NO115234B - - Google Patents

Description

Elektrisk lysbueovn for karbotermisk reduksjon av aluminium- eller silisium-oksyd.

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrisk

lysebueovn for karbotermisk reduksjon av aluminium- eller silisium-oksyd.

Det er kjent å redusere oksydholdige malmer

ved hjelp av en elektrisk ovn med neddykket

eller dekket lysbue og å føre chargen inn i den

del av ovnen som ligger mellom elektrodene og

veggen, idet ovnen da er av den åpne type. De

temperaturer som nås i badet i herden av ovnen

er vanligvis under 2 000° C slik at det i mange

tilfeller, således f.eks. ved fremstilling av silisium ved karbotermisk reduksjon av dets diok^

syd, må anvendes sterkt reaktive reduksjonsmidler som f. eks. trekull for å gjøre reaksjonen tilstrekkelig rask. Anvendelsen av slike reduksjonsmidler begrenses ofte av at de er forholdsvis

kostbare.

Det har også tidligere vært foreslått å ut-styre en elektrisk lysbueovn av den såkalte re-duksjonstype med en eller flere elektroder som virker på et smeltet bad inne i en sjakt, idet reaksjonsgassene bare kan slippe ut fra badet gjennom chargen. I denne ovn er hver elektrode omgitt av en innretning som omfatter et øvre, elektrisk isolerende parti som avkjøles og er gasstett forbundet med elektroden, og et nedre parti som er fremstilt av ildfast, varmeledende material og som også er avkjølt.. Det siste parti bringer råmaterialene ut av berøring med elektroden og er forenet praktisk talt gasstett med idet øvre parti slik at det dannes et trangt elektrisk isolerende ringformet rom rundt elektroden. Denne innretning er forsynt med rørled-ninger for rensegass som gjør det mulig å fjerne eventuelle ledende avleiringer som måtte være avsatt i dette.

En ovn av denne type gjør det mulig å ut-føre reaksjonen ved meget høye temperaturer, men den har flere mangler, deriblant de følg-ende: Den innretningen som omgir elektroden gasstett og elektrisk isolerende, blir noén ganger skadet ved lysbuer som slår over mellom elektroden og innretningen.

Det hender enkelte ganger at virkningen av kondenserbare damper som ved hjelp av reaksjonsgassene trekkes gjennom chargen, gjør chargen ugjennomtrengelig for disse gasser. Dette resulterer i driftsstans for ovnen og frem-komst av sterke stråler av metalldamper (gass-kanaler) som slipper ut gjennom sprekker som oppstår i chargen. Slike stråler reduserer sterkt utbyttet av reaksjonen og bevirker skade på ovnen.

Forsøk har vært gjort på å avhjelpe dette forhold ved å bryte istykker den ugjennom-trengelige skorpe med skrapeverktøy, men denne operasjon er omstendelig og gjør det ikke mulig å oppnå et regelmessig utbytte av reaksjonen.

I noen tilfeller har chargen vært for gjen-nomtrengelig for gasser og har ikke holdt tilbake alle de kondenserbare damper slik at disse er gått tapt.

Forsøk har vært gjort på forbedre dette forhold ved å øke tykkelsen av råmaterialene hvor-igjennom gassene måtte passere, men dette be-virket et stort trykkfall, som skapte et for stort trykk i ovnen, hvilket igjen gjorde det vanskelig å opprettholde tetthet rundt elektrodene.

Det hender noen ganger at råmaterialene gjenfinnes i ufullstendig omsatt form i avtap-pingene fra ovnen.

Foreliggende oppfinnelse avhjelper disse mangler.

Oppfinnelsen går således ut på en elektrisk lysbueovn for karbotermisk reduksjon av aluminium- eller silisiumoksyd, med lysbue som spiller mellom en eller flere elektroder og et nakent bad, hvorfra reaksjonsgassene kan unnvike bare gjennom chargen, og hvor hver elektrode er omgitt av en gasstett og elektrisk isolerende innretning som holder råmaterialene ute av berør-ing med elektroden, og det særegne består i at den gasstette og elektriske isolerende innretning har en sideveis forlengelse som er praktisk talt gasstett og strekker seg som et hvelv helt ut til ovnsforingene, og at ovnen er forsynt med en i Og for seg kjent tilførsels-stempejanordning i sideveggen i ovnen, i vannrett avstand fra de loddrette elektroder og i loddrett avstand fra herden i ovnen.

I denne lysbueovn vil lysbuen spille mellom elektroden og det nakne bad, dvs. bad som ikke er dekket av chargen, i motsetning til såkalte ovner med dekket lysbue, neddykket lysbue, hvor lysbuen spiller mellom elektroden og badet som er dekket av chargen, idet chargen også ligger inntil elektroden.

Andre formål ved oppfinnelsen er å bringe all strøm som tilføres elektroden til å passere gjennom lysbuen og til å frembringe en høy kraftkonsentrasjon som er gunstig for reduksjo-nen av oksyder med høy entalpi, som f. eks. alu-miniumoksyd, silisiumoksyd, etc.

Ovnen i henhold til oppfinnelsen gjør det også mulig uten videre å bruke karbonholdige reduksjonsmidler som er økonomiske i bruk, f. eks. vanlig metallurgisk koks, for karbotermisk reduksjon av de nevnte metalloksyder.

Andre formål for oppfinnelsen vil fremgå av den etterfølgende fremstilling i forbindelse med de vedføyde tegninger. Fig. 1—3 er skjematiske tegninger som illu-strerer oppfinnelsen, idet Fig. 1 er et loddrett snitt gjennom en ovn med; tre elektroder i henhold til oppfinnelsen, Fig. 2 er et vannrett snitt gjennom den sam-me ovn, og Fig. 3 er et loddrett snitt gjennom den gasstette innretning som omgir elektroden.

I fig. 1 og 2 representerer 1 en elektrode, 2 den gasstette og elektrisk isolerende innretning som omgir elektroden, 3 den sideveis forløpende forlengelse, bestående av karbonholdig material av det nedre parti av innretningen 2 som strekker seg til karbonveggene 4 av badet i ovnen, 5 er karbonherden, 6 er et ildfast, ikke brennbart dekke, 7 vannrette stempler for innmatning av råmaterial, 20 åpningen (i punktert linje i fig.

1 og 2) for tilførsel av råmaterial 8 til ovnen, 10

er den horisontale tunnel for tilførsel av råmaterialer, 13 er sjakten for innføring av råmaterialer, 11 viser til faste avleiringer (skorper) som

dekker innsiden av ovnen og kanten av tilførsels-tunnelen, 12 representerer dråper av flytende kondenserte produkter som strømmer tilbake til badet 21, og 14 er tappehullet.

I fig, 3 representerer 28 en ring (det nedre parti av innretningen 2 som omgir elektroden) av ildfast varmeledende material, karbon eller

grafitt, som danner et avgrenset og elektrisk isolerende ringformet rom 280 rundt elektroden og

som avkjøles ved hjelp av en kappe 22 hvorigjen-nom vann passerer og over hvilken der er en sylindrisk kappe 25 som også avkjøles med vann. 31 er en pakning som omgir elektroden på gasstett måte (f. eks. av asbest) og 32 er pakningsboksen for pakningen 31. 30 er en vann-kappe (øvre parti av innretningen 2) for av-kjøling av pakningen 31 og pakningsboksen 32,

videre refererer 26 og 27 seg til ringer av dielektrisk ildfast material (f. eks. basert på asbest), 33 er en sylindrisk forlengelse av vannkappen 30, 24 er et mellomrom beskrevet som

«kammeret» som omgir elektroden og danner et

utvidet parti nær toppen av det ringformete rom 280, og 40 og 41 er henhv. innløps og utløpsrør for gassene som anvendes for å rense kammeret 24. Pilene med punktert strek refererer seg til

rensegassene og pilene med helt opptrukket strek til kjølevann.

I en fordelaktig utførelsesform for oppfinnelsen tilsvarer den gasstette og elektrisk isolerende innretning som omgir hver elektrode den utførelse som er vist i det nevnte patentskrift, og dens nedre parti er fortrinnsvis utstyrt med den praktisk talt gasstette sideveis forlengelse 3 som nevnt i det foregående.

I en annen utførelsesform for oppfinnelsen er tappehullet eller hullene for ovnen anordnet på et slikt sted at banen for materialene i ovnen mellom tilførselsåpningene og tappehullet eller hullene nødvendigvis passerer gjennom området for lysbuen, hvilket tillater fullstendig reaksjon mellom bestanddelene i råmaterialene og gjør det i praksis umulig for sluttproduktet å bli for-urenset av ikke omdannete råmaterialer.

Ovnen i henhold til oppfinnelsen kan ha en enkelt tilførselsåpning og et enkelt tappehull på motsatte sider av ovnen.

I henhold til oppfinnelsen er stemplene 7 fortrinnsvis vannrette og anordnet ved siden av hverandre, og slaget av stemplet går over det nedre parti av tilførselssj akten 13 og den vannrette tilførselskanal 10 som danner en sideveis forlengelse på denne, og kan også trekke seg forbi tilførselsåpningen 20.

Stemplene kan fremstilles av metall og av-kjøles ved hjelp av sirkulerende vann.

I henhold til et trekk ved oppfinnelsen er lengden av den vannrette tilførselskanal 10 tilstrekkelig til å la den største del av de kondenserbare damper som rives med av karbonmono-oksydgassen som slipper ut fra ovnen konden-sere i tilførselen som inneholder i tunnelen.

Tilførselsstemplene 7 er spesielt effektive for å muliggjøre at en mengde råmaterial pro-porsjonalt med forbruket kan innføres i ovnen pr. tidsenhet. De presenterer en tilførselsmetode som er langt overlegen måter hvorved råmaterialene faller spontant ned i herden av ovnen under styring av rasvinkelen ettersom de for-brukes.

Stemplene er også verdifulle for å bryte skorpene som skriver seg fra kondensasjonen av de kondenserbare damper i chargen slik at til-stopping av denne forhindres, hvilket ellers kun-ne nødvendiggjøre stans av ovnen.

Stemplene er fortrinnsvis hvert utstyrt med en individuell støteranordning hvormed de kan manøvreres separat.

Fjernelse av skorpene som er dannet mot veggene i den vannrette tilførselstunnel 10 langs passasjen for tilførselsstemplene 7 kan forbedres ved hvilke som helst kjente midler, f. eks. ved å anvende jernstenger som virker gjennom åpnin-ger anordnet i veggene eller likeverdige innret-ninger.

I henhold til et trekk ved oppfinnelsen spesielt tilpasset ovner for elektrotermisk fremstilling av aluminium, er det totale tverrsnitt av tilførselsstemplene 7 fra 0,3—3, spesielt fra 0,5— 1,5 cmVkw som tilføres ovnen.

Hvis det totale tverrsnitt var større enn 3 cmVkw energitilførsel til ovnen, ville den mid-lere lineære hastighet for forskyvning av chargen mot ovnens senter være for liten, hvilket ville øke risikoen for at kornene i chargen ville kittes sammen ved kondensasjon av de metalliske damper.

Hvis tverrsnittet var mindre enn 0,3 cmVkw energitilførsel til ovnen, ville hastigheten med hvilken gassene slipper ut gjennom åpningen som. dannes av stemplene nå høye verdier, slik at det ville bli vanskelig å oppnå god motstrøms-utbytting mellom gassene og kondenserbare damper som forlater ovnen og chargen som går inn i ovnen.

Denne utveksling, som er viktig for en tilfredsstillende drift av ovnen, tillater at kondenserbare damper holdes tilbake inne i chargen ved kondensasjon som allerede definert, og som et ytterligere trekk, tillater at chargen foropp-varmes.

I en annen utførelsesform mer spesielt tilpasset elektrotermisk produksjon av aluminium, er det en fordel at den vannrette avstand fra til-førselsåpningen 20 til aksen for elektrodene nærmest munningen skal være minst tre ganger elektrodediameteren, og at den vertikale avstand mellom den nedre kant av tilførselsåpningen og herden av ovnen skal være minst 2 til 3 ganger elektrodediameteren.

Under disse betingelser vil rasvinkelen for råmaterialene inn i herden i ovnen ikke komme i kontakt med elektrodene.

En loddrett avstand større enn den ovennevnte ville øke lengden unødvendig og følgelig også vekten av elektrodene.

Sjakten 13 kan være utstyrt med en gasstett lås for innføring av råmaterialer (ikke vist i fig. 1) og med en skorsten (heller ikke vist i fig. 1) for å oppsamle den fremstilte karbonmono-oksydgass.

Den nye ovn er således spesielt egnet for gjenvinning av karbonmonoksydgass i meget høy. konsentrasjon, f. eks. over 98 volumprosent, som med fordel kan nyttiggjøres ved hjelp av kjente metoder.

I en foretrukket utførelsesform for oppfinnelsen kan kappen 30 som avkjøles ved væske-sirkulasjon (kappen som utgjør det øvre parti av innretningen 2 som omgir elektroden) være forsynt med en forlengelse 33 som gir beskyttelse mot den varme som utstråles av elektroden for ringene 26 og 27 av de elektrisk isolerende ild-faste material, idet disse ringer elektrisk isolerer det nevnte øvre parti 30 fra det nedre parti av innretningen 2. Den beskyttende effekt som for-lengelsen 33 har på de elektrisk isolerende ringer 26 og 27 kan betraktes som er skjærmende virkning.

I en spesiell utførelsesform for oppfinnelsen kan forhindring av kortslutning inne i innretningen 2 som omgir elektroden støttes hvis av-standen mellom den sistnevnte og ringen 28 som utgjør det nedre parti av innretningen 2 (denne avstand kan også defineres som bredden av det ringformete rom 280 som omgir elektroden) er fra 3—10 % av elektrodediameteren, og avstan-den mellom elektroden og den sylindriske kappe 25 over ringen 28 (denne avstand" kan likeledes defineres som bredden av det nevnte kammer 4) være fra 25 til 40 % av elektrodediameteren-Hvis bredden av det ringformete rom 280 er mindre enn 3 % av elektrodediameteren vil selv de minste feil i sentrering eller formen av elektroden resultere i sterk deformering av det ringformete rom og faren for kortslutning ville økes.

Hvis bredden var større enn 10 % ville den skjærmende virkning av ringen 28 i forhold til varmestrålingen fra ovnen og de kondenserbare damper være utilstrekkelig.

Hvis bredden av kammeret 24 var mindre enn 25 % av diameteren av elektroden, til tross for virkningen av rensegassen, ville dette hjelpe strømmen i å passere for elektroden mot kappen 25 via ledende skorper som var avsatt i kammeret 24.

En bredde av over 40 % ville unødvendig øke

det rom som opptas av innretningen 2.

I henhold til oppfinnelsen kan de metalliske innervegger av kammeret 24 (vannkappen) for-

synes med et ildfast elektrisk isolerende belegg av i og for seg kjent type, f. eks. en emalje eller en ildfast sement, slik at kortslutning på grunn av tilstedeværelsen av skorper eller pulverfor-

mete ledende avleiringer i kammeret 24 ville forhindres.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte

for drift av ovnen, hvori tilførselsstemplene 7

deltar i og fortrinnsvis er helt ansvarlige for til-

førsel av rå-materialer til ovnen.

Da nedstyrtingen av tilførselen til ovnsher-

den fullstendig styres av tilførselsstemplene 7

muliggjør dette at ovnen drives med stor regel-

messighet. Spesielt forhindrer dette for stor til-

førsel til ovnen, hvilket bl. a. ville ha ført til til-stedeværelse av uomsatt råmaterial i det som tappes ut fra ovnen, i for stor avkjøling av badet,

etc, og for liten tilførsel hvilket resulterer i til-

stopping i chargen som går inn i ovnen, over-opphetning av badet etc.

Det er fordelaktig å utføre de forskjellige

støt for tilførselsstemplene 7 i tur og orden etter hverandre, slik at gass-utløpet gjennom tilfør-selsåpningen 20 bare lukkes delvis og i kort tid.

De råmaterialer som anvendes ved den nye fremgangsmåte omfatter generelt en blanding av et oksyd med en høy entalpi som f. eks. alu-miniumoksyd eller silisiumdioksyd, og et kar-

bonholdig reduksjonsmiddel.

Tilfredsstillende drift av den nye ovn frem-

mes da det karbonholdige reduksjonsmiddel som anvendes er en lite reaktiv substans som f. eks.

en metallurgisk koks av normal kvalitet.

Under disse betingelser gir chargen vanlig-

vis ikke anledning til noen merkbar, reaksjon så

lenge som den ikke ennå er kommet inn på inn-

siden av ovnen, dette forhindrer for tidlig smel-

ting i tilførselssj akten 13 eller tilførselstunnelen 10, hvilket ville være ugunstig for porøsiteten av chargen.

Anvendelse av karbonholdige reduksjons-

midler med lav reaktivitet som f. eks. metallur-

gisk koks gir chargen god mekanisk motstands-

evne mot påvirkning fra skyvestenger og er også spesielt fordelaktig fra et økonomisk syns-

punkt.

Det er tilrådelig å velge en tilstrekkelig grov kornstørrelse for råmaterialene, f. eks. dimen-

sjoner av minst 10 mm/slik at chargen får god porøsitet.

I det tilfelle at råmaterialer foreligger i form

av pulverformet oksyd kan dette agglomereres ved hjelp av bindemidler på en hvilken som helst kjent måte.

I henhold til oppfinnelsen er det fordelaktig

å avkjøle det nedre parti (ringen 28) av innret-

ningen 2 som omgir elektroden i sonen som lig-

ger nærmest denne (dvs. den sone av ringen 28

som; ligger inn til det ringformete rom 280) til mellom 600 og 1 000° C ved hjelp av en væskesirkulasjonskappe 22.

En temperatur under 600° C ville øke meng-

den av kondensasjonsprodukter på ringen 28,

slik at kondensasjonen ville komme i kontakt

med elektroden. Dette ville spesielt ha den ska-

devirkning at normal bevegelse av elektroden ville forhindres. En temperatur over 1 000° C ville fremme dannelsen av en permanent lysbue mel-

lom ringen 28 og elektroden.

Da de ovennevnte temperaturgrenser kon-

trolleres er det mulig å oppnå relativt lite leden-

de kondensasjonsprodukter i det ringformete rom, dette er et overraskende resultat og betyr at lysbuene mellom ringen 28 og elektroden bare forekommer i liten utstrekning og er svake. De bevirker i virkeligheten ikke noen skade, fordi de passer mellom to deler av grafitt eller karbon-

holdig material (dvs. elektroden og ringen 28). Tilfredsstillende drift av den nye ovn frem-

mes også.da pakningene 31 (f. eks. av asbest)

som forbinder elektroden på gasstett måte til innretningen 2 som omgir den, avkjøles til en temperatur som ikke overskrider 600° C ved hjelp av en væskesirkulasjonskappe 30. En tem-

peratur av over 600° C ville bevirke skade på pakningene.

Strømtettheten over elektrodene er vanlig-

vis mellom 3 og 15 amp. pr. cm<2>og mer spesielt mellom 5 og 10 amp., pr. cm<2>, hvilket fremmer en høy energikonsentrasjon i ovnen.

Rensegassen for å feie ut eventuelle skorper

eller ledende pulverformete avleiringer som kun-

ne ha blitt avsatt i kammeret 24 og på isolator-

ene 26 og 27 sendes fortrinnsvis inn i kammeret 24 i støt.

Den rensegass som anvendes ved fremgangs-

måten i henhold til oppfinnelsen er en inert gass som f eks. nitrogen eller en oksyderende gass som f. eks. mer eller mindre fuktig luft.

Den nye ovn anvendes hovedsakelig for kar-

botermisk fremstilling av metaller og metalloi-

der hvorav oksydene, som anvendes som råmate-

rialer, har en høy entalpi, som f. eks. aluminium eller silisium, og anvendes særlig for utførelse av de fremgangsmåter som er omhandlet i de norske patentskrifter nr. 96 857 og 102 294.

Claims (2)

1. Elektrisk lysbueovn for karbotermisk re-

duksjon av aluminium- eller silisium-oksyd, med lysbue som spiller mellom en eller flere elektroder og et nakent bad, hvorfra reaksjonsgassene kan unnvike bare gjennom chargen, og hvor hver elektrode er omgitt av en gasstett og elektrisk isolerende innretning som holder råmaterialene ute av berøring med elektroden, karakterisert ved at den gasstette og elektrisk isolerende innretning (2) har en sideveis forlengelse (3) som er praktisk talt gasstett og strekker seg som et hvelv helt ut til ovnsforingene (4), og at ovnen er forsynt med en i og for seg kjent tilførsels-stempelanordning (7, 20) i sideveggen i ovnen, i vannrett avstand fra de loddrette elektroder (1) og i loddrett avstand fra herden (5) i ovnen.

2. Ovn som angitte krav 1, karakterisert ved at den gasstette og elektrisk isolerte innretning (2) omfatter en kappe (30) som er kjølt ved fluidumstrømning, forsynt med en forlengelse (33) for å gi beskyttelse mot varme som utstråles fra elektroden for en eller flere ringer (26, 27) av dielektrisk material som isolerer kappen (30) elektrisk fra et nedre parti av innretningen (2), idet dette nedre parti omfatter en kappe (25—22) og en ring (28) som omgir elektroden uten å berøre denne, og derved danner et trangt, elektrisk isolerende rom (280) rundt elektroden, et rom som er forsynt med rør (40) for rense-gass, slik at belegg som måtte danne seg i rommet kan fjernes, samtidig som den praktisk talt gasstette sideveis forlengelse (3) er anordnet på det nedre parti av innretningen (2).