DE69317928T2

DE69317928T2 - Vorrichtung zur Analyse von Kohlenstoffprodukten

Info

Publication number: DE69317928T2
Application number: DE69317928T
Authority: DE
Inventors: Knut N-3472 Bodalen Bergli; Trygve N-5875 Ardalstangen Foosnaes; Tormod N-1370 Asker Naterstad
Original assignee: Norsk Hydro ASA
Current assignee: Norsk Hydro ASA
Priority date: 1992-02-28
Filing date: 1993-02-19
Publication date: 1998-12-24
Anticipated expiration: 2013-02-20
Also published as: US5366901A; FI930893A0; NO920790L; NO175025B; HUT66030A; ATE165160T1; CZ28093A3; CA2089859A1; AU661367B2; NZ245903A; RU2098802C1; HU9300499D0; FI107839B; FI930893L; SK281500B6; SK13393A3; EP0558130B1; DK0558130T3; EP0558130A2; NO920790D0

Description

Die vorliegende Erfindung betriffi eine Vorrichtung für die Analyse von Kernproben von körnigem Koks, von rohem Kohlenstoff und von verbranntem Kohlenstoff
Es ist der Wunsch eines jeden Metallherstellers ein größtmögliches Wissen über die Eigenschaften von gegen Kohlenstoff beständigen Teilen der Produktionsanlagen zu besitzen, wie zum Beispiel über Anoden, Kathoden und Stampfmassen.
Es gibt viele Faktoren die bestimmen auf welche Art und Weise ein Kohlenstoffprodukt im Verlaufe des Metallherstellungsprozesses reagieren wird.
Wenn das Kohlenstoffprodukt mit der Luft in Kontakt kommt, auf die Art und Weise wie dies normalerweise bei dem oberen Teil der Anode der Fall ist, dann korrodiert der Kohlenstoff Ein anderer unglücklicher Prozeß, der insbesondere auf der unteren Seite von zum Beispiel Anoden auftritt, besteht darin, daß ein Teil des CO&sub2;-Gases aus der primären Reaktion mit dem Kohlenstoff reagiert um Kohlenmonoxid zu bilden. Diese beiden Bedingungen werden Reaktivität von Luft beziehungsweise Reaktivität von CO&sub2; genannt.
Die Reaktion mit der Luft und mit dem CO&sub2; kann ein Zerbröckeln des Anodenmaterlais zur Folge haben, was oft zu dem Resultat für, daß aufgrund von Partikeln der Anode in dem Elektrolyten Betriebsprobleme auftreten. Dieser Vorgang wird Rußbildung genannt.
Der Koeffizient der thermischen Expansion (KTE) ist eine Eigenschaft eines Kohlenstoffproduktes die man zweckmäßigerweise bei der Metallherstellung kennen sollte. Die Analyse des Koeffizienten der thermischen Expansion wird Wärmeausdehnungsmessung oder Dilatometrie genannt.
GB-A-2 154 318 offenbart ein Verfahren zur Bewertung der Mikroreaktivität von Koks, genauer gesagt der Correaktivität eines solchen Materials. Diese Veröffentlichung offenbart desweiteren, daß die Vorrichtung um die es sich handelt einen Ofen, eine Wägevorrichtung, ein Gerät zur Aufzeichnung der Temperatur und eine Vorrichtung zum Einführen von Gas in den Ofen aulweisen kann.
US 4, 976, 549 bezieht sich auf einen Mikrodilatometer zur direkten Messung der Eigenschaften von Kohlenasche in bezug auf das Sintern und das Schmelzen bei hohen Temperaturen und Drücken. Die Vorrichtung hat die Messungen des elektrischen Widerstandes quer durch eine Probe zum Inhalt, um eine Erfassung des Beginns des Zusamensinterns und des Schmelzens der Aschenteuchen zu liefern, während die Kontraktion der Probe im Verlaufe des Sinterns mit Hilfe eines linear variablen Stellungsgebers gemessen wird, um den Beginn des Sinterns zu erfassen.
Jedoch ist diese Einrichtung gemäß dem Stand der Technik lediglich in der Lage entweder die Reaktivität oder den Wärmeausdehnungskoefflzienten zu bestititinen. Hinzu kommt, daß die bestehenden Einrichtungen oft groß und ungenau sowie kompliziert und zeitaufivendig beim Einsatz sind.
Es hat deshalb lange Zeit die Notwendigkeit für eine praktischere Einrichtung zur Messung dieser Parameter in Kohlenstoffprodukten bestanden.
Die vorliegende Erfindung betritft eine Vorrichtung für die Analyse von Kohlenstoffprodukten in bezug auf die Reaktivität von Luft, die Reaktivität von CO&sub2;, den Rußindex und den Koefzzienten der thermischen Expansion. All diese Eigenschaften eines Kohlenstoffproduktes können durch den Einsatz der Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung bestimmt werden.
Diese Vorrichtung besitzt demzufolge einen weiten Bereich von Vorteilen im Vergleich zu dem was früher in diesem Bereich bekannt war. Jetzt ist nur eine Vorrichtung zur Analyse eines Kohlenstoffproduktes in bezug auf die oben angeführten Eigenschaften erfordert, wo hingegen es früher notwendig war mindestens zwei verschiedene Vorrichtungen zu benutzen. Dies stellt sowohl eine Kosteneinsparung als auch eine Zeiteinsparung dar und führt darüber hinaus zu einer Einsparung bei der Zahl von Bedienungsleuten die erfordert sind um die Vorrichtung zu bedienen. Zusätzlich ist die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung von einer kompakten Ausführung, was bedeutet, daß sie weniger Platz erfordert.
Die Vorrichtung umfaßt, unter anderen Bestandteilen, eine Datenverarbeitungseinheit welche die verschiedenen Instrumente regelt und die analytischen Daten erfaßt und verarbeitet. Dies hat zur Folge, daß die mit dieser Vorrichtung durchgeführten Analysen sehr genau und schnell sind. Aus diesem Grunde ist die Vorrichtung auch einfach zu bedienen und aufgrund der Tatsache daß die Datenverarbeitungseinheit die notwendige Prozeßsteuerung durchführt, ist die Vorrichtung sowohl umweltfreundlich als auch anwendungsfreundlich.
Die Vorrichtung zur Analyse gemaß der Erfindung ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet.
Die Kohlenstoffproben, die auf ihre Reaktivität und ihren Rußindex analysiert werden sollen, sind mittels eines Probehalters in einer Wägeeinrichtung aufgehängt, während die Kohlenstoffproben, die auf ihren Koeffizienten der thermischen Expansion analysiert werden sollen, mittels eines Probehalters an einen Differentialtransformator angeschlossen sind.
Die Analysen der Reaktivität und des Rußindexes können an Kernproben aus körnigem Koks und aus verbranntem Kohlenstoff durchgeführt werden. Die Dilatometrie kann an Kernproben aus rohem Kohlenstoff und aus verbranntem Kohlenstoff durchgeführt werden.
Die Vorrichtung gemaß der vorliegenden Erfindung wird in der Figur 1 dargestellt, wobei die Symbole 14 folgende Bedeutung haben:
1. Datenverarbeitungseinheit
2. Röhrenofen
3. Wägevorrichtung
4. Dilatometer.
Vom Prinzip her besteht keine Grenze hinsichtlich der Anzahl von Kohlenstoffproben die dadurch gleichzeitig miteinander analysiert werden können, daß mehrere Röhrenöfen an die Komputervorrichtung angehängt werden.
Bei der Bestinnnung der Reaktivität von Luft, der Reaktivität von CO&sub2; und des Rußindexes werden vertikale Rohröfen mit Einlaßöffnungen für die Einleitung von Gasen angewandt, wodurch es der Probehalter für das Kohlenstoffprodukt ist der freischwebend von einer Wägevorrichtung herabhängt und herunter bis in den Röhrenofen hineinreicht; der Probehalter ist mit einem oder mehreren Thermoelementen zur Aufeichnung der Temperatur in dem Kohlenstoffprodukt versehen.
Diese Vorrichtung wird in der Figur 2 d&gestellt und die Symbole 2, 3 und 5-8 haben folgende Bedeutung:
2. Röhrenofen
3. Wägevorrichtung
5. Einlaßöffnung für die Einleitung von Gasen
6. Probehalter
7. Radiales Strahlungsschutzschild
8. Heizelement.
Bei der Dilatometrie werden vertikale Röhrenöfen für rohe Proben angewandt, wohingegen für verbrannte Proben horizontale Öfen angewandt werden. Rohe Proben müssen während der Analyse aufrecht angeordnet sein, da das eher weiche Material bei diesen Proben sich selbst an dem Probehalter festsetzt und zu fehlerhaften Resultate führt wenn es horizontal liegt. In den horizontalen Röhrenöfen können gleichzeitig zwei verbrannte Proben in einem Ofen analysiert werden, dadurch daß man je eine Probe an jedem Ende des Ofens unterbringt.
Diese Röhrenöfen mit Einlaßöffnungen für die Zuführ von Gas bilden Dilatometer, die aus einem Probehalter für das Kohlenstoffprodukt bestehen, welch letzteres um eine kurze Wegstrecke im Innern des Ofens untergebracht ist; der Probehalter, der mit einem Thermoelement ausgestattet ist, steht mit einem Differentialtransformator am Ende des Röhrenofens in Verbindung.
Figur 3 stellt eine Skizze dieses Gerätes d& und die Symbole 2 und 7-13 bedeuten:
2. Röhrenofen
7. Radiales Strahlungsschutzschild
8. Heizelement
9. Kohlenstoffprobe
10. Probehalter
11. Thermoelement
12. Gehäuse des Differentialtransformators
13. Differentialtransformator
Diese Vorrichtung für die Analyse von Kohlenstoffprodukten ist anwendbar sowohl für Forschungszwecke als auch für Routineuntersuchungen bei der Herstellung von Anoden.
Die Erfindung wird im Anschluß hieran bis in weitere Einzelheiten beschrieben.

Analyse der Reaktivität und des Rußindexes

Die Analyse der Reaktivität und des Rußindexes von Kohlenstoffproben wird bei konstanten Temperaturen durchgeführt. Der Gewichtsverlust der Kohlenstoffprobe, der auf die Vergasung durch Luft und Kohlendioxyd zurückzuführen ist, wird kontinuierlich gemessen. Bei einer Gleichgewichtsreaktion ist der Gewichtsverlust proportional zu der Zeit. Der Gewichtsverlust als Funktion der Zeit ist ein Ausdruck der Reaktionsgeschwindigkeit die demzufolge Reaktivität genannt wird (Luft- oder Correaktivität). Die Menge an Rußstaub die während der Analyse erzeugt wird, wird gesammelt und abgewogen, und liefert die Basis für die Berechnung eines dimensionslosen Parameters, nämlich des Rußindexes.
Die Kohlenstoffprobe wird mittels des Probehalters 6 um eine kurze Wegstrecke nach unten im Innern des vertikalen Röhrenofen 2 aufgehängt, Ofen der aus Gold angefertigt ist. Auf daß der Gewichtsverlust mit der Datenverarbeitungseinheit 1 kontinuierlich verfolgt werden kann, wird die Probe mittels des Probehalters 6 von der Wägeeinrichtung 3 herunter aufgehängt. Ein Thermoelement steht ebenfalls mit der Probe in Verbindung, so daß die Temperatur in der Probe aufgenommen und kontrolliert werden kann. Die Temperatur in dem Ofen und in der Probe wird durch die Recheneinheit geregelt.
Die Probehalter 6, die für die Analyse von Kernproben aus körnigem Koks und aus verbranntem Kohlenstoff angewandt werden, sind verschieden geformt, jedoch sind beide so geformt, daß das Thermoelement mit dem Kohlenstoffprodukt selbst in Kontakt steht wenn die Temperatur aufgezeichnet wird. Das bedeutet, daß die Temperaturaufzeichnung sehr genau ist.
Das Gas wird durch eine Einlaßöffiiung 5 in dem Boden in den Ofen 2 eingeführt, und es wird auf die Reaktionstemperatur vorgeheizt während es vor einem radialen Strahlungsschutzschild 7 im Innern des Ofens, auf dem Weg hin zu der Kohlenstoffprobe, passiert. Die Zuführ des Gases wird ebenfalls durch die Datenverarbeitungseinheit 1 geregelt.
Die Analyse des Kohlenstoffproduktes in bezug auf die Reaktivität und den Rußindex wird über Dialog-Module automatisch von der Datenverarbeitungseinheit 1 durchgeführt. Die Datenverarbeitungseinheit schaltet automatisch von der Zuführ des einen Gases auf diejenige des anderen Gases um. Während des Aufheizens der Probe wird eine inerte Atmosphäre (N2) eingeführt. Die Datenverarbeitungseinheit schließt das N&sub2;-Ventil automatisch und öffiiet das Ventil für Luft oder für CO&sub2;. Wenn die Reaktion abgeschlossen ist, dann schaltet die Datenverarbeitungseinheit automatisch zurück auf N&sub2; und die Probe wird abgekühlt.
Standard Bedingungen während dieser Analyse sind:
Aufheizzeit: 60 Minuten
Reaktionszeit: 180 Minuten
Abkühlzeit 30 Minuten
Reaktionstemperatur in CO&sub2;: 960ºC
Reaktionstemperatur in Luft: 525ºC
Die Durchtlußmenge an Gas durch den Ofen beträgt 100 Nl/h bei CO&sub2; und 200 Nl/h bei Luft.
Die Reaktionsbedingungen können jedoch leicht von dem Bedienungspersonal abgeändert werden.
Das Wägesystem in der Vorrichtung weist eine Reproduzierbarkeit von 1 mg auf. Das Gewicht wird auf einer kontinuierlichen Basis Oeweils nach 20 Sekunden gemäß den Standardbedingungen) aufgezeichnet. Die hohe Anzahl an Messungen, die gute Reproduzierbarkeit des Wägesystems und die effiziente Temperaturkontrolle, welche in dem Bereich von +/-1ºC der gewünschten Temperatur liegt, sichern Resultate mit hoher Genauigkeit. Die Genauigkeit ist besser als +/-1 %.
Die Resultate der Analyse in bezug auf die Reaktivitäten und den Rußindex werden mittels der Datenverebeitungseinheit 1 berechnet.
In einer Vorrichtung die aus 8 Röhrenöfen besteht, ist es möglich 8 Kohlenstoffproben in dem Zeitraum von 4,5 Stunden zu analysieren. Die benötigte Zeit zur Vorbereitung einer Komenstoffprobe für die Analyse beträgt 10 Minuten. Wie vorher erwhnt worden ist, regelt die Datenverarbeitungseinheit die Öfen automatisch. Die Zeit, die ein Bedienungsmann benötigt um in der Lage zu sein die Proben vorzubereiten, die Proben in den Öfen zu befestigen, die Proben aus den Öfen zu entfernen, den Ruß einzusammeln und die Resultate für die Proben in 8 Öfen abzulesen, beläuft sich insgesamt auf 100 Minuten.

Dilatometrie

Wenn die Vorrichtung als Dilatometer gebraucht wird, dann wird das Wägesystem 3, an welches die Kohlenstoffprobe während der Reaktivitätsanalyse befestigt ist, durch einen Differentialtrasformator 13 ersetzt. Zusätzlich wird ein anderer Probehalter 10 angewandt, welcher mit einem Thermoelement 11 ausgerüstet ist und an den Differentialtransformator 13 angeschlossen ist. Dieser Differentialtransformator 13 ermöglicht die Aulzeichnung der Volumenänderungen und der Temperatur der Probe durch die Datenverarbeitungseinheit 1 und es kann der Koeffizient der thermischen Expansion berechnet werden.
Der Koeffizient der thermischen Expansion (KTE) wird ausgedrückt als die mittlere Zunahme, in einem Diagramm, der Expansion der Kohlenstoftprobe in Funrtion der Temperatur.
Die Analyse des Kohlenstoftproduktes in bezug auf den Koefzzienten der thermischen Expansion wird durchgeführt indem man zuerst N&sub2;-Gas einleitet. Das Kohlenstoffprodukt wird ausgehend von der Raumtemperatur auf 800ºC aufgeheizt, dies mit einer standard Aufheizgeschwindigkeit von 10ºC pro Minute. Die Aufheizbedingungen können leicht von dem Bedienungspersonal abgeändert werden, wenn dies gewünscht ist. Die Temperatur und die Expansion werden aufgezeichnet und die eine gegenüber der anderen aufgetragen. Wenn die Messungen abgeschlossen sind, dann wird der Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt. Während des Abkühlens von der maximalen Temperatur bis auf 400ºC, wird die Abkühl-10 geschwindigkeit durch Zusatz von N&sub2; unter hohem Druck erhöht. Ist die Temperatur bis auf unter 400ºC gefallen, dann wird Luft unter hohem Druck als Kühlmittel eingesetzt. Der ganze Ablauf dieses Prozesses erfolgt automatisch unter der Kontrolle der Datenverarbeitungseinheit
Der Koeffizient der thermischen Expansion wird berechnet mit Hilfe der Datenverarbeitungseinheit 1 auf der Basis der während der Dilatometrie gespeicherten Daten.
Diese Analyse dauert 80 Minuten zuzüglich der Abkühlzeit. Die zeit die ein Bedienungsmann benötigt zur Vorbereitung der Proben, zur Befestigung der Proben in den Öfen, zum Entfernen der Proben aus den Öfen, zum Ablesen der Resultate der Proben an 10 Dilatometer beläuft sich insgesamt auf 120 Minuten.

Claims

1. Zur Bestimmung der Reaktivität von Luft, der Reaktivität von CO&sub2;, des Rußindexes und des Koeffizienten der thermischen Expansion eines Kohlenstoffproduktes dienende Vorrichtung mit:

wenigstens einem zur Bestimmung der Reaktivität von Luft, der Reaktivität von CO&sub2; und des Rußindexes des Kohlenstoffproduktes dienenden Röhrenofen, der eine Einlaßöffnung für die Einleitung von Gas in den Ofen (2) und einen Probehalter (6) aufweist, welch letzterer mit einem Gerät für die Temperaturmessung und mit einer Wägevorrichtung ausgestattet ist, mit wenigstens einem zur Bestimmung des Koeffizienten der thermischen Expansion des Kohlenstoproduktes dienenden Röhrenofen (2), der eine Einlaßöffnung für die Einleitung von Gas und einen Probehalter (6) afgereist, welch letzterer mit einem Gerät für die Temperaturmessung und mit einem Gerät zur Aufreichnung der Dehnung (4) ausgestattet ist, und mit einer gemeinsamen Datenver&beitungseinheit (1), welche an einen jeden Ofen (2) angeschlossen ist und welche die von den verschiedenen Instrumenten erzeugten analytischen Daten verarbeitet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gemäß welcher wenigstens ein zur Bestimmung der Reaktivität von Luft, der Reaa:tivität von CO&sub2; und des Rußindexes des Kohlenstoffproduktes dienender Röhrenofen mit dem Probehalter (6) ausgestattet ist, welch letzterer freischwebend an der Wägevorrichtung (3) aufgehängt ist und herunter bis in den Röhrenofen (2) hineinreicht; und das Gerät für die Temperaturmessung weist ein oder mehrere Thermoelemente an dem Probehalter (6) auf.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und Anspruch 2, gemaß welcher wenigstens ein zur Bestimmung des Koeffizienten der thermischen Expansion des Kohlenstoffproduktes dienender Röhrenofen (2) mit dem Probehalter ausgestattet ist, welch letzterer eine kleines Stück in den Ofen (2) hineingeführt ist und wenigstens einen Teil eines Dilatometers bildet, wobei der Probehalter mit einem Thermoelement (11) ausgestattet ist und an einen Differentialtransformator (13) am Ende des Ofens (2) angeschlossen ist.