NL8801749A

NL8801749A - Werkwijze voor het vervaardigen van vlokkengrafiet.

Info

Publication number: NL8801749A
Application number: NL8801749A
Authority: NL
Original assignee: Hoogovens Groep Bv
Priority date: 1988-07-11
Filing date: 1988-07-11
Publication date: 1990-02-01
Also published as: JPH0280312A; DE68903800T2; AU3795089A; EP0350989A1; ES2036332T3; DE68903800D1; ATE83220T1; EP0350989B1; AU612864B2

Description

WERKWIJZE VOOR HET VERVAARDIGEN VAN VLOKKENGRAFIET

Door aanvraagster wordt als uitvinder genoemd: Johannes Adrianus Maria BUTTER te UITGEEST

De uitvinding heeft betrekking op een werkwijze voor het vervaardigen van vlokkengrafiet.

Onder vlokkengrafiet wordt in deze aanvrage verstaan grafiet met een afmeting overwegend groter dan 0,05 mm. Vlokkengrafiet bestaat in hoofdzaak uit koolstof met een kenmerkende anisotrope kristallijne structuur opgebouwd uit lagen met een hexagonaal kristalrooster.

Het bekende vlokkengrafiet wordt gewonnen uit natuurlijke voorkomens. Vlokkengrafiet wordt tegenwoordig veel gebruikt in vuurvaste stenen. De vraag naar vlokkengrafiet overtreft thans het aanbod.

De uitvinding stelt zich ten doel een werkwijze te verschaffen voor het industrieel vervaardigen van kunstmatige vlokkengrafiet. Dit wordt volgens de uitvinding bereikt doordat men a) een smelt van een metaal(verbinding) verhit b) zoveel koolstof in de smelt oplost, dat de smelt over althans een gedeelte van de in stap c. genoemde afkoeling met koolstof verzadigd is c) vervolgens de smelt afkoelt waarbij vlokkengrafiet uit de met koolstof verzadigde smelt uitkristalliseert en d) tenslotte de uitgekristalliseerde grafiet afzondert.

Voor de metaalsmelt zijn verschillende metalen en metaalverbindingen (zoals metaalcarbiden) denkbaar. De metaalsmelt dient aan een aantal eisen te voldoen. De oplosbaarheid van koolstof moet voldoende groot zijn. De temperatuur van het proces mag niet zo hoog zijn dat er vuurvastproblemen ontstaan. De verzadigingslijn in het fasediagram moet voldoende vlak zijn zodat een aanvaardbare hoeveelheid vlokkengrafiet uit de smelt zal uitkristalliseren.

Aan dergelijke eisen wordt zeker voldaan door de metalen nikkel, lithium en cobalt. De voorkeur gaat echter uit naar een smelt op basis van ijzer, meer bij voorkeur ruwijzer. In het ijzer-koolstofdiagram ligt het werkgebied van stap c) nabij de verzadigingslijn van vloeibaar ijzer en koolstof bij een koolstof-percentage groter dan dat van het eutecticum bij 4,26%C. Zonodig kan het ruwijzer, dat een aantal verontreiniging en zoals fosfor en zwavel bevat, eerst geraffineerd worden.

Voor het in stap b) genoemde oplossen van koolstof in de smelt vindt bij voorkeur plaats door injectie van poederkool. Bij het vervaardigen van staal is reeds ervaring opgedaan met een dergelijke injectie, bijvoorbeeld bij een OBM converter waarbij poederkool door de bodem van de converter wordt geïnjecteerd.

De in stap a) genoemde verhitting kan elektrisch plaatsvinden. Dit vergt echter grote investeringen voor het benodigde grote vermogen terwijl de energiekosten hoog zijn. De voorkeur gaat daarom uit naar verhitting van de smelt door verbranding van koolstof in de smelt met zuurstof. De zuurstof kan daarbij in de smelt geïnjecteerd worden. Een alternatief is de benodigde zuurstof met een zuurstofblaaslans, bijvoorbeeld van een type zoals bij het vervaardigen van staal in een oxystaalconverter wordt toegepast, van boven aan de smelt toe te voeren.

Voor de procestemperatuur gaat bij een smelt op basis van ijzer de voorkeur uit naar een temperatuurgebïed van 1200-1600°C. Boven 1600°C worden de vuurvastproblemen groter. Meer bij voorkeur verhit men de smelt tot circa 1500°C en koelt men de smelt af tot circa 1300°C.

Voor wat betreft de procesvoering kan de smelt in een en hetzelfde vat periodiek worden verhit en afgekoeld. De daarbij benodigde investering is naar verhouding laag. Daar staat tegenover dat de wisselende temperatuur in het vat extra eisen stelt aan de vuurvaste bekleding van het vat.

Bij voorkeur voert men de werkwijze uit in ten minste twee vaten en wel zo, dat men de smelt in een eerste vat verhit, dat men de smelt in verhitte toestand overbrengt naar een tweede vat, dat men de smelt afkoelt in het tweede vat en de uitgekristalliseerde grafiet aldaar afzondert en dat men de smelt in afgekoelde toestand naar het eerste vat terugvoert. Stap b), het oplossen van de koolstof in de smelt, kan daarbij in het eerste vat danwel na verhitting van de smelt in het eerste vat in een derde vat plaatsvinden .

Bij verhitting van de smelt door verbranding van koolstof wordt in het eerste vat, het verhittingsvat, een slak op de smelt gevormd. Wegens de heftige beweging van de smelt in het eerste vat zullen slakdeeltjes in de smelt naar het tweede vat, het afkoelvat, meegevoerd worden. Bij voorkeur brengt men daarom de smelt na verhitting in het eerste vat, maar voor afkoelen in het tweede vat, in een vierde vat om uit het eerste vat meegevoerde slak af te scheiden.

Om oxydatie van de smelt en van het grafiet in het tweede vat te voorkomen handhaaft men bij voorkeur in het tweede vat een inerte atmosfeer. Deze kan bijvoorbeeld worden verkregen indien ten behoeve van het roeren van de smelt in het tweede vat inert gas in de smelt wordt geïnjecteerd.

Bij voorkeur voert men nu de werkwijze zo uit, dat men de smelt ofwel periodiek tussen het eerste en het tweede vat heen en weer laat stromen ofwel de smelt continu door de vaten laat circuleren.

Bij voorkeur voegt men aan de smelt een middel toe, dat de groei van de vlokkengrafiet bevordert, meer bij voorkeur waterstof, stikstof en/of silicium.

Een specifieke voorkeursuitvoeringsvorm van de werkwijze volgens de uitvinding bestaat daarin dat men 1) een smelt op basis van ruwijzer periodiek heen en weer laat stromen in een systeem omvattende een eerste en een tweede vat 2) in het eerste vat de smelt verhit tot een temperatuur van circa 1500°C met behulp van zuurstof en gelijktijdig, door injectie van poederkool in de smelt, zoveel koolstof in de smelt oplost dat de smelt althans over een gedeelte van het in stap 3) genoemde bij het afkoeltraject met koolstof verzadigd is 3) in het tweede vat de smelt afkoelt tot circa 1300°C waarbij vlokkengrafiet uit de smelt uitkristalliseert 4) in het tweede vat de uitgekristalliseerde vlokkengrafiet afzondert.

De verkregen grafiet kan zo nodig aansluitend gereinigd worden. Verontreinigingen in het grafiet van ijzer, bijvoorbeeld als ^e2®3 Fe^O^ kunnen met HC1 (zoutzuur) worden opgelost gevolgd door wassen met HF (fluorwaterstofzuur).

De uitvinding zal op niet beperkende wijze worden toegelicht aan de hand van de tekening.

Fig. 1 toont een processchema van de werkwijze volgens de uitvinding in een specifieke uitvoeringsvorm.

Fig. 2 toont de cyclus die door de smelt bij het proces volgens fig. 1 in het ijzer-koolstofdiagram wordt doorlopen.

Fig. 3 toont een processchema van de werkwijze volgens de uitvinding in een andere specifieke uitvoeringsvorm.

Fig. 4 toont de cyclus, die door de smelt bij het proces volgens fig. 3 in het ijzer-koolstofdiagram wordt doorlopen.

Fig. 5 toont een inrichting te gebruiken bij de werkwijze volgens de uitvinding in een specifieke uitvoeringsvorm volgens fig. 1.

In het processchema van fig. 1 is met verwijzingscijfer 1 een verhitter en met verwijzingscijfer 2 een koeler aangegeven, die met verbindingsleidingen 3 en 4 met elkaar verbonden zijn. Het systeem omvattende verhitter 1, koeler 2 en leidingen 3 en 4 is gevuld met een smelt 15 op basis van ijzer. De smelt wordt in verhitter 1 verhit. Tevens wordt er in verhitter 1 koolstof in de smelt opgelost. Daartoe wordt er via toevoerleiding 5 zuurstof en via toe-voerleiding 6 koolstof aan verhitter 1 toegevoerd. Door de verbranding van koolstof met zuurstof ontstaat er een verbrandingsgas, in dit geval een hoogcalorisch gas voornamelijk bestaande uit CO, dat bij 7 uit de verhitter wordt afgevoerd en dat eventueel voor energie-opwekking kan worden gebruikt. De in verhitter 1 gevormde slak 14 kan bij 8 uit de verhitter worden af getapt. In koeler 2 wordt de smelt bijvoorbeeld met behulp van een schematisch aangegeven koelsysteem 9 gekoeld, waarbij vlokkengrafiet uit de smelt uitkristalliseert. De afkoelsnelheid kan daarbij worden gekozen in afhankelijkheid van de afmetingen van de grafietvlokken. De daarbij vrijkomende vlokkengrafiet is schematisch met 10 aangegeven. De smelt wordt continu door het systeem omvattende verhitter 1, koeler 2 en leidingen 3 en 4 gecirculeerd, zoals met pijlen aangegeven. Met 11 is een regelorgaan aangegeven, waarmee de circulatie-snelheid van de smelt kan worden geregeld.

In fig. 2 is het voor het proces van fig. 1 van belang zijnde gedeelte van het ijzer-koolstofdiagram aangegeven met langs de verticale as de temperatuur van de smelt in °C en langs de horizontale as het koolstofgehalte van de smelt in gewichtsprocenten. In de verhitter 1 wordt de smelt verhit en koolstof opgelost. Daarbij volgt de smelt in fig. 2 de lijn van 12 naar 13 in de door een pijl aangegeven richting. In de koeler 2 wordt de smelt afgekoeld volgens de lijn van 13 naar 12 in fig. 2. Hierbij vermindert het koolstofgehalte van de smelt doordat vlokkengrafiet uitkristalliseert .

Fig. 3 toont een variant van het proces van fig. 1 met een opkoler 16 met verbindingsleidingen 17 en 18 tussen verhitter 1 en opkoler 16 respectievelijk tussen opkoler 16 en koeler 17. In opkoler 16 wordt koolstof, die door leiding 19 aan de opkoler 16 wordt toegevoerd, in de smelt opgelost. Bij de verhitting van de smelt in verhitter 1 kan/wordt koolstof via leiding 20 aan de verhitter toegevoerd. Bij dit proces bestaat het gas dat bij 7 wordt afgevoerd voornamelijk uit CO^. Bij dit proces volgt de smelt in fig. 4 in de verhitter 1 de lijn van 12 naar 21, waarbij de temperatuur stijgt en het koolstofgehalte daalt en in de opkoler 16 de lijn van 21 naar 13» waarbij het koolstofgehalte toeneemt.

Fig. 5 toont een inrichting waarin het proces van fig. 1 zou kunnen worden bedreven met een aantal zeer specifieke ook voor andere uitvoering vatbare details. De verhitter 1 is uitgevoerd als een stalen vat 22 inwendig voorzien van een vuurvaste bekleding 23 omvattende een slijtvoering 24 en een blijfvoering 25. De koolstof-en zuurstoftoevoer is uitgevoerd als poederkool- en zuurstof-injectie, bijvoorbeeld met behulp van een of meerdere dubbelwandige concentrische injectiebuizen 26, via de bodem van vat 22. Het verbrandingsgas wordt afgevoerd bij 27. De gasafvoer kan, in geval het vat 22 van boven open is, ook bijvoorbeeld in de vorm van een hoed zoals bij een oxystaalconverter zijn uitgevoerd. Het vat 22 is voorzien van een tubelure 28 ten behoeve van slaktappen. Niet getoond is dat er ook een voorziening kan zijn voor het toevoeren van kalk aan verhitter 1 voor het conditioneren van de slak.

De koeler 2 is eveneens uitgevoerd als een stalen vat 29 met een vuurvaste bekleding 30. De koeler is voorzien van een deksel 31, die kan worden afgenomen, waarna de inrichting met smelt 15 kan worden gevuld. De koeler heeft een tubelure 32 waardoor inert gas kan worden geïnjecteerd en een tubelure 33 voor aftap van de smelt 15. Voor het afzonderen van de uitgekristalli- seerde vlokkengrafiet, die op de smelt drijft, is het deksel 31 voorzien van een zuigbuis 34 waarmee de vlokkengrafiet kan worden afgezogen.

Tussen verhitter 1 en koeler 2 vindt door leidingen 3 en 4 een natuurlijke circulatie plaats als gevolg van het verschil in het verloop van de hydrostatische druk ten gevolge van zuurstofinjectie in de verhitter (bellenpomp). Uiteraard kan de smelt ook op andere wijze verpompt worden.

In leiding 3 is een drempel 35 opgenomen. Door via leiding 37 de gasdruk in kamer 36 te regelen kan de hoogte van de smelt boven de drempel 35 en daarmee de circulatiesnelheid geregeld worden.

Claims

1. Werkwijze voor het vervaardigen van vlokkengrafiet, met het kenmerk, dat men a) een smelt van een metaal(verbinding) verhit b) zoveel koolstof in de smelt oplost, dat de smelt over althans een gedeelte van de in stap c. genoemde afkoeling met koolstof verzadigd is c) vervolgens de smelt afkoelt waarbij vlokkengrafiet uit de met koolstof verzadigde smelt uitkristalliseert en d) tenslotte de uitgekristalliseerde grafiet afzondert.

2. Werkwijze volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat men koolstof in de smelt oplost door injectie van poederkool in de smelt.

3. Werkwijze volgens conclusie 1 of 2, met het kenmerk, dat men de smelt verhit door verbranding van koolstof in de smelt met zuurstof.

4. Werkwijze volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat men de zuurstof in de smelt injecteert.

5. Werkwijze volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat men de zuurstof met een zuurstofblaaslans aan de smelt toevoert.

6. Werkwijze volgens conclusies 1-5, met het kenmerk, dat men een smelt op basis van ijzer toepast.

7. Werkwijze volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat de smelt ruwijzer is.

8. Werkwijze volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het ruwijzer geraffineerd is.

9. Werkwijze volgens conclusies 6-8, met het kenmerk, dat de temperatuur van de smelt ligt in het gebied van 1200 tot 1600°C.

10. Werkwijze volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat men de smelt verhit tot een temperatuur van circa 1500°C en dat men de smelt afkoelt tot een temperatuur van circa 1300°C.

11. Werkwijze volgens conclusies 1-10, met het kenmerk, dat men de smelt in een en hetzelfde vat periodiek verhit en afkoelt.

12. Werkwijze volgens conclusies 1-10, met het kenmerk, dat men de smelt in een eerste vat verhit, dat men de smelt in verhitte toestand overbrengt naar een tweede vat, dat men de smelt afkoelt in het tweede vat en de uitgekristalliseerde grafiet aldaar afzondert en dat men de smelt in afgekoelde toestand naar het. eerste vat terugvoert.

13. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat men in het eerste vat tevens koolstof in de smelt oplost.

14. Werkwijze volgens conclusie 12, met het kenmerk, dat men na verhitting van de smelt in het eerste vat koolstof in de smelt oplost in een derde vat.

15. Werkwijze volgens conclusies 12-14, met het kenmerk, dat men de smelt na verhitting in het eerste vat, maar voor afkoelen in het tweede vat, brengt in een vierde vat om uit het eerste vat meegevoerde slak af te scheiden.

16. Werkwijze volgens conclusies 12-15, met het kenmerk, dat men boven de smelt in het tweede vat een inerte atmosfeer handhaaf t.

17. Werkwijze volgens conclusies 12-16, met het kenmerk, dat men in het tweede Vat inert gas in de smelt injecteert.

18. Werkwijze volgens conclusies 12-17, met het kenmerk, dat men de smelt periodiek tussen het eerste en het tweede vat heen en weer laat stromen.

19. Werkwijze volgens conclusies 12-17, met het kenmerk, dat men de smelt continu door de vaten laat circuleren.

20. Werkwijze volgens conclusie 6-19, met het kenmerk, dat aan de smelt een middel toevoegt, dat de groei van de vlokkengrafiet bevordert.

21. Werkwijze volgens conclusie 20, met het kenmerk, dat men aan de smelt waterstof, stikstof en/of silicium toevoegt.

22. Werkwijze voor het vervaardigen van vlokkengrafiet waarbij men 1. een smelt op basis van ruwijzer periodiek heen en weer laat stromen in een systeem omvattende een eerste en een tweede vat 2. in het eerste vat de smelt verhit tot een temperatuur van circa 15Q0°C met behulp van zuurstof en gelijktijdig, door injectie van poederkool in de smelt, zoveel koolstof in de smelt oplost dat de smelt althans over een gedeelte van het in stap 3. genoemde afkoeltraject met koolstof verzadigd is 3. in het tweede vat de smelt afkoelt tot circa 1300°C waarbij vlokkengrafiet uit de smelt uitkristalliseert 4. in het tweede vat de uitgekristalliseerde vlokkengrafiet afzondert.