TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur
Herstellung einer kohlenstoffhaltigen Paste auf Basis
wenigstens eines kohlenstoffhaltigen Materials und eines
verkokbaren organischen Bindemittels. Sie hat als wesentlichen
Gegenstand das Einstellen der Temperatur der Paste auf die
besonderen Bedingungen ihrer Formgebung nach ihrem Austreten
aus dem Knetmischer.
STAND DER TECHNIK
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Kohlenstoffhaltige Preßkörper werden durch Erhitzen von
Teilen erhalten, die aus einer kohlenstoffhaltigen Paste
geformt sind, wobei diese Paste durch Verkneten eines
verkokbaren organischen Bindemittels und eines in Körnern
sortierten Durchmessers vorliegenden kohlenstoffhaltigen
Materials erhalten wird. Je nach Bestimmung der Preßkörper
kann die Natur des Bindemittels (Steinkohlenpech, Petrolpech,
flüssiges oder festes Pech) und der kohlenstoffhaltigen
Körner (Steinkohlenkoks, Petrolkoks, Anthrazit, etc....)
merklich variieren, aber in allen Fällen wird der Schritt des
langanhaltenden Verknetens des Bindemittels mit den
kohlenstoffhaltigen Körnern (bei denen die Korngrößenverteilung
sorgfältig kontrolliert wird) durchlaufen, und zwar bei einer
Temperatur, bei der das Bindemittel ausreichend flüssig ist
(beispielsweise 140 ºC bis 180 ºC) und über eine Dauer, die
ein Durchtränken der Körnchen mit dem Bindemittel erlaubt,
das so perfekt wie irgend möglich ist. Die Qualität der
Elektroden (sie wird insbesondere bestimmt durch Messen der
geometrischen Dichte, des elektrischen und des
Stauchwiderstands) nach dem Erhitzen ist eng mit der Effektivität des
Knetvorgangs verbunden.
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In modernen Werkstätten zur Produktion von
kohlenstoffhaltigen Pasten, wobei dies insbesondere bei der Herstellung von
Anoden für die Aluminiumproduktion nach dem HALL-HEROULT-
Verfahren durch Elektrolyse von Aluminiumoxid in
geschmolzenem
Kryolith der Fall ist, wird das Verkneten der aus
Bindemittel und kohlenstoffhaltigen Körnchen bestehenden
Mischung in einer kontinuierlichen Knetkette durchgeführt,
die einen oder manchmal zwei Knetmischer in Serie umfaßt,
deren Temperatur zwischen 140 und 160 ºC eingestellt ist und
die eine Anordnung zur Formgebung durch Vibrationsverdichten
speist.
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Ein üblicherweise benutzter Knetmischer ist aus einem
rohrförmigen Körper aufgebaut, der mit festen Zähnen versehen
ist, die sich relativ zur Achse des Rohrs nach innen neigen,
wo sich in einer mit einer Rotationsbewegung synchronisierten
Vor- und Rückwärtsbewegung eine Achse bewegt, die selbst mit
Zähnen ausgerüstet ist, die mit den festen Zähnen
zusammenwirken, um das Verkneten und das Abfließen der
kohlenstoffhaltigen Paste sicherzustellen. Die festen Zähne sind in
einer schraubenförmigen Linie angeordnet, und die Amplitude
der Vor- und Rückwärtsbewegung der Welle ist entsprechend dem
Abstand zweier Zähne zueinander eingestellt. Die
Auslaßöffnung des Knetmischers (oder der Knetmischer) weist eine mit
motorbetriebenen Schließklappen verschlossene Düse auf, und
der Öffnungs- und Schließvorgang dieser Klappen läßt sich als
Funktion des Schwellenwerts der Momentanleistung regeln, um
ein zufriedenstellendes Verkneten der Paste sicherzustellen
und ein "Stopfen" der Maschine, also deren Blockieren beim
Betrieb als Folge eines übermäßigen Befüllens zu vermeiden.
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Dieser Knetmischertyp wurde insbesondere in den Patenten CH-
A-515 061, CH 606 498 und FR-A-2 038 173 der BUSS AG
beschrieben. Ein Verfahren, um dabei die Knetleistung zu
regeln, wurde in der europäischen Patentanmeldung EP-A-157
987 der Aluminium-Péchiney beschrieben.
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Gleichfalls kann ein zweiter Typ von kontinuierlichem
Knetmischer erwähnt werden, der ebenfalls sehr gebräuchlich ist
und der zwei parallele, im Gegensinn drehende Rührer enthält,
die nebeneinander in einem Gehäuse geeigneter Form
untergebracht sind.
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Die Hauptwelle weist radiale Scheiben auf, die untereinander
durch Knetstäbe verbunden sind. Parallel zu dieser Welle
dreht sich eine Reinigungswelle, die Reinigungsgestelle
aufweist, mit einer 4- bis 6fach höheren Geschwindigkeit. Ein
oder mehrere Stauplatten, ebenso wie ein oder mehrere auf dem
Körper oder dem Deckel des Knetmischers, neben der
Reinigungswelle, angebrachte Bremsschaufeln erlauben es, das
Abfließen der im Inneren der Maschine befindlichen Paste zu
regeln.
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Ein Knetmischer dieser Art wurde in der französischen
Patentanmeldung FR-A-2 039 628 = US 3 0687 628 von H. LIST
beschrieben.
DARSTELLUNG DER AUFGABE
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Ein Fachmann weiß aus Erfahrung, daß in bestimmten Fällen,
beispielsweise beim Formen von Anoden für Gefäße der Hall-
Héroult-Elektrolyse, die jeweiligen optimalen Temperaturen
des Knetens und der Formgebung nicht zusammenfallen.
Für ein gutes Eindringen des Pechs in die Kokskörner und eine
gute Homogenität der kohlenstoffhaltigen Paste muß man bei
etwa 160 ºC kneten, während die Formgebung, beispielsweise
durch Vibrationsverdichten, bei einer merklich tieferen
Temperatur (110-140 ºC) durchgeführt werden muß, da ansonsten
die Preßkörper nach Herausnehmen aus der Form und vor dem
Erhitzen auf Werte jenseits der für die Dimension zulässigen
Toleranzen zusammenfallen.
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Daher ist es notwendig, die geknetete Paste um etwa zehn Grad
bis zu mehreren Vielfachen davon vor der Formgebung
abzukühlen.
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-So realisiert FR 2.025.967 in der gleichen Maschine den
Knetvorgang und das Aufwärmen der kohlenstoffhaltigen Paste,
dann das Kneten und das Abkühlen der kohlenstoffhaltigen
Paste zu der Temperatur der Formgebung durch Wasser, das in
dem quasi dichten Knetgehäuse unter Druck gehalten wird, um
ein Verdampfen zu verhindern. Die Mischung Paste/Wasser wird
in einer dritten Kammer, genannt Abtrennkammer, in der sich
das Abtrennen der kohlenstoffhaltigen Paste vollzieht, bei
der Temperatur der Formgebung kontinuierlich von dem dabei
verdampfenden Wasser befreit.
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Nach dem Patent FR 2.154.842 (=US 3.885.983) der Aluminium
Péchiney ordnet man zwei Knetmischer in Serie an. Die aus dem
ersten Knetmischer bei 150 º/170 ºC austretende Paste fällt
durch Gravitation in eine vertikale, in den Einlaß des
zweiten Knetmischers mündende Säule, wobei diese Säule mit
regelbaren Vorrichtungen zum Versprühen von Wasser versehen
ist, die ein kontrolliertes Abkühlen der Paste bis auf etwa
110-115 ºC sichern.
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Der Nachteil dieses Verfahrens liegt darin, daß es die
Benutzung von zwei Knetmischern erfordert und daß der zweite
Knetmischer, der die abgekühlte Paste verarbeitet, wegen der
angestiegenen Viskosität der so abgekühlten Paste eine
wesentlich bedeutendere Leistung aufweisen muß.
GEGENSTAND DER ERFINDUNG
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Die der Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, eine
Kühlflüssigkeit an einer geeignet gewählten Stelle des
Knetmischers auf eine Weise zuzuführen, daß der größte Teil
des Knetmischvorgangs bei der optimalen Temperatur Th
durchgeführt wird, und den Knetmischvorgang zu beenden, indem
die aus dem Knetmischer austretende Paste auf die Temperatur
Tb, die unter Th liegt und die optimale Temperatur für die
nachfolgende Formgebung ist, abgekühlt wird.
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Für die Klarheit der Darstellung wird der Teil des
Knetmischers, der mit der regelbaren Vorrichtung zum Erwärmen der
Paste auf die Temperatur Th versehen ist, Stromaufzone
genannt (im Hinblick auf die Fortbewegungsrichtung der
Paste), und der Teil des Knetmischers, der keine Vorrichtung
zum Erwärmen aufweist (oder bei dem diese wenigstens, falls
vorhanden, zuvor abgeschaltet wurde) und in den das
Kühlfluid,
normalerweise Wasser, eingefüllt wird, Stromabzone
genannt.
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Genauer ausgedrückt ist der Gegenstand der Erfindung ein
Verfahren zur Herstellung einer kohlenstoffhaltigen Paste,
die zur Formgebung bei einer Temperatur Tb nach dem Auslaß
eines rohrförmigen Knetmischers bestimmt ist, in den man
kontinuierlich wenigstens ein kohlenstoffhaltiges Material
und ein verkokbares organisches Bindemittel einführt, welcher
Knetmischer Mittel zur Fortbewegung der Paste vom Einlaß zum
Auslaß in Verbindung mit längs wenigstens einer in Drehung
versetzten Welle angeordneten Knetmitteln aufweist, wobei der
Knetmischer eine mit Mitteln zum Heizen der Paste auf eine
Temperatur Th über Tb versehene Stromaufzone und eine an der
Auslaßöffnung mündende Stromabzone zur Abkühlung der
kohlenstoffhaltigen Paste auf die Temperatur Th aufweist, dadurch
gekennzeichnet, daß man Wasser durch wenigstens eine Öffnung
in der Stromabzone des Knetmischers an einem Punkt, der
zwischen dem Eingang dieser Zone und etwa der Hälfte ihrer
Länge in Stromabrichtung liegt, und derart einspritzt, daß
wenigstens die Hälfte der Knetarbeit bei der Temperatur Th
erfolgt, und daß man anschließend das in Kontakt mit der
kohlenstoffhaltigen Paste verdampfte Wasser durch eine
geeignete, am Ende des Knetmischers nahe der Auslaßöffnung
der kohlenstoffhaltigen Paste angeordnete Öffnung
kontinuierlich abzieht.
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Völlig unerwartet wurde festgestellt, daß dieses Zuführen von
Wasser in die Stromabzone des Knetmischers eine merkliche
Verminderung der zum Verkneten erforderlichen Leistung
bewirkte, während die Logik zur Vorhersage einer Erhöhung
aufgrund der Erhöhung der Viskosität der abgekühlten Paste
geführt hätte. Korrelativ dazu erhöht sich der stündliche
Durchsatz des Knetmischer um einen Anteil, der bis zu 50%
reichen kann, wobei die Qualität der aus den derart
erhaltenen Pasten gewonnenen kohlenstoffhaltigen Produkte
zumindest gleich mit derjenigen von Pasten ist, die mit einem
nicht gekühlten Knetmischer erhalten wurden.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Das Einspritzen von Wasser in den Knetmischer kann mit
verschiedenen Mitteln durchgeführt werden, etwa durch wenigstens
eine in der Seitenwand des Knetmischers angebrachte Öffnung,
oder etwa durch die Hauptwelle, die die beweglichen Zähne
aufweist, wobei diese Welle hier hohl und mit in den
Knetmischer mündenden Öffnungen versehen ist, oder auch durch
wenigstens einen der festen Zähne, was bevorzugt wird.
Man kann eine oder mehrere Öffnungen zum Einspritzen
vorsehen, wobei diese gegebenenfalls Düsen aufweisen, die ein
Versprühen des Wassers sicherstellen. Es versteht sich, daß
es unabdingbar ist, eine Öffnung zum Abziehen des
Wasserdampfs vorzusehen, wobei diese Öffnung im allgemeinen am Ende
des Knetmischers nahe der Auslaßöffnung der
kohlenstoffhaltigen Paste angeordnet ist.
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Der Einbringpunkt des Wassers in die Stromabzone des Reaktors
oder, falls es mehrere Einbringpunkte gibt, der Punkt, der
sich in dieser Zone am weitesten in Stromaufrichtung
befindet, muß so liegen, daß wenigstens die Hälfte der Knetarbeit
bei der "hohen" Temperatur Th erfolgt.
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Das Einspritzen des Wassers geschieht in der Stromabzone an
einem Punkt, der zwischen dem Eingang dieser Zone und etwa
der Hälfte ihrer Länge in Stromabrichtung liegt.
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Ein Fachmann wird die optimale Position dieses Punkts ebenso
wie den Wasserdurchfluß in Abhängigkeit des Abstands zwischen
Th und Tb und des benutzten Knetmischertyps bestimmen, wobei
es sich versteht, daß es aus praktischen Gründen bevorzugt
wird, dieses Einspritzen nicht in der Stromaufzone des
Reaktors, in der sich die Mittel zum Erwärmen der
Kohlenstoffpaste befinden, durchzuführen.
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Wenn mehrere Wassereinspritzpunkte existieren, bezieht sich
diese Beobachtung auf den am weitesten stromaufwärts
gelegenen Punkt.
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Die Menge des einzuspritzenden Wassers kann theoretisch aus
dem stündlichen Durchfluß der Paste, dem Δt zwischen der
hohen Temperatur Th und der niedrigen Temperatur Tb, der
spezifischen Wärme der kohlenstoffhaltigen Paste, der
Temperatur des eingespritzten Wassers und seiner
Verdampfungswärme berechnet werden.
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In der Praxis ist festzustellen, daß der optimale
Wasserdurchfluß bei einem Δt in der Größenordnung von 10 bis 60 ºC
zwischen 1 und 10 Litern Wasser pro Tonne kohlenstoffhaltiger
Paste liegt.
DURCHFÜHRUNG
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Die Erfindung wurde mit einem Knetmischer des BUSS-Typs bei
einem nominalen Durchfluß von 18 Tonnen pro Stunde einer aus
86% kohlenstoffhaltigem Material und 14% Steinkohlenpech
bestehenden Paste durchgeführt.
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Die generell zwischen 120 und 180 ºC liegende Knettemperatur
wurde auf 160 ºC eingestellt, und der Wasserdurchfluß wurde
so geregelt, daß eine Ausgangstemperatur Tb der Paste gleich
144 ± 2 ºC erreicht wurde, was 18 Litern Wasser oder 1 Liter
pro Tonne und pro Stunde entspricht.
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Das Einspritzen des Wassers wurde durch einen der festen
Zähne durchgeführt, der sich ziemlich in der Mitte der
Knetzone befand.
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Während einer Versuchsserie wurde der Wasserdurchfluß
zwischen 20 und 150 Litern pro Stunde (also für 18 Tonnen
Paste) variiert. Die Temperatur Tb variierte zwischen 140 ± 2
ºC und 110 ± 2 ºC, was einen üblichen Temperaturbereich für
die Durchführung des Vibrationsverdichtvorgangs der
kohlenstoffhaltigen Paste darstellt.