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Ofen zur Durchführung elektrothermischer Verfahren, wie Erzeugung
von Calciumcarbid Die Anbringung von Abdeckungen bei Öfen höchster Leistung und
Temperatur, insbesondere bei elektrothermischen Verfahren, die zum Teil mit Lichtbogenheizung
arbeiten, ist bekanntlich schwierig. Die Übeidachungen können dabei oberhalb der
Reaktionsmischung liegen, oder sie können auch ganz oder teilweise innerhalb derselben
angeordnet sein. Die Haltbarkeit dieser Abdeckungen ist bei Verwendung der üblichen
Baustoffe sehr gering.
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Die bisherigen Schwierigkeiten werden am besten dadurch verdeutlicht,
daß häufig derartige Öfen, z. B. Carbid- und Legierungsöfen, auch heute noch offen
betrieben werden, wobei wertvolle Reaktionsgase ungenutzt entweichen. Bei den ebenfalls
bekannten geschlossenen Öfen sind die Überdachungen oft ganz metallisch und mit
Wasserkühlung ausgebildet. Hierbei wachsen infolge der großen Spannweiten solcher
Überdachungen die Schwierigkeiten mit zunehmender Größe der Öfen stark an. Wenn
die metallischen Abdeckungen innerhalb der Reaktionsmischung liegen, ist man gezwungen,
einen weiten Abstand zwischen Überdachung und Reaktionsherd oder Energiequelle zu
halten, wenn man häufige Beschädigungen derselben vermeiden will. Da diese Abdeckungen
meist der direkten Einwirkung der Lichtbogenstrahlung ausgesetzt sind und zudem
oft unmittelbar im stromführenden Feld des Beschickungsmaterials liegen, werden
sie schnell zerstört. Hierbei konnte es dann bei Beschädigungen zu nicht ungefährlichen
Wassereinbrüchen in den Ofen kommen, oder es konnten
Verpuffungen
im Ofen oder andere schwere Störungen verursacht werden.
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Man hat auch bereits versucht, diese Überdachungen durch Steinmaterialien,
z. B. mit Schamotteplatten oder hochfeuerfesten Materialien, zu schützen. Aber diese
Versuche waren insbesondere bei elektrothermischen Öfen hoher Leistung ohne Erfolg,
weil die keramischen Materialien durch die intensive Einwirkung der Temperaturen
und der Beschickung z. B. von kalkhaltigem Staub abfließen und Schmelzerscheinungen
mit den bekannten unangenehmen Störungen zeigen. Oft verbacken sie mit der Beschickung
oder dem Schmelzgut in störender Weise oder werden schon durch die thermischen Beanspruchungen
zerstört. Diese Schäden mit ihren für den Ofenbetrieb störenden Auswirkungen konnten
auch dann nicht vermieden werden, wenn man hochfeuerfeste Materialien verwandte,
die als Spezialmassen für die Herstellung von Öfen in der Technik bekannt sind und
sich für andere Zwecke bewährt haben, z. B. Magnesit-, Chrommagnesit-, Korund-,
Mangalsteine u. dgl. Man war in allen Fällen, ebenso bei der oben bereits erwähnten
Verwendung von ganzmetallischen Abdeckungen, gezwungen, einen großen Abstand zum
Schmelzherd oder zur Heizquelle zu halten, wodurch wesentliche Nachteile des Betriebes,
z. B. unvollständige Erfassung der frei werdenden Reaktionsgase oder ungenügende
Steuerung des elektrischen Stromweges, verursacht werden.
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Diese Übelstände werden durch die Erfindung überwunden. Die Erfindung
betrifft die Abdeckung der Öfen in der Form, daß die überdachenden Teile aus einem
metallischen Traggerüst, z. B. einem Gerüstbau aus Rohren oder Hohlträgern, bestehen
und mit keramischen Wänden aus besonderen Massen ausgebildet sind. Diese Wände werden
erfindungsgemäß so ausgeführt, daß die dem Reaktions- bzw. Schmelzherd oder der
Energiequelle, z. B. den Elektroden, zunächst liegenden Wandzonen der Überdachungen
aus Baustoffen bestehen, deren Verhältniszahl
im Bereich von 0,03 bis 0,5 liegt; hierbei bedeutet a die Temperaturleitfähigkeit,
E den Elastizitätsmodul und ß den mittleren Ausdehnungskoeffizienten; zugrunde gelegt
sind die Zahlenwerte bei niedrigeren Temperaturen (o bis 6oo°). Durch die Kühlung
des metallischen Traggerüstes z. B. mit Wasser oder Dampf oder Gasen werden auch
diese Wände innenseitig gekühlt. Die vorstehende Kennzeichnung der erfindungsgemäß
verwendeten Werkstoffe gibt die Abgrenzung gegenüber dem bisherigen Stand der Technik.
Obwohl diese gekennzeichneten Baustoffe zuweilen einen niedrigeren Schmelzpunkt
haben als die erschmolzenen Reaktionsprodukte, wie Calciumcarbid, hochprozentiges
Silizium, Korund u. dgl., so eignen sie sich dennoch in ganz hervorragendem Maße
und in überraschender `'eise und bedingen den betriebstechnischen Erfolg. Nach kleineren
Werten der Verhältniszahl
z. B. mit einem Modul 0,025 und darunter, liegt dann das Gebiet der üblichen hochfeuerfesten
Stoffe, die aber, wie oben schon gesagt, ungeeignet sind. Damit die Überdachungen
dem Ofen möglichst wenig Wärme entziehen, bevorzugt man dabei, bei sonst gleicher
Eignung, Werkstoffe mit der kleineren Wärmeleitfähigkeit. Nach höheren Werten der
Wärmeleitfähigkeit, die mit der Temperaturleitfähigkeit a und dem Modul
in bekannter physikalischer Beziehung und Proportionalität steht, schließt sich
zuletzt das Gebiet der Metalle an, die dem Gußeisen bereits nahestehen und für den
vorstehenden Verwendungszweck bekannt sind; dabei sind die betriebstechnischen Nachteile
der Verwendung von solchen ganzmetallischen Überdachungen einleitend bereits beschrieben
worden.
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Zu der erfindungsgemäß zu verwendenden Werkstoffgruppe gehören z.
ß. siliziumcarbid-oder graphithaltige keramische '.Materialien, bei denen E zwischen
i,o und 5,0 - 105 und a zwischen o,i und 0,3 und ß zwischen 3,0 und
6,o ' io-6 liegt. Der in Frage kommende Quotient liegt im erfindungsgemäßen Bereich
zwischen o,i und 0,3.
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Während im allgemeinen, wie bereits erwähnt, die bekannten hochfeuerfesten
Spezialmassen, die im wesentlichen innerhalb der Systeme Ca0, Mg 0, Cr203,
A1203, SiO, Zr 02 u. dgl. liegen, für den vorstehenden Verwendungszweck versagen,
auch wenn sie für andere technische Zwecke mit Erfolg Verwendung finden, erhält
man geeignete Baustoffe, wenn man hierbei die auf dieser Basis (Schamotte, Quarz,
Sillimanit, Mullit, Magnesit, Forsterit, Kalk- oder Zementklinker usw.) aufgebauten
Werkstoffe ebenfalls auf obige Beziehung mittels besonderer Maßnahmen und Verarbeitungsverfahren
von der Herstellungsseite abstellt. Dabei können die günstigen Eigenschaften der
Werkstoffe entweder durch den Einfluß der Magerungsmittel, wie Körnung, Porosität
u. dgl., und der Zuschläge unterstützt werden oder indem man das Bindemittel im
besonderen entsprechend dem verfahrensgemäßen Merksaal wählt. Man verfährt dann
so, daß man zu den obergenannten keramischen Komponenten Zusätze von Materialien
als Magerungsmittel oder Bindemittel gibt, die den Elastizitätsmodulund,foderlinearen
Ausdehnungskoeffizienten erniedrigen und /oder die Temperaturleitfähigkeit erhöhen
und so nach dem Brennen oder Sintern der Werkstoffe einen Modul
in dem erfindungsgemäßen Bereich bewirken. Als solche Zusätze kommen in Betracht
z. B. Metallpulver oder -verbindungen, feingemahlenes Siliziumcarbid, Siliziumlegierungen
und/oder kohlenstoff- bzw. graphithaltige Stoffe. Man kann diese Stoffe auch aus
entsprechenden Bildungskomponenten beim Brennen in dem Baustoff und dann vorzugsweise
als Bindemittel herstellen, z. B. kann man SiC aus Siliziumlegierungen und organischen
Stoffen beim Brennprozeß im Stein selbst als Bindemittel erzeugen. Ebenso kann man
Abraum- und Rückstandsschlacken, wie sie beim Betrieb oder Ausräumen elektrischer
oder metallurgischer Öfen erhalten werden und die im allgemeinen ein Gemenge vorstehend
genannter Stoffe darstellen, hierfür in flüssiger, gesinterter oder gepulverter
Form für sich allein oder zusammen mit den vorstehend genannten Komponenten oder
geeigneten Bindemitteln
auf Erzeugnisse mit erfindungsgemäßen '.Modul
vergießen bzw. sintern oder brennen. Ebenso kann man geformte keramische oder kohlenlialtige
Materialien z. B. durch Erhitzen im elektrischen Widerstandsofen, auch mit Zuschlag
oder im Gemenge von Klinker, Kohle oder Carborundum, Quarz, Siliziumlegierungen,
Graphit oder Metalloxyden oder -verbindungen u. dgl., in Werkstoffe überführen mit
wechselndem Modul, der je nach der Dauer der Behandlung oder dem Anteil an übrigen
Bestandteilen der Formsteine, z. B. an kalkreichem Klinker, Magnesit, Quarz, Korund,
Sillimanit, Forsterit, Siliziumcarbidlegierungen u. dgl., innerhalb des erfindungsgemäßen
Bereiches verschieden ist.
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Während z. B. der Modul von handelsüblichen Magnesitsteinen bei o,oi
bis 0,03, von Chromerzsteinen bei o,oa und bei Spezialschamottesteinen bei
0,01 bis 0,03 liegt (diese sämtlichen sonst hochwertigen Steine sind für
den bezeichneten Zweck ungeeignet), schließt sich hieran nach höheren Werten hin
der Modul der erfindungsgemäß zu verwendenden keramischen Baustoffe an. Diese so
gekennzeichneten Baustoffe halten, wie erwähnt, sowohl den sehr hohen und wechselnden
Temperaturen gegenüber stand und sind auch bemerkenswert unempfindlich gegenüber
dem Angriff des Beschickungsmaterials oder des Reaktionsproduktes. Wie schon erwähnt,
kann die Einstellung auf das erfindungsgemäße Merkmal
sowohl von seiten der Magerungsmittel als auch von seiten der Bindemittel her bewirkt
oder begünstigt werden. Letztere können organischer oder anorganischer Art sein.
Durch Zusätze geeigneter Mineralisatoren, z. B. Calciumborat oder Magnesiumfluorid,
können dabei oft die Eigenschaften noch weiter verbessert werden.
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Man wählt solche Komponenten, die einzeln oder gemeinsam beständig
sind gegenüber oxydierenden oder reduzierenden Einwirkungen oder gegenüber der verschlackenden
Wirkung von sauren oder alkalischen Medien, z. B. gegenüber Kalk, Kieselsäure oder
Tonerde. Man kann auch dieSteine in zweckentsprechender Weise aus verschiedenen
Schichten Zusammensetzen. Wenn man z. B. die Berührung zwischen Beschickungsmaterial
und einen schamottelialtigen Baustoff vermeiden will, so kann man diese Steine in
der äußeren Zone z. B. in Siliziumcarbid oder andere obengenannte Materialien übergehen
lassen. Ebenso kann man auf die Steine von vornherein eine Schutzglasur aufbringen,
oder man stimmt vorzugsweise die Zusammensetzung der Materialien innerhalb der Stoffdiagramme
so ab, daß sich beim Erhitzen für sich allein oder zusammen mit der Ofenmischung
Schutzglasuren oder Versinterungen in Form von höherschmelzenden Reaktionsgemischen
bilden.
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Es ist überraschend, daß sogar Komponenten, die Silizium und Kohlenstoff
enthalten, z. B. SiC u. dgl., für den vorstehenden Zweck überhaupt und sogar vorteilhaft
verwendet werden können, obgleich diese unter anderen Verhältnissen bekannterweise
bei hohen Temperaturen z. B. durch oxydierende Atmosphäre oder durch Kohlenoxyd
oder basische Stoffe zerstört werden oder mit dem Beschickungsmaterial reagieren.
Ebenso ist üLerraschend, daß Komponenten dieser Baustoffe oft einen um mehrere Hunderte
von Graden niedrigeren Schmelzpunkt als die erschmolzenen Reaktionsprodukte, wie
Calciumcarbid, Siliziumlegierungen u. dgl., haben. Diese wider Erwarten günstigen
Ergebnisse bedeuten einen großen technischen Fortschritt. Durch die erfindungsgemäße
Verwendung der beschriebenen Qualitätsgruppe werden betriebssichere Gewölbe und
Abdeckungen, z. B. für die Erfassung der Reaktionsgase sowie für andere vorteilhafte
verfahrenstechnische Möglichkeiten, geschaffen.
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Man kann dabei irmner reit Vorteil auf die zu verarbeitenden Stoffe
Rücksicht nehmen und in bevorzugter Weise stark basische bzw. saure Werkstoffe gegenüber
basischem bzw. saurem Beschickungsmaterial verwenden.
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Mit abnehmendem Abstand zwischen Abdeckung und Reaktionsherd oder
Heizquelle wählt man erfindungsgemäß Baustoffe mit zunehmendem Verhältnis
z. b. bewähren sich so Sondermassen mit einem Verhältnis bis rund o,5. In direkter
Nachbarschaft des elektrischen Lichtbogens haben sich so z. B. in Carbidöfen Sintermassen
aus Forsterit oder Schmelzzement mit Metallen, z. B. Eisen, oder Oxyden oder Vorsätze
mit Siliziumcarbid oder hochprozentige Siliziumcarbidmassen allein in überraschender
und hervorragender Weise bewährt.
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Die keramischen Steine können ein- oder doppelteilig ausgebildet sein,
z. B. in Form von sogenannten Trichtersteinen mit rückseitig einlegbarer Schale
oder Klammersteinen. Immer werden zweckmäßig derart geformte Formsteine angewendet,
daß die Fornzsteine die Traggerüstteile möglichst ganzseitig oder zumindest auf
der dem Herd zugekehrten Seite eng umschließen und dabei selber von der Innenfläche
her intensiv gekühlt werden. Vorzugsweise mit Nut und Feder stellt man sie so her,
daß sie leicht auswechselbar sind und sich leicht gasdicht vermauern lassen.
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An Stelle von betriebsfertig vorgebrannten Formsteinen benutzt man
auch Massen, die auf dem Traggerüst des Hohlkörpers aufgestampft, aufgestrichen
oder aufgespritzt werden und nach dem Brennen verfahrensgemäße Eigenschaften annehmen.
Das Brennen kann entweder in einem besonderen Ofen oder dem Reaktionsofen selbst
erfolgen.
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Von besonderem Interesse ist. die Erfindung dann, wenn man die Reaktionsgase
absaugen will oder aus anderen betriebsmäßigen Gründen die Abdeckung möglichst nahe
über der Reaktionszone oder Energiequelle anbringen will. So z. B. läßt sich bei
elektrischen Schmelzöfen die spez. elektrische Leistungsdichte in der Zone der chemischen
oder metallurgischen Umsetzung durch entsprechend breite und tiefe Ausbildung der
Überdachungen so weit erhöhen, daß in vorteilhafter `''eise hochprozentiges Reaktionsgut
erzeugt werden kann. Ebenso gelingt es dabei, die frei werdenden Reaktionsgase sehr
weitgehend zu erfassen. Zum Beispiel ist es auf vorstehende Weise möglich, die bei
der Herstellung von hochprozentigem Calciunicarbid entstehenden Gase in einer stündlichen
Menge von izoo bis i5oo m3/io ooo kW Ofenbelastung
zu gewinnen mit
einem Heizwert von 22oo bis 25oo Kalorien. Man arbeitet dabei so, daß man wassergekühlte
metallische Hohlkörper in Form von elektrisch gegeneinander isolierten sogenannten
Trichtern mit keramischen Wandzonen aus erfindungsgemäßem Baustoff in geringem Abstand
und meist parallel zu den Elektroden derart einlegt, daß diese (lasfäng,2 r ganz
oder teilweise in der Beschickung liegen und den eigentlichen Reaktionsherd in Form
breiter ',ammelräume für die Reaktionsgage überdachen. Dabei steuern sie gleichzeitig
den Weg des elektrischen Stromes in der vorteilhaften Richtung einer homogenen Strömung.
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Dies bedeutet nicht nur für die günstige Bilanz derartiger Schmelzöfen,
z. B. großer Calcilimcarbid-und Siliziumöfen, sondern auch für die hochwertige Nutzung
des aufgegebenen Reduktionskohlenstoffes einen wesentlichen Beitrag.
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Die Tragkonstruktion der Überdachungen_ kann man weitgehend unterteilen,
so daß die mechanische Beanspruchung auf Durchbiegung verringert wird. Im allgemeinen
stellt man diese Tragkonstruktion aus Rohren oder Hohlträgern zumeist in irgendeiner
Form aus Stahlguß oder Schmiedeeisen her. Man bevorzugt ferner korrosions- und rostfreie
Materialien, gegebenenfalls schützt man die Metallteile innenseitig durch Korrosionsschutzmittel.
Man kann die Tragkonstruktion in vorteilhafter Weise aus ferrounmagnetischem Material,
z. B. Kupfer, ausführen. In der Ausführung lassen sich die Überdachungen den z.
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durch die Elektrodenanordnung in Parallel-, Hintereinander- oder Dreieckstellung
gegebenen räumlichen Verhältnissen leicht anpassen.
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Die Hohlkörper werden im allgemeinen mit Wasser gekühlt. Man kann
zur Kühlung .auch Wasserdampf, Luft oder Gas verwenden. Diese Stoffe werden dabei
entsprechend vorgewärmt bzw. überhitzt. Die konstruktive Anordnung der Kühlrohre
trifft man so, daß man das unterste Rohr gegebenenfalls leicht überbrücken kann,
ohne daß die Kühlung des übrigen Traggerüstes dadurch geschädigt wird.
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Erfindungsgemäß erreicht man sehr günstige Verhältnisse für die Betriebstechnik
des Ofens bei Beachtung der vorstehend offenbarten Merkmale, während andernfalls
in der Häufigkeit und im Ausmaß lästige. und störende Betriebsunterbrechungen durch
Beschädigungen an den Abdeckungen und Überdachungen bekannt sind.
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Als Vorteil kommt hinzu, daß in gleichem Verhältnis mit der besseren
Abdeckung des Ofens der Anteil des über dein Ofen abbrennenden staubhaltigen Gases
zurückgeht. Auch so bedeutet, besonders wiederum bei den Öfen hoher und höchster
Leistung, die vollkommenere Abdeckung des Ofens einen ganz beachtlichen Fortschritt.
Während z. B. bei Calciumcarbidöfen alter Bauart der Staubgehalt der aus den Öfen
entweichenden urd über Dach geführten Ofengase rund 5 g Staub/m3 Abluft oder bis
zu 5 bis io °j" des erzeugten Carbids betrug, so erniedrigt sich diese Zahl bei
sonst vergleichbaren Verhältnissen bezüglich Rohmaterialien u. dgl. bei einem modernen
Ofen und bei der verfahrensgemäßen Absaugung der Reaktionsgase trotz einer zwei-
bis fünffach höheren elektrischen Leistung (bis zu ,3o ooo kW) auf o,5 g Staub;'m3
Abluft oder i °,/o und darunter, bezogen auf erzeugtes Calciumcarbid. Ähnlich sind
die Verhältnisse z. B. bei Silizium-und Korundöfen. Diese Beseitigung der an älteren
Öfen vorhandenen Hitze und Staubplage bedeutet eine sehr starke Verbesserung der
gewerbehygienischen Verhältnisse, die nicht nur der Bedienungsmannschaft des Ofens
zugute kommt, sondern auch die lästigen Auswirkungen auf die nähere und weitere
Umgebung derartiger Anlagen beseitigt.
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Die Erfindung bedeutet somit eine weitgehende Vervollkommnung im Ofenbau,
insbesondere bei Öfen zur Durchführung elektrothermischer Verfahren.