Elektrisch beheizter Schachtofen

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch beheizten Schachtofen mit wenigstens einem von elektrischen Leitern gebildeten Heizelement.

In der WO 2006/079132 Al wurde ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Reduzieren von metalloxidhaltigen Schlacken bzw. Gläsern und/oder Entgasen von mineralischen Schmelzen vorge- schlagen, bei welcher die schmelzflüssigen Schlacken auf ein induktiv beheiztes Koksbett aufgegeben wurden. Die Charge wurde hierbei einem Schachtofen zugeführt und das Koksbett induktiv auf Temperaturen aufgeheizt, welche sicherstellen, dass sich bis zum Abstichende eine Schmelze ausbildet oder die Schmelz- temperatur aufrecht erhalten wird. Durch den Einsatz von induktiv beheiztem Koks wurde ein Bett mit hohem Reduktionspotential bereitgestellt, sodass die Reduktion von oxidischen bzw. mit Organika belasteten Schlacken und metallurischen Stäuben auch mit hohen Gehalten an Chromoxid- und Vanadiumoxid- schlacken in einfacher Weise vorgenommen werden konnte. Induktiv beheizte öfen sind auch als Tiegelöfen bekannt. Im Fall von elektrisch beheizten öfen wurde zumeist der elektrische Widerstand der Schmelze genützt und die elektrische Energie über in die Schmelze eintauchende Elektroden aufgebracht. Für eine induktive Heizung wurden bereits Kupferspulen vorgeschlagen, wobei die übertragung von Wärme durch Induktion nur dann mit hohem Wirkungsgrad gelingt, wenn zwischen der Induktionsspule und dem induktiv zu beheizendem Medium nur geringe Abstände überbrückt werden müssen. Im Falle von Schmelzen bedeutet dies, dass entsprechende Wärme auch in die Induktionsspulen abgestrahlt wird, sodass im Falle von Kupferwicklungen wassergekühlte Kupferrohre als Leiter vorgeschlagen wurden. Wassergekühlte Leiter weisen aber eine bedeutende Verlustleistung auf.

Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Ausbildung für die elektrische Beheizung eines Schachtofens zu schaffen, bei welcher mit geringer Verlustleistung Hochfrequenzenergie eingebracht werden kann oder wahlweise andere Formen der elektri- sehen Beheizung realisiert werden können und mit der die beim Stand der Technik vorgesehene aufwendige Wasserkühlung vermieden werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe besteht der erfindungsgemäße elekt- risch beheizte Schachtofen der eingangs genannten Art im Wesentlichen darin, dass die Heizelemente aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit, bestehen. Die Wahl von Kohlenstoff bzw. Graphit für den Leiter und damit das Heizelement hat zur Folge, dass hier ein hochfeuerfestes Material eingesetzt wird, das keine aufwendige Kühlung mehr erfordert. Die Leitfähigkeit von Kohlenstoff bzw. von Graphit steigt mit zunehmender Temperatur, sodass eine entsprechende stufenweise Erhitzung vorteilhaft erscheint, wofür zu Beginn beispielsweise auch der Leiter nach Art einer Widerstandsheizung geschaltet werden kann.

In besonders vorteilhafter Weise können die Heizelemente als in oder an einem feuerfesten Träger eingebettete oder angeordnete Leiterbahnen aus Graphit bestehen und vorzugsweise von Graphitringen oder -ringsegmenten oder alternativ von Kohle-, Koks- oder Graphitstäben gebildet sein.

Graphit hat in der Regel weniger als die Hälfte der Leitfähigkeit von Kupfer, wodurch entsprechend große Graphit-Induktoren bzw. Graphit-Leiterquerschnitte vorgesehen werden müssen. In besonders einfacher Weise kann dies dadurch sichergestellt werden, dass die Ausbildung so getroffen ist, dass der Mantel des Schachtofens aus feuerfestem Material besteht und an seiner Innenfläche Rillen, insbesondere schraubenlinienförmige Rillen für die Aufnahme von aus Graphit gebildeten Leiterbahnen

aufweist. Die Leiterschicht bzw. die Graphitringe können hierbei unmittelbar in die Feuerfestummantelung des Schachtofens eingearbeitet werden, wobei Graphit selbst ein hervorragendes refaktäres Material ist und auch bei sehr hohen Tempera- turen formbeständig bleibt. Da die Induktionsverluste im Fall einer induktiven Beheizung quadratisch mit dem Abstand zwischen dem Induktor und dem anzukoppelnden Material, beispielsweise einem Koksbett, steigen, können die Induktionsverluste dadurch wesentlich minimiert werden, dass der Leiter unmittelbar in das feuerfeste Material eingebettet ist, wobei lediglich eine entsprechende elektrische Isolation zwischen einem Koksbett und dem Induktor erforderlich ist, wofür aber besonders einfache Maßnahmen ausreichen.

Mit Vorteil wird die Ausbildung hierbei so getroffen, dass der Innenmantel mit einer feuerfesten Isolationsschicht bzw. Folie oder Isolationsmatte ausgekleidet ist, wobei vorzugsweise das feuerfeste Material und/oder die Isolationsschicht aus MgO oder Al ₂ O ₃ gebildet ist. Alternativ zu dieser Verwendung einer Folie kann bei entsprechend schmalen Rillen und einem entsprechenden Dimensionieren der Leiterbahnen bzw. der Graphitringe bei gleichzeitig entsprechend großer Korngröße der Koksschüttung so vorgegangen werden, dass die Tiefe der Rillen im Mantel größer als die Breite der Leiterbahnen bzw. der Graphitringe gewählt ist und der radiale Abstand der Leiterbahnen von der Achse bzw. der Innendurchmesser der Graphitringe größer als der Innendurchmesser des Mantels des Schachtofens gewählt ist.

In besonders einfacher Weise gelingt der elektrische Anschluss an die Leiterbahnen so, dass die Graphitringe an ihrem Umfang geschlitzt ausgebildet sind und die freien Enden der Ringe parallel oder in Serie an eine Stromquelle anlegbar sind. Die Ausbildung kann hierbei mit Vorteil so getroffen sein, dass die Leiterbahnen aus gestampftem Graphitpulver oder einem mit

elektrisch leitenden Substanzen, insbesondere thermisch dissoziierenden Salzen dotiert ausgebildet sind.

Alternativ zu der beschriebenen Ausbildung, bei welcher die Heizelemente von längs einer Schraubenlinie oder kreisringförmig angeordneten Leiterbahnen aus Kohlenstoff gebildet sind, kann aber in besonders einfacher Weise die Ausbildung so getroffen sein, dass die Heizelemente von Kohle-, Koks- oder Graphitstäben gebildet sind. In diesem Falle ist die Anordnung bevorzugt so getroffen, dass die Heizstäbe im Wesentlichen parallel zur Achse des rohrförmigen Schachtofens angeordnet sind, wobei mit Vorteil der Schachtofen zylindrisch ausgebildet ist und eine Mehrzahl von Heizstäben auf einem konzentrisch zur Achse verlaufenden Kreis angeordnet sind. Bei dieser Ausbildung kann mit KohlenstoffStäben gearbeitet werden, wie sie auch als Elektroden für Elektroofen zum Einsatz gelangen. Das entsprechende Elektrodenmaterial kann graphitiert werden und zeichnet sich durch überaus hohe, auch mechanische, Stabilität aus. Die Anordnung von derartigen Heizstäben parallel zur Achse eines Schachtofens erlaubt es zu allem überfluss beliebige Schaltungen dieser Heizstäbe zu realisieren, wobei die Ausbildung mit Vorteil so getroffen sein kann, dass die Heizstäbe jeweils an einem Ende mit einem benachbarten Ende eines in Umfangsrichtung des Schachtofens benachbarten Heizstabes verbunden sind. Bei einer derartigen Ausbildung kann mit Vorteil die Verbindung benachbarter Heizstäbe schaltbar sein, wobei die Heizstäbe wahlweise miteinander verbindbar oder gesondert mit der Stromquelle verbindbar sind. In Umfangsrichtung gesehen können somit einzelne Heizstäbe in Serie oder parallel geschaltet betrieben werden, wobei zu allem überfluss einzelne Heizstäbe oder Gruppen von Heizstäben mit unterschiedlicher Frequenz zur induktiven Erwärmung eingesetzt werden können, oder aber beispielsweise auch teilweise durch Beaufschlagung mit Gleichstrom als konduktiv thermische Heizstrahler Verwendung finden.

Die Bauweise als Schachtofen, bei welchem der gesamte Mantel induktive und/oder konduktive Heizelemente trägt, mit welchen überaus hohen Temperaturen ohne weiteres realisiert werden können, ermöglicht hier besonders bevorzugte Verwendungen eines derartigen Schachtofens. Erfindungsgemäß besteht eine derartige bevorzugte Verwendung darin, dass der Schachtofen zum Graphiti- sieren von KohlenstoffStäben verwendet wird, welche in axialer Richtung durch den Ofen hindurch geführt werden. Bedingt durch die überaus hohen Temperaturen ist es auf diese Weise sogar möglich, graphitisierte Stäbe und insbesondere Elektroden kontinuierlich herzustellen. Eine weitere besonders vorteilhafte Verwendung des erfindungsgemäßen Schachtofens besteht darin, dass Stahl oder Drittelschlacke (CaF ₂ /Al ₂ 0 ₃ /Ca0) erschmolzen werden kann, wobei auf Grund der hohen Temperaturen auch die Aufschmelzung bzw. das reduzierende Erschmelzen von Silizium, Siliziumcarbid, Eisensilizium oder Phosphor in vorteilhafter Weise gelingt.

Prinzipiell eignet sich ein aus Kohlenstoff bzw. Graphit gebildeter Leiter für den Einsatz über einen überaus großen Frequenzbereich, wobei im Fall von Gleichstrom bzw. Wechselstrom mit Frequenz f = O eine rein konduktive Erhitzung der Graphitleiterbahnen, insbesonders Stäbe oder Ringsegmente, auf Grund des ohmschen Widerstandes erfolgt. Wenn Wechselstrom angelegt wird, dann wird je nach Frequenz des Wechselstroms die Widerstandsheizung oder eine Induktionserhitzung des Einsatzgutes, beispielsweise eines Koksbettes oder im Falle eines Tiegels einer Stahlschmelze, erfolgen, wobei die Verwendung von Graphit als Leiter überall dort besonders vorteilhaft ist, wo neutrale bis reduktive Bedingungen herrschen. Induktionsschmelzöfen, bei denen im Vakuum oder unter Inertgas hochschmelzende Stahllegierungen erschmolzen werden, sind hier ein mögliches Anwendungsbeispiel. Gegenüber wassergekühlten Kup-

ferspulen wird hier die mögliche Explosionsgefahr eliminiert, da es im Fall von Leckstellen bei Austreten von Wasser zur Bildung von Knallgas kommen kann, wobei zu allem überfluss Wasserstoff in die Stahlschmelze diffundieren könnte. Die Verwendung des hochfeuerfesten Leitermaterials erlaubt es, die Temperatur des Leiters im Wesentlichen gleich der Temperatur des Behandlungsgutes zu wählen, womit die Leitfähigkeit signifikant ansteigt. Eine weitere Erhöhung der Leitfähigkeit bei höheren Temperaturen gelingt wie bereits oben erwähnt durch Beimengen von thermisch dissoziierenden Metallsalzen, welche bei hohen Temperaturen sehr gute Leiter darstellen.

Prinzipiell eignet sich der erfindungsgemäße elektrisch beheizte Schachtofen sowohl als Induktionsofen als auch als konduktiv beheizter Ofen, wobei im Falle elektrisch leitender Chargen und insbesondere im Falle eines Koksbettes oder eines Tiegels mit Stahlschmelze Temperaturen von ungefähr 2300° C ohne weiteres realisiert werden können. Graphit bleibt in reduzierender Atmosphäre bis zu Temperaturen von etwa 3400° C formbeständig, wobei bei reiner Widerstandserhitzung die Wärmeübertragung über Strahlung und Leitung mit sehr hohem Wirkungsgrad gelingt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels eines Schacht- ofens näher erläutert. In dieser zeigen Fig. 1 eine Draufsicht auf einen geschlitzten Graphitring, Fig. 2 eine Schnittdarstellung in Richtung des Pfeiles II - II der Fig. 1 und Fig. 3 eine Schnittdarstellung in Richtung des Pfeiles III - III der Fig. 1. Die Schnittdarstellung nach Fig. 2 und Fig. 3 zeigen hierbei jeweils nur den halben Schachtofen im Schnitt. Fig. 4 zeigt einen Axialschnitt durch eine abgewandelte Ausbildung des Schachtofens mit stabförmigen Heizelementen, Fig. 5 einen Schnitt nach der Linie V, V der Fig. 4, Fig. 6 eine abgewandelte Ausbildung in einer Darstellung entsprechend der Fig. 5 und

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine abgewandelte Ausbildung mit achsparallel verlaufenden Leiterbahnen.

In Fig. 1 ist mit 1 ein geschlitzter Graphitring bezeichnet, dessen freie Enden in Stirnflächen 2 und 3 münden. über diese Stirnflächen 2 und 3 können die geschlitzten Graphitringe elektrisch kontaktiert werden und entsprechend mit Gleichstrom, niederfrequentem oder hochfrequentem Wechselstrom beaufschlagt werden.

Bei der Darstellung nach Fig. 2 sind jeweils die Kontaktflächen 3 ersichtlich, die bei in Richtung der Achse 4 des Schachtofens 5 übereinander liegenden Graphitringen miteinander verbunden sind. über den Bereich a sind hierbei, wie sich in Kombination mit der Darstellung nach Fig. 3 ergibt, die Graphitringe in Serie geschaltet, wohingegen über den axialen Bereich b zwei Graphitringe parallel zu einander betrieben werden.

Bei der Darstellung nach Fig. 3 sind jeweils die freien Stirn- flächen 2 der geschlitzten Ringe ersichtlich. In Kombination mit der Darstellung nach Fig. 2 mit den Stirnflächen 3 ergibt sich somit, dass über den Bereich a Strom an die unterste Stirnfläche 2 angelegt wird und in der Folge über in Höhenrichtung benachbarte Stirnflächen 3 die Kontaktierung auf den nachfolgenden Graphitring 1 erfolgt, worauf wiederum - um einen Winkel von etwa 180° verdreht - die Kontaktierung benachbarter Stirnflächen 2 zur Erzielung einer Serienschaltung der Ringe erfolgt. über die Anschlüsse 6 und 7 kann hier Gleichstrom oder niederfrequenter Wechselstrom zugeführt werden. Für die Zufuhr von hochfrequentem Wechselstrom und insbesondere für den Einsatz bei Frequenzen von über 60 kHz, und zwar bis etwa 350 kHz, empfiehlt sich eine Parallelschaltung, wie sie im axialen Bereich b ersichtlich ist, wobei die entsprechenden Anschlüsse hier mit 8 und 9 bezeichnet sind und jeweils zwei in Achsrich-

tung aufeinander folgende Ringe 1 parallel geschaltet sind. Eine derartige Parallelschaltung führt zu einer Verringerung der benötigten Spannung im Falle einer induktiven Beheizung, sodass das Gefahren- und überschlagspotenzial verringert wird.

Im Prinzip kann die Ausbildung über die axiale Höhe des Schachtofens 5 flexibel gewählt werden und es kann wahlweise in einzelnen axialen Breichen eine Parallelschaltung oder eine serielle Schaltung vorgenommen werden um den jeweils erforder- liehen Temperaturprofilen Rechnung tragen zu können.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Schachtofen 10, in dessen feuerfesten Mantel 11 stabförmig Heizelemente 12 eingelassen sind. Die stabförmigen Heizelemente 12 sind hierbei von Graphitstäben gebildet. Die benachbarten Enden derartiger Graphitstäbe 12 können wahlweise über leitende Verbindungen 13 an einem Ende und leitenden Verbindungen 14 am anderen Ende der Stäbe jeweils mit einander verbunden sein, wodurch sich eine Serienschaltung von drei neben einander angeordneten Graphit- Stäben 12 realisieren lässt. Die durch diese Serienschaltung erzielten Enden des Gesamtwiderstandes und der Gesamtinduktivität kann sowohl bei Verwendung als induktive Beheizung unter Anschluss von Wechselstrom, als auch von konduktiver Heizung unter Anschluss von Gleichstrom entsprechend verwendet werden. Die Schaltung der einzelnen Stäbe ergibt sich hierbei aus der Schnittdarstellung nach Fig. 7, wobei sich insgesamt ein Käfig aus Graphitstäben als Induktor ausbilden lässt, wobei die einzelnen Graphitstäbe des Käfigs parallel oder seriell geschaltet werden können.

Die leicht abgewandelte Ausbildung nach Fig. 6, deren Darstellung im Wesentlichen der Darstellung nach Fig. 5 entspricht, lässt einen mehrschichtigen Aufbau des Mantels erkennen und ist bevorzugt bei Höchsttemperaturen eingesezt, um Grahitierungs-

reaktionen hervorzurufen. Die Heizelemente 12 sind hierbei von einem ersten Mantel aus Graphit umgeben, wobei dieser erste Mantel 15 aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt werden kann. Die freistehenden GraphitStäbe bzw. Graphitelektroden können hierbei, soweit es erforderliche ist, gegebenenfalls mit Inertgas gespült werden, wofür Einlassöffnungen 16 vorgesehen sind. Der Graphitmantel 15 wird außen von einem weiteren Mantel aus feuerfestem Material umgeben, welcher mit 17 bezeichnet wird. Eine derartige Ausbildung kann beispielsweise für das Graphiti- sieren von KohlenstoffStäben verwendet werden, wie dies schematisch durch ein Koksextrudat 18 angedeutet ist, welches in Richtung des Pfeiles 19 durch den Schachtofen hindurch gefördert werden kann. Bei entsprechend hoher Temperatur und entsprechender Verweilzeit kann neben einem kontinuierlichen Backen auch ein Graphitieren von Koksextrudat 18 erzielt werden, wodurch die Kristallisation des Kohlenstoffs im Koksextrudat 18 bewirkt werden kann.

In Fig. 7 werden schematisch verschiedene Anwendungsbeispiele des Schachtofens dargestellt, wobei wiederum eine abgewandelte Ausbildung des Schachtofens vorgesehen ist. In dem Mantel 11 aus feuerfestem Material sind hier Nuten 20 vorgesehen, welche Schwalbenschwanzförmig ausgebildet sind und die Leiterbahnen bzw. Graphitstäbe 21 enthalten. Die innere Fläche dieses Graphitstabes bzw. der Leiterbahn ist hierbei auf einem größeren radialen Abstand von der Achse 22 des Schachtofens als die Innenwand 23 des feuerfesten Mantels, sodass im Falle der Verwendung eines Koksbettes zur Schmelzreduktion eine unmittelbar leitende Berührung zwischen dem Koksbett und dem Graphit- stab verhindert wird. Eine derartige Beschickung bzw. ein derartiger Einsatz eines Koksbettes ist durch die Koksstücke angedeutet. Alternativ kann wie in einem weiteren Segment des Schachtofens im Querschnitt angedeutet, eine Schmelze hergestellt werden und der Schachtofen als Tiegel zum Schmelzen von

Stahl eingesetzt werden. Die Schmelze ist hierbei schematisch mit 24 angedeutet. In einem weiteren Abschnitt 25, welcher eine weitere mögliche Verwendung des Schachtofens verdeutlicht, kann das Verfahren so verwendet werden, das ein Graphitwärmetau- scher, mit dem Bezugszeichen 25 angedeutet, zur Herstellung von Drittelschlacke eingesetzt wird.

Prinzipiell können die Graphitstäbe sowohl als Konduktor als auch als Induktor betrieben werden, wobei die Feldlinien sich durch den axialen Hohlraum des Schachtofens erstrecken.