DE3606380A1 - Hochstromofen zum graphitieren von kohlenstoffkoerpern - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Hochstromofen zum Graphitieren von Kohlenstoffkörpern mit in Ofenköpfe eingelassenen Elektroden, zwischen die Elektroden in Form durchgehender Stränge eingespannte Kohlenstoffkörper, einer die Kohlenstoffkörper umhüllenden Schüttung aus körniger Isoliermasse und sich zwischen den Ofenköpfen erstreckende Längswände.

Zur Graphitierung von Kohlenstoffprodukten verwendete Hochstromöfen bestehen im allgemeinen aus einem rechteckigen, mit feuerfesten Stoffen zugestellten Ofenbett, stirnseitigen Ofenköpfen, in die Elektroden aus Graphit eingelassen sind, und sich zwischen den Ofenköpfen erstreckende bewegbare Längswände. Das zu graphitierende Gut ist zwischen den Ofenköpfen angeordnet, in Acheson-Graphitierungsöfen alternierend mit Schichten aus einer körnigen Resistormasse. Die zu graphitierenden Kohlenstoffkörper sind mit einer Schicht aus einer körnigen Isoliermasse umhüllt, die einen großen Wärmewiderstand aufweist und das Eindringen von Luft in den Ofenkern verhindern soll. Die Erwärmung auf die Graphitierungstemperatur von etwa 3000 K erfolgt durch Widerstandserhitzung, wobei der elektrische Strom über die stirnseitigen Elektroden aus Graphit dem Ofenkern zugeführt wird. Mit steigender Temperatur dehnt sich das Einsatzgut und die Volumenänderungen werden im wesentlichen durch Stauchung der Resistormasse aufgenommen.

In dem Castner- oder Längsgraphitierungsofen ist das zu graphitierende Gut ohne besondere Zwischenlagen aus körnigem Resistormaterial zwischen die in die Ofenköpfe eingelassenen Elektroden eingespannt. Längenänderungen des Ofenkerns vor allem in der Aufheizphase werden bei diesem Ofen durch Verschiebung wenigstens einer Elektrode in Richtung der Längsachse des Ofens ausgeglichen und durch einen Gegendruck annähernd konstante Kontaktwiderstände während des Graphitierungsprozesses aufrechterhalten. Da der elektrische Widerstand des keine Resistormasse enthaltenden Ofenkerns vergleichsweise niedrig ist, ordnet man zwischen den Ofenköpfen in der Regel wenigstens zwei parallele Stränge aus dem zu graphitierenden Gut an, die elektrisch in Reihe geschaltet sind (US-PS 10 29 121). Proportional zur Zahl der parallelen Stränge wächst die Größe der nach oben offenen Grundfläche des Graphitierungsofens und damit auch das Volumen der körnigen, im wesentlichen aus Koksen und anderen Kohlenstoffarten bestehenden Isoliermasse, das der atmosphärischen Luft frei zugänglich ist. Bei den hohen während des Graphitierungsprozesses erreichten Temperaturen reagiert Luftsauerstoff mit dem Kohlenstoff der Isoliermasse fast vollständig zu Kohlenmonoxid, das in die Atmosphäre emittiert wird. Es ist bekannt, durch Kapselung der Graphitierungsöfen den Luftzutritt zu verringern, die gebildeten Schadstoffe zu sammeln, einer Gasreinigung, z.B. einem Wäscher, zuzuführen und aus dem Gasstrom zu entfernen (SU-PS 1 76 597). Die wirksame Kapselung von Graphitierungsöfen ist vor allem wegen der hohen Betriebstemperaturen bisher nur bei verhältnismäßig kleinen Öfen gelungen, die wegen ihres großen spezifischen Energieaufwands nur sehr beschränkt verwendet werden können. Die Kapselung großer Öfen ist im technischen Maßstab bisher noch nicht gelungen. Man betreibt die Öfen daher in großen Ofenhallen, saugt die Hallenluft ab und führt sie der Gasreinigung zu. Auch bei Verwendung von Absaughauben, die im Abstand oberhalb des Ofens angeordnet sind, ist dabei der Falschluftanteil beträchtlich. Es müssen große Gasmengen gefördert werden, der Energieaufwand ist groß und der Wirkungsgrad der Gasreinigung als Folge der Verdünnung des Ofenabgases vergleichsweise klein. Eine für einen Acheson-Ofen zur Erzeugung von Siliciumcarbid vorgeschlagene Auffangvorrichtung von gasförmigen Reaktionsprodukten, bei welcher der Austausch zwischen Luft und Reaktionsgas durch eine undurchlässige folienartige Abdeckung des Ofens unterbunden ist (DE-PS 23 64 109), läßt sich wegen der höheren Graphitierungstemperatur nicht auf Graphitierungsöfen übertragen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Bildung von Kohlenmonoxid durch die Einwirkung von Luftsauerstoff auf die aus Kohlenstoff bestehende körnige Isoliermasse zu verringern. Die emittierte CO-Menge soll insbesondere derart gesenkt werden, daß wenigstens der Aufwand für die Reinigung der Abluft von Graphitierungsanlagen gesenkt werden kann.

Die Aufgabe wird mit einem Graphitierungsofen der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Stränge aus dem zu graphitierenden Kohlenstoff übereinander in einer vertikalen Ebene angeordnet sind.

Der Lösung liegt die überraschende Erkenntnis zugrunde, daß die Menge des durch Reaktion von Luftsauerstoff mit der kohlenstoffhaltigen Isoliermasse gebildeten Kohlenmonoxids im wesentlichen der Grundfläche des Graphitierungsofens proportional ist, obwohl die durch Spalten der Längswände in den Ofenkern diffundierende Luft zu einem größeren Teil an dem Verbrennungsprozeß beteiligt sein könnte. Vermutlich kommt es durch Differenzen in der Permeabilität zwischen offener Oberfläche und Längsflächen zu einem Druckaufbau in der körnigen Isoliermasse, der etwa der Ofenhöhe proportional ist. Mit steigendem Binnendruck dringt auch von oben durch die ungeschützte Oberfläche weniger Luft in die Isoliermasse ein und entsprechend kleiner ist die Bildung von Kohlenmonoxid.

In dem erfindungsgemäßen Graphitierungsofen sind mehrere, vorzugsweise wenigstens drei Stränge aus Kohlenstoffkörpern, z.B. Kohlenstoffzylinder, in einer oder mehreren vertikalen Ebenen angeordnet und die Stränge durch abwechselnd an beiden Kopfflächen anliegende Jochstücke elektrisch in Reihe geschaltet. Zwischen den Strängen sind in bekannter Weise elektrisch isolierende Wände angeordnet, der Restraum und der Raum zwischen Strängen und Längswänden ist mit körniger Isoliermasse ausgeschüttet. Enthält der Ofen Stränge in mehreren vertikalen Ebenen, werden zweckmäßig zur besseren Nutzung des Ofenraums die Stränge in benachbarten Ebenen gegeneinander in der Höhe versetzt. Die Höhe der Schüttung oberhalb des obersten Kohlenstoffstrangs soll vorzugsweise wenigstens einen Strangdurchmesser betragen. Die Ausbildung von Längswänden, Ofenköpfen und den Hochstromeinrichtungen unterscheidet sich grundsätzlich nicht von den bekannten Castner-Graphitierungsöfen. In dem Castner-Graphitierungsofen nach DE-OS 26 23 886 sind aus Kohlenstoffkörpern gebildete Stränge übereinander angeordnet, da unterhalb des Ofens eine Kühlzone vorgesehen ist. Der Graphitierungstemperatur ausgesetzt ist nur ein einziger Strang, so daß beim Betrieb eine ähnliche Menge Kohlenmonoxid gebildet wir wie in anderen Öfen.

Die Erfindung wird nun anhand von Beispielen und Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 - den Querschnitt eines bekannten Castner-Graphitierungsofen,

Fig. 2 - den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Ofens,

Fig. 3 - CO-Meßkurve.

In Fig. 1 sind zylindrische Kohlenstoffkörper (1), in einer horizontalen Ebene in dem Graphitierungsofen (2) mit Längswänden (3) und Fundament (4) angeordnet. Parallel zu den Kohlenstoffkörpern, die mit körniger Isoliermasse (5) umschüttet sind, verlaufen isolierende Wände (6). Die Oberfläche (7) ist dem Sauerstoff der Luft voll zugänglich, der Gasaustausch durch die Längswände (3) erfolgt im wesentlichen durch zeichnerisch nicht ausgeführte Dehnungsfugen. In Fig. 2 ist ein Graphitierungsofen nach der Erfindung dargestellt. Der Ofen (2′) enthält die gleichen Elemente wie der Ofen (2), Kohlenstoffkörper (1′), die von körniger Isoliermasse (5′) umhüllt, durch isolierende Wände (6′) voneinander getrennt und von Längswänden (3′) und dem Fundament (4′)grenzt sind. (7′) ist die freie Oberfläche des Ofens. Zeichnerisch nicht dargestellt sind Hochstromeinrichtungen und Druckapparat.

Ist L die durch die Länge des Strangs gegebene Länge des Graphitierungsofens, R der Radius der die Stränge bildenden Kohlenstoffkörper und A der Abstand zwischen den Strängen und zwischen Strängen und Längswänden folgt für die freie Oberfläche (7′) des erfindungsgemäßen Ofens (2′) - (2R + 2A)L und für die freie Oberfläche (7) des Ofens (2) - (8R - 5A)L. Näherungsweise ist dann das Verhältnis der freien Oberflächen 1/4, wenn R < A.

Die CO-Emissionen je einer Ofenfahrt mit den Öfen (2) und (2′) nach Fig. 1 und 2 wurden gemessen (VDI - 2459), die Ergebnisse sind in Fig. 3 dargestellt. Der CO-Gehalt der Hallenluft steigt direkt oberhalb der Öfen stark an, wobei der Maximalwert des Ofens (2′) etwa um den Faktor 2,3 kleiner ist als der Maximalwert des Ofens (2). In der Abkühlphase der Öfen nimmt die CO-Konzentration langsam ab; die Integrale der Konzentration über der Zeit verhalten sich wie etwa 1,8:1. In einer zweiten Meßreihe betrug das Verhältnis der maximalen CO-Konzentrationen der Öfen (2) und (2′) 2,5:1 und das Verhältnis der Integralwerte 3,2:1.

Claims (3)

1. Hochstromwiderstandsofen zum Graphitieren von Kohlenstoffkörpern mit in Ofenköpfe eingelassenen Elektroden, zwischen die Elektroden in Form durchgehender Stränge eingespannte Kohlenstoffkörper, einer die Kohlenstoffkörper umhüllenden Schüttung aus körniger Isoliermasse und sich zwischen den Ofenköpfen erstreckende Längswände, dadurch gekennzeichnet, daß die Stränge übereinander in wenigstens einer vertikalen Ebene angeordnet sind.

2. Graphitierungsofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens drei Stränge übereinander angeordnet sind.

3. Graphitierungsofen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der den Ofen abschließenden Schicht aus körniger Isoliermasse wenigstens einen Strangdurchmesser beträgt.