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Ofen zum Graphitieren von Kohlenstoffkörpern
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Ofen zum Graphitieren von Kohlenstoffkörpern,
die zu wenigstens einem Strang stirnseitig aneinandergereiht in einer Schutzgasatmosphäre
im Ofenraum zz»Jischen Stromüberleitungsstücken parallel zur Ofenachse eingespannt
gehalten sind.
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Zum Graphitieren müssen die vorgebrannten Kohlenstoffkörper auf eine
Craphitierungstemperatur von etwa 25000 bis 30000 C erhitzt werden. Zu diesem Zweck
werden die einzelnen Kohlenstoffkörper stirnseitig zu einem Strang aneinandergereiht
und zwischen zwei Elektroden eingespannt.
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Die beim Hindurchleiten eines elektrischen Stromes durch den Strang
von Kohlenstoffkörpern entstehende Joule'sche Wärme wird dabei zur gewünschten Erhitzung
der Kohlenstoffkörper auf die geforderte Behandlungstemperatur ausgenützt . Die
Elektroden sind bei bekannten Graphitierungsöfen stirnseitig angeordnet0 so daß
die Kohlenstoffkörper-Stränge parallel zur horizontalen Ofenachse zu liegen kommen.
Diese Anordnung bedingt aber einerseits einen vergleichsweise hohen Preßdruck, um
die Kohlenstoffkörper des Stranges zusamnenzuhalten, und anderseits eine Unterstützung
des Stranges bei größeren Stranglängen, damit ein Durchhängen des Stranges und ein
Verkanten der Kohlenstoffkörper vermieden werden kann. Längere Kohlenstoffkörper-Stränge
werden jedoch angestrebt, weil mit einem höheren elektrischen Widerstand der Stränge
bei einer zulässigen maximalen Stromstärke die Versorgungsspannung größer gewählt
werden kann, was zu einer besseren Auslegung der Stromversorgungseinrichtung führt.
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Die für längere Stränge erforderliche Abstützung bewirkt dabei eine
Wärmeabfuhr und damit eine ungleichmäßige Erwärmung des Stranges Diese ungleichmäßige
Erwärmung wird zumindest zum Teil durch die den Ofenraum ausfüllenden,
körnigen
Isolierstoffe ausgeglichen, die zur Vermeidung einer Oxidation den Strang von Kohlenstoffkörpern
umgeben.
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Diese körnigen Isolierstoffe müssen allerdings miterwärmt werden,
was nicht nur einen entsprechend hohen Energieeinsatz mit sich bringt, sondern auch
lange Aufheiz- und Abkühlungszeiten bedingt.
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Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist ein Graphitierungsofen bekanntgeworden
(DE-PS 2 457 923), bei dem der zwischen den beiden stirnseitigen Elektroden eingespannte
Kohlenstoffkörper-Strang von einer gasdichten Haube umschlossen ist, die eine Schutzgasfüllung
aufweist. Die Schutzgasatmosphäre im eigentlichen Ofenraum macht zwar die Füllung
mit körnigem Isolierstoff überflüssig, so daß die Erwärmung von solchen Isolierstoffen
entfäilt, doch wird mit den Nachteilen dieser Isolierstoffe auch auf deren Vorteile
verzichtet. Es entfallen nämlich die Stützwirkung der angeschütteten Isolierstoffe
und der mit den erwärmten Isolierstoffen gegebene Temperaturausgleich. Mit einem
solchen Graphitierungsofen müssen folglich entsprechende Abstützungen für den Strang
von zu graphitierenden Kohlenstoffkörpern und damit ungleichmäßige Erwärmungsverhältnisse
in Kauf genommen werden, wobei auch die wärmebedingte Konvektionsströmung des Schutzgases
eine Rolle spielt.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Ofen zum Graphitieren
von Kohlenstoffkörpern der eingangs geschilderten Art mit einfachen Mitteln so zu
verbessern, daß einerseits eine gleichmäßige Erwärmung der zu Strängen zusammengefaßten
Kohlenstoffkörper gewährleistet wird und anderseits eine besondere Abstützung der
Kohlenstoffkörper-Stränge vermieden werden kann, ohne die Preßkräfte erhöhen zu
müssen.
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Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, daß die je einem
Strang von Kohlenstoffkörpern zugeordneten Stromüberleitungsstücke am Boden und
am Deckel eines den Ofenraum bildenden, stehenden Behälters angeordnet sind.
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Durch die damit erreichte vertikale Anordnung der
Stränge
werden die Stränge nur in axialer Richtung durch das Gewicht der Kohlenstoffkörper
und nicht quer dazu belastet, so daß eine gesonderte Abstützung der Stränge gegen
ein Durchbiegen entfallen kann. Der über die Stromüberleitungsstücke auf die Kohlenstoffkörper
ausgeübte Preßdruck kann somit ausschließlich in Abhängigkeit von dem angestrebten
Ubergangswiderstand zwischen den stirnseitig aneinander liegenden Kohlenstoffkörpern
gewählt werden, und zwar unabhängig von der Stranglänge. Es können daher für vorteilhafte
Versorgungsspannungen günstige, große Stranglängen mit vergleichsweise hohen elektrischen
Widerständen zum Einsatz kommen. Die stehende Anordnung der Stränge macht aber auch
eine dichte Besetzung des Ofenraumes möglich, weil ja auf eine Abstützung der Stränge
zwischen den Stromüberleitungsstücken keine Rücksicht genommen werden muß. Die freistehende
Anordnung der Kohlenstoffkörper-Stränge bringt außerdem den Vorteil einer gleichmäßigen
Erwärmung der Kohlenstoffkörper mit sich. Es fehlt ja an den die Wärme abführenden
Abstützungen. Dazu kommt, daß die Konvektionsströmung keine ungleichmäßige Erwärmung
der Kohlenstoffkörper über ihren Umfang bedingen kann, wobei durch einen Zwangsumlauf
des Schutzgases sogar eine Steuerung der Erwärmung möglich wird. Eine Rückgewinnung
der Wärme kann bei einer entsprechenden Schutzgaskühlung mit einem Zwangsumlauf
des Schutzgases ebenfalls erzielt werden.
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Sind die Stromüberleitungsstücke am Boden und am Deckel des Behälters
je zwei Strängen von Kohlenstoffkörpern zugeordnet, wobei Stromüberleitungsstücke
des Deckels gegenüber den Stromüberleitungsstücken des Bodens zur elektrischen Reihenschaltung
der Stränge auf Lücke versetzt angeordnet sind, so kann auch für vergleichsweise
kurze Einzelstränge eine hohe Versorgungsspannung genützt werden, weil diese Einzelstränge
durch die Anordnung der Stromüberleitungsstücke elektrisch in Reihe geschaltet sind
und folglich der Gesamtwiderstand aller Einzelstränge für die Stromstärke bei einer
vorgegebenen Versorgungsspannung bestimmend
wird.
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Die eiektrische Reihenschaltung der Einzel stränge macht es darüber
hinaus möglich, die Anschlüsse für die Stromversorgung in den Bereich des Behälterbodens
zu verlegen, so daß der abnehmbare Behälterdeckel von solchen Anschlüssen freibleiben
kann. Damit braucht im Bereich der Stelltriebe für das Aufbringen der Preßdrücke
keine Rücksicht auf eine Stromversorgung genommen zu werden, wenn die verstellbaren
Stromüberleitungsstücke am Deckel angeordnet sind.
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Die Zuordnung je eines Stromübertragungsstückes zu zwei benachbarten
Kohlenstoffkörper-Strängen bietet außerdem den Vorteil, daß mit einem Stelltrieb
zwei benachbarte Stränge über das zugehörige Stromübertragungsstück beaufschlagt
werden können. Damit bei einer solchen Ausführung der Preßdruck gleichmäßig auf
beide Stränge aufgeteilt werden kann, können die Stromüberleitungsstücke am Deckel
des Behälters als verschwenkbare Druckausgleichsbalken ausgebildet und an einen
in Richtung der Strangachsen wirkenden Zylindertrieb angeschlossen sein, über den
der gewünschte Preßdruck erreicht wird. Das Aufbringen des Preßdruckes über einen
Zylindertrieb bringt den zusätzlichen Vorteil, daß während der Erwärmung der Kohlenstoffkörper
auftretende Änderungen hinsichtlich der Stranglänge ohne Änderung des Beaufschlagungsdruckes
ausgeglichen werden.
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Die stehende Anordnung der Kohlenstoffkörper-Stränge beschränkt den
notwendigen Preßdruck auf ein für das Sicherstellen eines vorteilhaften Übergangswiderstandes
zwischen den aneinanderliegenden Kohlenstoffkörpern ausreichendes Maß, so daß auch
die mechanische Belastung der Stromüberleitungsstücke beschränkt bleibt. Die Stromüberleitungsstücke
können folglich aus Craphit bestehen, was den Vorteil eines guten elektrischen Leiters
mit dem Vorteil eines schlechten Wärmeleiters verbindet, der eine Abkühlung des
Stranges im Bereich der stirnseitigen Enden verhindert.
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Eine konstruktive Ausführungsmöglichkeit besteht
darin,
daß die als Druckausgleichsbalken ausgebildeten Stromüberleitungsstücke kugelgelenkig
an einem mit dem Zylinderkolben verbundenen Druckstück abgestützt sind. Besonders
einfache Konstruktionsverhältnisse werden jedoch erreicht, wenn der eine ballige
Form aufweisende Kolben des Zylindertriebes mit dem zugehörigen Stromüberleitungsstück
einstückig ausgebildet und mit Hilfe von Schutzgas beaufschlagbar ist. Die ballige
Form des Kolbens erlaubt die Verschwenkbarkeit des mit dem Kolben verbundenen Druckausgleichsbalkens,
wobei die damit in Kauf genommene schlechtere Abdichtung des Kolbens keine Rolle
spielt, weil der Kolben ja mit dem Schutzgas für den Ofenraum beaufschlagt wird.
Das aus dem Zylinder gegebenenfalls austretende Schutzgas gelangt lediglich in den
Ofenraum.
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Um die Anpreßkraft nicht nur gleichmäßig auf je zwei Stränge aufteilen
zu können0 sondern auch die Übertragung der Kräfte auf die Kohlenstoffkörper der
einzelnen Stränge sicherzustellen, können auf den Stromüberleitungsstücken schließlich
in vorteilhafter Weise Druckübertragungskörper kugelgelenkig gelagert sein.
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In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand in einem Ausführungsbeipiel
vereinfacht dargestellt. Es zeigen Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Ofen zum Graphitieren
von Kohlenstoffkörpern teilweise in einem Vertikalschnitt, Fig. 2 einen Ofenquerschnitt,
Fig. 3 einen Schnitt durch ein Stromüberleitungsstück im Bereich des Behälterdeckels
in einem größeren Maßstab, Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung einer
Konstruktionsvariante und Fig. 5 einen Schnitt durch den Behälterboden im Bereich
eines Stromüberleitungsstückes.
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Der dargestellte Ofen zum Graphitieren von Kohlenstoffkörpern besteht
im wesentlichen aus einem Gestell 1, auf das ein stehender Behälter 2 aufgesetzt
ist, der den Ofenraum 3 bildet. In diesem Ofenraum 3, der von einem
Schutzgas,
beispielsweise Stickstoff, durchströmt wird, werden die zu graphitierenden Kohlenstoffkörper
4 eingesetzt, und zwar in Form von Strängen 5 stirnseitig aneinandergereihter Kohlenstoff
körper 4. Diese Stränge 5 werden stehend in den Ofenraum 3 eingebracht und zwischen
oberen und unteren Stromüberleitungsstücken 6 und 7 vertikal eingespannt gehalten.
Diese Stromüberleitungsstücke 6 und 7 sind am Boden 8 und am Deckel 9 angeordnet
und jeweils für zwei Stränge 5 vorgesehen, wobei die einem Strang 5 zugeordneten
Stromüberleitungsstücke 6 und 7 jeweils mit einem anderen benachbarten Strang 5
verbunden sind, so daß sich für die Stränge 5 eine elektrische Reihenschaltung ergibt.
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Da eine gerade Anzahl von Strängen 5 vorgesehen sind, liegen die beiden
Anschlüsse 10 für die Stromversorgung aller Stränge 5 im Bereich des Behälterbodens
8. Die Stromüberleitungsstücke 6 im Bereich des Deckels 9 brauchen folglich mit
keinem Stromanschluß versehen zu werden und eignen sich daher besonders zum Aufbringen
des für eine entsprechende Kontaktfläche zwischen den Kohlenstoffkörpern 4 notwendigen
Preßdruckes. Zu diesem Zweck sind die Stromüberleitungsstücke 6 als verschwenkbare
Druckausgleichsbalken ausgebildet und an einen in Richtung der Strangachsen wirkenden
Zylindertrieb 11 angeschlossen. Bei einer Beaufschlagung dieses Zylindertriebes
11 wird der Preßdruck über die Druckausgleichsbalken bildenden Stromüberleitungsstücke
6 auf die beiden zugehörigen Stränge 5 gleichmäßig aufgeteilt, wobei wärmebedingte
Längenänderungen der Stränge über den mit einem konstanten Druck beaufschlagten
Zylindertrieb ausgeglichen werden können. Damit auch eine über den Querschnitt der
Kohlenstoffkörper 4 gleichmäßig verteilte Belastung der Stränge 5 sichergestellt
werden kann, können die Stromüberleitungsstücke 6 und 7 kugelgelenkig gelagerte
Druckübertragungskörper 12 tragen, die sich bei einer Beaufschlagung der Zylindertriebe
11 selbsteinstellend satt an die Stirnfläche des jeweils anschließenden Kohlenstoffkörpers
4 anlegen. Die Stromüberleitungsstücke 7 im Bereich des Behälterbodens
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brauchen an sich nicht als Druckausgleichsbalken ausgebildet zu sein. Wie Fig. 5
zeigt, ist es aber durchaus möglich, auch diese Stromüberleitungsstücke 7 verschwenkbar
zu lagern.
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Wie in Fig. 3 dargestellt ist, können die Stromüberleitungsstücke
6 über einen Druckkörper 13 an den Zylindertrieb 11 angeschlossen sein. In diesem
Fall sind die Stromüberleitungsstücke in den Druckkörpern 13 kugelgelenkig gelagert
und werden über eine Sicherungsschraube 14 vor einem Abfallen vom Druckkörper 13
gesichert. Da die stehende Anordnung der Stränge 5 eine seitliche Abstützung der
Stränge 5 und einen besonderen Preßdruck überflüssig macht, bleibt die mechanische
Beanspruchung der Stromüberleitungsstücke begrenzt, so daß diese Stromüberleitungsstücke
6 und 7 vorteilhaft aus Graphit gebildet werden können, wobei die Vorteile eines
guten Stromleiters mit den Vorteilen eines schlechten Wärmeleiters verbunden werden.
Dadurch kann ein Temperaturabfall in den Endbereichen der Stränge 5 durch eine Wärmeabgabe
an die Stromüberleitungsstücke 6 und 7 weitgehend verhindert werden.
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Damit der Zylindertrieb 11 und der Druckkörper 13 entsprechend gekühlt
werden können, ist der Druckkörper 13 hohl ausgebildet und weist im Hohlraum 15
eine Leitwand 16 für einen Wasserkreislauf auf, der entsprechend den angedeuteten
Pfeilen den Druckkörper 13 und den Zylindertrieb 11 umspült.
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Eine andere Möglichkeit besteht nach Fig. 4 darin, die Stromüberleitungsstücke
6 im Bereich des Deckels 9 einstückig mit den Kolben 17 der Zylindertriebe 11 auszubilden.Damit
die Verschwenkbarkeit der als Druckausgleichsbalken wirkenden Stromüberleitungsstücke
6 gewährleistet werden kann, weisen die Kolben 17 eine ballige Form auf. Die Beaufschlagung
dieser Kolben 17 erfolgt dabei mit dem auch zur Füllung des Ofenraumes 3 benützten
Schutzgas, so daß die Leckströmung aus den Zylindern 18, die vorteilhaft ebenfalls
aus Graphit bestehen, unschädlich ist. Durch
eine elektrische Isolierung
19 der in dieser Weise ausgebildeten Zylindertriebe 11 muß allerdings dafür gesorgt
werden, daß der Deckel 9 des Behälters 2 nicht an die Stromversorgung angeschlossen
werden kann.
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Zur Wärmeisolierung des Behälters 2 ist dessen Mantel mit einer Chrom-Magnesit-Auskleidung
20 versehen. Der Boden 8 und der Deckel 9 tragen zu diesem Zweck Kohlenstoff-Steine
21, die gegenüber der Stahlkonstruktion des Bodens und des Deckels elektrisch isoliert
sein müssen. Der Behälter 2 kann zusätzlich über eine Kühlflüssigkeit gekühlt werden,
die beispielsweise in Dampfkesselrohren um den Behälter geführt wird.
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Mit Hilfe eines Graphitierungsofens der dargestellten Art wird ein
einfaches Chargieren möglich, wobei durch den wegen der stehenden Anordnung der
Stränge 5 erreichbaren geringen Abstand zwischen den Strängen eine dichte Ofenbesetzung
erzielt werden kann. Der den Ofenraum 3 bildende geschlossene Behälter 2 schließt
Umweltbelastungen aus und gestattet es, Überschußwärme über eine Kühlflüssigkeit
abzuführen. Die Schutzgasatmosphäre im Ofenraum 3 führt auf Grund fehlender Abstützungen
für die Stränge zu keinen ungleichmäßigen Erwärmungsverhältnissen der Kohlenstoffkörper
4, so daß die Vorteile einer Schutzgasfüllung ohne die sonst auftretenden Nachteile
voll ausgenützt werden können. Mit einem Zwangsumlauf des Schutzgases läßt sich
auberdem die jeweilige Charge gesteuert erwärmen oder abkühlen, wobei während des
Graphitierens freiwerdende Schwelgase gefahrlos abgeführt werden. Die Reihenschaltung
der einzelnen Stränge 5 erlaubt höhere Spannungen bei niedrigeren Stromstärken,
was sich bei der Auslegung der Transformatoren besonders günstig auswirkt. Darüber
hinaus wird durch die Zuordnung je eines Stromüberleitungsstückes 6 bzw.
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7 zu zwei benachbarten Strängen 5 das Aufbringen der Preßkräfte über
einen Zylindertrieb für jeweils zwei Stränge möglich.