NO156014B - Anordning for injisering av gasser i smeltede metaller og mineraler. - Google Patents

Description

Denne o<p>pfinnelsen angår en anordning for injisering

av gasser i smeltede metaller, legeringer, mineraler og lignende, for eksempel stål, aluminium, silisium, silisium-legeringer, for derved å homogenisere, raffinere eller i annen hensikt behandle det smeltede materiale.

Behandlingen av smelter, særlig metallsmelter, med gass

er velkjent i industrien, og kan ha en rekke forskjellige formål, for eksempel fordrivning av uønskede, helt eller delvis oppløste gasser fra smeiten, oksydasjon eller reduksjon av enkelte bestanddeler i smeiten for helt eller delvis å eliminere disse, for eksempel som slaggdannede oksyder eller flyktige oksyder; eller gassformige reaktanter som blåses inn i smeiten tilsiktes å reagere med bestanddeler i denne under dannelse av nye, ønskede bestanddeler i smeiten. Mange forskjellige, og til dels spesielle, formål med gassbehandling av metallsmelter er beskrevet i litteraturen. Rent eksempelvis vises til de svenske patentpublikasjoner nr. 375 112,

395 912 og 413 327, og de franske patenter nr. 2 013 546 og 2 012 305.

Noen av de kjente anordninger for ovennevnte formål omfatter et porøst, varmefast legeme som er gjennomtrengelig for den gass som skal injiseres eller innblåses, men ikke gjennomtrengelig for det smeltede materiale som skal gass-behandles, hvorved det porøse legeme hindrer at smelte renner ut.

En av ulempene ved porøse legemer er at de har relativt stor motstand mot gassgjennomstrømning og derfor relativt liten kapasitet i denne henseende. Når relativt store gass-mengder ønskes injisert, anvendes gjerne injiseringsanordninger hvor gassen injiseres via ett eller flere rør eller utboringer i anordningen. Ovennevnte problem med å hindre at det smeltede materiale trenger inn i injiseringsanordningen må løses også i dette tilfelle. I motsatt fall risikerer man store ulemper og hyppige utskiftninger av injiseringsanordningen. En konvensjonell løsning på nevnte problem er å sirkulere kjølevæske gjennom deler av injiseringsanordningen, hvorved smelte som trenger inn i anordningen fra beholderen, størkner og hindrer utstrømningen av smeiten. En slik injiserings-anordning er beskrevet i BRD 2 503 672. Når det gjelder konstruktive utforminger av injiseringsanordninger, vises for-øvrig, mer generelt, eksempelvis til BRD-utlegningsskrift 1 508 263, 1 508 282 og svensk utlegningsskrift 309 788.

Under utviklingsarbeidet med injiseringsanordningen ifølge oppfinnelsen har man hatt som mål å komme frem til en forbedret anordning for injisering av gasser i smeltede metaller, legeringer etc. (i det følgende for korthet skyld kalt smeiten) som befinner seg i en eller annen beholder, reaktor, øse e.l., og hvor anordningen er montert i beholderens veggforing under badnivå eller fortrinnsvis i dens bunnforing. Blant de krav som stiller til anordningen nevnes særlig: a) Stor grad av sikkerhet mot at smeiten skal kunne renne ut via injiseringsanordningen.

b) Effektiv dispergering av injisert gass i smeiten.

c) Stor grad av kapasitetsmessig fleksibilitet.

d) Lang levetid for injiseringsanordningen.

e) Mulighet for enkel og rask utskifting utvendigfra av injiseringsanordningen. f) Fleksibel mulighet for tilpasning til forskjellige beholdere/øser/reaktorer og foringstykkelser.

Injiseringsanordningen ifølge oppfinnelsen, som er blitt funnet å oppfylle disse krav på en meget tilfredsstillende måte, består av tre hovedseksjoner

(1) en frontseksjon som i og for seg kjent av varmefast materiale som er resistent overfor angjeldende smelte, og som har et antall gjennomgående hull for innføring

av gass i smeiten,

(2) en midtseksjon som i det minste delvis bestå av varmeledende materiale og har et antall gjennomgående hull

som kommuniserer med hullene i frontseksjonen,

(3) en bakseksjon i hvilken i det minste den ytre (perifere) del er av varmeledende materiale, hvilken bakseksjon i eller nær sine perifere deler har en skruelinjeformet kanal som kommuniserer med de gjennomgående hull i midtseksjonen, og som er innrettet til å lede den nevnte gass fra en utvendig gasskilde.

Ifølge en foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen er frontseksjonen oppdelt i to del-seksjoner, hvorav i det minste den fremre delseksjon er av varmefast materiale, og hvor de gjennomgående hull i den fremre delseksjonen kommuniserer med hullene i den andre (bakre) del-seksjonen via et hulrom.

En annen foretrukken utførelsesform går ut på at midt-seks jonen er oppdelt i to delseksjoner, hvorav minst én, fortrinnsvis den fremre del-seksjon, er av et materiale med høy varmeledningsevne. Den fremre del-seksjon i midtseksjonen består fortrinnsvis av kobber eller en kobberlegering. Den bakre del-seksjonen av midtseksjonen består fortrinnsvis av stål.

Ifølge en ytterligere foretrukken utførelsesform er

de gjennomgående hull i midtseksjonen foret med rør av et materiale med høy resistens mot kjemisk angrep fra be-handl ingsgas sen.

Ifølge en annen foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen består bak-seksjonen av en sentral kjerne og en ytre eller perifer del som omgir kjernen og hvis fremre ende strekker seg forbi kjernen.

Den skruelinjeformede kanal i bak-seksjonen utgjøres fortrinnsvis av et skruelinjeformet spor i kjernens sidevegger. Den skruelinjeformede kanal i bakseksjonen er fortrinnsvis anordnet til å kommunisere med de gjennomgående hull i midtseksjonen via et hulrom i den fremre ende av bakseksjonen.

Ifølge en ytterligere foretrukken utførelsesform av oppfinnelsen er den bakre (nedre) del av midtseksjonen og den fremre (øvre) del av bakseksjonen forsynt med gjenger for sammenskruing av de to seksjoner.

Ved gass-injisering i metallsmelter, særlig smelter

med relativt høy temperatur, så som stålsmelter og ferro-legeringssmelter, gjennom injiseringsanordninger som innsettes i smeltebeholderens vegg - eller bunn-foring, vil injiseringsanordningen og særlig den del av denne som under driften er i kontakt med smeiten, være utsatt for store påkjenninger. De mest utsatte deler har derfor be-grenset driftslevetid. Driftsavbrudd for utskifting av en eller flere deler av anordningen ønskes selvsagt i minst mulig grad. Anordningen ifølge oppfinnelsen har i prak-

sis vist seg særdeles driftssikker og har medført sterkt redusert behov for reparasjons- og utskiftningsarbeider,

og anordningen menes således å representere et teknisk fremskritt på sitt område..

Oppfinnelsen vil lettere forståes ved hjelp av en be-skrivelse av eksempelvise utførelsesformer av anordningen,

og det beskrives i det følgende foretrukne utførelsesformer av anordningen ifølge oppfinnelsen under henvisning til tegningen, idet det som eksempel er vist utførelser som særlig med hensyn til material-valg er tilpasset behandling av smeltet ferrosilisium med oksygenholdig gass. Det vil forståes at gassen ledes fra en gasskilde (for eksempel en trykkbeholder) via kontroll-panel med de nødvendige ventiler og kontrollinstrumenter, via anordningens innløpsrør og videre gjennom injiseringsanordningen og inn i den smelte som skal behandles.

Fig. 1 og 2 viser, delvis i snitt, injiseringsanordningen ifølge oppfinnelsen i to alternative utførelser. På fig. 1 er anordningen vist montert i smeltebeholderens bunnforing, mens foringen er sløyfet på fig. 2.

Fig. 3 viser, delvis i snitt, anordningen ifølge oppfinnelsen montert i smeltebeholderens bunnforing og er tatt med for å vise en hensiktsmessig monteringsmåte for anordningen. Visse detaljer i den øvre del av anordningen er en kombinasjon av de utførelser som er vist på fig. 1 og 2.

På de tre tegningsfigurer er samme henvisningstall be-nyttet for tilsvarende deler av anordningen.

Fig. 1 viser en utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen innsatt i bunnforingen 9 i en smeltebeholder (ikke vist). Anordningen består av en frontseksjon 5 med gjennomgående hull 10 (hvorav bare to er vist), en midtseksjon 3,4 med gjennomgående hull 11, samt en bakseksjon 1,2 med en gjennomgående skruelinjeformet kanal 13. Hullene 10 i seksjonen 5 korresponderer med hull 11 i midtseksjonen 3,4, slik at hullene 10 og 11 danner gjennomgående hull eller kanaler mellom smeiten og et hulrom 12 under midtseksjonen 3,4. Hulrommet 12 kommuniserer med en kilde for behandlingsgass via den skruelinjeformede kanal 13. Det er således tilveiebrakt en passasje for behandlingsgassen fra den ytre gasskilde via kanalen 13, hullene 11 og hullene 10 til smeiten.

Da frontseksjonen 5 kommer i kontakt med smeiten, er den laget av et høytsmeltende materiale, normalt et keramisk materiale, med tilfredsstillende resistens mot angrep fra ferrosilisium-smelten såvel som mot angrep fra behandlingsgassen. Tverrsnittet (eller diameteren) av hullene 10 (eller i det minste den øvre del av hvert hull) er valgt slik at smeiten ikke lett kan trenge ned i hullene selv når gass ikke blåses inn gjennom dem. En hensiktsmessig diameter vil i alminnelighet være 2-3 mm.

Midtseksjonen 3,4 består av en del-seksjon 4 av kobber eller kobberlegering og en del-seksjon 3 av stål. Grunnen til at kobber eller kobberlegering, et metall med høy varmeledningsevne, er valgt her er at høy varmeledningsevne resulterer i en hurtig bortledning av varme fra smelte som (av en eller annen grunn) måtte trenge ned i anordningen fra smeltebeholderen, og den nedtrengende smelte vil da størkne i del-seksjonen 4 og blokkere videre nedtrengning. Del-seksjonen 4 av kobber eller kobberlegering utgjør således en sikkerhetsforanstaltning mot at hele anordningen fylles med smelte i tilfelle av at smelte skulle bryte gjennom frontseksjonen 5 gjennom ett eller flere av hullene 10 (ved til-siktet eller utilsiktet opphold i gass-injiseringen) eller langs grenseflaten mellom frontseksjonen 5 og foringen 9 i smeltebeholderen, eller på grunn av andre oppståtte defekter i frontseksjonen 5. Tykkelsen av del-seksjonen 4 bør være minst 2 cm, gjerne mer, for eksempel 3-4 cm. Eventuelt kan hele midtseksjonen 3,4 være av kobber eller kobberlegering, men dette er unødvendig, og midtseksjonen 3,4 er derfor vist bestående av to del-seksjoner, hvorav den bakre del-seksjon 3 er av stål. Del-seksjonene 3 og 4 kan, som vist, være sammen-boltet med bolter antydet ved 7. Den nederste del av midt-seksjonens del-seksjon 3 har en redusert diameter for sammen-føyning med bakseksjonen 1,2.

Bakseksjonen 1,2, som hensiktsmessig kan være av stål, er vist bestående av to deler, en ytre eller perifer del 1 og en indre del eller kjerne 2. Bakseksjonen 1,2 inneholder en skruelinjeformet kanal 13 for tilførsel av behandlingsgass utenfra til hulrommet 12 som begrenses av den øvre overflate av kjernen 2, den nedre overflate av midtseksjonen 3,4 og den øvre del 14 av bakseksjonens ytre del 1, idet denne ytre del rager opp forbi kjernen 2. For sammenføyning med midt-seks jonen 3,4 omslutter nevnte del 14 den nedre del av midt-seks jonen 3,4 og kan hensiktsmessig være skrudd på denne.

Anordningen ifølge•oppfinnelsen er, som konvensjonelt for slike anordninger, mest hensiktsmessig generelt konisk med sirkulært tverrsnitt. De deler som anordningen består av, kan settes sammen på forhånd, hvoretter hele anordningen monteres i smeltebeholder-foringen 9 etter at denne er hensiktsmessig preparert som i og for seg kjent.

Fig 2 viser en utførelsesform av anordningen ifølge oppfinnelsen hvor frontseksjonen 5 er oppdelt i to del-seksjoner 5a og 5b, med gjennomgående hull henholdsvis 10a og 10b, som er i kommuniserende forbindelse via et hulrom 10c. Selv om ikke bare den fremre del 5a, men også delen 5b mest hensiktsmessig er av keramisk materiale, kan det være en fordel at frontseksjonen er oppdelt i to del-seksjoner, idet det kan forekomme at den bakre del-seksjon 5b kan være intakt selv om den fremre del-seksjon 5a må skiftes ut etter en viss brukstid. Hulrommet 10c medfører den fordel at hullene 10a og 10b ved sammenstillingen av delene 5a og 5b ikke nød-vendigvis må plasseres i korresponderende.posisjon like overfor hverandre.

Utførelsesformen på fig. 2 avviker fra den på fig. 1 også.ved at del-seksjonen 3 i midtseksjonen er delt i to deler, 3a og 3b. Dette kan, alt etter omstendighetene, lette forarbeidelsen av vedkommende del-seksjon.

Fig. 3 illustrerer hvordan monteringen av anordningen ifølge oppfinnelsen hensiktsmessig kan utføres.

Bakseksjonens kjerne 2, forsynt med en skruelinjeformet uttagning på sin ytterflate for tilveiebringelse av kanalen 13, er sveiset sammen med den ytre del 1 av bakseksjonen, slik at kjernen 2 er sentrert inne i den ytre del 1 med kjernens generelle ytterflate i kontakt med den ytre dels innerflate, hvorved kanalen 13 dannes. En bolt 20 er vist innskrudd sentralt bakfra (nedenfra) i en utboring i kjernen 2. En bolt 21, understøttet av en løfte-/senke-innretning 22, tjener til å utøve et oppoverrettet press mot bolten 20 (ved montering av anordningen ifølge oppfinnelsen i smeltebeholderens bunnforing 9), og også innrettet til å utøve en nedoverrettet trekkraft på anordningen (ved demontering av denne), idet boltene 20 og 21

er forbundet med hverandre ved hjelp av en innvendig gjenget hylse 23. Midtseksjonen 3, 4, hvis deler holdes sammen ved hjelp av boltene 7, skrues ned i den øvre del 14 av bakseksjonens ytre del 1 ved 24, og frontseksjonen 5 plasseres oppå med hullene 10 og 11 i korresponderende posisjon. Hele anordningen kan så føres opp i den pre-parerte åpning i beholderforingen under utøvelse av passende press.

Ved demontering av anordningen vil frontseksjonen 5 på grunn av fastbrenning normalt ikke følge med, men må fjernes på annen måte, hensiksmessig ved utboring. Med dertil egnet verktøy er dette en enkel og rask operasjon. Smeltebeholderen må da selvsagt være tømt.

Den mest hensiktsmessige diameter av hullene 10 vil i noen grad avhenge av smeltens hydrostatiske trykk ved mun-ningen av hullene 10, og av smeltens art og egenskaper, så som overflatespenning og viskositet. Den nærmere bestemmelse av den optimale hulldiameter blir derfor en erfaringssak i det enkelte anvendelsestilfelle.

Diameteren av hullene 11 i midtseksjonen 3, 4 er mindre kritisk enn når det gjelder hullene 10, idet midtseksjonen normalt ikke befinner seg i kontakt med smeiten. Av hensyn til den ovenfornevnte ønskede størkning av smelte, som f.eks. ved uhell, måtte trenge ned i hullene 11, bør diameteren av hullene 11 ikke være for stor, og i alminnelighet kan diameteren hensiktsmessig være av samme størrelsesorden som for hullene 10.

Som nevnt er kobber eller kobberlegering det foretrukne materiale for delseksjonen 4 i midtseksjonen. Det vesentlige er imidlertid at delseksjonen 4 er godt varmeledende slik at smelte som måtte trenge ned i hullene 11, vil størkne og blokkere videre nedtrengning. Andre materialer enn kobber vil derfor selvsagt kunne anvendes, eventuelt et kompositt-materiale eller et laminat av f.eks. stålplater og et me-kanisk svakere materiale med bedre varmeledningsevne.

Plasseringen av den skruelinjeformede kanal 13 gjennom de ytre deler av bakseksjonen 1, 2 har vist seg å medføre at injiseringsgassens kjølevirkning blir meget gunstig (temperaturgradienter). Kjølevirkningen gjør seg først og fremst gjeldende i de ytre deler av bakseksjonen og i de tilliggende deler av foringen 9, men kan i merkbar grad også ha en gunstig kjøleeffekt innover til midtseksjonen 3, 4 og tilliggende deler av foringen.

Tverrsnittet av kanalen 13 i bakseksjonen 1, 2 kan hensiktsmessig være av samme størrelsesorden som det samlede tverrsnitt av hullene 10 i frontseksjonen 5, gjerne større. Den samlede lengde av kanalen 13 vil selvsagt avhenge av tykkelsen av foringen 9 i det gitte anvendelsestilfelle, samt av den ønskede fordeling av injiseringsgassens kjøle-virkning på de forskjellige deler av injiseringsanordningen. Her kan mange faktorer være medbestemmende, så som smeltens temperatur, den totale foringstykkelse, foringsmaterialets varmeledningsevne, den relative lengde (høyde) av de tre hovedseksjoner i anordningen, materialvalget for disse, o.a. Anordningen ifølge oppfinnelsen kan lett tilpasses den ak-tuelle anvendelse.

Anordningen ifølge oppfinnelsen menes å være egnet til bruk ved gass-injisering i hvilken som helst metallsmelte og lignende smelter forutsatt at frontseksjonen, som jo direkte blir utsatt for smeltens temperatur og kjemiske angrep, er laget av et egnet materiale. Valget av materiale vil selvsagt være avhengig av smeltens temperatur og smeltens art, eventuelt også gassens natur ved de temperaturer som vil gjøre seg gjeldende, og det vil således være en fagmessig oppgave i hvert enkelt tilfelle å foreta materialvalget.

Under henvisning til de innledningsvis nevnte krav

(a)-(f) vil det ses at en høy grad av sikkerhet mot at smeiten skal kunne renne ut via injiseringsanordningen for det første sikres ved passende valg av diameteren for hullene 10 i frontseksjonen 5, og for det andre ved at smelte som måtte trenge gjennom frontseksjonen vil størkne i delseksjonen 4, som derved blokkeres. Delseksjonen 4 vil under injiseringen av gass kjøles av denne og holdes på en relativt lav temperatur p.g.a. materialets høye varmeledningsevne. Effektiv dispergering av gass i smeiten oppnås ved at gassgjennomstrømningsmotstanden for anordningen ifølge oppfinnelsen er relativt liten, og ved at hullene 10 i frontseksjonen 5 lett kan anordnes i det ønskede mønster, herunder forskjellig retning og eventuelt noe forskjellig diameter for de enkelte hull.

Kravet til kapasitetsmessig fleksibilitet, nevnt under pkt. 3, dekkes av mulighet for valg av hulldiametere, hull-antall og injiseringsgassens arbeidstrykk.

Kravet til lang levetid for injiseringsanordningen, nevnt under pkt. d, er primært dekket ved valg av egnet ildfast-materiale for frontseksjonen, men også av den kjølevirkning som følger av en gasstrøm gjennom den beskrevne anordning ifølge oppfinnelsen.

Kravet til mulighet for enkel og rask utskiftning fra utvendig vegg/bunn av beholderen, nevnt under pkt. e, er dekket

ved at injiseringsanordningens ytterflater under monteringen lett kan prepareres med egnet tette-/slipp-middel,

ved at injiseringsanordningens bakseksjon og midtseksjon kan trekkes ut av sin posisjon i beholderforingen ved hjelp av en skrueanprdning i forbindelse med den på fig. 3 viste innretning 22, som under drift av injiseringsarrangementet også holder injiseringsanordningen på plass i beholderforingen,

ved at anordningens frontseksjon ved behov raskt

kan fjernes ved utboring og ny frontseksjon monteres.

Kravet til tilpasningsmulighet nevnt under pkt. f er dekket ved at anordningens tre hovedseksjoner kan lages spesielt til ønskede mål i lengder og diametere.

Anordningen ifølge oppfinnelsen kan, i det vesentlige, som det fremgår av det foregående, lages av stål, gjerne vanlig karbonstål, hvilket anses som et fordelaktig trekk.

Claims (10)

1. Anordning for injisering av gass i en varm smelte, særlig smeltet metall, hvilken anordning er egnet til å innsettes i veggen, særlig bunnveggen, av den beholder som inneholder smeiten, karakterisert ved at den består av tre hovedseksjoner (1) en frontseksjon (5) som i og for seg kjent av varmefast materiale som er resistent overfor angjeldende smelte, og som har et antall gjennomgående hull (10) for innføring av gass i smeiten, (2) en midtseksjon (3,4) som i det minste delvis består av varmeledende materiale og har et antall gjennomgående hull (11) som kommuniserer med hullene (10) i frontseksjonen (5) (3) en bakseksjon (1,2) i hvilken i det minste den ytre (perifere) del er av varmeledende materiale, hvilken bakseksjon i eller nær sine perifere deler har en skruelinjeformet kanal (13) som kommuniserer med de gjennomgående hull (11) i midtseksjonen (3,4), og som er innrettet til å lede den nevnte gass fra en utvendig gasskilde.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at frontseksjonen (5) er oppdelt i to del-seks joner (5a,5b), hvorav i det minste den fremre del-seksjon (5a) er av varmefast materiale, og at de gjennomgående hull (10a) i den fremre delseksjonen (5a) kommuniserer med hullene (10b) i den andre (bakre) del-seksjonen (5b) via et hulrom (10c).

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at midtseksjonen (3,4) er oppdelt i to delseksjoner (3 og 4), hvorav minst én, fortrinnsvis den fremre del-seksjon (4) er av et materiale med høy varmeledningsevne .

4. Anordning ifølge krav 3, karakterisert ved at den fremre delseksjon (4) i midtseksjonen (3,4) består av kobber eller en kobberlegering.

5. Anordning ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at den bakre delseksjonen (3) av midtseksjonen (3,4) består av stål.

6. Anordning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at de gjenomgående hull (11) i midtseksjonen (3,4) er foret med rør (8) av et materiale med høy resistens mot kjemisk angrep fra behandlingsgassen.

7. Anordning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at bakseksjonen (1,2) består av en sentral kjerne (2) og en ytre eller perifer del (1) som omgir kjernen (2) og hvis fremre ende (14) strekker seg forbi kjernen (2).

8. Anordning ifølge krav 7, karakterisert ved at at den skurelinjeformede kanal (13) utgjøres av et skruelinjeformet spor i kjernens (2) sidevegger.

9. Anordning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den skruelinjeformede kanal (13) i baksekskjonen (1,2) kommuniserer med de gjennomgående hull (11) i midt-seks jonen (3,4) via et hulrom (12) i den fremre ende (14) av bakseksjonen (1,2).

10. Anordning ifølge hvilket som helst av de foregående krav, karakterisert ved at den bakre (nedre) del av midtseksjonen (3,4) og den fremre (øvre) del av bakseksjonen (1,2) er forsynt med gjenger for sammenskruing av de to seksjoner.