DE3427407A1

DE3427407A1 - Gekuehlter ofenkopf fuer hochstromwiderstandsofen

Info

Publication number: DE3427407A1
Application number: DE19843427407
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr.rer.nat. 8850 Donauwörth Semmler
Original assignee: Sigri GmbH
Current assignee: Sigri GmbH
Priority date: 1984-07-25
Filing date: 1984-07-25
Publication date: 1986-01-30
Also published as: IT8521632A0; US4641321A; IT1185641B; FR2568362A1; FR2568362B3

Description

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SIGRI ELEKTROGRAPHIT GMBH Meitingen, den "2 4. JUU 1984

Gekühlter Ofenkopf für Hochstromwiderstandsofen

Die Erfindung betrifft einen Ofenkopf für einen Hochstromwiderstandsofen aus feuerfestem Mauerwerk und wenigstens einer in das Mauerwerk eingelassenen gekühlten Elektrode.

Hochstroinwiderstandsöfen sind öfen, in denen das zwischen Elektroden geschichtete Einsatzgut durch direkten Stromdurchgang bei hohen Stromstärken auf Temperaturen von 2000 ⁰C und mehr erhitzt wird. Typische Vertreter dieser Gattung sind öfen zur Graphitierung von Kohlenstoffprodukten, die im allgemeinen aus einem rechteckigen mit körnigen feuerfesten Stoffen zugestellten Ofenbett, stirnseitigen Ofenköpfen und bewegbaren Seitenwänden bestehen. In dem Acheson-Graphitierungsofen ist das zu graphitierende Gut alternierend mit Schichten aus einer körnigen Resistormasse zwischen den Ofenköpfen gestapelt und der Stapel mit einer körnigen Isoliermasse umschichtet. Die Erwärmung auf die Graphitierungstemperatur von etwa 3000 K erfolgt durch Widerstandserhitzung, wobei der elektrische Strom dem Stapel über in die Ofenköpfe eingelassene Elektroden aus Graphit zugeführt wird. Mit steigender Temperatur dehnt sich das Einsatzgut zunächst gleichförmig, mit einsetzender Freisetzung des im Kohlenstoff enthaltenen Schwefels sprunghaft aus und mit steigendem kristallinen Ordnungs- oder Graphitierungsgrad nimmt dann das Volumen des Einsatzguts ab. Alle Volumenänderungen werden dabei im wesentlichen von dem körnigen Resistormaterial aufgenommen, dessen Packungsdichte sich entsprechend ändert, so daß an den Elektroden

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keine größeren durch Volumenänderungen des Einsatzguts ausgelösten Kräfte angreifen. Dennoch bilden sich Spalten zwischen Mauerwerk und Elektrode, vor allem bedingt durch die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und den Temperaturunterschied zwischen Mauerwerk und Elektrode.

In dem zunächst von Castner vorgeschlagenen Graphitierungsofen, der vielfach als Längsgraphitierungsofen bezeichnet wird, ist das zu graphitierende Gut, z.B. in Form von zylindrischen Kohlenstoffkörpern ohne Zwischenlagen aus körnigem Resistormaterial zwischen die Graphitelektroden der Ofenköpfe eingespannt. Wenigstens eine Elektrode ist in Richtung der Ofenlängsachse beweglich und wird zur Einstellung eines niedrigen Kontaktwiderstands gegen den an der Gegenelektrode anliegenden in der Regel aus mehreren Kohlenstoff körpern gebildeten Strang gepreßt. Die Längenänderung des Strangs beim Graphitierungsprozeß, die in der Aufheizphase etwa +0,5 bis 1 % und in der Abkühlphase des Ofens etwa - 1 bis 1,5 % beträgt, wird durch eine gegensinnige Verschiebung der Elektroden in Richtung der Ofenlängsachse aufgefangen. Voraussetzung für die Verschiebbarkeit der Elektrode relativ zum Mauerwerk des Ofenkopfs ist ein Spiel zwischen Elektrode und Mauerwerk.

Die an der ofenabgewandten Seite des Ofenkopfs aus dem Mauerwerk ragenden Teile der Elektroden sind in der Regel gekühlt. Bei kleineren öfen wird das Kühlmittel direkt auf die Elektrodenoberfläche gesprüht, im allgemeinen verwendet man aber von Kühlmitteln durchströmte Kühlplatten oder Kühlbacken. Diese Lösung gestattet; in der Abkühlungsphase der öfen einen Teil der gespeicherten Energie als Wärme zurückzugewinnen. Die Temperatur der Elektrode wird aber nur in einem kleinen Bereich unter die kritische Reaktionstemperatur gesenkt, so daß der größere Teil der Elektrode mit dem durch Spalten zwischen Mauerwerk und Elektrode in den

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Ofen eindringende Luftsauerstoff reagiert. Als Folge der Reaktion nimmt die Breite der Spalte zu, die Abbrandrate wächst und schließlich muß die Elektrode ersetzt werden. Die schädliche Spaltenbildung wird noch gefördert durch die Temperaturunterschiede zwischen Mauerwerk und Elektrode, bedingt durch den kleineren Wärmewiderstand der Elektrode und die Erzeugung Joulescher Wärme.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Zerstörung '10 der Elektroden in den Ofenköpfen von Hochstromwiderstandsöfen durch chemische Reaktionen zu verhindern oder wenigstens die Standzeit der Elektroden wesentlich zu verlängern. Nach einer anderen Aufgabe soll die Rückgewinnung von Wärme aus dem Hochstromwiderstandsofen verbessert und mehr Energie bei einer höheren Temperatur gewonnen werden.

Die Aufgabe wird mit einem Ofenkopf der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß in die Elektrode sich über ihre gesamte Länge erstreckende Kühleinrichtungen eingelassen sind und die Temperatur der Elektrode durch Regelung der Kühlung auf die Temperatur des Mauerwerks einstellbar ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die Standzeit der Elektrode wesentlich verlängert wird, wenn sich die effektive Kühlung der Elektrode über das gesamte Volumen und entsprechend die gesamte Oberfläche erstreckt. Für die Unterdrückung der Spaltenbildung zwischen Mauerwerk und Elektrode ist es dabei wesentlich, den Kühlmittelfluß derart zu regeln, daß die Temperaturen von Elektrode und Mauerwerk gleich sind. In Elektrode und Mauerwerk sind zu diesem Zweck Temperaturfühler und in dem Kühlmittelzulauf wenigstens ein Regelventil angeordnet, auf das als Stellgröße die Temperaturdifferenz wirkt. Die zylindrisch oder quaderförmig ausgebildeten Elektroden bestehen aus Graphit, einem temperaturbeständigen metallischen Werkstoff, z.B.

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Molybdän oder Wolfram, oder einem Kern aus einem Metall mit einer großen elektrischen und thermischen Leitfähigkeit und den Kern wenigstens gegen den Ofeninhalt abschirmenden Deckplatten aus einem temperaturbeständigen Werkstoff, wie Graphit. Die Kühleinrichtungen erstrecken sich nicht bis in die Deckplatten; bei Elektroden ohne Deckplatten sind die Kühlelemente nicht bis in die ofenseitige Kopffläche der Elektrode geführt, zum mechanischen und thermischen Schutz der Kühlelemente ist eine elementfreie Zone mit einer Dicke von einigen Zentimentern vorzusehen.

Die Kühleinrichtungen bestehen aus einfachen, bevorzugt aus gerippten Metallrohren, zweckmäßig aus Doppelmante1-rohren, die in Bohrungen der Elektrode eingelegt sind. Zur Senkung des Wärmewiderstands zwischen Kühlrohr und Bohrungswand ist der Spalt zwischen den Elementen zweckmäßig mit einem pulverförmigen Wärmeleiter gefüllt, bevorzugt mit einem Gemisch aus Kupfer- und Graphitpulver.

Nach einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist die Kühleinrichtung ein Wärmerohr. Das Wärmerohr ist entweder in einer Bohrung der Elektrode gelagert und der Wärmewiderstand zwischen diesen Teilen ist durch einen pulverförmigen Wärmeleiter herabgesetzt oder das Wärmerohr liegt direkt an dem feuerfesten Mauerwerk des Ofenkopfs an. Das vordere heiße Ende des Wärmerohrs ist bei dieser Ausführung mit einer in den Hochstromwiderstandsofen ragenden Schutzkappe aus Graphit versehen. Das andere Ende des Wärmerohrs ist von einem Wärmeaustauscher umgeben, oder Teil eines Wärmetauschers.

Wärmerohre sind an sich bekannt. Sie bestehen aus einem dicht verschlossenen Behälter mit einer ein Kapillarsystem bildenden Füllung, z.B. Geweben, Geflechten, Sintermaterial und dgl.. Als Wärmeträger enthalten die Kapillaren

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eine geringe Flüssigkeitsmenge. Besteht zwischen den beiden Enden des Wärmerohrs eine Temperaturdifferenz, verdampft die Flüssigkeit am heißen Ende, der Dampf strömt zum kalten Ende des Wärmerohrs, kondensiert und das Kondensat fließt unter Wirkung der Kapillarkräfte zum heißen Ende. Die effektive Wärmeleitfähigkeit eines Wärmerohrs beträgt ein Vielfaches der Leitfähigkeit von Kupfer. Vorteilhaft für die Erfindung sind auch die isothermen Oberflächentemperaturen. Bevorzugtes Arbeitsmittel für das Wärmerohr ist Wasser, das zweckmäßig bei den anderen Kühleinrichtungen als Kühlmittel verwendet wird.

Ein anderer Vorteil des Wärmerohrs besteht darin, daß die Wände des Wärmerohrs als Leiter für den dem Graphitierungsofen zuzuführenden Strom verwendet werden können. Das äußere Ende des Wärmerohrs ist zu diesem Zweck mit Stromschienen, Stromseilen oder dergleichen verschraubt. Die Wandstärke des Wärmerohrs ist so bemessen, daß bei der maximalen Betriebsstromstärke des Hochstromwiderstandsofens keine wesentliche Eigenerwärmung durch Joulesche Wärme erfolgt. Eine Wandstärke von etwa 20 mm ist im allgemeinen ausreichend für Wärmerohre aus niedrig legierten Stählen. Zur Senkung des elektrischen Widerstands ist es zweckmäßig, wenigstens ein Teil der Wand aus einem gut leitenden Metall auszubilden, z.B., aus Kupfer. Bei dieser Ausführungsform sind zwei Rohre konzentrisch ineinandergeschoben; das äußere Rohr besteht beispielsweise aus Stahl, das innere Rohr aus Kupfer. Auf das vordere Ende des Wärmerohrs ist eine Schutzkappe aus Graphit aufgeschraubt oder geklebt, die das Wärmerohr thermisch gegen den Ofen abschirmt.

Die Anzahl der in die Elektrode eingelassenen Kühlrohre oder Wärmerohre wird im einzelnen durch die thermische Belastung des Ofenkopfes bestimmt. Die Kühlleistung ist derart auszulegen, daß die Oberfläche der Elektrode

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die kritische Reaktionstemperatur des Elektrodenwerkstoffs nicht überschreitet - für Graphitelektroden etwa 500 °C und die Elektrodentemperatur nicht wesentlich von der Temperatur des Mauerwerks abweicht. Unter diesen Bedingungen gibt es praktisch keinen oxidativen Verschleiß der Elektrode Die hohe Kühlleistung erleichtert auch in der Abkühlphase die Rückgewinnung und Nutzung der im Ofen gespeicherten Wärme.

Die Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigen

Fig. 1 - den Längsschnitt eines Ofenkopfes, Fig. 2 - einen Schnitt parallel II-II in Fig. 1,

Fig. 3 - den Schnitt eines Ofenkopfes mit Wärmerohr.

In den Fig. 1 und 2 ist in das feuerfeste Mauerwerk 1 des Ofenkopfes eine Elektrode 2 aus Graphit eingelassen, der über flexible Kabel 3 der Heizstrom zugeführt wird. Die Elektrode 2 ist mit Bohrungen 4 versehen, in die Doppelmantelrohre 5 eingelegt sind. Die Rohre erstrecken sich fast bis zur Stirnfläche 7 der Elektrode, so daß über das gesamte Elektrodenvolumen eine im wesentlichen konstante Temperatur eingestellt werden kann. Zur Verringerung des Wärmewiderstands ist der ringförmige Spalt zwischen Rohr 5 und Elektrode 2 mit einer Schicht 6 aus Graphit- und Kupferpulver gefüllt. Zeichnerisch nicht dargestellt sind die Temperatursensoren in Mauerwerk und Elektrode und die Regelung des Kühlmittelzulaufs, der durch Pfeile angedeutet ist.

In Fig. 3 ist in das Mauerwerk 1 des Ofenkopfes das Wärmerohr 8 als Elektrode eingelassen, auf dessen heißes Ende 8' die Graphitkappe 9 geschraubt ist. Am kalten Ende 8" liegt der Wärmeaustauscher 10 an, der Heizstrom wird über flexible

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Kupferbänder 11 zugeführt. Der Kühlmittelfluß ist durch Pfeile angedeutet, die Kühlmittelmenge wird über zeichnerisch nicht dargestellte Temperaturfühler und Ventile geregelt.

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Claims

84/10 Patentansprüche:

1. Ofenkopf für Hochstromwiderstandsofen aus feuerfestem Mauerwerk und wenigstens einer in das Mauerwerk eingelassenen gekühlten Elektrode, dadurch g e k e η η zeichnet , daß in die Elektrode sich über ihre gesamte Länge erstreckende Kühleinrichtungen eingelassen sind und die Temperatur der Elektrode durch Regelung der Kühlung auf die Temperatur des Mauerwerks einstellbar ist.

2. Ofenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühleinrichtung aus Rippenrohren besteht.

3. Ofenkopf nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e η η zeichnet , daß die Kühleinrichtung aus Doppelmantelrohren besteht.

4. Ofenkopf nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß der Spalt zwischen Kühlrohr und Elektrode mit einem Gemisch aus Kupfer- und Graphitpulver gefüllt ist.

5. Ofenkopf nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrode ein Wärmerohr als Kühleinrichtung enthält.

6. Ofenkopf nach Anspruch 1 und 5, dadurch g e k e η η zeichnet , daß das Wärmerohr am feuerfesten Mauerwerk des Ofenkopfs anliegt und das vordere Ende des Wärmerohrs mit einer Schutzkappe aus Graphit versehen ist.

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7. Ofen nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Kühleinrichtung Stromleiter für den Heizstrom des Ofens ist.

8. Ofen nach Anspruch 1 und 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die Wand des Wärmerohrs Stromleiter für den Heizstrom des Ofens ist.

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