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Dokumentenidentifikation DE3429534A1 20.02.1986
Titel Graphitierungsbehälter
Anmelder Sigri GmbH, 8901 Meitingen, DE
Erfinder Burmeister, Alexander, Dipl.-Ing. Dr.rer.nat., 8851 Nordendorf, DE
DE-Anmeldedatum 10.08.1984
DE-Aktenzeichen 3429534
Offenlegungstag 20.02.1986
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.02.1986
IPC-Hauptklasse C01B 31/04

Beschreibung[de]

Graphitierungsbehälter

Gegenstand der Erfindung ist ein Behälter für das induktive Graphitieren von Kohlenstoff, besonders von geformten Kohlenstoffkörpern.

Zum Graphitieren von Kohlenstoff sind mehrere Verfahren bekanntgeworden, deren gemeinsames Merkmal eine Prozeßtemperatur von etwa 2600 bis 3000 OC ist. Nach einem verbreiteten Verfahren werden Kohlenstofformlinge alternierend mit Schichten eines körnigen Resistormaterials oder als durchgehender Strang zwischen zwei Elektroden gestapelt, mit einem Isolationsmaterial umschüttet und durch direkten Stromdurchgang auf die Graphitierungstemperatur erhitzt. Bei anderen Verfahren sind die Kohlenstoffkörper wenigstens teilweise von besonderen Heizelementen umgeben und werden durch Strahlung erhitzt oder man erhitzt die Körper induktiv. Der Heizinduktor ist dabei gegen den aufzuheizenden Körper thermisch isoliert, falls der Induktor nicht selbst aus Graphit besteht (DE-PS 22 34 127). Zum Erhitzen kleinformatiger Kohlenstoffkörper in einem tunnelartigen Graphitierungsofen ist es bekannt, die die Graphitierungszone umschließende Induktionsspule durch ein Quarzrohr und eine Schicht aus Acetylenruß gegen den Kohlenstoff- körper abzuschirmen (FR-PS 1 271 206). Für größere Abmessungen sind zylindrische Graphitbehälter vorgeschlagen worden, die ebenfalls als thermische Isolierung eine Rußschicht enthalten (CA-PS 726 109).

Wirkungsvoller sind Anordnungen, die zwischen dem zu graphitierenden Körper und der Induktionsspule mehr als zwei Schichten enthalten. Durch die US-PS 2 090 693 ist beispielsweise ein Behälter bekanntgeworden, der von außen nach innen aus einer ersten Schicht aus einem thermisch und elektrisch isolierenden Material, einer zweiten die Isolierung schützende Schicht aus einem feuerfesten Material, einer dritten Schicht aus Ruß oder Kohlenstoffpulver und einem dünnen Graphitzylinder als vierte Schicht besteht, der die Rußschüttung abstützt und zur Vermeidung einer induktiven Ankopplung mit Schlitzen versehen ist.

Beim Aufheizen und Abkühlen der Behälter entstehen Temperaturgradienten und insbesondere auch tangentiale Spannungen, die besonders in massiv ausgebildeten Schalen oder Schichten zu Rissen führen können. Risse begünstigen das Eindringen von Luft in den Behälter, die Oxidation von kohlenstoffhaltigem Isoliermaterial, die Verwirbelung von pulverförmigem Isoliermaterial und den Austritt flüchtiger, beim Graphitieren freiwerdender Stoffe, wie Schwefel- und Metaildämpfe. Allein oder in Kombination führen die Effekte in kurzer Zeit zur Zerstörung des Behälters. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, für die induktive Graphitierung einen Behälter zur Aufnahme von Kohlenstoff, vor allem von Kohlenstoffkörpern zu schaffen, der einen großen Wärmewiderstand hat, für flüchtige Stoffe undurchlässig ist und eine hohe Beständigkeit gegen durch Temperaturwechsel ausgelöste Spannungen aufweist.

Die Aufgabe wird mit einem Behälter der eingangs genannten Art gelöst, der aus konzentrischen Schichten gebildet ist. Alle Schichten des Behälters sind temneraturbeständig und weisen einen großen elektrischen Widerstand auf; die innere Schicht hat ein großes Porenvolumen und ist für Fluide durchlässig, die mittlere Schicht hat eine kleine Wärmeleitfähigkeit und die äußere Schicht ist für Fluide undurchlässig. Der Terminus temperaturbeständig" bezieht sich auf die tatsächlich beim Graphitieren von Kohlenstoff in den einzelnen Schichten des Behälters auftretenden Temperaturen, d.h., die innere Schicht muß bei einer höheren Temperatur beständig sein wie die äußere Schicht. Alle Schichten sind zudem ein elektrischer Isolator oder haben wenigstens einen hinreichend großen, eine induktive Ankoppelung ausschließenden elektrischen Widerstand. Die innere, dem zu graphitierenden Kohlenstoff zugewandte Schicht des Behälters hat die Aufgabe, die beim Graphitieren freigesetzten flüchtigen Stoffe aufzunehmen und aus der Graphitierungszone abzuführen. Die Schicht ist entsprechend porös und für Fluide durchlässig. Porosität und Permeabilität sind derart ausgelegt, daß auch bei der stoßartigen Entwicklung flüchtiger Stoffe, z.B. bei dem bekannten Schwefelausbruch, ein kritischer Binnendruck nicht überschritten wird. Die mittlere Schicht des Behälters dient im wesentlichen der thermischen Isolation und weist entsprechend eine möglichst kleine Wärmeleitfähigkeit bzw. einen großen Wärmewiderstand auf. Die äußere Schicht schirmt schließlich die inneren Schichten und den zu graphitierenden Kohlenstoff gegen den Zutritt von Luft ab und verhindert die Diffusion der flüchtigen Stoffe nach außen. Zweckmäßig sind die Behälter zylindrisch. Die Stirnflächen sind mit Deckeln verschlossen, die öffnungen zum Ableiten der flüchtigen Stoffe enthalten. Bei einem kontinuierlich betriebenen Graphitierungsprozeß, bei welchem das Gut mit gleichförmiger Geschwindigkeit oder taktweise durch die Graphitierungszone bewegt wird, sind die Stirnflächen des Behälters im wesentlichen frei. Die flüchtigen Stoffe werden in dieser Ausführungsform am Ende des Graphitierungsofens abgezogen und einer Gasreinigung zugeführt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform besteht die innere und mittlere Schicht des Behälters im wesentlichen aus Kohlenstoff und die äußere Schicht aus oxidationsbeständiger Keramik. Die innere Schicht besteht insbesondere aus einem gemahlenen und klassierten Koks, z.B. Steinkohlen- oder Braunkohlenkoks, mit einer Korngröße von beispielsweise 3 bis 6 mm, dessen Schüttdichte höchstens 0,7 g/cm3 beträgt. Aus der Schüttdichte und der Dichte des Kokses errechnet sich ein Porenvolumen von wenigstens 60 %. Eine feinere Aufmahlung des Kokses ist weniger günstig, da mit fallender Korngröße der Strömungswiderstand der Schicht erheblich steigt. Die mittlere Schicht des Behälters besteht aus fließfähigem Ruß, dessen Wärmeleitfähigkeit höchstens 0,1 W/m.K beträgt. Fließfähige Ruße sind besonders unter dem Namen 8'Perlruße" gehandelte Typen, die einen Aufbau der mittleren Schicht ohne größere Schwankungen der Schüttdichte ermöglichen. Obgleich die mittlere Schüttdichte nur etwa 0,3 bis 0,4 g/cm3 beträgt, nimmt die Schicht wegen ihrer Feinkörnigkeit kaum Fluide auf und ist praktisch impermeabel. Innere und äußere Behälterschicht sind zweckmäßig durch temperaturbeständige Folien voneinander getrennt, z.B. Kohlenstoffpapier oder Graphitfolie, oder durch Papierlagen, die beim Erhitzen unter inerten Bedingungen dünne Kohlenstoffschichten bilden.

Die äußere aus oxidationsfester Keramik bestehende Schicht des Behälters ist wesentlich niedrigeren Temperaturen aus- gesetzt als die innere und mittlere Schicht, so daß die äußere Schicht zweckmäßig aus einem Aluminiumoxid-oder Siliciumcarbid-haltigen Feuerfestbeton besteht.

Wegen der verglichen mit Kohlenstoff sehr viel kleineren Temperaturwechselbeständigkeit der Keramik ist nach einer bevorzugten Ausführung die äußere Schicht aus wenigstens zwei gegeneinander verschiebbaren Segmenten gebildet. Zur Dichtung der zweckmäßig axial verlaufenden Fugen zwischen den einzelnen Segmenten, deren Breite vorzugsweise 0,5 bis 2 % des Durchmessers der Schicht beträgt, ist ein rückfederndes Faserhaufwerk vorgesehen, beispielsweise Matten oder Filze aus Aluminiumoxidfasern, die nach Druckentlastung auf wenigstens 60 % der ursprünglichen Dicke zurückfedern. In bekannter Weise sind zur Verbesserung der Dichtwirkung der Fasermatten die Fugen zweckmäßig mit Nut und Feder versehen oder profiliert.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist die aus Segmenten gebildete äußere Schicht von Spannbändern umspannt, wobei die Zugkraft der Spannbänder durch Federelemente einstellbar ist. Die an den Spannbändern anliegende Zugspannung und die Dicke der Faserdichtung werden derart aufeinander abgestimmt, daß die Permeabilität der Dichtung über den gesamten Temperatur zyklus der Graphitierung hinreichend klein ist. Das genaue Verhältnis der beiden Größen kann leicht durch Versuche bestimmt werden; im allgemeinen reicht es aus, die Dichtung im kalten Zustand auf 10 bis 20 % zusammenzudrücken. Im warmen Zustand dehnt sie sich dann auf etwa 30 bis 40 % bezogen auf die unverformte Dichtung. Bezogen auf den Durchmesser des zu graphitierenden Kohlenstoffkörpers oder der zu graphitierenden Schüttung sollten der äußere Behälterdurchmesser und entsprechend die Dicke der den Behälter bildenden Schichten möglichst klein sein. Nähe- rungsweise wird diese Geometrie mit einem Behälter erzielt, dessen innere Schicht die gleiche Dicke wie die äußere Schicht hat und dessen mittlere Schicht 2,0 bis 2,5 mal dicker ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer Zeichnung beispielhaft erläutert. In der Fig. ist ein hohlzylindrischer Behälter 1 dargestellt. Der Mantel des Behälters besteht aus der äußeren aus den Segmenten 2', 2" gebildeten Schicht, der mittleren Schicht 3 und der inneren Schicht 4, die Stirnflächen sind durch die Bodenplatte 5 und den Deckel 6 abgedeckt. Zeichnerisch nicht dargestellt sind öffnungen zur Ableitung der beim Graphitieren gebildeten flüchtigen Produkte. Die Fuge 7 zwischen den Segmenten 2', 2" ist mit einer Matte 8 aus langfaserigen Aluminiumoxidfasern ausgelegt. Durch Anziehen der Spannbänder 9', 9" mittels Federelement 10 wird die Matte 8 im kalten Zustand auf etwa 20 % der Ausgangsdicke komprimiert. In Abstand vom Behältermantel ist die Induktionsspule 11 und im Behälterinneren ein zu graphitierender zylindrischer Kohlenstoffkörper 12 angeordnet.

Die Segmente 2', 2" bestehen aus hydraulischem Feuerbeton mit einem Aluminiumoxidgehalt von 40 %. Der spezifische elektrische Widerstand beträgt mehr als 103XLm, die Wärmeleitfähigkeit ca. 1 W/m K. Die Segmente sind für Fluide undurchlässig, der Permeabilitätskoeffizient ist 10 8cm2/s, die zulässige Grenztemperatur ca.

1400 OC. Die mittlere Schicht 3 besteht aus einer Perlrußschüttung mit einer Schüttdichte von etwa 0,3 bis 0,4 g/cm³, der elektrische Widerstand ist > 0,03#m, die Wärmeleitfähigkeit etwa 0,1 W/m.K. Die innere Schicht 4 besteht aus geschüttetem, klassiertem Steinkohlenkoks, Korngröße 3 - 6 mm,mit einer Schüttdichte von 0,6 g/cm³.

Spezifischer elektrischer Widerstand und Wärmeleitfähig- betragen etwa 0,002£um bzw. 0,3 W/m.K. Die Schicht ist für Fluide durchlässig, der Permeabilitätskoeffizient ist>103 cm2/s. Wärmeleitfähigkeit und elektrischer Widerstand wurden bei Raumtemperatur gemessen.

Die Segmente 2', 2" werden zweckmäßig durch Gießen hergestellt, Ruß und Koks zum Aufbau der Schichten 3, 4 gleichmäßig z.B. mit Dosierrinnen in den Raum zwischen den Segmenten 2', 2" und den Kohlenstoffkörper 12 eingebracht, wobei in bekannter Weise die Schichten 3, 4 durch Bleche getrennt sind, die nach dem Füllen gezogen werden. - Leerseite -


Anspruch[de]

Patentansprüche: 1. Behälter für das induktive Graphitieren von Kohlenstoff, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Behälter aus konzentrischen Schichten gebildet ist, alle Schichten temperaturbeständig sind und einen großen elektrischen Widerstand aufweisen, die innere Schicht ein großes Porenvolumen hat und für Fluide durchlässig ist, die mittlere Schicht eine kleine Wärmeleitfähigkeit hat und die äußere Schicht für Fluide undurchlässig ist.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die innere Schicht aus klassiertem, eine Schüttdichte von höchstens 0,7 g/cm3 aufweisenden Koks, die mittlere Schicht aus fließfähigem Ruß mit einer Wärmeleitfähigkeit von höchstens 1 W/m.K und die äußere Schicht aus oxidationsbeständiger Keramik gebildet ist.

3. Behälter nach Anspruch 1 und 2, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die äußere Schicht aus wenigstens zwei Segmenten besteht.

4. Behälter nach Anspruch 1 bis 3, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die Fugen zwischen den Segmenten mit einem rückfedernden Faserhaufwerk gedichtet sind.

5. Behälter nach Anspruch 1 bis 4, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t , daß die aus Segmenten gebildete Schicht von Spannbändern umspannt ist.

6. Behälter nach Anspruch 1 bis 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Spannbänder mit einstellbaren Federelementen versehen sind.

7. Behälter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Fugenbreite 0,5 bis 2 % des Durchmessers der äußeren Schicht beträgt.

8. Behälter nach Anspruch 1 bis 7, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t , daß die Dicke von Innen-und Außenschicht gleich ist und die mittlere Schicht 2,0 bis 2,5 mal dicker ist.







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