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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer
thermisch stabilen Basisstruktur, die einen Teil von Öfen, wie
beispielsweise Ringsektionsöfen,
zum Kalzinieren von Kohlenstoffblöcken zur Verwendung bei der
Aluminiumelektrolyse bilden kann. Des Weiteren betrifft die vorliegende
Erfindung einen Ofen, dessen Basisstruktur sich über einen langen Betriebszeitraum
hinweg mit hohen mechanischen und thermischen Belastungen als stabil
erwiesen hat.
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Kohlenstoffblöcke wie
die oben erwähnten können ein
beachtliches Gewicht von einigen Tonnen und eine Länge von
1,5 Metern und mehr aufweisen, je nachdem, ob sie als Anoden- oder Kathodenelemente
in den Elektrolysezellen verwendet werden sollen (siehe beispielsweise
DE-U1-200 02 167). US-A-5,676,540
offenbart ein verzahntes Steinsystem für Abzugswände eines Ofens.
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Die
Kohlenstoffblöcke
werden in tiefen Schächten – Kassetten
oder Gruben genannt – mit Wänden aus
feuerfestem Mauerwerk in den Ofen geladen. Der Spalt zwischen den
Kohlenstoffblöcken und
den Kassettenwänden
wird mit Packungsmaterial, beispielsweise Koks, verfüllt, um
eine gute Abstützung
(d. h. Stabilisierung) der Kohlenstoffblöcke zu erreichen. Der Verfüllkoks dient
auch dem Schutz der Kohlenstoffblöcke vor Heißluftschäden.
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Mehrere
Kassetten sind nebeneinander angeordnet und bilden eine Sektion.
Die Wände
zwischen den Kassetten sind mit Kanälen für Feuerungsgase versehen, und
den Kohlenstoff blöcken wird
Wärme zugeführt, indem
Feuerungsgase durch diese Kanäle
geleitet werden.
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Die
Feuerungsgase von einer Sektion werden in Feuerungsrichtung über Kanäle, die
in oder unter Stirnwänden,
die sich zwischen den Sektionen befinden, angeordnet sind, zu einer
benachbarten Sektion geleitet. Auf diese Weise können die Feuerungsgase durch
verschiedene Sektionen gezogen werden, die in der Vorwärm-, Feuerungs-
und Abkühlungszone
in Reihe miteinander verbunden sind.
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Öfen dieses
Typs können
horizontale Feuerungsgaskanäle
in dem Raum unterhalb der Basis der Kassetten aufweisen, während das
Gas in dem Raum zwischen der Sektionsabdeckung und den Kassetten
frei strömen
kann. Die Feuerungsgaskanäle
in den Kassettenwänden
verbinden den Raum unterhalb der Sektionsabdeckung mit den Räumen unterhalb
der Basis der Kassetten.
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Des
Weiteren kann eine Sektion durch eine Sperrwand in dem Raum unterhalb
der Kassetten in zwei Teile unterteilt sein. Die Feuerungsgase werden dann
aufwärts
durch eine Hälfte
und abwärts
durch die andere Hälfte
in den Kanälen
der Kassettenwände
in Feuerungsrichtung geleitet.
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Aufgrund
der besonderen Eigenschaften der Kohlenstoffblöcke ist es während des
Kalzinierens erforderlich, größere Temperaturgradienten
zu vermeiden, die Risse im Endprodukt verursachen können. Darum
muss jede Sektion präzise
der Zeit-Temperatur-Kurve folgen, die für den Ringsektionsofen vorgeschrieben
ist.
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Die
erste Phase der Wärmezufuhr
zu einer Sektion vollzieht sich in der Vorwärmzone, wo die Kohlenstoffblöcke mittels
der Wärme
in den Feuerungsgasen vom letzten Teil der Feuerungszone bis etwa
600°C erreichen.
Später,
während
des Temperaturintervalls von 600°C
bis zur gewünschten
Betriebstemperatur von 1.200–1.300°C, muss Wärme durch
die vorgegebene Verbrennung von Gas, Öl und Bindematerial zugeführt werden.
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In
geschlossenen Ringsektionsöfen
kann der Brennstoff entweder in separaten vertikalen Feuerungsschächten in
den Stirnwänden
oder ganz oder teilweise in dem Raum oberhalb und/oder unterhalb der
Kassetten zugeführt
werden, wie in den eigenen Patenten Nr. 152029 und 174364 des Anmelders
gezeigt.
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Ein
Problem bei der optimalen Steuerung eines Ringsektionsofens ist,
dass sie vom Zustand des Mauerwerks und der Feuerungsgaskanäle abhängt. Diese
dürfen
nicht zu stark verschlissen sein, damit es zu keinen großen Leckstellen
kommt.
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Ein
Teil des Mauerwerks, der besonders beansprucht ist, ist die Basisstruktur
der Kassetten. Wenn die Kohlenstoffblöcke eingeführt werden, so wird die Basis
mit mehreren Tonnen belastet. Des Weiteren können die Temperaturen während des
Kalzinierens in einigen Teilen der Struktur 1.500°C überschreiten.
Neben der Notwendigkeit einer hohen mechanischen Festigkeit ist
es wichtig, dass die Basisstruktur eine wirksame Abdichtfläche gegenüber Feuerungsgaskanälen bildet,
die unterhalb der Basis installiert sind, damit es zu keinem unkontrollierten Brennen
in den darüber
befindlichen Kassetten kommen kann. Ein weiteres Merkmal der Basisstruktur ist,
dass Gaskanäle
von den Kassettenwänden,
die mit dem Raum unterhalb der Basisstruktur in strömungsmäßiger Verbindung
stehen, durch sie hindurch verlaufen. Diese Kanäle müssen in abdichtendem Kontakt
mit der Basis stehen, damit kein Feuerungsgas in die Kassetten entweicht.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, die oben genannten
Eigenschaften auch für
große
thermische Kreisläufe
bereitzustellen, wobei die Basis dergestalt gebaut ist, dass sie
hohen mechanischen und thermischen Belastungen widerstehen kann.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung werden die oben genannten Probleme und Aufgaben mittels eines
Verfahrens nach Anspruch 1 und mittels eines Ofens nach Anspruch
6 gelöst
bzw, erreicht. Bevorzugte Ausführungsform
sind in den abhängigen
Ansprüchen
genannt.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen und
Figuren eingehender beschrieben.
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1 zeigt
einen Querschnitt einer Sektion in einem Ofen.
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2 zeigt
eine Draufsicht einer Sektion in einem Ofen.
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3a zeigt
einen vergrößerten Querschnitt eines
Teils einer Sektion von 1.
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3b zeigt
weitere Details in Verbindung mit dem Aufbau einer Basisstruktur,
die derjenigen von 3a vergleichbar ist.
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4 zeigt
eine vergrößerte Draufsicht
eines Teils einer Sektion von 2, wobei
die Sektion unterhalb der Basis der Kassetten genommen ist.
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5 zeigt
einen Längsschnitt
der Sektion von 4.
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6 zeigt
Details in Verbindung mit dem Aufbau einer Basisstruktur.
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1 zeigt
einen Querschnitt einer Sektion in einem Ofen. Die Sektion 1 umfasst
einen äußeren Mantel 2,
der an den Seiten 3, 5 und an der Basis des Ofens 4 mit
Mauerwerk ausgekleidet ist. Die Figur zeigt auch die Kassettenwände 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14,
die mit Feuerungsgaskanälen
versehen sind. Eine Anzahl Säulen 15, 16, 17 ruht
auf der Basis 4. Sie stützen
Abschnitt 18 der Basisstruktur. Entsprechend stützen die
Säulen 19, 20, 21 den
Abschnitt 22 der Basisstruktur. Zwischen den Abschnitten 18 und 22 befindet
sich eine Öffnung 23,
durch die Feuerungsgas strömen
kann und die mit den Feuerungsgaskanälen in Kassettenwand 7 in
strömungsmäßiger Verbindung
steht. Es sind drei Schichten aus Kohlenstoffblöcken K zu sehen, die in die
Kassette zwischen den Kassettenwänden 10 und 11 eingeführt sind.
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2 zeigt
eine Draufsicht einer Sektion in einem Ofen. Wie der Figur zu entnehmen
ist, sind die Kassettenwände 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 an
ihren Enden an den Stirnwänden 30, 31 befestigt.
Des Weiteren sind Kohlenstoffblöcke
K zu sehen, die in die Kassette zwischen den Kassettenwänden 9 und 10 eingeführt sind.
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3a zeigt
einen vergrößerten Querschnitt eines
Teils einer Sektion von 1, wobei ein äußerer Mantel 2 an
seiner Seite mit Mauerwerk 5 und an seiner Basis mit Mauerwerk 4 ausgekleidet
ist. Des Weiteren zeigt die Figur drei Säulen 15, 16, 17,
die einen Abschnitt 18 der Basisstruktur stützen, und
Säulen 19, 20, 21,
die Abschnitt 22 der Basisstruktur stützen. Die Öffnung 23 zwischen
den Basisabschnitten 18, 22 steht mit dem oder
den Feuerungsgaskanälen 24,
die in der Kassettenwand 7 von ganz unten bis ganz nach
oben verlaufen, in strömungsmäßiger Verbindung.
Die anderen Kassettenwände
sind entsprechend angeordnet. Die Kassettenwände können zweckmäßigerweise aus Wandstrukturen
bestehen, die in der eigenen norwegischen Patentanmeldung Nr. NO
20012044 des Anmelders gezeigt sind, und lehnen sich an die Ausnehmungen 27, 28 an,
die in den Basisabschnitten 18, 22 angeordnet
sind. Die gezeigte Öffnung 23 kann
sich als ein durchgehender Spalt über die gesamte Länge der
Sektion erstrecken.
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Wie
in der Figur teilweise gezeigt, bestehen die Basisabschnitte 18 und 22 aus
zwei Schichten B', C' aus feuerfesten
Ziegeln mit einer relativ großen Fläche im Verhältnis zu
ihrer Dicke. Die benachbarten Flächen
der Ziegel sind zweckmäßigerweise
mit Verriegelungselementen 25, 26 versehen, die
dazu beitragen, dass die Ziegel in den beiden Schichten miteinander
verriegelt sind. Die Verriegelungselemente können aus zusammenwirkenden
Erhöhungen
und Ausnehmungen bestehen, die aneinander angepasst sind und zusammenpassen.
Es können auch
verschiedene alternative Ausführungsformen verwendet
werden. Beispielsweise können
die Verriegelungselemente aus in Längs- und Querrichtung verlaufenden
Rippen und Ausnehmungen bestehen, oder sie können aus rotationssymmetrischen
Erhöhungen
und Aus nehmungen bestehen, die denen vergleichbar sind, die in der
eigenen Patentanmeldung Nr. PCT/NO99/00370 des Anmelders gezeigt sind.
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3b zeigt
weitere Details in Verbindung mit dem Aufbau einer Basisstruktur,
die derjenigen von 3a vergleichbar ist, wobei vier
Säulen 15, 16, 17, 18 gezeigt
sind. Ein Aufbau einer Basisstruktur mit zwei Schichten C', B' aus feuerfesten
Ziegeln umfasst Ziegel mit Verriegelungselementen 25, 26. Die
Figur zeigt auch Dehnungsfugen 60, 61, die zwischen
den Ziegeln angeordnet sein können.
In diesem Ausführungsbeispiel
ist der feuerfeste Ziegel 62 nicht mit Verriegelungselementen
zu den darunterliegenden Ziegeln 64, 65 versehen,
damit die Schichten C',
B' die notwendige
Beweglichkeit relativ zu den Dehnungsfugen besitzen. Des Weiteren
zeigt die Figur die Form eines Endziegels 63, der als Abschluss der
beiden Schichten gegen einen benachbarten Ziegel in einem Feuerungsgaskanal
in einer Kassettenwand (nicht gezeigt) gedacht ist. Dementsprechend sind
Endziegel 66, 67 gezeigt. Sie wirken mit einem Ziegel 24' zusammen, der
einen Teil eines Feuerungsgaskanals in einer Kassettenwand bildet.
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4 zeigt
eine vergrößerte Draufsicht
eines Teils einer Sektion von 2, wobei
die Sektion unterhalb der Basis der Kassetten genommen ist. Wie
in 2 sind Stirnwände 30, 31 gezeigt.
Sie begrenzen die Sektion in ihrer Länge. Des Weiteren sind eine
Anzahl Säulen
gezeigt. Der Einfachheit halber sind nur die Säulen 15, 16, 17, 19, 20, 21 und
die Säulen 33, 34, 35, 36, 37 mit
Bezugszahlen versehen. Der Raum unterhalb der Basisstruktur der
Kassetten ist mittels einer dichten Sperrwand 32 in der Mitte
der Sektion für
einen Gasstrom geschlossen, wodurch die Feuerungsgase aufwärts durch
die Kassettenwände
in der ersten Hälfte
der Sektion und wieder abwärts
in der nächsten
Hälfte
gedrängt
werden.
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5 zeigt
einen Längsschnitt
einer Sektion von 4. Die Figur zeigt außerdem eine
Basisstruktur 38, die auf den Säulen ruht. Die Figur zeigt
Säulen 15, 33, 34, 35, 36, 37,
die auf der Basis des Ofens 4 ruhen. Des Weiteren zeigt
die Figur die Trennwand 32 und die Basisstruktur 38.
An ihren Enden 39, 40 ist die Basisstruktur an
benachbarten Stirnwänden (nicht
gezeigt) mit einer Dehnungs- und Kontraktionsfuge befestigt.
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6 zeigt
Details in Verbindung mit dem Aufbau einer Basisstruktur, wobei
nur eine Sektion der Basis in Draufsicht gezeigt ist. Die Figur
zeigt die Sperrwand 32 und (nur teilweise) die Säulen 15, 17, 33, 34, 35, 36, 37 und 16.
Die Figur soll den Aufbau der Basisstruktur veranschaulichen, und
die Reihen A, B, C zeigen die einzelnen Stufen dieses Aufbaus. In
Reihe A ist die Installation einer Schicht aus Kantenziegeln 50, 50' gezeigt. Die
Stelle, wo zwischen den Kantenziegeln 50' und 50'' ein
Spalt 23 gebildet ist, bildet die Basis der Kassettenwände (siehe 3). In Reihe B ist eine Reihe Ziegel 51 gezeigt, die
zwischen den Reihen der Kantenziegel 50'' und 50''' gelegt
ist. Die Fläche
der Ziegel ist mit schwarzen Linien angedeutet, die zusammen eine
rechteckige Form bilden. Die Figur zeigt, dass jeder Ziegel ein
Netz aus Verriegelungselementen haben kann, und im Mittelabschnitt
der Reihe kann dies in Längs- und
Querrichtung verlaufende Rippen und Nuten 52, 53 umfassen.
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In
Reihe C ist die zweite und abschließende Schicht gelegt. In der
gleichen Weise wie in der vorherigen Reihe sind die einzelnen Ziegel
durch durchgehende schwarze Linien in rechteckigen Formen gezeigt.
Unter dieser Schicht befinden sich zusammenwirkende Verriegelungselemente,
die sich mit komplementären
Elementen in der in Reihe B gezeigten Schicht verriegelnd verbinden.
Des Weiteren sind die Ziegel so gestaltet, dass keine der Endkanten
mit den Endkanten der Ziegel in der darunterliegenden Schicht übereinstimmt.
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Auf
diese Weise kann eine stabile Basisstruktur bereitgestellt werden,
in der im Prinzip jeder einzelne Ziegel dauerhaft mit einem oder
mehreren benachbarten Ziegeln verriegelt ist, mit Ausnahme der Herstellung
von Dehnungsfugen, wo benachbarte Ziegel in der Lage sein müssen, sich
in zweckmäßiger Form
zu bewegen, wie unter 3b beschrieben.
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Die
Größe der Ziegel
ist an die tragende Fläche
angepasst, welche durch die Oberseite der Säulen gebildet wird, und die
Fugen zwischen den Ziegeln werden so gelegt, dass die Festigkeitseigenschaften
des Bodens optimiert werden.