DE2906678A1

DE2906678A1 - Verfahren und vorrichtung zum brennen eines kunstkohlekoerpers, insbesondere einer anode fuer die aluminium-schmelzfluss-elektrolyse

Info

Publication number: DE2906678A1
Application number: DE19792906678
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Edel; Reinhold Heindl; Friedel Dipl Ing Isenhardt; Ernst Dipl Che Schutze-Rhonhof
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1979-02-21
Filing date: 1979-02-21
Publication date: 1980-09-04
Also published as: US4321457A; GB2044060A; IT1146929B; IT8047941A0; JPS55113607A

Description

Anlage zum Patentgesuch der - 4 - H 79/4 Klöckner-Humboldt-Deutz Gr/Wr

Aktiengesellschaft

vom 15. Febr. 1979

Verfahren und Vorrichtung zum Brennen eines Kunstkohlekörpers, insbesondere einer Anode für die Aluminium-Schmelzfluß-Elektrolyse

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Brennen eines Kunstkohlekörpers, insbesondere einer Anode für die Aluminium-Schmelzflußelektrolyse, wobei ein vorgeformter grüner Formling mittels elektrischer Widerstands-Heizung aufgeheizt wird.

Der Stand der Technik weist mehrere bekannte Verfahren zum Brennen von Kunstkohlekörpern auf. Dabei ist zu unterscheiden zwischen solchen Kunstkohlekörpern, an welche keine extremen Forderungen hinsichtlich eines möglichst geringen elektrischen Widerstandsbeiwertes gestellt werden. Diese werden üblicherweise einem Brennprozeß mit maximal 1.350 C unterworfen, in der Fachwelt vielfach als "Karbonisierung¹¹ bezeichnet. Die Erfindung betrifft diese Kategorie.

Kunstkohlekörper, welche darüber hinaus extrem niedrige Widerstandsbeiwerte und/oder/Festigkeitswerte aufweisen müssen, werden nach dem sogenannten Acheson-Verfahren hergestellt, wobei diese Elektroden im Anschluß an die Karbonisierung mittels direkter elektrischer Widerstandsheizung bei Temperaturen um

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2.800 ⁰C gebrannt werden. Dieser Vorgang wird in der Fachwelt üblicherweise als "Graphitierung" bezeichnet.

Zum Brennen von Kunstkohlekörpern werden beispielsweise folgende verschiedene Verfahren angewendet:

1. Die Formlinge werden als sogenannte "grüne⁰ Formlinge in einen gasgefeuerten Ofen eingesetzt und langsam bis extrem langsam bis zu Temperaturen zwischen 750 und 1.350 ⁰C aufgeheizt, eine Zeit lang auf Temperatur gehalten und an·- schließend langsam abgekühlt. Dieses in der Fachwelt als "backen" bezeichnete Verfahren dauert zwischen 15 und 50 Tage.

2. Graphitieren "gebackener", das heißt vorgebrannter Kunstkohlekörper nach dem Acheson-Verfahren mittels elektrischer Widerstandsheizung in einem Ofen, worin die Kohleformlinge selbst als Heizelemente eingesetzt sind. Je nach Größe der herzustellenden Formkörper dauert der Graphitierungsprozeß zwischen einigen Stunden bis zu mehreren Tagen.

3. Brennen größerer Kunstkohle-Formkörper, beispielsweise für die Verwendung in Atom-Energie-Reaktoren, durch direkte Widerstandsheizung des grünen Formlinge unter gleichzei-

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tiger Anlegung hoher Drücke, beispielsweise in der Größenordnung von 150 bis 350 bar und darüber, in einer stabilen Preßform unter einer mechanischen Presse, wobei relativ hohe Aufheizgeschwindigkeiten zur Anwendung gelangen. Beispielsweise werden in der GB-PS 794,989, Seite 8, Zeilen 52 bis 54 Aufheizgeschwindigkeiten zwischen 2 und 1000 °C/min angegeben. Die tatsächlichen Aufheizgeschwindigkeiten sind dabei in erster Linie abhängig von den Abmessungen des aufgeheizten Körpers.

Als Nachteil wird bei den bekannten Verfahren empfunden, daß beim sogenannten "Backen" in gasbeheizten Öfen eine Verweilzeit bis zu 50 Tagen zu unwirtschaftlichen Ofendimensionen und Wärmeverlusten und damit entsprechend hohen Herstellungskosten führt. Diese Methode ist bewährt aber · unwirtschaftlich.

Die elektrische Widerstandsheizung in einer Pressform unter hohen Drücken erfordert den Einsatz extrem aufwendiger maschineller Presseinrichtungen sowie druckfester Formen, und ist daher wegen des Aufwandes an Maschinen und Kosten, beispielsweise für die Herstellung von großen gebrannten Kohleanoden für die Aluminium-Schmelzfluß-Elektrolyse aus wirtschaftlichen Gründen nicht tragbar.

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Aufgabe der Erfindung ist es, ein wirtschaftliches Verfahren zur Herstellung von großen gebrannten Kunstkohlekörpern, insbesondere von Anoden für die Aluminium-Schmelzfluß-Elektrolyse, beispielsweise mit Einzelstück-Gewichten zwischen und 5000 kp zur Verfügung zu stellen, wobei vorgeformte grüne Formblöcke mit möglichst hohen Aufheizgeschwindigkeiten mittels elektrischer Widerstandsheizung gebrannt werden. Dabei soll die Anwendung äußerer Druckkräfte nach Möglichkeit vermieden werden.

Die Lösung der Aufgabe, wobei ein vorgeformter grüner Formling mittels elektrischer Widerstandsheizung aufgeheizt wird* gelingt erfindungsgemäß dadurch, daß die Zuführung der Strom* wärme zum Formling aus mindestens zwei Stromkreisen erfolgt.

Mit der Erfindung ergibt sich der Vorteil, daß durch Anlegen mehrerer Stromkreise die Masse des aufzuheizenden Körpers in mehrere unabhängig voneinander beheizte Zonen unterteilt wird, wodurch die Schwierigkeit beseitigt wird, welche bisher insbesondere bei großen Kohleformkörpern darin bestand, daß örtliche Fluktuationen des Widerstandes im aufgeheizten Material bei nur einem einzigen Stromkreis zu erheblichen örtlichen Temperaturunterschieden führten, wie dies beispielsweise in der britischen Patentschrift Nr. 1,470,640 auf Seite 1, Zeilen 55 bis 59 erwähnt wird.

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Solche örtlichen Temperaturunterschiede führten bisher, wie die Erfahrung zeigte, je nach Größe des Kunstkohlekörpers_?bis zum Auseinanderbrechen des aufgeheizten Formlinge, zumindest aber zur Entstehung von Rissen, welche den vorgesehenen Gebrauch des Kunstkohlekörpers in Frage stellten. Diese bisher für unüberwindlich angesehenen Schwierigkeiten bei der elektrischen Heizung großer Kunstkohlekörper wird mit der Erfindung beseitigt.

Mit der Unterteilung der Stromzuführung während des Brennvorganges in mindestens zwei Strom- und Heizkreise und der dadurch bewirkten Unterteilung der geheizten Masse in eine der Anzahl der angelegten Stromkreise entsprechende Zahl von parallelen Aufheiz-Zonen wird die Ungleichförmigkeit der Erhitzung unter Kontrolle gehalten.

Deshalb ist in Ausgestaltung der Erfindung in vorteilhafter Weise weiter vorgesehen, daß die Aufheizung ohne Anwendung nennenswerter äußerer Druckkräfte erfolgt.

Mit dieser Maßnahme ergibt sich der Vorteil einer erheblichen Reduzierung der Kosten sowie Einsparung an maschinellem Aufwand. Insgesamt wird hierdurch die Wirtschaftlichkeit des Herstellungsprozesses erheblich verbessert.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Stromkreise parallel angelegt werden, wobei diese einzeln

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und vorzugsweise unabhängig voneinander bezüglich der Werte von Spannung und/oder Stromstärke eingestellt werden. Durch diese Maßnahme wird der Vorteil der unabhängigen Regelbarkeit der einzelnen parallel miteinander in ein- und demselben Kunstkohlekörper aufgeheizten Zonen ermöglicht.

In zweckmäßiger Ausgestaltung des Verfahrens ist weiter vorgesehen, daß die Einstellwerte eines Stromkreises nach Maß™ gäbe der Einstellwerte mindestens eines weiteren Stromkreises geregelt werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß örtlich sogenannte "Ausreißer" dadurch vermieden werden, daß beispielsweise die einzelnen Stromkreise in einem bestimmten Leistungs-, Spannungs- oder Strömstärkeverhältnis zueinander kontrolliert werden.

Eine andere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß die Einstellwerte eines Stromkreises nach Maßgabe von mindestens einem örtlichen Temperaturwert des Kunstkohlekörpers geregelt werden. Diese Maßnahme ergibt den Vorteil, daß die Entstehung örtlich verschiedener Temperaturzonen im gebrannten Kunstkohlekörper durch entsprechende Kontroll·- und Regelungsmaßnahmen verhindert wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens nach der Erfindung sieht vor, daß die Richtung des Stromdurchflusses

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durch den Kunstkohlekörper der bei der Verdichtung des grünen Kunstkohlekörpers angewendeten Angriffsrichtung der Kraft und/oder des Kraftfeldes gleichgerichtet ist. Diese Maßnahme ist insbesondere bei der Verdichtung eines großen grünen Kunstkohlekörpers mittels Rüttelvorrichtung von Vorteil, weil sich herausgestellt hat, daß die Richtung des die Verdichtung bewirkenden Kraftfeldes eine den Widerstandsbeiwert der Masse in bestimmter Richtung orientierende Wirkung hervorruft.

Eine bessere Homogenität der Plachenwiderstandsbeiwerte und damit ein gleichmäßigerer Aufheizungsvorgang wurde beobachtet, wenn die Stromzuführungselektroden und damit der Stromdurchfluss in der gleichen Richtung angelegt wurden, in welcher der Verdichtungsvorgang beim Formen des grünen Kunstkohlekörpers erfolgt war.

In Ausgestaltung des Verfahrens ist schließlich vorgesehen, daß der vorgeformte grüne Formling ohne wesentliche Zwischenabkühlung, ausgehend von der in dem Herstellungsprozeß sich ergebenden Temperatur, gebrannt wird.

Hieraus ergibt sich der Vorteil, daß der bisherige Abkühlungsvorgang ebenso vermieden wird, wie der Verlust des bei der Abkühlung ausgetriebenen Wärmeinhalts. Dabei ergeben sich weitere Vorteile, weil der grüne Formling zum Zeitpunkt der Herstellung eine durch den Mischvorgang der geformten Masse bedingteren allen Stellen absolut gleiche Temperatur besitzt, und damit ideale Voraussetzungen für den Beginn des elektrischen Brennvorganges aufweist.

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Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung ist gekennzeichnet durch mindestens zwei Stromkreise mit je einem Paar von Stromzuführungs-Elektroden.

Eine Ausgestaltung der Vorrichtung sieht vor, daß in dem Kunstkohlekörper Sonden zum Messen der Temperatur angeordnet sind, wobei vorzugsweise einem jeden Bereich des Kunstkohlekörpers zwischen einem Elektrodenpaar mindestens eine Sonde zugeordnet ist.

Und schließlich besteht eine weitere zweckmäßige Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in der Anordnung einer mit den Sonden durch Steuerleitungen in Verbindung stehenden Regeleinheit, welche mittels den einzelnen Stromkreisen zugeordneten Steuerorganen die Heizleistung dieser Stromkreise vorzugsweise nach Maßgabe der von den Sonden ermittelten Temperaturwerte regelt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines schematischen Blockschaltbildes näher erläutert. Die Figur zeigt den zu brennenden Kohleformling 7, an dessen Stirnseiten 8 und 9 je ein Elektrodenpaar 1, 1'j 2, 2^f; 3, 3'; 4, 4⁸j 5, 5¹; und 6, 6¹ angelegt sind. Dabei ist das Elektrodenpaar 1, 1¹ an den Stromkreis 10, das Elektrodenpaar 2, 2' an den Stromkreis 20 und so weiter derart angeschlossen, daß jedem Elektrodenpaar 1, 1· bis 6, 6^f je ein unabhängiger Stromkreis 10, 20, 30, 40, 50, 60 zugeordnet ist.

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Andeutungsweise ist dargestellt, daß der Stromkreis 10 an die Wicklung 10' eines nicht näher dargestellten Transformators angeschlossen ist, der Stromkreis 20 an die Wicklung 20', der Stromkreis 30 an die Wicklung 30', Stromkreis 40 an die Wicklung 40', Stromkreis 50 an die Wicklung 50·, Stromkreis 60 an die Wicklung 60'.

In dem Kunstkohleformkörper 7 ergibt sich bei dessen Aufheizung infolge der Stromzuführung aus einer Vielzahl parallel angelegter, unabhängig voneinander wirkender und regelbarer Stromkreise 10 bis 60 eine Aufteilung in eine Anzahl paralleler Aufheiz-Zonen 11, 12, 13» 14, 15, 16. Zur besseren Veranschaulichung sind die dem homogenen Kunstkohlekörper 7 zugehörigen imaginären Zonen 11 bis 16 durch gestrichelte Linien A, B, C, D, E untereinander kenntlich gemacht.

Mit den Ziffern 71 bis 76 sind rein schematisch Temperaturmeßsonden angedeutet, welche den einzelnen Zonen 11 bis 16 zugeordnet sind. Von diesen Temperaturmeßsonden 71 bis 76 führen Steuerleitungen 77, 78 zur Regeleinheit 80. Dabei führt von jeder einzelnen Temperaturmeßsonde 71 bis 76 je eine Steuerleitung 77 zur Regeleinheit 80, von denen jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit stellvertretend nur die beiden Steuerleitungen 77 und 78 im Blockschaltbild dargestellt sind.

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Die Funktion der Regeleinheit 80 ist nicht Gegenstand der Erfindung und wird für den mit Regelungstechnik vertrauten Fachmann als bekannt vorausgesetzt. Sie vergleicht beispielsweise einen aufgeschalteten Temperatursoliwert mit dem von einer Temperaturmeßsonde 71 bis 76 ermitteitert Istwert und erzeugt bei. Abweichung einen Regelimpuls, der mit einer Steuerleitung 79 einem Stellorgan 81 aufgeschaltet wird. Entsprechend der Funktion des Gesamt-RegelSchemas ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß den übrigen Stromkreisen 10, 20, 30, 50, 60 analoge Regeleinrichtungen zugeordnet sind, die jedoch ebenfalls aus Gründen der Übersichtlichkeit in der vorliegenden Figur nicht dargestellt sind.

Mit der Stelleinrichtung 81 wird in an sich bekannter Weise die Stromstärke und/oder die Spannung des geregelten Stromkreises 40 - und in analoger Weise mit entsprechend ähnlicher Regeleinrichtung die Stromstärke und/oder Spannung der übrigen Stromkreise - unabhängig voneinander, das heißt je Stromkreis individuell, eingestellt.

Es ist jedoch nicht Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Regelschema für die parallelen und individuell regelbaren Stromkreise 10 bis 60 darzustellen und aufzuzeigen, da ein entsprechendes Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung für den Fachmann als bekannt vorausgesetzt v/erden.

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Im übrigen ist die Erfindung nicht allein an das gezeigte Ausführungsbeispiel gebunden. So kann beispielsweise die Anzahl der Stromkreise in beliebiger Weise von mindestens zwei Stromkreisen bis zu einer nicht begrenzten Vielzahl gewählt werden. Weiter steht beispielsweise die Art und Weise der Regelung ebenso im Belieben des Fachmannes wie die konstruktive Ausgestaltung entsprechender Vorrichtungen.

Alle auf diese Weise damit ausgeführten Verfahren und Vorrichtungen fallen jedoch unter die Erfindung, sofern sie einem der geltenden Patentansprüche genügen.

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Claims

KHD H 79/4 Patentansprüche

1. Verfahren zum Brennen eines Kunstkohlekörpers, insbesondere einer Anode für die Aluminium-Schmelzfluß-Elektrolyse, wobei ein vorgeformter grüner Formling mittels elektrischer Widerstands-Heizung aufgeheizt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der Stromwärme zum Formling aus mindestens zwei Stromkreisen erfolgt»

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufheizung ohne Anwendung nennenswerter äußerer Druckkräfte erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch T oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkreise an den Formling parallel angelegt werden«,

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromkreise einzeln und vorzugsweise unabhängig voneinander bezüglich der Werte von Spannung und/oder Stromstärke eingestellt werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellwerte eines Stromkreises nach Maßgabe der Einstellwerte mindestens eines weiteren Stromkreises geregelt werden. °

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6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellwerte eines Stromkreises nach Maßgabe von mindestens einem örtlichen Temperaturwert des Kunstkohlekörpers geregelt werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung des Stromdurchflusses durch den Kunstkohlekörper der bei der Verdichtung des grünen Kunstkohlekörpers angewendeten Angriffsrichtung der Kraft und/ oder des Kraftfeldes gleichgerichtet ist.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche T bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der vorgeformte grüne Formling ohne wesentliche Zwischenabkühlung, ausgehend von der im Herstellungsprozeß sich ergebenden Temperatur, gebrannt wird*

9. Anwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis auf Kunstkohlekörper mit Einzelstückgewichten zwischen 500 und 10 000 kp.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch mindestens zwei Stromkreise (10, 20, 30, 40, 50, 60) mit je einem Paar von Stromzuführungs-Elektroden (1, 1·} 2, 2»; 3, 3'; 4, 4«; 5, 5¹;

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11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Kunstkohlekörper (7) Sonden (71, 72, 73, 74, 75, 76) zum Messen der Temperatur angeordnet sind, wobei vorzugsweise einem jeden Bereich (11, 12, 13, 14, 15, 16) des Kunstkohle»- körpers (7) zwischen einem Elektrodenpaar (1,1* bis 6, 6') mindestens eine Sonde (71 bis 76) zugeordnet ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 oder 11, gekenh* zeichnet durch eine mit den Sonden (71 bis 76) durch Steuerleitungen (77, 78) in Verbindung stehende Regeleinheit (8θ), welche mittels den einzelnen Stromkreisen (10, 10'; 20, 20'; 30, 30'; 40, 40¹; 50, 50') zugeordneten Steuerorganen (81) die Heizleistung dieser Stromkreise vorzugsweise nach Maßgabe der von den Sonden (71 bis 76) ermittelten Temperaturwerte regelt.

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