NO163714B - Fremgangsmaate ved fremstilling av kalsiumkarbid og sjaktovn for utfoerelse derav. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte ved fremstilling av kalsiumkarbid som angitt i krav l's ingress.

Ved kjente fremgangsmåter av denne art og ved vanlige plasmasmelteovner foreligger helt generelt det problem at energi som avgis av en plasmalysbue ikke med tilfredsstil-lende virkningsgrad kan overføres på chargen. I kjernen av en plasmalysbue hersker temperaturer rundt 15000°C ved anvendelse av toatomige plasmagasser, og ved anvendelse av enatomige plasmagasser temperaturer opptil 30000°C, og en stor del av energien avgis derfor ved stråling. En betydelig del av denne stråling kan ikke nyttes for henholdsvis høytemperaturprosesser og smelteprosesser i ovner, hvilket i tillegg også fører til en betydelig termisk slitasje av ovnsforingen.

Det er allerede blitt foretatt forsøk på å forbedre utnyttelsen av energitilførselen fra en plasmautladning ved å forstørre utladningstverrsnittet. Således er det fra US patent 3.404.078 kjent en fremgangsmåte for dannelse av en plasmabue, hvor en av elektrodene består av et flytesjikt av elektrisk ledende partikler. I plasmaområdet kan forskjellige materialer innføres, og produktene som dannes i høytemperatursonen komer inn i flytesjiktet og avkjøles der. Fremgangsmåten ifølge dette US-patent er derfor ikke egnet til å fremstille produkter i smeltet, flytende form.

Oppfinnelen tar sikte på å overvinne de beskrevne vanskelig-heter ved å tilveiebringe en egnet fremgangsmåte for fremstilling av kalsiumkarbid av den art som er angitt i krav l's karakteriserende del, samt en sjaktovn for utførelse av en slik fremgangsmåte som angitt i krav 4.

Denne oppgave løses ifølge oppfinnelsen ved en fremgangsmåte av den innledningsvis angitte art ved at det mellom en sentrert anordnet elektrode som går gjennom sjaktovnens øvre deksel og en motelektrode som går gjennom sjaktovnens bunn dannes en plasmalysbue, og at chargen innføres konsentrisk rundt plasmalysbuen, hvorved en beskyttelsesvegg av faste chargematerialer bygger seg opp på ovnens innvendige vegg og chargen kommer fra innsiden av beskyttelsesveggen til plasmalysbuens område.

De konsentrisk rundt plasmalysbueområdet innførte partikler av chargen beskytter innerveggen, dvs. den ildfaste foring i sjaktovnen, mot termisk slitasje. En spesiell fordel ved fremgagsmåten ifølge oppfinnelsen består videre i at mer energi opptas av den tilførte chargés, som omgir plasmalysbueområdet som en foring enn ved konvensjonelle fremgangsmåter, hvorved hastigheten til de metallurgiske eller kjemiske prosesser akselereres vesentlig.

Partiklene av chargen som faller ned som foring og/eller chargen som oppbygges i nedre område av ovnen konsentrisk rundt plasmalysbueområdet, absorberer den største del av varmestrålingen og forvarmes derved, slik at en optimal utnyttelse av energien som tilføres i form av elektrisk strøm, oppnås.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er spesielt egnet for fremstilling av kalsiumkarbid.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utmerker seg som følge av den meget lave metallnedbrenning ved de alselererte metallurgiske prosesser hvori inertgass eller den reduse-rende atmosfære bygger seg opp, samt ved en høy utnyttel-sesgrad av legeringselementer, sammenlignet med konvensjonelle smelteprosesser, såsom lysbuesmelting.

Ved fremstilling av kalsiumkarbid smeltes ifølge den kjente teknikk en ma>lmblanding av henholdsvis CaO og CaCC>3 og karbon og reduseres under frigjøring avCO, hvorunder den elektriske energi tilføres gjennom grafitt eller Soderberg-elektroder med stor diameter. Herunder danner det seg ingen lysbue, men oppvarmingen skjer i det vesentlige ved motstandsoppvarming av malmen. Følgelig er de oppnåelige temperaturer i innsmeltningsområdet relativt lave og tids-behovet for innsmeltningen tilsvarende høy.

I det allerede nevnte US patent 3.404.078 foreslås for fremstilling av CaC2 å anordne et flytesjikt av grafittpartikler under anvendelse av argon som bærergass, og i plasmalysbuen som dannes mellom dette flytesjiktet og den negative elektrode, innblåses CaO med argon. Det oppnås grafittpartikler med CaC2-overtrekk, hvorunder bare 24,6% omvandling oppnås.

Ifølge en foretrukket utførelsesform kan en liten mengde av chargen innføres i motelektrodens område, og etter antennelse av plasmalysbuen kan ytterligere charge innføres kontinuerlig. I høyereliggende sjikt ville den fortsatt faste charge forhindre dannelse av plasmalysbuen, men den har likevel tilstrekkelig elektrisk ledeevne til i liten mengde å muliggjøre antennelse av plasmalysbuen.

Hensiktsmessig innføres chargen gjennom en krans av charge-ringsrør som omgir elektroden, eller kontinuerlig gjennom en ringformet chargeringsslisse som omgir elektroden. Det kan være anordnet f.eks. 6 til 12 chargeringsrør.

Ved å innføre chargen gjennom en ringformet chargeringsslisse som omgir elektroden, får man en spesielt tett og jevn foring av chargepartikler.

Fortrinnsvis anvendes charge med en kornstørrelse på opptil 25 mm. Ved stykkeformet charge foretrekkes kornstørrelser opptil 10 mm, og ved anvendelse av pellets, spesielt sådanne fra 5 til 15 mm.

Som plasmagasser kommer alle gasser som normalt anvendes for dette formål på tale, såsom Ar, He, H2, N2 og Co.

Ved siden av tilførselen av chargen gjennom chargeåpningene, kan også relativt fine bestanddeler av chargen tilføres gjennom elektrodens innvendige kanaler.

For fremstilling av ferrolegeringer fra oksydholdige malmer og karbonholdig materiale, anvendes som charge en blanding av den tilsvarende malm, hvori legeringselementene og jernet fortrinnsvis foreligger i oksydert form, samt av henholdsvis karbon og koks.

For fremstilling av kalsiumkarbid ved reduksjon av CaO og/eller Ca03 med karbonholdige materialer under frigjøring av CO og smelting anvendes som charge en malmblanding av CaO eller CaC03 og karbon eller koks.

Ved hjelp av plasmalysbuen kan også stoffer med forskjellige kornstørrelser, til og med støvformige stoffer, smeltes uten forstyrrelser og omsettes ved disse reduktive prosesser, mens tidligere - spesielt ved en innledningsvis omtalte fremstilling av CaC2 ved motstandsoppvarming - bare grov-stykkede råstoffer kunne anvendes.

Ved fremgangsmåten ifølge foreliggende oppfinnelse vil ikke bare plasmalysbuens strålingsvarme, men også konveksjons-varmen på stedet hvor plasmalysbuen treffer det fortsatt faste eller allerede smeltede chargergods, nyttiggjøres og kombineres med motstandsoppvarmingen som oppstår som følge av strømgangen gjennom det øvrige chargergods og den øvrige malm. Karbonmonoksydet som dannes ved reaksjonen, øker energitettheten til plasmalysbuen og bevirker dermed en ytterligere økning av energiutbyttet.

Oppfinnelsen omfatter videre en lavsjaktovn til gjenomføring av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvilken lavsjaktovn har de trekk som er angitt i krav 4. Ovenen har et ildfast foret ovnslegeme og en i ovnslegemet innsatt føring for plasmabrennerinnretningen, hvorved det mellom føringen og den ildfaste kledning er anordnet et ringformet rom for tilførsel av henholdsvis charge eler malm. Ifølge oppfinnelsen kan en øvre tildekning settes gasstett på ovnslegemet, og som har en innad stikkende søyle av ildfast materiale. Søylen har en sentral boring for gjennomføring av en elektrode og en vannkjøling, og i bunnen av sjaktovnen er det anordnet en motelektrode, hvorved det for dannelse av plasmalysbuen et utsparet et kjegleformet rom mellom munningen av plasmabrennerens elektrode, bunnelektroden og innsiden av beskyttelsesveggen av faste chargebestanddeler.

Det er fordelaktig at veggene i sjakten som skal romme chargen er utformet divergerende i retning mot bunnen.

Elektroden til plasmabrennerinnretningen som er ført gjennom den sentrale boringen av søylen av ildfast materiale, har ifølge en foretrukket utførelsesform innvendige kanaler for tilførsel av findelte chargeringsgodsbestanddeler, spesielt karbon.

Oppfinnelsen forklares nærmere ved tegningen samt eksem-plene. Figur 1 viser et vertikalsnitt gjennom en sjaktovn og figur 2 viser den samme ovenfra. Figur 3 viser ovnen sett ovenfra med en annen utførelse av chargeringsåpningen. I figur 4 vises en endret utførelsesform av en lavsjaktovn som spesielt egner seg for utførelse av de nevnte reduktive prosesser.

I figur 1 er sjaktovnens mantel angitt med 1. Denne har en foring av ildfaste murstein 2. Sjaktovnens bunn er avstam-pet grafittmasse 3, og i bunnen er det på siden anordnet en tapperenne 4. På sjaktovnen hviler et øvre deksel 5, som gasstett lukker det innvendige ovnsrom ved hjelp av en dekselpakning 6, som griper inn i en rundtgående sandrenne 7. Hjertestykket 8 av tildekningen, som er utstyrt med en vannkjøling, har flere boringer, og mellom en sentrert vannkjølt boring 9, gjennom hvilken henholdsvis plasmalysbuen og elektroden er ført, ligger en krans av seks ytterligere boringer 11 som omgir den sentrale boring, gjennom hvilke chargeringsrørene 12 er ført for innføring av henholdsvis chargen og malmbestanddelene. I sjaktovnens bunn, ovenfor munningen av plasmabrenneren 10, er motelektroden 13 anordnet.

I begynnelsen av prosessen innføres en liten mengde av chargen gjennom chargeringsrørene 12, så tennes utladningen, hvorunder det danner seg en frittbrennende plasmalysbue 14, og man får en sump 15 av smeltet charge, hvormed prosessen innledes. Så innføres ytterligere charge kontinuerlig, hvorved en beskyttelsesvegg 16 av faste chargebestanddeler bygger seg opp på ovnens innvendige vegg 2 rundt sumpen 15, hvilken beskyttelsesvegg 16 beskytter den ildfaste foring mot for høye temperaturer og som samtidig forvarmes ved plasmalysbuens 14 strålingsvarme.

I fig. 3 er ovnskappen igjen angitt med 1, og på ovnslegemet er det gasstett påsatt en øvre tildekning. Videre ser man på siden av ovnen tapperennen 4 som leder vekk. I det vann-kjølte hjertestykket 8 av tildeknngen 5 er det anordnet en sentral boring 9, og gjennom sistnevnte er det ført en plasmabrenner 10. En ringformet chargeringsslisse 17 omgir boringen 9 konsentrisk. I chargerinsslissen 17 er det anordnet fire avstandsstykker 18, som også inneholder kanaler for kjølevannet.

Når chargen innføres kontinuerlig i sjaktovnen gjennom slissen 17, danner chargens partikler rundt plasmalysbuen et tett forheng som brenner mellom elektrodene i brenneren 10 og motelektroden 13 som går gjennom bunnen av sjaktovnen. Partikkelforhenget beskytter ovnskledningen mot termisk belastning og absorberer størstedelen av varmeeenergien som utstråles fra plasmalysbuen, slik at en betydelig mengde av chargen når bunnen av sjaktovnen, henholdsvis smeltesumpen, allerede i flytende tilstand. De større, fortsatt ikke smeltede chargepartikler bidrar til sjiktdannelse på beskyttelsesveggen 16.

Også ved utførelsesformen ifølge figur 4 er beholderes kappe igjen angitt med 1 og den ildfase foring med 2. Ovnens bunn er dannet av grafittstampemasse 3, hvilken bunn har en sideveis avløpsrenne eller utløpsrenne 4 for smeltet materiale. På sjaktovnens munning, som har et mindre tverrsnitt oppe enn nede, dvs. at ovnsveggene divergerer i retning mot bunnen, er det påsatt en vannkjølt øvre tildekning 19, hvilken tildekning hen mot ovnens indre har en søyleformet føring 20, som består av ildfast materiale. Den kjeglestumpformede søyle har en sentral boring 21 som har en vannkjøling 22. Gjennom boringen er plasmabrenneren 10 ført, med en munning 23 som stikker over den nedre ende av søylen 20. Gjennom den kjegleformede utforming av føringssøylen og den koniske formen av den ildfaste kledningen 2 til sjaktovnens innvendige vegger, dannes et ringformet, nedad divergerende rom 24, i hvilket henholdsvis faste charger og malmbestanddeler setter seg og virker som en beskyttelsesvegg 16, som innføres gjennom tilførselsstyrtsjakten 25 med doseringsklaffer som går gjennom lokket 19. Et avtrekksrør for gassen som frigjøres ved reduksjonsprosessen er angitt med 26.

Mellom bunnelektroden 13 og munningen 2 3 av plasmabrenneren og elektroden 10 forblir - som det fremgår av tegningen - det kjeglestumpformede nedad divergerende rom 27 fritt. I dette rom tennes plasmalysbuen 14 i begynnelsen av prosessen etter at en liten mengde charge eller malm er innført, og deretter fylles, ved ytterligere malmtilsetning, det ring-formede rom 24 opp til knapt under avtrekksrøret 26 med malmbestanddeler. Ved reduksjonsprosessens fortsettelse avsmeltes og omsettes malmbestanddeler kontinuerlig i det utsparte rom 27, og gassen som dannes, spesielt CO, stiger opp gjennom malmsjiktet, henholdsvis beskyttelsesveggen 16, og bevirker en foroppvarming og forreduksjon.

Ifølge en foretrukket utførelsesform for fremstilling av kalsiumkarbid kan finkornet karbon tilføres under prosessen gjennom en eller flere innvendige kanaler av plasmabrenneren til rommet 27, hvorunder ytterligere CO dannes.

Eksempel 1;

Fremstilling av ferromangan:

1300 kg ferromanganmalm (med 45 til 55% Mn, opptil 10%

Fe, hvorunder Mn og Fe overveiendé foreligger i form av oksyder) chargéres - blandet med 400 til 500 kg karbon, koks eller kullgrus - kontinuerlig med en hastighet på 1,5

til 3 kg/s. Ca. 1 tonn ferromangan med 7 5% Mn, 2% oksyder, restjern bringes ut etter 10 til 20 minutter.

Ved de følgende eksempler 2 og 3 innføres 1 til 5 kg, fortrinnsvis 3 kg chargeringsgods pr. sekund kontinuerlig; utbyttet er 3 til 15 tonn pr. time.

Ved en sjaktovn er ovnsstørrelsen begrenset av brennerens maksimale ytelse, og en slik ovn med vanlig brenner mulig-gjør et utbytte på ca. 5 tonn produkt/time.

Eksempel 2:

Smelting av CrNiMoNb-stål av artsegent avfall:

5000 kg Shredder-avfall med følgende sammensetning:

0,049% C, 0,21% Si, 1,26% Mn, 0,017% P, 0,031% S, 18,8% Cr, 11,03% Ni, 2,2% Mo, 0,11% Cu, 0,60% Nb; chargéres sammen med 32,6 kg FeMo (59,7% Mo), 21,7 kg ren-Ni (99,0%), 83,3 kg FeCr (0,033% C, 73,1 % Cr) og 16,3 kg FeNbTa (60,7% Nb).

Tilsammen oppnås 5072 kg stål med sammensetningen:

0,055% C, 0,32% Si, 1,22% Mn, 0,023% P, 0,011% S, 19,22%

Cr, 11,15% Ni, 2,5% Mo, 0,11% Cu, 0,75% Nb. Ved en total metallnedbrenning på 2% gir dette følgende utbyttegrad av de enkelte legeringselementer:

99% Ni, 97% Cr, 98% Mo, 98% Mn, 96% Nb.

Eksempel 3:

Fremstilling av stål av typen X5CrNiMoNb ved oppbyg-ningssmelting: 5000 kg jernsvamp, 934 kg rent-Ni, 350 kg FeMo (56% Mo), 2205 kg FeCr (0,036 % C, 73,8 % Cr), 108 kg Mn-metall

(99%) og 87 kg FeNbTa (60,7 % Nb) chargéres i ovnen.

Utbyttet utgjør 8458 kg stål med sammensetningen:

0,041% C, 0,35% Si, 1,27% Mn, 0,016% P, 0,01% S, 18,57% Cr, 10,95% Ni, 2,29% Mo, 0,11% Cu, 0,63% Nb.

Den totale metallnedbrenning ligger på 3%, utbyttegraden

av de enkelte legeringselementer er derunder:

99% Ni, 99% Cr, 99% Mo, 99% Mn, 100% Nb.

Eksempel 4:

Fremstilling av kalsiumkarbid:

En malmblanding av 3000 kg brent kalk og 1950 kg karbon med diskontinuerlig kornstørrelsesfordeling opptil maksimalt 25mm ble kontinuerlig innført i en sjaktovn av den i figur 4 viste utførelsesform med en chargeringshastighet på 3kg pr. sekund, etter at først en liten mengde malm var plas-sert i området til motelektroden og plasmaiysbuen tent.

Som plasmagass ble argon anvendt. Kalisumkarbid- utbyttet hadde en renhetsgrad på 90,2%.

Det kunne fastslås at utnyttelsen av den anvendte elektriske energi ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen helt generelt er rundt ca. 20 % bedre enn ved den kjente smelte- henholdsvis reduksjonsmetoden.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte ved fremstilling av kalsiumkarbid i én sjaktovn hvorved en chargeblanding av CaO hhv. CaC03 og kull smeltes under tilførsel av elektrisk energi ved hjelp av en plasmabrennerinnretning og reduseres til kalsiumkarbid under frigjørelse av CO, karakterisert ved at det mellom en elektrode (10) som går gjennom sjaktovnens øvre deksel, og en motelektrode (13) som går gjennom sjaktovnens bunn, dannes en plasmalysbue (14) omkring hvilken charge-blandingen innledes konsentrisk, hvorved det avleires en beskyttelsesvegg (16) av faste chargeblandingsbestanddeler på ovnens innervegg (2), og chargeblandingsbestanddelene havner i området omkring plasmalysbuen (14) fra innsiden av beskyttelsesveggen (16).

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at det i begynnelsen av smelte- og reduksjonsprosessen innføres en liten mengde chargeblanding i området omkring bunnelektroden (13) og etter tenning av plasmalysbuen (14) innføres det kontinuerlig ytterligere chargebestanddeler gjennom tilførselsrør (12) som er anordnet konsentrisk omkring elektroden (10).

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at finfordelte bestanddeler av chargeringsblandingen tilføres gjennom innerkanaler i elektroden (10).

4. Lavsjaktovn for utførelse av fremgangsmåten ifølge krav 1 med et ildfast belagt ovnslegeme og en i ovnslegemet innsatt føring for plasmabrennerinnretningen, hvorved det mellom føringen og det ildfaste belegg er anordnet et ringformet rom for tilførsel av chargeringsblandingen, karakterisert ved at det er mulig å anbringe gasstett på ovnslegemet et deksel (19) som har en innadstik-kende søyle (20) av ildfast materiale, og søylen har en sentral boring (21) for gjennomføring av en elektrode (10) og en vannkjøling (22), og i bunnen (3) av sjaktovnen er anbragt en motelektrode (13) , hvorved diameteren av søylen (20) i forhold til sin avstand fra motelektroden (13) er tilstrekkelig stor for å berede et rom (27) i form av en avkortet kegle for dannelse av plasmalysbuen (14) mellom munningen (23) av elektroden (10), motelektroden (13) og innsiden av beskyttelsesveggen (16) av faste chargeringsbe-standdeler.

5. Lavsjaktovn ifølge krav 4, karakterisert ved at sjaktens vegger (2) som tar opp beskyttelsesveggen (16), er utformet divergerende i retning mot bunnen (3) av ovnen.

6. Lavsjaktovn ifølge krav 4, karakterisert ved at elektroden (10) har innerkanaler for tilførsel av finfordelte chargeringsbe-standdeler,spesielt karbon.