DE3902576A1 - Einrichtung zur erzeugung hoher temperaturen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Erzeu­ gung hoher Temperaturen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist bekannt, daß hohe Temperaturen durch Hindurchleitung eines elektrischen Stromes durch einen Widerstand erzeugt wer­ den können. Die höchste auf diese Weise erreichbare Tempera­ tur hängt ab von dem Material des hergestellten Heizelements, d. h. des Widerstandes.

Für sehr hohe Temperaturen werden gewöhnlich Heizelemente aus Graphit verwendet.

Da Graphit einen geringen elektrischen spezifischen Widerstand aufweist, und um sicherzustellen, daß der Widerstand des Heiz­ elements für die zu erzeugende Hitze ausreichend ist, kann der Widerstand des Heizelementes erhöht werden, entweder indem dessen Länge vergrößert wird oder die Querschnittsfläche ver­ ringert wird oder beides.

Die mechanische Festigkeit und Lebensdauer des Heizelementes kann jedoch beträchtlich verringert werden, wenn die gewählte Querschnittsfläche zu klein ist.

Die tatsächlichen Dimensionen eines Heizelementes aus Graphit werden daher in der Weise ausgewählt, daß das Element einen ausreichenden elektrischen Widerstand und gleichzeitig eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweist.

Um die Länge zu erhöhen und entsprechend den Widerstand, kann das Heizelement aus Graphit die Form einer Spirale aufweisen.

Hohe Temperaturen können auch erzeugt werden, indem ein elek­ trischer Strom durch eine Säule, bestehend aus Koksklumpen, hindurchgeleitet wird. Der Widerstand einer Kokssäule ist umgekehrt proportional zur Zahl und der Fläche von Kontakt­ punkten zwischen den Kokspartikeln sowie der Art des verwen­ deten Koks.

Der Widerstand einer Kokssäule ist beträchtlich höher im Ver­ gleich mit z. B. einer Säule aus Graphit von ähnlicher Aus­ bildung, da die Kontaktfläche zwischen Kokspartikeln sehr klein ist. Die Kokssäule ist mechanisch zu stützen. Dies kann durch Einbringen der Kokssäule in einen zylindrischen Behälter erfolgen, der aus feuerfestem Material, wie z. B. Aluminium, Magnesium usw. besteht. Die maximal zulässige Temperatur der obengenannten feuerfesten Materialien liegt jedoch unter 2000°C.

Theoretisch können Temperaturen in der Größenordnung von 4500°C erreicht werden, wenn Graphit als Trägermaterial des Behälters verwendet wird anstelle eines Behälters be­ stehend aus den obengenannten feuerfesten Materialien. Da jedoch Graphit ein guter elektrischer Leiter ist, fließt der elektrische Strom durch den Graphitbehälter anstatt durch den Koks, so daß das Erreichen der geforderten Tempe­ ratur verhindert ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Heizelement anzu­ geben, das diese Probleme vermeidet.

Gemäß der Erfindung wird ein Heizelement angegeben, das einen Körper aufweist, der zwei oder mehr Ebenen elektrisch leitender feuerfester Materialien enthält, ein Trägerelement aus einem feuerfesten Material zwischen benachbarten Schich­ ten und Mittel um elektrischen Strom durch den Körper zu lei­ ten.

Der Körper kann bei dem Gebrauch in einem Ofen oder einer Hochtemperaturanordnung in vertikaler, horizontaler oder ge­ neigter Position angeordnet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist der Körper eine Vielzahl von Trägerelementen auf.

Die Trägerelemente können jede geeignete Geometrie aufweisen und können z. B. dreieckig, quadratisch, rechteckig, polygo­ nal oder kreisförmig ausgebildet sein.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Trägerelemente in Form von Tellern oder Platten mit oder ohne zentrale Öffnung ausgebildet.

Jedes geeignete feuerfeste Material oder feuerfeste Materia­ lien kann für die Partikel und Trägerelemente verwendet werden, z. B. Karbide, Nitride oder Boride. In einer bevor­ zugten Ausführungsform der Erfindung bilden jedoch Kokspar­ tikel die Schichten und die Trägerlemente bestehen aus Gra­ phit. Koks wird verwendet, da es relativ billig ist und Gra­ phit, da es hohen Temperaturen widersteht.

Die Heizeinrichtung kann zusätzlich Elemente zur Erzeugung eines elektrischen Bogens oder eines ausgedehnten Plasmabo­ gens enthalten. Der in diesem Fall erzeugte elektrische oder Plasmabogen entsteht zwischen der Kokssäule und den Graphit­ elektroden. In einer anderen Form der Erfindung wird ein Gas durch das Heizelement geleitet, um ein Gas mit hoher Tempe­ ratur zu erzeugen.

Die erfindungsgemäße Einrichtung kann als Schmelzofen verwen­ det werden. In diesem Fall werden Erz und ein reduzierendes Agens direkt auf die heiße Kokssäule geleitet, auf der das Erz zu Metall reduziert wird. Die erfindungsgemäße Einrich­ tung kann ebenso zum Schmelzen, zum Verdampfen oder zur Destillation von Metall verwendet werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbei­ spiels unter Verwendung von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine vertikale Querschnittsansicht einer Heizein­ richtung als Heizelement,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 1,

Fig. 3 eine vertikale Querschnittsansicht einer Heizein­ richtung zur Verwendung als Plasmagenerator,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie B-B von Fig. 3,

Fig. 5 eine vertikale Querschnittsansicht einer Heizein­ richtung zur Verwendung als Schmelzofen,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie C-C von Fig. 1,

Fig. 7 eine vertikale Querschnittsansicht durch ein röh­ renförmiges Heizelement, das in den Anordnungen nach Fig. 9 und 10 enthalten ist,

Fig. 8 einen Schnitt entlang der Linie D-D von Fig. 7,

Fig. 9 eine vertikale Querschnittsansicht einer Heizein­ richtung zum Schmelzen,

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie E-E von Fig. 9.

In den Fig. 1-10 sind verschiedene Anwendungen einer erfindungsgemäßen Heizeinrichtung dargestellt.

Die Fig. 1 und 2 zeigen ein einzelnes Heizelement. Das Heizelement besteht aus einer Reihe ringförmiger Graphit­ teller 1, die mit Koks 2 gefüllt sind, und die eine auf dem anderen angeordnet sind. Eine Energieversorgungsquelle ist an dem Heizelement durch Graphitelektroden 3 und 4 über An­ schlüsse 5 und 6 angeschlossen. Es ist zu bemerken, daß auf­ grund der hohlen Konstruktion der Teller 1 eine zentrale durch­ gehende Säule von miteinander in Kontakt stehenden Kokspar­ tikeln erzeugt ist. Da jedoch die Teller 1 im gleichen Ab­ stand zueinander angeordnet sind, ist ein Kurzschluß des elek­ trischen Stromes durch die Teller vermieden. Der Widerstand des Heizelements wird durch die Zahl der Teller in der Säule und durch die Querschnittsfläche der Säule bestimmt.

Die Graphitteller können aus billigem Graphit bestehen, da deren mechanische Festigkeit unbedeutend ist. Die Lebensdauer des erfundenen Elements ist praktisch unbegrenzt. Die Koks­ partikel, die während des Heizens verbraucht werden, werden kontinuierlich durch benachbarte Kokspartikel in der Säule ersetzt.

In dem Stadium, in dem eine große Menge von Kokspartikeln verbraucht ist, werden die Teller einfach mit neuem Koks be­ laden.

Die Verwendung der Erfindung als Plasmabrenner ist in den Fig. 3 und 4 gezeigt. Das Heizelement nach den Fig. 1 und 2 wird durch einen Graphittiegel 7 ersetzt.

Der Graphittiegel 7 ist eingebettet in feinem feuerfesten Pulver 13, das seinerseits in einem Metallzylinder enthalten ist. Elektrische Energie ist an das Heizelement durch hohle Graphitelektroden 10 und durch eine Metallkappe 11 über An­ schlüsse 5 und 6 zugeführt. Die Metallkappe 11 steht in elek­ trischem Kontakt mit dem Graphittiegel 7 und mit dem Metall­ zylinder 9.

Das zu erhitzende Gas strömt durch die metallische Röhre 12, durch die elektrisch erhitzte Kokssäule und schließlich durch einen perforierten Boden 17 des Tiegels 7, wo es durch eine Düse 14 auf das zu erhitzende Objekt gerichtet wird.

Die Düse 14 ist durch feuerfestes Pulver 13 in einem Metall­ gehäuse 15 umgeben. Das feuerfeste Material 13, das in Kontakt mit der Düse 14 steht, schmilzt. Die Düse 14 weist ein äuße­ res Gewinde auf, entlang dem das geschmolzene feuerfeste Ma­ terial aufgrund Schwerkraft zur Spitze der Düse 14 fließt, um diese gegen Oxydation zu schützen. Die Düse und das Me­ tallgehäuse 15 sind Verbrauchsteile des Brenners. Der Plasma­ brenner ist an einem Ständer 16 durch einen Halter 8 befestigt.

Der Plasmabrenner nach den Fig. 3 und 4 ist zum Schmelzen, Schneiden, Schweißen oder Hitzebehandeln verschiedener Ma­ terialien geeignet, insbesondere solcher, die nicht elek­ trisch leitend sind und bei denen übliche konventionelle Methoden aufgrund elektrischer oder Plasmabögen nicht ver­ wendet werden können.

Im Falle elektrisch leitenden Materials kann die Temperatur des Plasmagases weiter erhöht werden durch Erzeugung eines elektrischen Bogens zwischen der Düse 14 und dem elektrisch leitenden Objekt. In diesem Fall ist die elektrische Ener­ gieversorgung anstelle an den Anschluß 6 an das elektrisch leitende Objekt angeschlossen.

In dem Fall, daß das Plasmagas zur Erhöhung der Temperatur in metallurgischen Prozessen verwendet wird, kann der be­ schriebene Plasmabrenner auch ohne die Düse 14 verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Plasmabrenner ist billiger als übliche Arten von Plasmabrennern und ist leichter zu bedienen.

Die Anwendung der Erfindung zum Schmelzen von Erz ist in den Fig. 5 und 6 angegeben. Eine Mischung aus Erz und einem reduzierenden Agens wird durch eine Röhre 20 auf die heiße Kokssäule zugeführt, die aus hohlen Graphittel­ lern besteht, die mit Koks 2 angefüllt sind.

Das Zugeführte wird durch einen elektrischen Bogen, der sich zwischen der Graphitelektrode 18 und dem Koks 2 aus­ bildet, sowie der Hitze, die durch den elektrischen Strom, der durch die Kokssäule fließt, erhitzt. Die Schmelze fließt durch die Kokssäule und dann durch das Gitter 21 und wird in einer kleinen Kammer 22 unterhalb des Gitters 21 ge­ sammelt. Die Schmelze wird kontinuierlich aus dem Schmelz­ ofen über das Rohr 23 abgeführt.

Die elektrische Energie wird an die Säule über Elektroden 18 und 19 herangeführt, die mit Anschlüssen 5 und 6 verbunden sind. Das durch die Reaktion produzierte Gas dringt aus der Kokssäule in die Gaskammer 25. Die Gaskammer 25 ist durch Wände 24 und einen Mantel 26 abgeschlossen. Das Gas wird aus der Gaskammer 25 über ein Rohr 27 abgeführt.

Die wesentlichen Merkmale des Schmelzofens sind folgende:

Der Schmelzofen kann bei extrem hohen Temperaturen bis zum Schmelzpunkt von Graphit, d. h. 4500°C, betrieben werden. Dies kann mit Vorteil in der Reduktion von schwierig zu reduzierenden Oxyden, wie z. B. Zirconium Dioxyd verwendet werden.

Die Lebensdauer des Ofens ist lang, da die Schmelze nicht in Kontakt mit äußeren Auskleidungen des Ofens tritt. Der Verbrauch von Koks innerhalb der Kokssäule ist gering, vor­ ausgesetzt, daß ein reduzierendes Agens in der Zufuhr in Form von feinem Pulver gut mit dem Erz vermischt ist.

Die Schmelzofendimensionen sind eine Größenordnung kleiner als die von elektrischen Lichtbögenöfen mit der gleichen Metall-Ausgangsleistung. Die Reduktion in einem elektrischen Lichtbogenofen findet in einer kleinen Region unter den Elektroden statt, während im erfindungsgemäßen Schmelz­ ofen die Reaktion im gesamten Bereich stattfindet, der durch die Graphitplatten umgrenzt ist. Der Schmelzofen ist für kontinuierliche Prozesse geeignet und für solche Prozesse, die bei niedrigen Drücken aufgrund der hohen Gaspermeabilität der Kokssäule ausgeführt werden.

Flüchtige Bestandteile, die in dem reduzierenden Agens enthalten sind, werden bei der Reduktion verbraucht, so daß reduzierende Agentien mit einem hohen Anteil von flüchtigen Produkten für die Reduktion verwendet werden können.

Das in den Reduktionsreaktionen ausgeschiedene Gas wird ge­ filtert, während es aus dem heißen Koks der Kokssäule aus­ tritt.

Der Ofen ist besonders geeignet zum Schmelzen feiner Erze.

Der elektrische Widerstand des Schmelzofens kann durch Größe und Querschnittsfläche der Kokssäule bestimmt werden.

Ein Ofen zum Schmelzen von Metallen ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt. Der Ofen ist mit einem röhrenförmigen Heizelement gemäß den Fig. 7 und 8 ausgerüstet. Das röhrenförmige Heizelement besteht aus Ringen 28 mit einem V-Profil, das mit Koks 2 ausgefüllt ist. Die Ringe 28, die mit Koks 2 ausgefüllt sind, werden eine auf die andere an­ geordnet. Die Hitze in dem Element wird durch Hindurchlei­ tung eines elektrischen Stromes durch das Element über Elek­ troden 29 und 30 erzeugt, die mit Anschlüssen 5 und 6 ver­ bunden sind. Die Hitze entsteht im wesentlichen an Kontakt­ punkten zwischen den Kokspartikeln und zwischen den Koks­ partikeln und den Ringen.

Eine Ausführungsform eines röhrenförmigen Heizelements in einem Ofen zum Schmelzen von Metallen ist den Fig. 9 und 10 dargestellt.

Die Ladung 31, die in dem Tiegel 32 aufgenommen ist, ruht auf einer Graphitbasis 34. Die Graphitbasis 34 befindet sich auf einer Platte 35 aus einem isolierenden Material. Der Tiegel 32 auf den Platten 34 und 35 wird in den Ofen durch einen Kolben 36 eingeführt. Der Tiegel 32 ist in einer Kammer eingeschlossen, die einen Deckel 37 und einen Graphitzylinder 41 umfaßt. Der Graphitzylinder 32 wird durch Strahlung geheizt, die von den beschriebenen röhrenförmigen Heizelementen ausgeht. Der Graphitzylinder 41, der als Re­ flektor der Strahlung dient, ist durch Klumpen von feuer­ festem Material 38 zwischen dem Zylinder 41 und dem Metall­ gehäuse 33 isoliert. Die elektrische Energie wird über die Anschlüsse 5 und 6 zugeführt. Der elektrische Strom fließt durch die Elektrode 39, durch das Heizelement, durch den Boden des Graphitzylinders 41 zur Graphitelektrode 40. Das röhrenförmige Heizelement ist für verschiedene Arten von Reaktoren, Öfen und Destillationskolonnen mit zylindrischer Geometrie geeignet.

Claims (12)

1. Heizeinrichtung, gekennzeichnet durch einen Körper, der zwei oder mehrere Schichten (2) von elektrisch lei­ tendem feuerfestem Material, ein Trägerelement (1) eines feuerfesten Materials zwischen zwei benachbar­ ten Schichten und Mittel (3, 4) zur Hindurchleitung eines elektrischen Stroms durch den Körper aufweist.

2. Heizeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jedes Trägerelement (1) in Form eines Tellers oder einer Platte von dreieckiger, rechteck­ förmiger, quadratischer oder polygonaler Form aus­ gebildet ist.

3. Heizeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Teller oder die Platte eine zen­ trale Öffnung aufweist.

4. Heizeinrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Teller oder die Plat­ te konkav nach oben gewölbt ist.

5. Heizeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von Tragelementen zur Bildung einer Säule verwendet ist.

6. Heizeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhe­ rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in einer Säule angeordneten feuerfesten Partikel der Schichten (2) aus Kokspartikeln bestehen.

7. Heizeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhe­ rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Säule tragenden Elemente (1) aus Graphit bestehen.

8. Heizeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhe­ rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Hindurchleitung eines elektrischen Stromes durch den Körper ein Paar von Elektroden (3, 4) aufweisen und Mittel zur Erzeugung eines Lichtbogens oder eines aus­ gedehnten Plasmabogens zwischen einer Elektrode und dem Körper erzeugen.

9. Heizeinrichtung nach einem oder mehreren der vorhe­ rigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, um Gas durch die Säule zu leiten und Gas mit hoher Temperatur zu erzeugen.

10. Heizeinrichtung nach einem oder mehreren der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Zufuhr von zu schmelzendem, zu reduzierendem, zu verdampfen­ dem, zu destillierendem, zu raffinierendem oder zu ent­ gasendem Material auf ein Ende des Körpers vorgesehen sind.

11. Plasmagenerator, gekennzeichnet durch die Verwendung einer Heizeinrichtung nach einem oder mehreren der An­ sprüche 1 bis 10.

12. Schmelzeinrichtung gekennzeichnet unter Verwendung einer Einrichtung nach Anspruch 10.