DE60202150T2 - Verfahren zur schaffung einer wärmestabilen basiskonstruktion und ofen mit einer wärmestabilen basiskonstruktion - Google Patents

Verfahren zur schaffung einer wärmestabilen basiskonstruktion und ofen mit einer wärmestabilen basiskonstruktion Download PDF

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand von Beispielen und Figuren eingehender beschrieben.
  • 1 zeigt einen Querschnitt einer Sektion in einem Ofen.
  • 2 zeigt eine Draufsicht einer Sektion in einem Ofen.
  • 3a zeigt einen vergrößerten Querschnitt eines Teils einer Sektion von 1.
  • 3b zeigt weitere Details in Verbindung mit dem Aufbau einer Basisstruktur, die derjenigen von 3a vergleichbar ist.
  • 4 zeigt eine vergrößerte Draufsicht eines Teils einer Sektion von 2, wobei die Sektion unterhalb der Basis der Kassetten genommen ist.
  • 5 zeigt einen Längsschnitt der Sektion von 4.
  • 6 zeigt Details in Verbindung mit dem Aufbau einer Basisstruktur.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Herstellen einer thermisch stabilen Basisstruktur (38), die sich als ein Teil von Öfen, wie beispielsweise Ringöfen, zum Kalzinieren von Kohlenstoffblöcken zur Verwendung bei der Aluminiumelektrolyse eignet, wobei die Basisstruktur Schichten aus feuerfesten Ziegeln umfasst und auf einem Fundament ruht, das aus einer Anzahl von Säulen (15, 16, 17, 18, 19, 20) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Schicht B' aus feuerfesten Ziegeln, die auf dem Fundament ruht, hergestellt ist, wobei die Ziegel auf ihren Oberseiten mit Verriegelungselementen (25, 26) versehen sind, worauf eine zweite Schicht C' aus feuerfesten Ziegeln mit darunter angeordneten äquivalenten, komplementären Verriegelungselementen gelegt ist, dergestalt, dass die beiden Schichten wenigstens teilweise miteinander verbunden bleiben.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungselemente als in Längs- und Querrichtung verlaufende Rippen und Nuten (52, 53) gestaltet sind, die in den benachbarten Flächen der Ziegel angeordnet sind.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur (38) aus mehreren Abschnitten (18, 22) hergestellt wird, die dergestalt angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein Spalt (23) gebildet wird, wobei der Spalt für eine strömungsmäßige Verbindung mit Feuerungsgaskanälen (24) in einer Kassettenwand (7) und dem Raum unterhalb der Basisstruktur (38) konfiguriert ist.
  4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Enden (39, 40) der Basisstruktur, wo sie an benachbarten Stirnwänden (30, 31) befestigt ist, eine Ausdehnung bzw. Kontraktion der Basisstruktur in Längsrichtung der Sektion ermöglicht wird.
  5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Dehnungsfugen (60, 61), die zwischen Ziegeln in den Schichten B', C' in der Basisstruktur angeordnet sind, eine Ausdehnung bzw. Kontraktion der Basisstruktur in Querrichtung der Sektion ermöglicht wird.
  6. Ofen, wie beispielsweise ein Ringofen, zum Kalzinieren von Kohlenstoffblöcken zur Verwendung bei der Aluminiumelektrolyse, umfassend eine thermisch stabile Basisstruktur (38), wobei die Basisstruktur auf einem Fundament ruht, das aus einer Anzahl von Säulen (15, 16, 17, 18, 19, 20) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur aus wenigstens zwei Schichten B', C' aus feuerfesten Ziegeln aufgebaut ist, die auf ihren benachbarten Seiten mit Verriegelungselementen (25, 26) versehen sind, dergestalt, dass die Ziegel wenigstens teilweise miteinander verbunden sind.
  7. Ofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungselemente aus in Längs- und Querrichtung verlaufenden Rippen und Nuten (52, 53) bestehen, die in den benachbarten Flächen der Ziegel angeordnet sind.
  8. Ofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungselemente aus rotationssymmetrischen Erhöhungen und Ausnehmungen bestehen.
  9. Ofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur (38) mehrere Abschnitte (18, 22) aufweist, die dergestalt angeordnet sind, dass zwischen ihnen ein Spalt (23) gebildet wird und dass der Spalt die Verbindung zwischen dem Raum unterhalb der Basisstruktur und Feuerungsgaskanälen (24) in einer Kassettenwand (7) bildet.
  10. Ofen nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisstruktur Dehnungsfugen (60, 61) zwischen benachbarten Ziegeln aufweist.
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