von I5OO⁰ bis 2500⁰C eine Siliciumcarbidschicht um den Kokskern

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gebildet, was allgemein als Siliciumcarbidwalze bezeichnet wird.

Da während der Reaktion das Volumen der Mischung abnimmt, besteh}: bei Öfen dieser Bauart die Gefahr, daß der Stromkontakt abreissen kann, wodurch sich im Inneren des Ofens Lichtbogen ausbilden, die zu lokalen Überhitzungen führen und den Ofengang ungünstig beeinflussen. Da außerdem aus wirtschaftlichen Gründen heute der Einsatz von öfen mit großen Dimensionen bevorzugt ist, was aber gleichzeitig mit einer hohen Strombelastung derselben verbunden ist, stellt das durch die Volumenverminderung bedingte Absinken der Siliciumcarbidwalze_/ die häufig an der Innenseite ' der Ofenköpfe anwächst, van die Materialeigenschaften, insbesondere der Stirnwände und der darin einge-. lassenen Elektroden außergewöhnlich hohe Anforderungen, die nur mit großem Aufwand erfüllbar sind. Derartige Ofenköpfe sind daher durch die thermische und mechanische Beanspruchung einem ungewöhnlich hohen Verschleiß ausgesetzt, sodaß sie praktisch nach jedem Ofengang ausgebessert werden müssen. Nahezu untragbar werden diese Verschleißerscheinungen indessen dann, wenn durch sie ein Abbruch der Ofenreise erzwungen wird.

Diese Nachteile werden erfindungsgemäß durch eine neuartige Anordnung der Elektroden in einem Widerstandsofen behoben, die darüberhinaus eine Vereinfachung der gesamten Ofenanlage und/ oder den Einsatz von weniger widerstansfähigem Elektrodenmaterial ermöglicht.

Die erfindungsgemäße, durch direkte elektrische Heizung nach Widerstandsprinzip betriebene Ofenanlage,· insbesondere zur Herstellung von Siliciumcarbid aus Kieselsäure und Kohlenstoff im absatzweisen Betrieb, wobei die Stromzufuhr mittels Elektroden durch einen Widerstanskern aus Kohlenstoff erfolgt, der waagrecht in den Möller aus einer Mischung von körnigem Koks, Quarzsand und Zuschlagen eingelagert ist, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden als Bodenelektroden angeordnet sind, die mit dem Widerstandskern durch ein elektrisch leitfähiges Material verbunden sind, wobei diese Verbindung nicht als Bestandteil des Wlderstanskerns ausgebildet ist ^un(i . eine höhere

elektrische Leitfähigkeit als dieser aufweist.

In der erfindungsgemäßen Ofenanlage sind die Bodenelektroden mit[ihren Kontaktflächen ganz oder teilweise unter, auf oder über dem Ofenboden angeordnet. Der Ofenboden, worunter die Aufliegefläche des Möllers zu verstehen ist, befindet sich vorteilhaft in gleicher Ebene mit dem Geländeniveau. Vorzugsweise werden die Elektroden so gelegt, daß sich ihre Kontaktflächen in der gleichen Ebene wie das Geländeniveau oder bis zu etwa 10 cm unter demselben befinden, wodurch mechanische Beschädigungen beim Ofenabbau ausgeschlossen werden. Die Stromzufuhr erfolgt durch Anschluß an unter Flur geführte Stromleitungen.

Die Verbindung zwischen den Bodenelektroden und dem Widerstandskern wird durch ein elektrisch leitfähiges Material hergestellt, wozu vorzugsweise ein Material mit höherer spezifischer Leitfähigkeit als das Kernmaterial verwendet wird. Die höhere elektrische Leitfähigkeit der Verbindung im Vergleich zum Kern kann Jedoch auch durch eine Vergrößerung des Querschnitts der Verbindung gegenüber dem Kernquerschnitt erreicht werden. Entscheidend ist hierbei nur, daß die in der Verbindung auftretende Stromwärme praktisch nicht mehr für die SiC-Bildung ausreicht, sodaß dieses bevorzugt um den Kern gebildet wird. Diese Verbindung kann entweder aus einer senkrecht auf die Elektroden aufgebrachten Schüttung aus Koks und/oder Graphit, vorzugsweise aus gestampftem Koks und/oder Graphit oder aus einem auf die Elektroden aufgebrachten kompakten Material bestehen, wobei es nicht unbedingt erforderlich ist, das Kompaktmaterial senkrecht auf die Elektroden aufzubringen. Als Kompaktmaterial, das den definierten Bedingungen hinsichtlich der elektrischen Leitfähigkeit genügt, können beispielsweise keramische Werkstoffe mit Graphiteinlagerungen, Metalle oder Metallegierungen, deren Schmelzpunkte oberhalb der Reaktionstemperaturen liegen oder Stampfmassen aus Kohle-und/oder Graphit, die mit einem Bindemittel, wie Pech, verfestigt und ggf. verkokt worden sind, verwendet werden.

Der Abstand zwischen dem Widerstandskern und den Bodenelektroden und damit die hierzu in Relation stehende Mindesthöhe der Verbindung wird vorteilhaft so bemessen,daß die während der Ofen-

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reise wachsende Walze durch die Volumenvermiiidsrung des Möllers" nicht bis zur Berührung des Ofenbodens und/oder der Elektrodenkontaktflachen absinken und dort anwachsen kann, wobei die gewünschte Größe der Walze von der Ofengröße und der eingefahrenen Energiemenge abhängig ist.

Der für die Reaktion notwendige Möller kann über den Bodenelektroden und dem Widerstandskern seinem natürlichen Schüttkegel entsprechend geschüttet v/erden und die Anlage kann als Hügelofen ohne Wände, d.h., ohne seitliche und stirnseitige Eingrenzung durch Wandelemente betrieben werden. Die gesamte Ofenanlage kann jedoch auch in üblicher Wiese mit Wänden umgeben werden, die den Möller aufnehmen, wobei jedoch sowohl für die seitliche Begrenzung als auch für den stirnseitigen Abschluß einfache, transportable Wände verwendet werden können.

Die offene Schüttung ist allerdings in der Halle wegen des erhöhten Platzbedarfs nicht rentabel, sodaß derartige Öfen am besten als stationäre Freilandanlagen betrieben werden.

Als Bodenelektroden können mit Strom .- und Kühlwasseranschlüssen ausgerüstete Graphit-und/oder Kohl eelektroden verwendet werden, die üblicherweise in Ofenanlagen mit sogenannten Stirnelektroden Verwendung finden. ■

Vorzugsweise" werden als Bodenelektroden jedoch mit Strom-und ggf. Kühlwasseranschlüssen.ausgerüstete Stampfmassenelektroden aus Koks und/oder Graphit, in die ggf. metallische Stromleiter, insbesondere aus Kupfer, eingearbeitet sein können, verwendet. In diese Stampfmassenelektroden können ferner Kühlschlangen aus Metall, vorzugsweise Kupfer,' eingearbeitet sein, wobei ggf. auch Stromführung und Kühlsystem in Form von gekühlten Metallrohren, vorzugsweise profilierten Kupferrohren zusammengefaßt sein können. Als Stampfmasse wird vorzugsweise ein Gemisch aus Kohle

Graphit und Bindemitteln verwendet, das vor Inbetriebnahme der Elektrode in eienm Glühofen durch Erhitzen bis auf etwa 6ÖO°C zur mechanischen Verfestigung und Erhöhung der Leitfähigkeit verkokt worden ist. . . " "

Als Bodenelektroden sind ferner mit Strom - und Kühlwasseran-

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Schlüssen ausgerüstete Elektroden aus Metall, insbesondere aus Kupfer bevorzugt, in die ggf. Kühlschlangen aus Metall eingelassen sein können.

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Der Einsatz von Stampfmassen - oder Metallelektröden der angegebenen Art wird durch die erfindungsgemäße Anordnung als Bodenelektroden ermöglicht, da durch den vergrößerten räumlichen Abstand zwischen den Elektroden und der eigentlichen Heizzone die an den Elektroden auftretenden Temperaturen beträchtlich niedriger sind, als bei den bekannten Ofenanlagen mit stirnseitig eingebauten Elektroden, wobei die Verbindung, deren Leitfähigkeit größer als die des eigentlichen Kerns ist, von entscheidender Bedeutung ist. Die Kühlung der Bodenelektroden erfolgt vorzugsweise durch Wasserkühlung.

Als Ausführungsform für die erfindungsgemäße Ofenanlage hat sich folgende, die an Hand der Abbildungen I (a) - (c) näher erläutert wird, als besonders vorteilhaft erwiesen.

Abbildung Ia zeigt die Anlage im Grundriß von oben .gesehen,·

Abbildung Ib zeigt die Anlage im Querschnitt entlang der Schnittkante A-A' in I (a)j

Abbildung Ic zeigt die Anlage im Querschnitt entlang der Schnittkante B-B' in I (a). ■■ '

Wie aus- Abbildung Ib ersichtlich, sind die Bodenelektroden 1 und 1' mit den Strom - 2, 2' und Kühlanschlüssen.3, 3' in dem der Länge der Anlage entsprechenden Abstand angeordnet. Die Bodenelektroden mit den Anschlüssen sind unter Flur, d.h., unter dem Geländeniveau 4 verlegt und in der Montagekammer 5 bzw. 5' untergebracht, die mit einer Betoneinfassung umgeben ist. Die Mcntagekammer ist durch Einstiege zugänglich, die durch Bodenplatten 6, bzw. 6¹ abgedeckt sind. Die Verbindung zwischen den Bodenelektroden 1, bzw. 1'. und dem waagrecht angeordneten Widerstandskern γ ist durch die senkrecht aufgebrachte kegelsegmentförmige Schüttung 8, bzw. 8' aus gestampftem Koks und/oder Graphit hergestellt. Darüber ist der Möller 9 angeordnet, der seinem natürlichen Schüttkegel entsprechend geschüttet worden ist. . ·

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Aus Abbildung Ic ist die Anordnung der senkrechte auf die Bodenelektroden 1 aufgebrachten kegelsegmentförmigen Schüttung '8 ersichtlich, sowie die unter dem Geländeniveau 4 angeordnete Montagekaramer 5> von der aus die Elektroden 1 mit den Strom - 2 und Kühlanschlüssen 3 zugänglich sind-.

In dem gemäß Abbildung Ia von oben gesehenem Grundriß sind die unter dem Geländeniveau angeordneten Teile der Anlage nicht sichtbar, sie dient nur zur Kennnze,ichnung der Schnittkanten für die Querschnitte gemäß den Abbildungen Ib und c.

In den folgenden Abbildungen II bis IV werden Elektrodenanordnungen, die erfindungesgemäß als Bodenelektroden verwendet werden können, näher erläutert.

Abbildung II zeigt' die Anordnung einer Kohle - oder Graphitelektrode als Bodenelektrode im Querschnitt. Die Elektrode aus Kohle - oder Graphit ..1 ist unter dem Geländeniveau 4 angeordnet, mit den Stromfahnen 2 und den Kühlanschlüssen 3 für die Wasserzufuhr zu den Kühltaschen 10 verbunden. Zwischen der Elektrode 1 und der Betoneinfassung der Mcntagekammer 5 ist eine mit Kohlefilz oder Asbestwolle abgedichtete Dehnfuge 11 angebracht. Die Elektrode 1 ist durch Abstützvorrichtungen 12 am Boden der Montagekammer verankert. Auf der Oberfläche von 1 ist eine Schicht IJ aus vorzugsweise reinem Graphit aufgestampft, die zur Verbesserung der Kontaktierung mit der senkrecht aufgetragenen kege!segmentförmigen Schüttung 8 dient.

Abbildung IHa zeigt die Anordnung einer gekühlten Stampfmassenelektrode als Bodenelektrode im Querschnitt; Abbildung IHb zeigt dieselbe Anordnung von oben gesehen. Die Elektrode aus der Stampfmasse 1 ist unter dem Geländeniveau 4 in der Kontagekammer 5 angeordnet, in die Stromleiter 2 aus profilierten Kupferschienen und die Kühlrohre 3 eingebettet sind. Aus Abbildung IHb sind die zur Kühlung verwendeten Register aus Kupferrrohren 3 ersichtlich.

Abbildung IV zeigt die Anordnung einer gekühlten Elektrode aus

Kupfer als Bodenelektrode im Querschnitt.

Die Elektrode aus einer in der Kontaktfläche profilierten Kupferplatte 1 ist unter dem Geländeniveau 4 in der Montagekammer' 5 angeordnet. 2 sind die Stromfahnen und ^ das Kühlsystem. Auf der profilierten Kupferplatte 1 ist eine Schutzschicht Ik aus Stampfmasse aufgebracht.

Bei allen Elektroden der aus den Abbildungen ersichtlichen Bauarten ist das Vorhandensein der Montagekammer 5 jedoch nicht unbedingt erforderlich; d.h., diese kann bei seitlich angeordneten Strom - und ggf. Kühlanschlüssen eingespart werden.

Die Ofenanlagen gemäß der Erfindung bieten gegenüber üblichen Ofenanlagen mit stirnseitig eingebauten Elektroden folgende Vorteile:

Der Bau der bisher notwendigen Ofenköpfe aus feuerfestem Material zur Aufnahme der Stirnelektroden erübrigt sich. Durch die Anordnung der Elektroden in der definierten Art sind diese nicht mehr ' unmittelbar den hohen Temperaturen in der Reaktionszone ausgesetzt, wodurch ihre längere Haltbarkeit garantiert wird, außerdem ist die Ausführung des Kühlsystems weniger aufwendig. Durch das-Gewicht des darüberliegenden Möllers werden sowohl die Verbindung 8 an die Elektroden als auch der Widerstandskern" fest an die Verbindung 8-angepreßt, sodaß ein ausgezeichneter Kontakt gewährleistet ist, der auch beim Absinken der sich bildenden Siliciumcarbidwalze durch Volumenverminderung des Möllers erhalten bleibt. Ein "Abreißen" des Widerstandskerns von der Elektrode, wie bei stirnseitiger Anordnung, das infolge schlechten Kontaktes, durch Auftreten von Lichtbogen zu Überhitzungeη führt, was eine Auszehrung der Elektroden zur Folge hat, ist daher nicht mehr möglich. Außerdem hat die Siliciumcarbidwalze ungehinderte Bewegungsfreiheit, wenn sie durch die Volumenverminderung des Möllers während der Ofenreise absinkt, da sie nicht mehr an den Ofenköpfen anwachsen kann. Das Absinken der Walze und des darunterliegenden Möllermaterials erfolgt daher gleichmäßiger, wodurch

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Brücken - und Hohlraumbildungen vermieden werden, sodaß derartige Öfen praktisch ohne sog. "Bläser" brennen. Der Abbau der Siliciumcarbidxvalze ist ferner nicht mehr durch derartige Vorgänge erschwert. Diese ist vielmehr von allen Seiten leicht zugänglich, sodaß das Abräumen des Möllers ohne aufwendige Kranvorrichtungen mit einfachen Fahrzeugen vorgenommen werden kann. Mechanische Beschädigungen der Ofenanlage treten nicht mehr auf, da bei der erfindungsgemäßen Anordnung außerdem alle Stromzuführungen nebst Anschlüssen unter Flur verlegt sind, wodurch zusätzlich ein hohes Maß an Betriebssicherheit erreicht wird *

Darüberhinaus muß die Brauchbarkeit der erfindungsgemäßen Anordnung der Elektroden als Bodenelektroden in Ofenanlagen, die durch direkte elektrische Heizung nach dem Widerstandsprinzip betrieben werden als überraschend bezeichnet, werden, da. nach dem übereinstimmenden Urteil von Fachleuten die angestrebte Stromführung durch eine derartige Anordnung nicht erzwungen werden könnte, weil der Strom erfahrungsgemäß über den kürzesten V/eg, d.h., in diesem Fall unterhalb des Kerns direkt durch den Möller liefe.

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Claims (16)

Patentansprüche:

1. Durch direkte elektrische Heizung nach dem Widerstandsprinzip betriebene Ofenanlage, insbesondere zur Herstellung von Siliciumcarbid aus Kieselsäure und Kohlenstoff im absatzweisen Betrieb, xvobei die Stromzufuhr mittels Elektroden durch einen Widerstandskern aus Kohlenstoff erfolgt, der waagrecht in den Möller aus einer Mischung von körnigem Koks, Quarzsand und Zuschlagen eingelagert ist, d a d u r c h g e k e η nzeichnet, daß die Elektroden als Bodenelektroden angeordnet sind, die mit dem Widerstandskern durch ein elektrisch leitfähiges Material verbunden sind, wobei diese Verbindung nicht als Bestandteil des Widerstandskerns.ausgebildet ist und eine höhere elektrische Leitfähigkeit als dieser aufweist.

2. Ofenanlage nach Anspruch 1,dadurch, gekennzeichnet, daß die Bodenelektroden mit ihren Kontaktflächen ganz oder teilweise unter, auf oder über dem .Ofenboden angeordnet sind.

jj. Ofenanlage nach Anspruch 1* dadurch ge ken nz e i c h η e t, daß die Verbindung zwischen Bodenelektroden und Widerstandskern aus einer senkrecht auf die Elektroden aufgebrachten Schüttung aus Koks und/oder Graphit besteht.

4. Ofenanlage nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e η nz e i ch η e t, daß die Schüttung aus gestampftem Koks und/oder Graphit besteht.

5. Ofenanlage nach Anspruch 1,dadurch ge ken n-

z ei chnet, daß die Verbindung zwischen Bodenelektroden und Widerstandskern aus einem auf die Elektroden aufgebrachten, kompakten Material besteht.

6. Ofenanlage nach Anspruch Γ bis 2, d a d u r c h g e k e η n.-zeichnet, daß der Möller über den Bodenelektroden und dem Widerstandskern seinem natürlichen Schüttkegel entspre-50982670562

chend geschüttet Ist, und die Anlage als Kügelofeh ohne Wände betrieben wird.

7·. Ofenanlage nach Anspruch 1 bis 2, d a d u r c h g e k e η nzeichne't, daß die Anlage mit Wänden ausgerüstet ist.

8. Ofenanlage nach Anspruch 1 bis 2., d ad urch gekennzeichnet, daß als Bodenelektroden mit Strom-und Kühlwasseranschlüssen ausgerüstete Graphit-und/oder Kohleelektroden verwendet werden.

9· Ofenanlage nach Anspruch 1 bis 2,dadur~ch gekennzeichnet, daß als Bodenelektroden mit Strom - und ggf. Kühlwasseranschlüssen ausgerüstete Stampfmassenelektroden aus Graphit und/oder Koks und einem Bindemittel verwendet werden.

10. Ofenanlage nach Anspruch 9j dadurch-"gekennzeichnet, daß in die Stampfmassenelektroden metallische Stromleiter eingearbeitet sind.

11. Ofenanlage nach Anspruch 9 und 10, dadurch ge ken nz.e i c h η e t, daß in die Stampfmassenelektroden Kühlschlangen aus Metall eingearbeitet sind.

12. Ofenanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in den Stampfmassenelektroden Strom- . zuführung und Kühlsystem in Form von gekühlten Metallrohren zusammen gefaßt sind.

IJ. Ofenanlage nach Anspruch 12, dadurch gekennz ei chne t, daß die gekühlten Metallrohre aus profilierten Kupferrohren bestehen.

14. Ofenanlage nach Anspruch 1 bis 2, d a d u r-c h gekennzeichnet, daß als Bodenelektroden mit Strom - und Kühlwasseranschlüssen ausgerüstete Elektroden aus Metall verwen- det werden.

15. Ofenanlage nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß Elektroden aus Kupfer verwendet werden.

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16. Ofenanlage nach Anspruch 14 und 15,dadurch gekennzeichnet, daß in die Elektroden Kühlschlangen aus Me- -tall eingelassen sind.

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