NO140715B - Fremgangsmaate ved fremstilling av smeltet jernoksyd - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved fremstilling av smeltet jernoksyd, eventuelt inneholdende mindre mengder andre metalloksyder. Smeltingen utføres i en induksjonsdigelovn med en basisk foring, fortrinnsvis magnesitt som sintres ved 1600-1900°C.

Ved induksjonssmelting i en digel blir den nødvendige effekt for nedsmelting av chargen tilført i et skikt langs digelveggen. Skiktets tykkelse er avhengig av chargens elektro-magnetiske egenskaper og ovnens arbeidsfrekvens.

Chargens bevegelser i digelen er også avhengig av ovnens frekvens, samt digelens diameter.

Disse karakteristiske trekk ved smelting i induksjonsovn medfører at digelens ildfaste foring utsettes for påkjen-ninger av korrosiv og erosiv natur. Det erosive angrep kan rent generelt begrenses ved å velge relativt høy frekvens under smeltingen. Men dette kan, spesielt ved viskøse charger, gi en ugunstig temperaturfordeling i digelen idet tykkelsen på det effektopptakende skikt avtar, hvilket kan forsterke det korrosive angrep. Valg av frekvens er også avhengig av ønsket om høyt spesifikt energiopptak i chargen og dette vil normalt favoriseres av lavere frekvens ved økende ovns-størrelse.

Ved den metallsmelting som vanligvis utføres i induksjonsdigelovn, vil man ved riktig valg av ildfast foring kunne få en digel som i det alt vesentlige er inert, kjemisk sett, overfor metallsmelten. Den overveiende del av sli-tasjen på foringen vil skyldes den ikke-elektrisk ledende slaggfase som er mer lavtsmeltende og kaldere enn selve metallfasen.

En nyforet digelovn startes vanligvis opp ved at foringen presintres ved hjelp av en metallsjablong som oppvarmes induktivt opp mot dens smeltepunkt, hvoretter metallskrap ifylles. Derpå økes ovnseffekten og smeltingen starter idet sjablongen smeltes ned med første charge.

Normalt chargeres digelovner med grovere gods, men de be-nyttes også til omsmelting av metallspon etc, idet det dras nytte av den sterke smeltesirkulasjon og betydelige overtemperatur til å trekke stoffet raskt ned i smeiten.

De her beskrevne karakteristiske trekk ved operering av digelovner for metallsmelting kan ikke uten videre over-føres til smelting av jernoksyd i induksjonsovner.

Smelting av jernoksyd i induksjonsdigelovner har vært for-søkt i forbindelse med fremstilling av jernoksydbaserte katalysatorer for ammoniakksyntesen. Således omtaler britisk patent nr. 833.878 fremstilling av jernoksydbasert katalysator i en induksjonsovn utforet med magnesitt som sintres før katalysatormassen ifylles. Magnesittmassen stampes ned mellom ovnsveggen og en sjablong av rent jernblikk, hvorpå sjablongen bindes til foringen ved oppvarming til rødglød, dvs. 800-900°C. Ovnen fylles så opp med katalysatormasse som smeltes ned, hvorved sjablongen også smelter og opptas i katalysatorsmelten sammen med noe MgO som ekstraheres fra foringen. Mesteparten av smeiten tappes av og ovnen chargeres på ny med katalysatormasse som smeltes ned. For hver ny smeltecharge avtar mengden MgO som ekstraheres fra foringen hvis chargen inneholder minst 0,05% MgO. Patentet angir at det utføres 15-20 smelteoperasjoner før foringen må utskiftes. Videre er det i "Ammonia" Part III, side 14 5-146 (1977) av A.V. Slack og G.R. James omtalt smeltefremstilling av jernoksydbaserte katalysatorer i induksjonsovner. Selv om induksjonsovner anbefales for å få katalysatorer med god kvalitet, understrekes det at også disse ovner har sine ulemper. Foruten høye investeringskostnader og lav effek-tivitet med hensyn på strømutbytte, understrekes det at angrep på ovnsforingen er et problem, selv når det anvendes MgO som foringsmaterial. Videre angis oppstarting av kald ovn å være et problem, og for å minske dette, anbefales det å helle inn smeltet katalysator ved oppstartingen av ovnen.

Formålet ved foreliggende oppfinnelse var å komme frem til en fremgangsmåte for fremstilling av smeltet jernoksyd i en induksjonsovn, og hvor denne muliggjør fremstilling av et stort antall charger før foringen må utskiftes. Dette formålet kan også defineres som forlengelse av levetiden til foringen i en induksjonsovn.

Foringens levetid er avhengig av en rekke faktorer utover dens kjemiske sammensetning. Magnesitt ble funnet å være det best egnete foringsmaterialet på tross av de begrensninger det syntes å ha ut fra andres erfaringer.

En vesentlig forutsetning for at foringen skal stå lenge er at den sintres på en optimal måte. Videre vil temperatur-belastningen være avgjørende for dens levetid. Foringen bør ikke utsettes for unødig høye temperaturer som vil øke det korrosive angrepet. Foringens slitasje søkes redusert ved at smeltetemperaturen hele tiden holdes over den temperatur hvor en betydelig del av chargen er flytende, men under den temperatur hvor foringsmaterialets løselighet i smeiten til-tar. Foringen bør heller ikke utsettes for temperatursjokk eller ujevn temperaturfordeling, da dette kan medføre spenninger og påfølgende sprekkdannelse.

Ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse, har man tatt hensyn til de ovennevnte betingelser for å forlenge foringens levetid ved valg av foring, sintringsfremgangsmåte og selve driften under smeltingen.

Det spesielle ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er definert ved patentkravene.

Ved fremgangsmåten ifølge forannévnte britiske patent, ble sintringen egentlig utført i to trinn, idet foringen først ble oppvarmet til 800-900°C, hvorpå jernoksyd ble ifylt og smeltet ned, og sluttsintringen ble altså utført under første smelteprosess. Denne måte å sintre på kan medføre sterkt korrosivt angrep på foringen. For det første fordi usmeltet jernoksyd opptar den nødvendige effekt for smeltingen ved relativt høye frekvenser, hvilket igjen fører til at det smeltede materiale opptar all effekt i et tynt skikt langs digelveggen. Dette fører til en overoppheting langs digelveggen, da det også er dårlig badbevegelse. Den andre grunn til det sterke korrosive angrep er at det ved nevnte sintrings-måte er nødvendig med en overtemperatur utover vanlig arbeids-temperatur for å få god sintring.

For å unngå de problemer denne sintringsmetoden medfører,

kan sintringen utføres med et inert materiale som tømmes ut før fast eller smeltet jernoksyd ifylles. Men også denne måte ble funnet både tungvint og uheldig, særlig fordi den vil utsette foringen for temperatursjokk. Oppfinnerne for-søkte derfor å anvende et sintringsmateriale som kan over-føres til jernoksyd, og med denne metode unngikk man de problemer som er nevnt ovenfor.

Ved den metode oppfinnerne valgte, ble magnesitt på kjent

måte stampet inn mellom ovnsvegg og en sjablong av jernblikk. Foringen ble sintret ved hjelp av en smelte av støpejern eller stål ved 1600-1900°C. For å unngå temperatursjokk ved overgang til smelting til jernoksyd og å løse oppstartingsproblemet,

ble bare 60-80% av jernsmelten tømt ut, og ovnen ble umiddel-bart fylt opp med en oksygenrik jernoksyd. Det gjenværende jern fra sintringen ble derved oksydert og inngikk i den første sats av smeltet jernoksyd.

Som foran nevnt, vil det være en fordel å holde en så lav temperatur som mulig under smelteprosessen. Videre må man unngå skjev temperaturfordeling i smeiten, da dette vil utsette foringen for ujevn korrosjon. Lav smeltetemperatur øker selvsagt smeltens viskositet, hvilket krever ekstra god røring. Oppfinnerne fant at dette kunne oppnås ved gass-røring. Spesielt fordelaktig viste det seg å anvende indirekte gassrøring. Denne ble eksempelvis oppnådd ved å føre karbonstaver ned i smeiten. Disse vil etter reaksjon med oksydene i smeiten frigjøre en blanding av CO og C02, som gir kraftig sirkulasjon.

Et annet problem ved smelting ved lav temperatur viste seg

å være råmaterialets partikkelform. Partikler større enn 1-2 mm var lite egnet, og det ville kreve kraftig sirkulasjon i smeiten for å trekke finere gods ned i denne. Dette problemet kunne imidlertid løses ved at de anvendte fine gods ble rørt inn i smeiten ved hjelp av forannevnte karbonstaver .

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil nå bli nærmere be-skrevet ved eksemplene som viser fremstilling av jernoksyd samt jernoksyd tilsatt andre metalloksyder, promotorer, for fremstilling av en jernoksydbasert katalysator.

Eksempel 1

Dette eksempel viser oppstarting av en ovn og fremstilling av første charge av jernoksydsmelte. Det ble anvendt en mellomfrekvens induksjonsdigelovn. Ovnen ble foret med magnesitt med høyt innhold av MgO. Magnesittmassen ble stampet inn mellom spolen og en sjablong av jernblikk. Strømmen ble koblet til og ovnen ble oppvarmet over flere timer til ca. 1300°C. Ovnen ble så fylt opp med jern eller stålblokker, som under økende effekttilførsel ble smeltet og holdt ved ca. 1700°C i 20 min. før smelte ble tappet av til nivå i overkant av spolen. Ovnen ble så varmet sakte opp til 1800-1900°C, og holdt ved denne temperatur i 30 min., 60-80% av smeiten ble så tappet ut. For å overføre denne jernsumpen til en jernoksydblanding med ønsket sammensetning, ble hematitt tilsatt porsjonsvis. Effekttilførselen og råstoff-tilførselen til ovnen ble regulert, slik at man fikk en tyktflytende blanding av fast og smeltet materiale. For å

få en jevn temperatur i blandingen, både vertikalt og hori-sontalt, ble blandingen mellom hver råstoffporsjon omrørt ved indirekte gassrøring. Dette ble utført ved periodevis å føre karbonstaver ned i blandingen. Best var det å føre disse periodevis ned langs ovnens kant og mot dens bunn.

Ved gjentatt råstofftilsetting og røring, ble ovnen fylt

opp til nivå tilsvarende overkant av spolen. Råstofftil-settingen ble stoppet, og smeiten ble homogenisert ved røring og uten at temperaturen i smeiten oversteg 1600°C. 70-80% av smeiten ble så tappet av, og ovnen var klar for ny chargering med hematitt eller et jernoksyd med lavere oksygeninnhold for videre å overføre sumpen til smelte av ønsket sammensetning.

Eksempel 2

Dette eksempel viser fremstillingen av en katalysatorsmelte etter at jernsumpen etter sintringen er overført til ønsket jernoksydsammensetning. Ved påfylling av jernoksyd og mindre mengder metalloksyd, promotorer, ble det nå anvendt magnetitt tilsatt hematitt eller jern for å få ønsket jernoksydsammensetning, slik at sammensetningen av tilført charge tilsvarte sammensetningen i den avtappede katalysatorsmelte. Selve nedsmeltingen av jernoksyd og promotorer og homogeniseringen av temperaturen ved indirekte gassrøring, ble utført som i eksempel 1. Også ved dette forsøket unngikk man å utsette foringen for mer enn 1600°C under fremstillingen av katalysatorsmelten.

Ved den sintrings- og innkjøringsmåte som oppfinnelsene innebærer, fås en meget resistent foring, og man unngår at den utsettes for temperatursjokk og sprekkdannelse ved overgang til fremstilling av smeltet jernoksyd.

Ved foreliggende fremgangsmåte kan også jernoksyd smeltes uten at foringen under smeltingen utsettes for temperaturer over 1600°C. Foringen får en jevn temperaturbelastning. Dette oppnås ved den spesielle form for omrøring av smeiten som muliggjør homogenisering av smeiten ved en lavere temperatur enn man ellers måtte anvende.

Fremstilling ifølge oppfinnelsen av smeltet jernoksyd har muliggjort anvendelse av en induksjonsdigelovn til fremstilling av minst 90 satser, hver på ca. 1 tonn, av smeltet jernoksyd før det har vært nødvendig å skifte foringen. Skifting av foring og oppstarting av ovnen er en dyr og omstendelig prosess, og økning av antall smeltesatser fra 15-20 (det britiske patent) til eksempelvis 70-90 satser medfører følgelig store besparelser ved fremstilling av smeltet jernoksyd, eller jernoksydbasert katalysator som fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er vel egnet for.

Claims (3)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av smeltet jernoksyd, eventuelt inneholdende mindre mengder av andre metalloksyder, i en induksjonsdigelovn med basisk foring, fortrinnsvis av magnesitt som sintres ved 1600-1900°C, karakterisert ved at sintringen utføres under anvendelse av jern eller stål som smeltes, at hoveddelen av denne smelte tappes av og igjenværende smelte inngår i første charge sammen med tilført jernoksyd, fortrinnsvis hematitt, at temperaturen i den derved dannede blanding innstilles ved regulering av effekttilførselen og jernoksydtilsettingen, slik at det fås en blanding av fast og smeltet materiale, og hvor temperaturen homogeniseres ved gassrøring, hvorpå hoveddelen av den derved dannede jernoksydsmelte av-tappes, derpå blir ovnen så etter samme prosedyre fylt opp med ny charge for smelting under gassrøring og påfølgende avtapping idet denne oppfylling og avtapping gjentas inntil ovnsforingen må utskiftes.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at gassrøringen utføres indirekte ved periodevis eller kontinuerlig å føre karbonstaver ned i oksyd-blandingen.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at temperaturen i blandingen homogeniseres ved gassrøring, slik at temperaturen i smeiten ikke overstiger liquidustemperaturen for den aktuelle oksyd-blanding under smeltingen.