FI87555B - Foerfarande och anordning foer framstaellning av briketter foer producering av kisel eller kiselkarbid eller kiseljaern - Google Patents

Description

! 37555

Menetelmä ja laite harkkojen valmistamiseksi piin tai pii-karbidin tai piiraudan tuottamista varten

Keksinnön kohteena on lajimääritelmän mukaisesti 5 menetelmä raakaharkkojen valmistamiseksi piin tai piikar-bidin tai piiraudan tuottamista varten elektronisessa matalassa kuilu-uunissa, jolloin kvartsihiekka, kovettuvaa hiiltä sisältämätön hiilikantaja ja bituminen sideaine sekoitetaan ja seos muotoillaan aihioiksi, ja jolloin ai-10 hioista muodostetaan lämpötilaan 500° C saakka ulottuvalla lämpökäsittelyllä raakaharkkoja. Keksinnön kohteena on edelleen laite, joka soveltuu erityisesti tämän menetelmän toteuttamiseksi. Tällaisten harkkojen valmistuksessa työskennellään yleensä kvartsihiekalla, jonka rakeisuusalue on 15 0,05 - 0,2 mm, nimittäin tämän alueen eri rakeisuussidok- silla. On selvää, että harkkoihin voidaan myös lisätä piiraudan valmistuksessa hienorakeista rautaa tai hienora-keista rautaoksidia.

Tunnetussa menetelmässä (FI-patenttijulkaisu 20 78 665), josta esillä oleva keksintö on edelleenkehitys, lämpökäsittely suoritetaan bitumisen sideaineen krakkautu-mista varten niin, että raakaharkot kuljetuksessa käyttäjälle eivät agglomeroidu ja raakaharkkojen lujittamiseksi, niin että ne täyttävät kuljetukselle ja elektroniselle : . . 25 matalalle kuilu-uunille asetetut kaikki vaatimukset. Aihi- oiden lämpökäsittely voidaan suorittaa elektronisen mata-. - lan kuilu-uunin yläosassa; se voidaan myös suorittaa esi- _ . koksauksena tarkoituksena tavanomainen koksausprosessi.

Joka tapauksessa vaaditaan suhteellisen suuri alkulujuus - 30 koska muuten aihioiden lämpökäsittelyssä voi tapahtua ei- toivottua hajoamista. Tämä pätee erityisesti kun poiketaan tavanomaisista toimenpiteistä eikä aihioihin sekoiteta piihappojauhetta. Yleisesti ottaen voidaan sanoa vaatimuksista, jotka koskevat sanottua tarkoitusta varten olevia 35 raakaharkkoja, että piin tuottamisessa kemiallisessa suh- 2 87555 teessä on otettava huomioon (vrt. GB-PS 20 84 122), että harkoissa voi muodostua niiden kulkiessa elektronisen matalan kuilu-uunin läpi lähinnä yläosassa yhtälön

5 Si02 + 3C = SiC + 2CO

mukaan piikarbidia. Sitä varten on kokonaishiilipitoisuus säädettävä vastaavasti yksittäisissä harkoissa. Se säädetään yleensä ylistökiometrisesti (vrt. GB-PS 21 50 128). 10 Fysikaalisessa suhteessa on varmistettava, etteivät harkot matkallaan elektroonisen matalan kuilu-uunin läpi ja erityisesti reduktiossa muutu SiCrksi, reagoidakseen lisäksi kuilu-uunin alaosassa panostuksen sulaneen kvartsin kanssa yhtälön 15

Si02 + SiC = 3Si + 2CO

mukaisesti. Elektroonisessa matalassa kuilu-uunissa tapahtuu tietysti vielä lisäreaktioita. Muun muassa muodostuu 20 yhtälön

Si02 + C = SiO + CO

mukaisesti korkeissa uunin lämpötiloissa haihtuvaa piimo-' .·. 25 noksidia, joka häviää osittain vahingoittaen saantoa ja lämpötasetta. Harkkoja piin tuotantoa varten, jotka täyt-. . tävät kemialliset ja fysikaaliset vaatimukset, voitiin tähän mennessä valmistaa käytännöllisesti katsoen vain kuumabriketoinnilla (vrt. GB-PS 20 88 840). Tämä kuumabri-30 ketointimenetelmä tuottaa 500°C: n lämpötiloissa brikettejä, jotka sisältävät bitumisena sideaineena sulanutta kovettuvaa hiiltä. Briketoinnissa pitää tämän sitojahiilen sulamispiste, joka voi olla 350° ja 450°C:n välillä, ylittää, jotta saavutetaan sulaneen hiilen vastaava jakaantuminen 35 sidottavaan materiaaliin ja tämän aihion kovettuminen puo- i 3 37555 likoksimuodostuksella. Harkkojen laadulle merkitsee hyvin paljon erityinen lämpökäsittely, nimittäin näiden aihioiden varastointi useaksi tunniksi lähes briketointilämpöti-lassa eristettyihin säiliöihin, s.o. myös hehkuttamiseksi 5 sanottu lämpökäsittely aihioiden ominaislämmöstä, mikä johtaa harkkojen lujuuden kaksinkertaistamiseen. Osoittautui kuitenkin, että harkkojen valmistuksessa piin tai pii-karbidin tai piiraudan tuottamista varten syntyi kuumabri-ketointimenetelmällä suhteellisen suuret kustannukset. 10 Harkoista tuotettavien tuotteiden suuria puhtausvaatimuksia häiritsee myöskin se, että kuumabriketoinnissa tunkeutuu harkkoihin epäpuhtauksia, jotka saattavat olla kovettuvaa hiiltä tai kuumabriketoinnissa käytettävästä laitteesta tulevaa metallipölyä. Samoin on asian laita piikar-15 bidin tai piiraudan tuottamisessa. Ilmaus piirauta käsittää keksinnön puitteissa myös piimetallin, erityisesti metallina rauta.

Keksinnön tehtävänä on kehittää lajimääritelmän mukaista menetelmää siten, että luopumalla kuumabriketoin-20 nista saadaan harkkoja, jotka täyttävät kaikki vaatimukset kemiallisessa ja fysikaalisessa suhteessa. Keksinnön tehtävänä on myös aikaansaada laite, joka erityisesti soveltuu keksinnön mukaisen menetelmän suorittamiseen.

Tämän tehtävän ratkaisemiseksi esitetään keksin- - - 25 nössä, että valmistetaan aihioita, joiden ominaispaino on ·.·. seossuhteen ja tiheyden säätämisen avulla suurempi kuin .·.· kvartsihiekan tärypaino, että lämpökäsittely suoritetaan kuumennetussa pyörivässä uunissa, joka on täytetty kvart- sihiekalla niin paljon, että kvartsihiekan tilavuus on 30 suurempi kuin tilavuus, joka vastaa aihioiden irtomassan kaksinkertaista aukkotilavuutta, että kvartsihiekka valmiiden raakaharkkojen kanssa vedetään pyörivästä uunista ulos ja että erotettu kvartsihiekka ainakin osaksi viedään kuumana takaisin pyörivään uuniin, jolloin loppu korvataan 35 uudella kvartsihiekalla. Keksinnön mukaisen menetelmän 4 87555 suositeltavalle suoritusmuodolle on tunnusomaista, että sekoittamalla uudelleen käyttöön otettua kuumaa kvartsi-hiekkaa uuden kvartsihiekan kanssa pyörivän uunin sisään-viennissä kvartsihiekkaupotusalustalla, johon aihiot joh-5 detaan, säädetään noin 200° C lämpötila ja tämä kohotetaan pyörivän uunin poistopuoleen asti arvoon noin 500° C. Keksinnölle on eduksi se yllättävä tosiseikka, että kovettuvasta hiilestä vapaat, s.o. ilman kuumabriketointia bitu-misella sideaineella muotoillut aihiot voidaan kovettaa 10 niiden rikkoutumatta suhteellisen vähäisestä peruslujuudestaan huolimatta uunissa siten, että valmiit harkot täyttävät kaikki fysikaaliset ja kemialliset vaatimukset, kun lämpökäsittely tapahtuu kvartsihiekkaupotuksessa ja siten käytännöllisesti katsoen myös ilmaeristyksessä. Raa-15 kaharkot "uivat" yhdenmukaisesti upotusalustassa ja näin vallitseva "kantavuus" pienentää lämpökäsittelyn aiheuttamia rasituksia. Aihioiden käsittelyaika kvartsihiekkaupotusalustalla säädetään siten, että saavutetaan riittävä kovetus. Kovetusaika on esim. 45 - 50 minuutin välillä. Se 20 on uudenaikaisen kääntöuuniteknologian ansiosta ilman muuta mahdollista. Aihioilla ja siten myös valmiilla harkoilla voi olla muutamista millimetreistä muutamiin senttimet-reihin oleva läpimitta. Ne voidaan muotoilla pyöreiksi rakeiksi rakeistuslaitteissa tai puristaa prässin puris-: 25 tustyökaluilla muiksi muotokappaleiksi, esimerkiksi ns.

munanmuotoisiksi briketeiksi. Kvartsihiekan osuus raaka-harkoissa voidaan ainakin osittain muodostaa uudelleen-kierrätetystä kvartsihiekasta, jossa on hiilipäällys.

Keksinnön kohteena on myös laite patenttivaatimuk-30 sen 1 tai 2 mukaisen menetelmän suorittamiseksi, varustettuna pyörivällä uunilla ja uudelleenkierrätyslaitteella. Laitteelle on tunnusomaista, että pyörivä uuni on varustettu aihioita varten olevalla kvartsihiekkaupotusalustal-. la, joka on kuumennettavissa uunin kammiossa palavalla . 35 polttimella lämpötilaan noin 500° C asti hiekka-alustassa, 5 87555 ja että upotusalustan kvartsihiekkaa varten olevassa uu-delleenkierrätyslaitteessa, joka hiekka valmiiden raaka-harkkojen kanssa otetaan pois ja joka uudelleen viedään pyörivään uuniin, on laite uuden kvartsihiekan sisäänvie-5 mistä ja sekoittamista varten.

Seuraavassa selitetään keksintöä, saavutettuja etuja ja menetelmän lisäyksityiskohtia tarkemmin ainoastaan yhden suoritusesimerkkiä kuvaavan piirustuksen perusteella.

10 Yksi ainoa kuvio esittää laitetta keksinnönmukaisen menetelmän suorittamiseksi.

Kuviossa esitetty laite toimii harkkojen valmistamiseksi piin tai piikarbidin tuottamista varten. Periaatteessa kuuluu rakenteeseen laite 1 kvartsihiekasta, 15 hiilikantajasta ja bitumisesta sideaineesta muodostettujen aihioiden muotoilemiseksi sekä laite 2 aihioiden lämpö-käsittelemiseksi. Laite 2 aihioiden lämpökäsittelemiseksi on kääntyvä uuni 3 varustettuna sisäänviennillä 4 aihioita varten ja poistolla 5 valmiita harkkoja varten määrättävän 20 käsittelyäjan mukaisesti. Kääntyvä uuni 3 on kuumennet tavissa uunikammiossa palavalla polttimella 5 noin 500° C lämpötilaan asti. Kääntyvässä uunissa 3 on kvartsihiek-kaupotusalusta 7 aihioille, joka täyttää uunikammion osittain polttimen 6 alapuolen alueella. Muuten kääntyvä uuni 25 3 on varustettu sisäänviennin 4 ja poiston 5 liittävällä kiertolaitteella 8 kvartsihiekkaupotusalustan 7 kvartsi-hiekkaa varten, joka on poistettavissa valmiiden raaka-ainepuristeiden kanssa ja sihdattavissa sihtilaitteella 9 puristeista pois. Sihdattu kvartsihiekka voidaan palauttaa 30 takaisin kuumana kääntyvän uunin 3 sisäänvientiin. Kääntyvin uunin 3 sisäänviennissä 4 on sitäpaitsi laite 10 uuden kvartsihiekan sisäänviemiseksi ja sekoittamiseksi. Uunin eteen on kytketty laite 1 aihioiden valmistamiseksi, joka on yhdistetty kuvattuun laitteeseen ja suoritusesi-35 merkissä siinä on kaksi kiertoputkisekoitinta 11, jäähdytin 12 ja puristin 13 aihioiden muotoilemiseksi. Suoritus-esimerkissä työskennellään petrolikoksilla.

6 37555

Petrolikoksi joutuu ensimmäiseen sekoittimeen 11, joka on vuorattu esim. SiC-levyillä. Koska petrolikoksi sisältää 6 - 8 % välillä vettä, suoritetaan ensimmäisessä sekoittimessa 11 kuivaus ja kuumennus. Tämä tapahtuu yh-5 dellä osalla kvartsihiekkaa, jota käytetään kääntyvän uunin 3 lämmönkantimena. Tällä kvartsihiekalla on 500° C:n lämpötila. Veden höyrystys ja kuumennus tarvitsevat niin paljon energiaa, että petrolikoksin ja kvartsihiekan suhteessa noin 1:1 tulee loppulämpötilaksi noin 150° C. Jos 10 tämä on liian alhainen seuraavaa vaihetta varten, jossa sideaine sekoitetaan ja on jaettava tehokkaasti, niin voidaan poistokaasua johtaa kiertoputkesta 3 ensimmäisen se-koittimen 11 läpi, joka luovuttaa lämpöä ja haihduttaa kosteaa höyryä. Poistokaasulla on noin 650° C:n lämpötila. 15 Se pystyy lisäksi pienen happipitoisuutensa alle 1,5 % vuoksi inertisoimaan ensimmäisen sekoittimen 11 ilmakehän. Siten vältetään vaaratilanteet, jotka voisivat syntyä pö-lymäisestä petrolikoksista. Poistokaasu johdetaan ensimmäisen sekoittimen 11 jälkeen, esim. panostuskerrossuodat-20 timen läpi petrolikoksia tai kvartsihiekan järjestelmään soveltuvalla täytöllä kaminaan.

Nyt noin 200° C kuuma hiekka-petrolikoksi-seos joutuu toiseen sekoittimeen 11, jossa sideaine, jonka lämpötila on noin 180 - 200° C, sumutetaan. Kysymykseen tulee | : 25 kivi-öljypohjainen kvartsi. Lämpötilat on valittu siten, että viskositeetti on riittävän alhainen, ettei syntyisi ‘•f kiinnijuuttumisia ja voitaisiin taata hienojakoisuus kiin- :·.·. teiden aineiden seoksessa. Tämä toinen sekoitin 11 on myös vuorattu SiC-levyillä. Tämä tehdään kaikissa mahdollisissa 30 tapauksissa, jotta saataisiin mahdollisimman vähäinen kuluminen ja jotta materiaali, joka kuluu kaikesta huolimatta, voitaisiin vaikeuksitta integroida tuotteeseen.

'· - Toisesta sekoittimesta 11 tuleva seos on liian läm mön briketointia varten, koska se jää helposti riippumaan . , 35 puristimen yläpintaan. Sen vuoksi tapahtuu jäähdyttäjässä i 7 37555 12 jäähdyttäminen noin 30 - 50° C aina sitojalaadun mukaan. Jäähdytin 12 on samoin vuorattu SiC-levyillä. Jäähdytys voi olla vastavirtailmajäähdytys. Kylmä ilmamäärä suuntautuu briketoitavan seoksen halutun lopullisen lämpötilan 5 mukaan.

Briketoitava seos johdetaan puristimeen 13. Puristin 13 koteloidaan ja ilmastetaan ohjatusti. Puristin 13 tuottaa aihiota, jotka kovetetaan laitteessa 2 lämpökäsittelyä varten. Kovetus tarkoittaa tässä sitojan ja petro-10 likoksin kaasunpoistoa ja esikoksausta kääntyvässä uunissa 3 on suoritusesimerkissä täytetty vähempään kuin 50 % kvartsihiekalla, joka säädetään harkkojen tuottamisessa. Kääntyvä uuni 3 on 20 - 30 m pituinen ja sen sisäläpimitta on 2 - 4 m. Pituus on riippuvainen lämpötilajakautumasta, 15 jolla aihiot on kuumennettava. Uunin sisällön kuumennus tapahtuu suoralla liekillä, jota ylläpidetään paikallaan pysyvässä vapaassa tilassa.

Polttoaine tähän liekkiin tulee ensiksikin poltti-mella 6 kääntyvään uuniin 3, mutta toiseksi se on peräisin 20 aihioiden haihtuvista aineosista. Aihioita kuumennettaessa alkaa sitoja vapauttamaan raskaita hiilivetyjä 250° C yläpuolella. Tämä vaihe kestää olennaisesti 450° C asti. Sen jälkeen tuotos muuttuu pienemmiksi molekyyleiksi, kuten metaaniksi ja vedyksi. Polttoaineiden summa tulee sääde-| 25 tyksi, nimittäin kiinteiden aineiden ja kokonaispanoksen alku- ja loppulämpötilasta riippuvaisesti.

Kvartsihiekalla täyttäminen muodostuu suoritusesi-merkissä kahdesta komponentista: kuuman kvartsihiekan osuudesta, joka on uudelleen käytössä ja uuden hiekan ’ 30 osuudesta. Uusi hiekka on suorassa suhteessa tuotantoon, s.o. mitä suurempi harkkojen puristeiden tuotanto on tunnissa sitä enemmän tarvitaan uutta kvartsihiekkaa. Tämä merkitsee päinvastaisena, että korotetulla panoksella vapautuu myös enemmän haihtuvia aineosia, jotka palavat. 35 Siten on panostus rajoitettu mahdollisella palamistilan kuormituksella.

e 87555

Aihioiden määrätty käsittely upotusalustalla 7 on mahdollista, koska aihioiden ominaispaino voidaan valita. Kvartsihiekkaosuudesta ja briketointipaineesta puristimessa 13 riippuvaisesti onnistutaan säätämään ominaispaino 5 välille 1,35 - 1,55 g/cm3. Suhteessa siihen on liikutetun kvartsihiekan, jolla on pieni raekoko, tärypaino 1,2-1,4 g/cm3. Tämä vastakkaisasettelu osoittaa, että on mahdollista hyvin korkealla prosenttipanostuksella poistaa kaasut kastamalla aihiot kvartsihiekassa. Siten ne suojataan palo lamiselta. Näin saadaan hämmästyttävä lujuus. Eikä myöskään vähäisempi ole toinen vaikutus: raskaiden hiilivetyjen poistumisen jälkeen aihioista on näiden orgaanisten aineiden pakko haihtua upotusalustan 7 kuuman kvartsihiekan läpi kääntyvän uunin 3 vapaaseen tilaan. Kvartsihiekan 15 yhteydessä hajoavat nämä aineet osittain termisesti siten, että hiili levittyy kvartsihiekan päälle ja kevyemmät hiilivedyt ja vety poistuvat kvartsihiekasta ja palavat pois. Tällä kvartsihiekan päällystyksellä krakkaushiilellä saadaan kvartsihiekkaa, jolla ei enää ole puristavissa vai-20 heissä puristimessa 13 kvartsin kovuutta, koska hiekkajy-västen pinta on päällystetty riittävästi suhteellisen pehmeällä hiilikerroksella. Sekunnin murto-osia kestävä kuormitus puristimessa 13 ei johda kosketuksiin teräksen ja kvartsin välillä, mikä muuten kuluttaisi helposti puris-:::25 tinta 13.

Päällystetyn kvartsihiekan sitoutuminen valmiiseen harkkoon tarjoaa toisen edun pelkistyksessä sähköllä toi-mivassa matalassa kuilu-uunissa. Tähän mennessä kaikki -· sideainebriketit sähköllä toimivissa matalissa kuilu- 30 uuneissa eivät kuitenkaan ole olleet käyttökelpoisia, kos ka ne ensiksikin tulivat kuumennuksen jälkeen pehmeiksi, toiseksi hajosivat, koska sideaineet tislautuivat ja kolmanneksi, koska SiC-reaktio hävitti sitovat jäännösraken-teet, mutta nyt näitä puutteita keksinnönmukaisesti ei , 35 enää esiinny. Bitumisen sideaineen pehmeneminen ja tis- 9 h 7 δ 5 e lautuminen sähköllä toimivassa matalassa kuilu-uunissa jäävät kuvatun kovetuksen takia pois. SiC-reaktio, joka hävittää suorassa yhteydessä kvartsihiekan ja koksin välillä side-aineesta briketin stabilisoivan hiilivetyraken-5 teen 1500° C lähtien, kuluttaa ensiksi hiiltä, joka ympäröi kvartsihiekkajyvästä. Siitä ei ole haittaa koksin rakenteelle, joka on syntynyt sideaineesta. Saadaan pysyvä bri-kettilujuus pitemmäksi ajanjaksoksi tai korkeampaan lämpötilaan asti sähköllä toimivassa kuilu-uunissa, mutta vä-10 hintään kvartsihiekan sulamispisteeseen saakka briketis-sä, joka on yli 1700° C.

Sen jälkeen kun kvartsihiekka ja valmiit harkot ovat kulkeneet kääntyvän uunin 3 läpi, erotetaan ne toisistaan seulomalla. Harkot joutuvat hapelta suojattuun 15 säiliöön. Tuotantoon tarvittava kvartsihiekan osa johdetaan ensimmäiseen sekoittimeen 11 ja sekoitetaan petro-likoksin kanssa, joka kuivuu siinä. Sekoitussuhteet ovat siinä vapaasti valittavissa. Käytännössä on kuitenkin osoittautunut, että piituotantoon ovat harkon sellaiset 20 koostumukset edullisia, joissa kvartsihiekan moolisuhde C:hen on l:stä 5-6 mooliin. Mutta piikarbidin valmistusta varten voidaan valita suhde, jossa kvartsihiekan ja kovan hiilen suhde on 1:3. Muihin kokeilemattomiin tuotantoihin voidaan suhteet muuttaa tarkoitustaan vastaaviksi. 25 Rajana on aihion se ominaispaino, joka takaa, että aihiot “·'· lähtiessään ovat upotettuna upotusalustassa 7.

Claims (3)

10 87555

1. Menetelmä raakaharkkojen valmistamiseksi piin tai piikarbidin tai piiraudan tuottamista varten elektro- 5 nisessa matalassa kuilu-uunissa, jolloin kvartsihiekka, kovettuvaa hiiltä sisältämätön hiilikantaja ja bituminen sideaine sekoitetaan ja seos muotoillaan aihioiksi, ja jolloin aihioista muodostetaan lämpötilaan 500° C saakka ulottuvalla lämpökäsittelyllä raakaharkkoja, tunnet-10 t u siitä, että valmistetaan aihioita, joiden ominaispaino on seossuhteen ja tiheyden säätämisen avulla suurempi kuin kvartsihiekan tärypaino, että lämpökäsittely suoritetaan kuumennetussa pyörivässä uunissa, joka on täytetty kvartsihiekalla niin paljon, että kvartsihiekan tila-15 vuus on suurempi kuin tilavuus, joka vastaa aihioiden irtomassan kaksinkertaista aukkotilavuutta, että kvartsi-hiekka valmiiden raakaharkkojen kanssa vedetään pyörivästä uunista ulos ja että erotettu kvartsihiekka ainakin osaksi viedään kuumana takaisin pyörivään uuniin, jolloin loppu 20 korvataan uudella kvartsihiekalla.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että sekoittamalla uudelleen käyttöön otettua kuumaa kvartsihiekkaa uuden kvartsihiekan : kanssa pyörivän uunin sisäänviennissä kvartsihiekkaupo- 25 tusalustalla, johon aihiot johdetaan, säädetään noin 200° - - C lämpötila ja tämä kohotetaan pyörivän uunin poistopuo- .1 .* leen asti arvoon noin 500° C.

3. Laite patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukaisen menetelmän suorittamiseksi, varustettuna pyörivällä uunilla 30 (3) ja uudelleenkierrätyslaitteella (8), tunnettu siitä, että pyörivä uuni (3) on varustettu aihioita varten : ‘ olevalla kvartsihiekkaupotusalustalla (7), joka on kuumen- : : : nettavissa uunin kammiossa palavalla polttimella (6) läm pötilaan noin 500" C asli hi tikka-alus tässä, ja että upotus-35 alustan (7) kvartsihiekkaa varten olevassa uudelleenkier- i 11 87555 rätyslaitteessa (8), joka hiekka valmiiden raakaharkkojen kanssa otetaan pois ja joka uudelleen viedään pyörivään uuniin (3), on laite (10) uuden kvartsihiekan sisäänvie-mistä ja sekoittamista varten. 5 12 87555