NO154897B - Fremgangsmaate til elektrisk smelting av ikke-metallisk materiale og elektrosmelteovn til utfoerelse av fremgangsmaaten - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte til elektrisk smelting av ikke-metallisk materiale, spesielt i forbindelse med fremstilling av mineralullfibre. Oppfinnelsen angår også en elektrosmelteovn til utførelse av fremgangsmåten.

Siden 1850-årene er mineralull blitt fremstilt for varme- og lydisolasjon fra en lang rekke råmaterialer, herunder sjaktovnslagger fra kobber-, bly- og jernfremstilling. For fremstilling av mineralull blir disse materialer på ny smeltet i brenselfyrte kupolovner, som er primitive apparater som gir liten kvalitetsstyring, betydelig luftforurensning og i senere år høye driftskostnader som følge av den kraftige økning i kostnadene av koks som er det hovedsakelige brensel i disse ovner.

Omhyggelig og detaljerte studier av reaksjonene i store kupolovner, som f.eks. masovner, forsøk gjennom flere tiår på å fastlegge optimale nivåer for alle ovnens parametere og enorme økninger i størrelsen (en rekke nylig bestilte enheter har en kapasitet på over 9000 tonn jern pr. dag eller 6250 kg/min) har medført en forutsigbar kvalitet og en rimelig økonomi.

I motsetning til dette er de små kupolovner (med en kapasitet på 4-5 tonn mineralull pr. time) som er i bruk over hele verden for fremstilling av smeltede ikke-metalliske materialer som skal omdannes til fibre for mineralull, små og ineffek-tive. Besparelser på grunn av størrelsen har ikke kunnet oppnås fordi mineralull er voluminøs og ikke kan transpor-teres over store avstander uten at transportkostnadene blir for høye. Videre er de "spinneinnretninger" som for tiden benyttes av de fleste fabrikanter for å omdanne den smeltede strøm av slagg som kommer ut fra kupolovnen,til fibre, vanligvis begrenset til 4-5 tonn mineralull pr. time pr. sett og blir anordnet i ett sett pr. ovn eller "linje".

Som følge av dette er den typiske kupolovn som vanligvis er i drift for smelting av ikke-metalliske materialer for mineralull, en vannavkjølt stålmantel med en diameter på 1,8-2,1 m og en høyde på 4,5 - 7,6 m. Den er etter sin art ter-misk ineffektiv, luftforurensende og kostbar i drift. I be-traktning av at bare ca. 5 tonn mineralull pr. time blir smeltet, krever en beherskelse av mengden av partikkelformede stoffer,svovel og svoveldioksid i den røk som kommer ut fra toppen av kupol-ovnen, prohibitivt høye kapital- og vedlikeholdskostnader.

Kupolovnens viktigste mangel er mangelen på styring med kvaliteten av produktet. Hver del av satsen oppholder seg i ovnen i smeltet tilstand bare en meget kort tid på høyst noen minutter og i noen tilfeller under 1 min. Modifika-sjoner i tappetemperaturen kan bare oppnås på tilfredsstillende måte ved hjelp av satstilsetninger, f.eks. sand, for å senke smeltepunktet. Økning i smeltehastigheten kan bare oppnås ved Økning av blesten med en medfølgende endring i opp-holdstiden og tappetemperaturen.

Spinnesystemets evne til å omdanne mesteparten av tappingen til et produkt med høy kvalitet er en funksjon av den smeltede strøms overflatespenning som i sin tur på-virkes av temperaturen, den kjemiske sammensetning og viskositeten. Kupolovnens manglende evne til å styre disse varia-ble medfører dårlig gjennomsnittsytelse. Når man nærmer seg optimale fiberfremstillingsbetingelser, omdanner en kom-binasjon av en kupolovn og en spinneinnretning undertiden en meget høyere prosentandel av tappingen til et produkt med høy kvalitet, noe som viser at selv en moderat styring av de viktigste smeltevariable vil gi en vesentlig forbedring i utbyttet.

Overflatespenningen er en kritisk parameter ved fiber-fremstillingsprosessen. Nedbrytingen av slaggfilmen til fibre er belyst på fig. 1. Spinnehjulet danner en plan bane av flytende slagg 10 som treffes i rett vinkel av en luftstrøm med høy hastighet. Slaggfilmen 10 avbøyes og utsettes for aerodynamiske ustabiliteter som utvikler seg til bølger som forplanter seg med økt amplitude i en mer eller mindre tan-gential orientering.

Ved forkanten av banen blir halve eller fulle bølge-lengder av det smeltede materiale løsrevet ved kraften fra luftstrømmen 12. Dette smeltede materiale trekker seg sammen til bånd 14 under virkning av overflatespenningen. Hva som så hender med disse bånd, dvs. om de omdannes til nyttige fibre 16 eller klumper 18 som utgjør vrak, avhenger i stor utstrekning av forholdet mellom temperaturen og viskositeten.

Da råmaterialer, spesielt masovnslagg, er tilgjengelig

i rikelige mengder, for det meste som avfallsstoffer, og mineralull av god kvalitet har en høy verdi som isolasjon, har det i de siste 20 år vært gjort en rekke forsøk på å finne en mere tilfredsstillende smeltemetode. Disse forsøk har stort sett vært basert på bruken av en elektroovn for mot-stands-, lysbue- eller induksjonssmelting av satsen med sikte på til konkurransedyktige priser å skaffe et smeltet materiale som har beherskbare egenskaper med hensyn til strømnings-hastighet, temperatur og sammensetning.

Alle disse forsøk har slått feil, ikke fordi elektrisk smelting av slagg i seg selv er spesielt vanskelig, men fordi det har vist seg uøkonomisk å oppnå disse egenskaper på en styrt måte i alle de vanlige elektroovner.

Det kan vises at den energi som må tilføres for å smelte 1 tonn masovnslagg i en kupolovn med en kapasitet på 5 t/h, er ca. 8100 MJ. Som følge av manglende styring av temperaturen, den kjemiske sammensetning og hastigheten av kupoltappingen, går gjennomsnittlig ca. 45% av dette smeltede materiale tapt som klumper og avgang, og den energi som er nødvendig for å smelte 1 tonn produkt,er derfor ca. 14700 MJ.

Under ideelle forhold er derimot den samlede varme som kreves for å varme opp 1 tonn masovnslagg til tappetemperatur, ca. 1785 MJ. Da virkningsgraden av et moderne varme-kraftverk er høyst 37% og overføringstapene til smelte-stedet sannsynligvis vil utgjøre ytterligere 10%, er det samlede energibehov for under ideelle forhold å varme opp 1 tonn slagg til tappetemperatur 5300 MJ. I en vanlig elektroovn med en kapasitet på 5 t/h og en samlet varmevirkningsgrad på 70%,kreves der derfor ca. 7600 MJ pr. tonn som smeltes. Hvis man antar at forbedringer i styringen av tappetemperaturen, den kjemiske sammensetning og hastigheten som følge av at smeltingen foregår elektrisk, gir en økning i andelen av mineralullprodukt som er tilfredsstillende, fra de foreliggende 55% til 65%, vil det netto.energi-

behov for denne elektriske smelteovn være 11.600 MJ Pr• tonn produkt.

Tilsammen vil man således se at den energimengde som kreves for 1 tonn mineralullprodukt, ligger ca. 20% høyere ved bruk av for tiden vanlige kupolovner enn ved bruk av vanlig elektrisk smelting.

Hvis man antar at koks koster kr. 1124,- kr/t og

at den gjennomsnittlige kostnad av elektrisk energi er 17 øre/ kWh (i USA i 1979) vil besparelsen i energikostnader for vanlig elektrisk smelting i forhold til smelting i kupolovner utgjøre ca. 66 kr. pr. smeltet tonn eller 119 kr. pr. tonn av det ferdige produkt.

pisse besparelser i energikostnader blir dessverre oppveid av de høye kostnader til varmefaste foringer i vanlige elektroovner, idet smeltet slagg og tilstedeværelsen av tilgjengelig oksygen vil erodere alle kjente ildfaste forings-systemer, selv slike av karbon og grafitt.

Karbonholdige materialer oksyderer eller brenner bort ved økende hastighet etterhvert som temperaturen går over 500°C. Industriell grafitt taper f.eks. 6% av sin vekt ved oksidasjon når den holdes på 600°C i luft i bare 2\ time. Smeltepunktet av masovnslagg ligger på 1370-1540°C avhengig av sammensetningen.

Den foreliggende oppfinnelse overvinner de ovenfor beskrevne problemer ved de tidligere kjente systemer. Dette oppnås ved regulering av atmosfæren i digelen, idet atmosfærisk oksygen utelukkes, hvorved det blir mulig å anvende karbonholdige materialer som en økonomisk ildfast foring. Nærmere bestemt er oppfinnelsen angitt i krav 1 resp. krav 8.

Den fullstendig lukkede ovn egner seg for en meget

høy grad av varmeisolasjon, noe som tillater varmevirknings-grader på 80-85 % for en 4-5 tonns ovn, med tilsvarende reduk-sjoner i energibehovet og driftskostnadene.

Den mengde røk som frembringes i en helt innelukket

ovn som atmosfærisk luft holdes ute fra, er bare en liten

del av den mengde som oppstår fra de ti tusener av kubikkmeter motstrømsluft som kreves ved drift av en kupolovn. Håndteringen av røk fra den nye ovn blir således redusert

til moderate, relativt billige forholdsregler.

Satsmaterialer føres inn gjennom en atmosfærisk sluse til en smeltet sump som utgjør ca. 1 times produksjon. De resulterende 30-60 minutters oppholdstid gir. sammen med en fullt ut variabel energitilførsel og fylle- og tappehastig-heter sammen med den styrte atmosfære ovnen den iboende egen-skap åt temperaturen, den kjemiske sammensetning og hastigheten av tappingen kan reguleres meget nøye, hvorved der fås en forutsigbar overflatespenning og viskositet og tilsvarende forbedringer i produktkvalitet og -utbytte.

Den nye ovn tillater også resirkulering av vrakede kuler og avgang som ikke kan benyttes i en kupolovn, noe som tillater betydelige besparelser av råmateriale og kostnader for håndtering av avfall.

Den samlede virkning av de foran nevnte fordeler er

at der fås betydelige besparelser i energibehov og driftskostnader. Med en rimelig levetid av den ildfaste foring,

en ovnseffektivitet på 85%, et spinnerutbytte på 75% og full resirkulering av klumper og avgang blir energibehovet pr. tonn produkt redusert fra 14.700 MJ i en kupolovn til 8100 MJ, og driftskostnadene faller med mer enn 265 kr. pr. tonn produkt (1979-tall).

Ovnen ifølge oppfinnelsen er istand til å smelte en lang rekke ikke-metalliske materialer, så sant der velges en egnet foring, og den kan anvende en lang rekke forskjellige smeltemåter, herunder vekselstrøm og likestrøm, enkle eller flere elektroder, lysbue, neddykket lysbue, mot-standssmelting eller induksjonssmelting.

For å belyse oppfinnelsen er der på tegningen vist en utførelsesform som for tiden foretrekkes, men det vil forstås at oppfinnelsen ikke er begrenset til nøyaktig de viste anordninger og hjelpemidler. Fig. 1 viser den måte som slaggfilmen brytes ned på til fibre, slik det er forklart ovenfor. Fig. 2 er et oppriss av et atmosfæreregulert elektrosmelteovn-system utført i overensstemmelse med prinsippene i den foreliggende oppfinnelse.

Fig. 3 er et snitt gjennom ovnen på fig. 2.

Der vil nå bli henvist til tegningene i detalj, hvor like henvisningstall er benyttet på alle figurer for å betegne like elementer. På fig. 1 er der vist et generelt oppriss av et atmosfæreregulert elektrosmelteovn-system utført i overensstemmelse med prinsippene i den foreliggende oppfinnelse. Systemet er generelt betegnet med 20.

Systemet 20 innbefatter en elektrosmelteovn 22, hvis detal-jer vil bli beskrevet nærmere under henvisning til fig. 3 . Ovnen 22 er montert på en bæreramme 24 ved hjelp av vippelagertapper 26 .

En rekke lastceller 28 er anordnet under bærerammen 24, slik at vekten av ovnen 22 og tilhørende konstruksjoner kan måles. Dette gjør det naturligvis mulig å fastlegge vekten av materialet i ovnen ved å trekke taraen fra den samlede målte vekt.

I det nedre parti av ovnen 22 er der et tappehull 30 som kan benyttes når det ønskes å tillate smeltet materiale i ovnen å fjernes fra denne. Under tappehullet 30 er der et trau 32 som leverer smeltet materiale til en spinneinnrétning 34 med fire hjul. Det smeltede materiale (som er slagg i den utførelsesform som beskrives) blir så omdannet til mineralullisolasjon under anvendelse av kjente teknikker som beskrevet ovenfor. Hvis andre materialer enn slagg smeltes i ovnen, eller hvis det er ønskelig å fremstille andre produkter enn mineralullisolasjon, kan trauet 32 og spinneinnretningen 34 naturligvis fjernes og erstattes med andre ønskede innret-ninger .

Over ovnen 22 er der anordnet et opphengningssystem

36 for elektroder. Som det vil bli nærmere forklart nedenfor, tjener elektrodeopphengningssystemet 36 ikke bare til opp-lagring av elektroder som kan benyttes til smelting av mate-rialets, ovnen 22, men også som et deksel til å tette det indre av ovnen 22 mot den ytre atmosfære. Elektrisk kraft fra en krafttilførsel 38 mates til elektrodene i elektrodeopphengningssystemet 36 ved hjelp av bøyelig ledninger 40 som fører gjennom en forseglet kraftport 42 i sideveggen av elektrodeopphengningssystemet 36.

Materialet som skal mates til ovnen 22 for smelting, lagres i en eller flere binger 44. Hvis der anvendes mer enn en binge 44, kan forskjellige materialer lagres i forskjellige binger. Hver binge 44 omfatter en veiebinge 46

som er montert under bingen 44, slik at nøyaktige mengder av hvert av de forskjellige ønskede materialer som skal mates til ovnen, kan måles ut.

Når de riktige mengder av de ønskede materialer er

fylt i veiebingene 46, blir et spjell 48 ved bunnen av hver binge åpnet, og materialet strømmer ned på en første trans-portør 50. Materialet på transportøren 50 føres deretter til en annen transportør 52, som fører materialet opp til den øvre ende av ovnen 22.

Materialet mates inn i det indre av ovnen 22 gjennom

et innløp 54 og en -Æy-lie-trakt 56 som er forbundet med inn-løpet. Når materialet mates inn i ovnen 22, og spesielt når ovnen arbeider kontinuerlig istedenfor satsvis, er det avgjø-rende å hindre at atmosfæriske gasser kommer inn i ovnen gjennom innløpsåpningen 54.

Dette oppnås ved hjelp av en matesluse 58 med en ventil 60 ved den øvre ende og en ventil 62 ved bunnen. Når ventilen 62 er lukket, slik at innløpet er avstengt fra ovnen 22, blir ventilen 60 åpnet og materialet matet inn i mateslusen 58. Ventilen 60 blir deretter lukket,og det indre av mateslusen blir spylt med en inertgass som f.eks. nitrogen. Andre inerte gasser kan også anvendes, og det er også mulig

å forbinde mateslusen med en vakuumkilde for bare å tappe ut atmosfæriske gasser fra slusen. Når dette er utført,

blir den nedre ventil 62 åpnet,og materialet fra mateslusen 58 kommer inn i ovnen 22 gjennom trakten 56 og innløps-åpningen 54.

I det øvre parti av ovnen 22 er der også anordnet en utløpsåpning 64. Utløpsåpningen 64 står i forbindelse med det indre av ovnen 22 og er forbundet med et horisontalt forløpende utløpssamlerør 66. En vakuumpumpe 68 er forbundet med et punkt på midten av samlerøret 66 ved hjelp av en fleksibel slange 70. I nærheten av den frie ende av samle-røret 66 er der en regulerbar venturidyse 72 som drives av en vifte 74 og er forbundet med en skorsten 76.

Ved igangsetting av ovnen 22 er det ønskelig hovedsakelig fullstendig å eliminere skadelige gasser i atmosfæren i ovnen. Dette oppnås ved at en ventil 78 ved den frie ende av utløpssamlerøret 66 lukkes, hvoretter vakuumpumpen 68

går inntil trykket i ovnen 22 er redusert til det ønskede nivå. Deretter blir vakuumpumpen 68 slått av og ovnen fylt opp med inertgass, f.eks. nitrogen,til såvidt over atmosfærisk trykk. Så snart ovnen er i drift, kan ventilen 78 åpnes og viften 74 settes igang. Venturidysen 72 blir så regulert slik at røk kan fjernes fra det indre av ovnen 22, mens oksygen og andre skadelige atmosfæriske gasser ikke vil kunne trenge inn. Ved bruk av venturidysen 72, små mengder sup-plerende nitrogen og i visse tilfeller vakuumpumpen 68, kan atmosfæren inne i ovnen 22 beherskes nøyaktig.

Fra fig. 3 vil det ses at ovnen 22 er hovedsakelig kuleformet og innbefatter en hovedsakelig kuleformet ildfast foring 80, som for slaggsmelting fortrinnsvis består av karbon. Innen-for karbonforingen 80 er der en støtteforing 82, som fortrinnsvis utgjøres av et ildfast materiale med et høyt innhold av aluminiumoksid. Deretter følger en ildfast isolasjon 84 og et ytterligere isolasjonsskikt 86, som fortrinnsvis består av et materiale som f.eks. ekspandert aluminiumoksid. Det ytre skikt i ovnen 22 som dekker isolasjonsskiktet 86, er en stålmantel 88.

Smeltet materiale som f.eks. slagg i den foretrukne utførelsesform, er vist ved 90 og fyller omtrent halvparten av digelen i ovnen 22. På grunn av de ekstremt høye temperaturer som foreligger, er det riktig at det smeltede materiale 9 0 aldri kommer i berøring med noe materiale som ikke kan tåle disse temperaturer. Av denne grunn innbefatter det innerste parti av innløpsåpningen 54 et karbonrør 92, og et lignende karbonrør 94 er anordnet ved den indre ende av utløpsåpningen 64. Utenfor karbonrørene 92 og 94 er der vannkjølte stålrør henholdsvis 96 og 98. Likeledes er tappehullet 30 forsynt med et grafittrør 100 og en rekke vannkjølte stålelementer 102 og 104 i tilknytning til grafittrøret 100. En plugg 106 lukker enden av tappethullet 30.

Digelpartiet av ovnen 22 har en åpning ved sin øvre ende. Denne åpning er lukket av et deksel 108 som består av flere skikt. Det nederste skikt 110 i dekselet 108 ut-gjøres fortrinnsvis av karbon og har et avtrappet tverrsnitt 112 for å passe til det motsvarende avtrappede parti 114

av den øvre ende av digelen. De øvrige skikt i dekselet 108 over grafittskiktet 110 består fortrinnsvis av de samme materialer som er beskrevet i forbindelse med veggene av ovnens digel.

Dekselet 108 har flere huller 116 og 118. Disse huller rommer elektroder 120 og 122, som fortrinnsvis består av grafitt. Da minst ett skikt i dekselet 108 består av et elektrisk ledende materiale, må der mellom hver elektrode og veggen av hullet som elektroden passerer gjennom, fore-ligge et ringformet mellomrom.

Den øvre ende av hver elektrode er forbundet med

et krysshode, som vist ved 124. Krysshodene er i sin tur understøttet av en rekke kulespindler 126, som drives av en drivmotor 128 for å bevege krysshodet og dermed elektrodene opp eller ned etter ønske. Strøm kan tilføres elektrodene 120 og 122 gjennom bøyelige kabler, glidekon-takter eller på en hvilken som helst annen kjent måte.

Skjønt dekselet 108 lukker den øvre ende av ovnen 122, danner det ikke alene en fullstendig lufttett forsegling. Denne skaffes av en stålmantel 130 som fullstendig omgir og utgjør en del av elektrodeopphengningssystemet 36. Det nedre parti av mantelen 130 innbefatter en flens 132 som samvirker med en flens 134 ved den øvre ende av mantelen 88 for ovnen 22. Disse flenser og andre konstruktive deler av ovnssystemet som kan utsettes for sterk varme, er fortrinnsvis vannkjølt.

Som kjent i faget blir jern (eller andre metaller i slagget) redusert når slagget smelter, og da jernet er tyngre enn det smeltede slagg,samler det seg i bunnen av ovnen som vist ved 136. Når det ønskes å fjerne det smeltede metall 136, kan hele ovnen som følge av sin konstruk-sjon vippes flere grader mot urviseren,sett på fig. 3, om vippelagertappene 26. I denne stilling kan det smeltede metall 136 tappes ut gjennom tappehullet 30 eller gjennom et separat tappehull som er anordnet for formålet.

Skjønt to elektroder 120 og 122 er vist på fig. 3, vil det forstås at dette bare tjener som illustrasjon. Det er også mulig å anvende tre elektroder i et flerfase-system eller en eneste elektrode og i så fall benytte karbon-fåringen 80 som en ytterligere elektrode. Videre kan der anvendes vekselstrøm eller likestrøm,og smeltingen kan oppnås ved hjelp av en lysbue, en neddykket lysbue eller motstand. Det er endog mulig å utføre den foreliggende oppfinnelse under anvendelse av induksjonssmelting.

Claims (13)

1 . Fremgangsmåte til elektrisk smelting av ikke-metallisk materiale, spesielt i forbindelse med fremstilling av mineralullfibre, omfattende å anbringe materialet i en digel (22), oppvarme materialet elektrisk inntil det er smeltet og, for bruk ved etterfølgende omdannelse til mineralullfibre, fjerne smeltet materiale (90) fra di gelen, gjennon en åpning (100) ved den nedre ende, samtidig som materialet stadig oppvarmes, karakterisert ved at der benyttes en digel med karbonfSring (80), og at atmosfæren i digelen kontinuerlig reguleres ved fjerning av gasser som er skadelige for foringen (80).

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 , karakterisert ved at reguleringen av atmosfæren innbefatter å erstatte atmosfæren i digelen med en inert gass.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 2, karakterisert ved at digelen evakueres før den fylles med inert gass.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 , karakterisert ved at den elektiske oppvarming av materialet . omfatter oppvarming ved bruk av minst én karbonelektrode (120) som strekker seg inn i det indre av digelen.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 4, karakterisert ved at den elektriske oppvarming av materialet omfatter oppvarming ved at en elektrisk strøm føres gjennom materialet.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at atmosfæriske gasser hindres i å komme inn i det indre av digelen når materialet anbringes i denne.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at det smeltede materiale (90) utgjøres av slagg.

8. Elektrosmelteovn til smelting av ikke-metallisk materiale, spesielt i forbindelse med fremstilling av minerallullfibre, omfattende en digel (22) med et øvre og et nedre parti, organer til å avtette det indre av digelen fra atmosfæren utenfor digelen, idet organene omfatter et ildfast foret tak (108) som dekker det øvre parti, elektriske organer (120) til å smelte materialet (90) i digelen, og et tappehull (30) anordnet i det nedre parti av digelen til å fjerne smeltet materiale fra denne mens de elektriske organer smelter materiale i digelen, og organer (54, 56, 58) til å mate materiale som skal smeltes, inn i det indre av digelen, karakterisert ved at digelen (22) er karbonforet, og at der foreligger organer til å regulere atmosfæren i digelen, herunder organer til å fjerne gasser som er skadelige for fåringen, og organer (60, 62) til å hindre atmosfæriske gasser fra å komme inn i det indre av digelen når materiale tilføres denne.

9. Ovn som angitt i krav 8, karakterisert ved at digelen (22) er hovedsakelig kuleformet.

10. Ovn som angitt i krav 8, karakterisert ved at de elektriske organer innbefatter minst én elektrode (120) som strekker seg inn i det indre av digelen.

11. Ovn som angitt i krav 9, karakterisert ved at elektrodene består av karbon.

12. Ovn som angitt i krav 8, karakterisert ved at organene til å regulere atmosfæren i digelen innbefatter organer til å fjerne oksygen fra denne atmosfære.

13. Ovn som angitt i krav 8, karakterisert ved at det ildfast fSrede tak er karbon-foret.