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Elektrischer Lichtbogenofen zur Herstellung von Karbiden Die vorliegende
Erfindung betrifft einen elektrischen Lichtbogenofen zur Herstellung von als Schleifmittel
verwendeten Karbiden wie Titan-, Zirkonium-, Silicium- und insbesondere Borkarbid.
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Es ist bekannt, daß die obengenannten Karbide hergestellt werden,
indem man von einer Mischung ausgeht, die aus dem jeweiligen Metalloxid und einem
Reduktionsmittel, gewöhnlich reiner Kohle, besteht.
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Die Mischung wird in einen geeigneten Widerstands- oder Lichtbogenofen
eingeführt, der eine Temperatur von mehr als 2000° C erreichen kann und der geeignet
ist, die Reaktion des Metalloxids mit der Kohle und die Bildung des entsprechenden
Metallkarbids hervorzurufen.
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Es sind verschiedene Arten von Lichtbogenöfen bekannt, die gewöhnlich
zur Herstellung von Bor-, Titan-, Siliciumkarbid u. dgl. dienen.
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Diese sind gewöhnlich einphasig und besitzen zwei senkrechte Elektroden,
die entweder einander parallel oder in bezug auf den Ofenboden (Grundplatte) geneigt
angeordnet sind und in denen die Wärme durch einen Lichtbogen, der durch eine Elektrode,
die leitende Reaktionsmischung und die zweite Elektrode gezündet wird, erzeugt wird.
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Für diese Öfen sind besondere Betriebsverfahren erforderlich, die
stets etwas aufwendig sind, und die darauf zielen, Oxydationen und/oder übermäßige
Verdampfungen und/oder ein Ausstoßen der Reaktionsmischung zu vermeiden, das auf
die Heftigkeit des Lichtbogens zurückzuführen wäre.
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Bei Öfen mit einander gegenüberliegend angeordneten senkrechten Elektroden
(senkrechter Bogen) und besonders bei Öfen des Typs Elektrode-Ofenboden wurde außer
den erwähnten Nachteilen noch bemerkt, daß der Stromdurchgang in der Beschickung
unter merklicher Verringerung der Ofenleistung sinkt.
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Außerdem weisen die bekannten Lichtbogenöfen den Nachteil auf, daß
sie die Beschickung nur teil, weise zu dem Endprodukt, d. h. zu Karbid, umsetzen.
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Ziel der Erfindung ist demnach, ein Lichtbogenofen, der es ermöglicht,
einfach und schnell Karbid in pulverisierter oder geschmolzener Form herzustellen
und hierbei die in den Ofen eingeführte Mischung vollständig zu Karbid umzusetzen,
damit kein Rückstand an nicht oder nur teilweise umgesetzten Stoffen zurückbleibt.
Diese Rückstände müssen nämlich wieder zurückgeführt oder als Nebenprodukte angesehen
werden. Nachteilig war hierbei das .Sortieren oder Trennen des nach der Reaktion
erhaltenen Produktes. Erreicht wird dieses Ziel nach der Erfindung mit einem einphasigen
oder dreiphasigen Lichtbogenofen, der dadurch gekennzeichnet ist, daß er aus einem
metallischen, vorzugsweise zylindrischen Gehäuse 5 besteht, am Boden eine isolierte
Schicht 8 aus feuerfestem Material aufweist, auf der ein zylindrischer Block 7 aus
leitendem Material, vorzugsweise aus Graphit, angeordnet ist, der einen der elektrischen
Pole bildet und als Ofenboden wirkt, auf dem ein Rohr 3 aus Kohlenstoff ruht, das
die Reaktionskammer des Ofens bildet, in dessen senkrechter Achse eine oder drei
den Lichtbogen führende Elektroden 2 aus leitendem Material, vorzugsweise aus Graphit,
vorgesehen sind, die vollständig in die zu Karbid umzusetzende Beschickung 12 eintauchen,
und daß oben als zweiter Pol die beweglichen äußeren Elektroden 1 angeordnet sind,
die mit dem Stromnetz und dem Regelsystem des Ofens verbunden sind, wobei der Durchmesser
der den Lichtbogen führenden Elektrode 2 nicht mehr als 601/o des Durchmessers der
entsprechenden äußeren Elektrode 1 beträgt. In weiterer vorteilhafter Ausbildung
des Lichtbogenofens nach der Erfindung ist noch folgendes vorzusehen: Zwischen dem
zylindrischen Block und dem Ofengehäuse ist eine isolierende Schicht, besonders
aus
Asbest, angeordnet. Der Graphitblock enthält eine wassergekühlte,
mit dem Block verschraubte Stromzuführung. Zwischen dem Graphitrohr und dem Ofengehäuse
ist ein Ringspalt vorgesehen, der mit hochtemperaturbeständigem Isolierungsmaterial,
vorzugsweise mit kleinstückigem Koks oder amorphen Kohlestücken, gefüllt ist. Das
metallische Gehäuse ist über seine gesamte Länge von einem System, das aus einem
Wassermantel mit starker Zirkulation besteht, umgeben.
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Der Lichtbogenofen wird durch die Zeichnungen näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt einen Einphasenofen in senkrechtem und waagerechtem
Schnitt, F i g. 2 und 3 zeigen Ausführungsformen desselben Ofens- mit Dreiphasenstrom.
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Die Bezugsziffern der verschiedenen Figuren beziehen sich auf funktionell
analoge Elemente.
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Der in F i g. 1 dargestellte Ofen besteht aus einem starken Metallgehäuse
5, das zylindrisch ausgebildet ist und über die ganze Länge ein Kühlsystem trägt,
das in F i g. 2 als Wassermantel mit starker Zirkulation 6 dargestellt ist und in
dem der Wassereintritt 13 unten gelegen ist, während der Wasseraustritt 14 am gegenüberliegenden
oberen Ende angeordnet ist.
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Der Wassermantel 6 ist nicht unbedingt erforderlich, da er durch jedes
andere Kühlsystem ersetzt werden kann, beispielsweise kann Wasser über das Gehäuse
5 rieseln..
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Das, wie oben erwähnt, gekühlte Ofengehäuse 5 trägt in dem nach unten
gehenden Hohlraum eine Schicht isolierenden, feuerfesten Materials 8, das dazu dient,
die untere Wand des inneren Ofens zu isolieren.
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Ein zylindrischer Block 7 aus leitendem Material und vorzugsweise
aus Graphit liegt auf der Schicht aus feuerfestem Material 8, wobei die Stärke der
Graphitschicht zwischen 10 und 50 cm in Abhängigkeit vom Durchmesser und Durchsatz
des Ofens beträgt.
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Der den Ofenboden bildende zylindrische Block besitzt einen um 1 bis
3 cm kleineren Durchmesser als der Innendurchmesser des metallischen Ofengehäuses.
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Die elektrische Isolation des Ofenbodens 7 vom metallischen Gehäuse
5 erfolgt durch eine Asbesttafel oder -schickt 15, die erforderlichenfalls durch
pulverförmiges nichtleitendes Material wie beispielsweise Zirkonoxid, Aluminiumoxid
usw. ersetzt werden kann.
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Der Ofenboden 7 enthält- die Stromzuführung 9, die von dem metallischen
Gehäuse 5 isoliert ist und sich an den Bodenblock 7 anfügt.
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In F i g. 1 ist die wassergekühlte Stromzuführung 9 aus Kupfer oder
Messing in den Bodenblock 7 eingeschraubt, so daß ein ausgezeichneter elektrischer
Kontakt besteht.
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Die erwähnte senkrechte Anordnung weist den Vorteil auf, daß der Bodenblock
leicht aus dem Inneren des Ofengehäuses 5 entfernt werden kann.
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Die Stromzuführung 9 weist eine Metallplatte 10 auf, an der die elektrischen
Zuleitungskabel befestigt . sind.
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Am oberen-Ende des Bodenblockes 7 befmdet sich ein, Rohr 3 aus Kohlenstoff,
wie z. B. Graphit oder amorphen Kohlenstoff.
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Das die innere Kammer des -Ofens bildende Rohr k Farm auch aus mehreren
Teilen bestehen, die jedoch zusammen angeordnet eine zylindrische Kammer ergeben.
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Der äußere Durchmesser dieses die Reaktionskammer des Ofens bildenden
Zylinders ist geringer als der innere Durchmesser des Ofengehäuses, und zwar bis
zu etwa 5 bis 40 cm in Abhängigkeit von der Leistung und dem Durchmesser des Ofens.
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Der sich aus dem Unterschied des Innendurchmessers des Gehäuses 5
und dem Außendurchmesser der Ofenkammer ergebende Ringspalt 4 bildet einen isolierenden
Zwischenraum.
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Dieser Ringspalt ist gewöhnlich ohne Druck mit Koksstücken geringer
Größe oder amorphem Kohlenstoff oder mit einem anderen Material gefüllt, das . die
hohen Temperaturen verträgt und gleichzeitig als thermisches Isolierungsmaterial
wirksam ist.
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In der Vertikalachse des Ofens ist eine Graphitelektrode 2 angeordnet,
die bei 11 mit dem Bodenblock 7 des Ofens leitend verbunden ist.
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Die Ofenkammer 12 wird mit der Mischung gefüllt, die zu Karbid umgesetzt
werden soll, wobei die Füllung bis zur Ausmündung und besonders bis zur oberen Begrenzung
der den Lichtbogen gebenden Graphitelektrode 2 erfolgt.
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Der Betrieb des Ofens erfolgt in bestimmten Abständen, und beispielsweise
beim Borkarbid wird die Betriebszeit durch die gesamte Umwandlung der Beschickung
zu Karbid, die vorher in den kalten Ofen eingeführt wurde, bestimmt.
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Zur Herstellung anderer Karbide wie Siliciumkarbid, Zirkoniumkarbid
usw. und in Dreiphasenöfen kann die Beschickung auch während des Arbeitsganges erfolgen;
dies ist jedoch im allgemeinen nicht ratsam.
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Die Inbetriebnahme erfolgt durch Zündung des Lichtbogens zwischen
der eigentlichen Elektrode 1 und der den Lichtbogen führenden Elektrode 2, die in
der die gesamte Ofenkammer 12 füllenden Beschickung eintaucht.
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Die vom Lichtbogen abgegebene Hitze leitet. die Reaktion zwischen
dem Boroxid und der Kohle, welche die Beschickung bilden, ein. Anfänglich erfolgt
die Reaktion nur in der unmittelbaren Umgebung des elektrischen Lichtbogens.
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Da die den Lichtbogen führende Elektrode 2 einen geringeren Querschnitt
als die Elektrode 1 aufweist und in jedem Fall einen Durchmesser von nicht mehr
als 60% des Durchmessers der Elektrode 1 aufweist, wärmt sie sich durch ihren Eigenwiderstand
über ihre gesamte Länge bis auf eine Temperatur von 1500 bis 1800° C auf, so daß
die gesamte Beschickungsmasse vorerwärmt und auf eine Temperatur gebracht wird,
bei der die Reaktion eintritt; dabei wandelt sich die Beschickung in eine pastöse,
halbfeste Masse um und bleibt nicht mehr pulverförmig, wie sie am Anfang zugeführt
wurde.
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Da, wie vorher erwähnt, die den Lichtbogen führende Elektrode 2 einen
geringeren Querschnitt als eine der Außenelektroden 1 besitzt, verbraucht sie sich
im Vergleich zu der Elektrode 1 schneller, wodurch der Lichtbogen zwischen den Enden
der beiden Elektroden in das Innere des Ofens nach und nach eindringt und die den
Lichtbogen führende Elektrode 2 völlig verbraucht wird, bis sie den Ofenboden 7
erreicht.
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Die Vorschubgeschwindigkeit des mit dem Verbrauch der Elektrode 2
übereinstimmenden Lichtbogens steht in direktem Verhältnis zum Durchmesser
der
Elektrode 2, dem inneren Durchmesser des Graphitrohres 3 und der Menge und Art der
Beschickung.
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Während seiner Abwärtsbewegung bringt der Lichtbogen außerdem die
Masse in einer Reihe von Zonen zur Reaktion, die die erforderliche Temperatur über
den gesamten horizontalen Querschnitt der Beschickung selbst erreichen.
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Da die Umsetzung die Bildung von CO mit sich bringt, schützt dieses
kontinuierlich mit dem Verbrauch der allmählich in die Beschickung sinkenden Elektrode
2 erzeugte Gas das gebildete Karbid vor Oxydationen beim Abkühlen in den oberen
Teilen der Ofenkammer.
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Die Umsetzung der Beschickung zu Karbid erfolgt in der Weise, daß
sich die Karbidmasse teilweise geschmolzen an der Wand der Röhre 3 absetzt und eine
Schicht bildet.
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Diese Schicht bildet sich auch auf Grund der Heftigkeit des Lichtbogens,
der die Beschickung gegen die Wände drückt. Um eine konstante CO-Atmosphäre in der
Ofenkammer 12 aufrechtzuerhalten, ist ein beweglicher Verschlußdeckel an
der oberen Ofenöffnung vorgesehen (nicht dargestellt), der ähnlich den bekannten
Verschlußvorrichtungen gemäß dem H6roult-Lichtbogenofen ausgebildet ist. Der Verschlußdeckel
ist mit konventionellen Entlüftungsöffnungen versehen, die den Austritt des CO unter
einen gewissen Höchstdruck gestatten; der Deckel ist zweckmäßigerweise so gebaut,
daß die Einführung der Elektrode 1 ohne .Schwierigkeiten durchgeführt werden kann,
wobei auch eine optimale Lichtbogenentfernung zwischen den Elektroden 1 und 2 aufrechterhalten
werden kann.
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Die Elektrode 1 wird durch einen bekannten Servosteuermechanismus
wie bei jedem Lichtbogenofen betätigt.
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Sobald die Elektrode 2 ganz verbraucht ist, ist die Umsetzung zu Ende,
und der Ofen kann, geschlossen gehalten, abkühlen.
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Die Entfernung des gebildeten Karbids wird in folgender Weise vorgenommen:
Die Elektrode 1 ist entfernt, das Ofengehäuse 5, 6 wird vom Boden 7 weggezogen,
wobei zuerst die Stromzuführung 9 entfernt wird, falls diese stört.
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Die Isolierung im Ringspalt 4 fällt wegen ihrer stückigen Art heraus
oder wird mit der Hand entfernt.
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Das Rohr 3 kann leicht entfernt werden, da es einfach auf dem Boden
ruht oder nur leicht befestigt ist.
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Die innere Kruste wird leicht entfernt und das gebildete Karbid erhalten.
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Der Ofen wird nun wieder zusammengesetzt und ist wieder einsatzbereit.
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Beispiel Ein Einphasenofen gemäß F i g. 1, der zur Herstellung von
Borkarbid geeignet ist und eine Leistung von 150 kW besitzt, wird mit einem Schmelzrohr
von 1,30 m Tiefe und 300 mm Innendurchmesser, einer äußeren Elektrode von 100 mm
Durchmesser und mit einer den Lichtbogen führenden Elektrode von 35 mm Durchmesser
versehen.
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Es wurde gefunden, daß auf Grund von Versuchen, die zur Herstellung
von Borkarbid durchgeführt wurden, praktisch die gesamte zugeführte Mischung am
Ende der Reaktion als hochwertiges Karbid vorlag.
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Der vorstehend beschriebene Ofen eignet sich auch für Dreiphasenstrom
nach einigen Umstellungen, wie dies aus der F i g. 2 und 3 beispielsweise hervorgeht.
Dabei werden jeweils die drei äußeren Elektroden 1 mit Dreiphasenstrom versorgt.
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In dem Ofen wird die Schmelzherdfläche durch die Zone des stärksten
Lichtbogens bestimmt, der sich bei der Reaktionstemperatur über die gesamte Fläche
erstrecken soll.