NO178976B - Beholder for varmholding og raffinering av smeltet aluminium - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører beholder for varmholding og raffinering av aluminium. Mer spesielt angår den en slik beholder som innbefatter forbedret ildfast isolasjon.

Ved raffinering av aluminium har bruken av utvendig opp-varmede støpejernskar med ildfast foring som raffineringsbeholdere blitt funnet å være ugunstige p.g.a. den begrensede og noe uforutsigbare holdbarhet av nevnte kar. Dette uønskede forhold resulterer fra svikt i støpejernskarene p.g.a. sprekking, utbuling, kloridkorrosjon eller utvasking. I tillegg resulterer konstruksjonsbegrensninger i forbindelse med slike støpejernskar i bruken av konfigurasjoner som er vanskelige å rengjøre, hvilket derved skaper en ytterligere praktisk ulempe for deres bruk i kommersielle operasjoner.

For å overvinne disse ulempene ble det konstruert et raffineringssystem bestående av en beholder med ildfast foring som hadde vertikale rørformede varmekolber, slik som silisiumkarbidrør med indre spiralformede motstandsvarme-elementer, opphengt fra raf f iner ingsbeholderens deksel.- Ved denne utførelse ble oppvarmingsanordningene funnet å ha en begrenset holdbarhet, og var i praksis meget vanskelige å erstatte. Da en oppvarmingsanordning sviktet p.g.a. brudd i silisiumkarbidrøret, så forårsaket deler av det brutte røret ofte brudd i spinnedysen som ble benyttet for å injisere gass i det smeltede aluminiumet i beholderen. I tillegg var et slikt system meget vanskelig å rengjøre p.g.a. de mange fordypningene mellom tilstøtende oppvarmingsrør, og mellom oppvarmingsrørene og beholderveggene hvor dross ville samle seg og bli vanskelig å fjerne på en hensiktsmessig måte.

Som et resultat av disse problemene ble det utviklet et forbedret apparat for raffinering av aluminium eller andre smeltede metaller. Dette apparatet omfattet et fullstendig ildfast system hvori to motsatte sidevegger hver besto av en grafittblokk med elektriske oppvarmingselementer anordnet i vertikale hull i graf ittblokkene, idet nevnte hull var åpne ved toppen og lukket ved deres bunn. Forskjellige andre trekk ved dette systemet er beskrevet i US patent 4.040.610 til Szekely. Dette systemet tilveiebragte således en indre oppvarmingskilde mens det overvant ulempene som var forbundet med bruken av varmekolben. Det ble funnet å øke oppvarmingsanordningens holdbarhet, minimalisere erosjon og lette systemets reparasjon. For varmholding av aluminium i smeltet tilstand omfattet et slikt system en beholder som var tilpasset for varmholding av aluminium i en smeltet tilstand og innbefattende en kasse med en indre ildfast foring som var ugjennomtrengelig for smeltet metall, med en foring omfattende grafittblokker for en del av kassens indre som var ment å skulle være under smeltens overflate, og i det minste én oppvarmingsanordning anordnet inne i en eller flere av blokkene. For anvendelse ved raffinering av aluminium inn-befattet systemet også i det minste en roterende gass-fordelingsanordning montert i beholderen samt innløps- og utløpsanordninger for smeltet metall og for gasser.

Fullstendig ildfaste systemer som benytter grafittblokker med oppvarmingsanordning, har blitt funnet å utgjøre en ønsket forbedring i teknikken og har med fordel blitt benyttet i kommersielle aluminiumraffineringsoperasjoner. Ikke desto mindre er ytterligere forbedringer i slike systemer ønsket for å fremme deres hensiktsmessighet når det gjelder å overvinne praktiske operasjonsproblemer som møtes i kommersielle operasjoner. Et slikt problem angår den ildfaste foring og isolasjonen som benyttes i slike systemer.

Ved konstruksjon av en konvensjonell hel-ildfast ovn eller varmholdebeholder for smeltet aluminium, så blir beholderen vanligvis foret med tett støpbart ildfast materiale eller med tette ildfaste isolerstein. Dette materialet infiltreres ikke av smeltet aluminium fordi det er for tett og kun inneholder en liten mengde porøsitet i form av isolerte bobler, og lignende. Den tette foringen støttes opp med et ildfast isolerende materiale av lav densitet, som igjen befinner seg i en stålkasse. Det er meget vanskelig å holde den tette indre ildfaste foring helt lekkasjetett. For å hindre at smeltet metall strømmer gjennom en sprekk eller sammenføyninger i den indre ildfaste foring, og inn i og gjennom støtteisolasjonen av lav densitet, så er det vanlig praksis å konstruere systemet slik at temperaturen på utsiden av den tette foringen befinner seg under smeltepunktet til aluminiumlegeringen som prosesseres når det inne-holdte smeltede metall befinner seg ved dets høyeste temperatur .

Den termiske konduktivitet eller varmeledningsevnen til hensiktsmessig tette ildfaste foringsmaterialer er relativt høy sammenlignet med den til ildfaste isolasjonsmaterialer. I foreliggende sammenheng er varmeledningsevnen til et materiale definert som kcal•cm/m^•°c*h ved en gitt temperatur. Varmeledningsevnen til slike harde, tette ildfaste materialer er typisk fra 173,6 til 248 ved 815,6°C. Varmeledningsevnen til støpbart ildfast materiale med høyt alumlniumoksydinnhold, slik som "Ålfrax 66", vanligvis benyttet for den harde, tette indre foringen, er f.eks. ca. 173,6 ved 815,6°C og ca. 235,6 ved 537,8°C. Densiteten til "Alfrax 66" materialet er ca 2,56 g/cm<3>, og densiteten til slike tette ildfaste materialer generelt varierer typisk fra 2,56 til 2,88 g/cm<3>.

Den indre foringen som benyttes i ovenfor beskrevne kon-vensjonelle systemer, må være temmelig tykk, eller systemene må gi adgang for et temmelig stort varmetap ved å gjøre den ildfaste isolasjonen temmelig tynn. Det er imidlertid vanligvis ønskelig å operere ved relativt lave varmetaps-nivåer. I slike operasjoner er det ønskelig å plassere opp-varmingselementene i bare en vegg i beholderen, hvilket gir praktiske fordeler slik som lettere beholderrengjøring og mer allsidig operasjon. En økning i tykkelsen på det isolerende ildfaste materialet for å redusere varmetap krever imidlertid en tilsvarende avpasset økning i tykkelsen av den indre tette ildfaste foringen for å opprettholde den ønskede temperatur-profilen over veggtykkelsen som angitt ovenfor. Som et resultat av dette ville meget tykke beholdervegger være nødvendig for å begrense varmetap i ønsket grad dersom den ønskede begrensning i virkeligheten kunne oppnås. Etter hvert som den totale veggtykkelsen til beholderen øker, så øker også det ytre overf latearealet hurtig for små raffineringssystemer, og nyttevirkningene som oppnås fra for-øket veggtykkelse, blir til en viss grad opphevet av den tilsvarende økning i det effektive veggarealet hos beholderen. I noen tilfeller er det nødvendig at raffineringssystemer plasseres i såpass lite tilgjengelig anleggsrom at slike tykke vegger ikke kan tolereres i noe tilfelle. Det vil fremgå fra det ovenstående at det er et virkelig behov innen teknikken for et hel-ildfast system som kan operere ved et temmelig lavt varmetapsnivå og kun innbefatte moderat tykke vegger.

En løsning på dette problemet innebærer bruk av en isolerende ildfast foring som barriere for det smeltede metall. Ved denne løsning blir raffineringskammeret vanligvis foret med harde tette materialer, slik som grafitt, silisiumkarbid og tett støpt ildfast materiale av aluminiumoksyd, som lett kan skrapes rent for hensiktsmessig vedlikehold av raffineringsbeholderen. Slike foringsoverflater har imidlertid ikke lekkasjetette sammenføyninger slik at flytende metall, dvs. smeltet aluminium, kan passere gjennom slike overflatesammen-føyninger. Slike harde foringsmaterialer, inkludert grafittblokken med oppvarmingsinnretning som kan utgjøre en eller flere vegger, blir på ønsket måte støttet opp med en ildfast, fibrøs isolerende plate av relativt høy densitet, f.eks. en 0,96 g/cm<3> plate, sammenlignet med platen av relativt lav densitet, f.eks. 0,16-0,32 g/cm<3>, som vanligvis benyttes for de fleste ildfaste, fibrøse isolerende plater. Slike fibrøse, isolerende plater av relativt høy densitet er satt sammen så fullstendig som mulig, men sammenføyningene mellom dem er natyrligvis ikke lekkasjetette. En relativt liten tykkelse av denne tette platen, typisk 7,6-10,2 cm, er når den er støttet opp med en ildfast fibrøs isolasjon av relativt lavere densitet (f.eks. 0,32 g/cm<3>) og lavere varmeledningsevne, i stand til på ønsket måte å begrense systemets varmetap og samtidig opprettholde temperaturen på utsiden av platen av høyere densitet under smeltepunktet til aluminium.

Det vil forstås at varmeledningsevnen til den ildfaste, fibrøse isolerende platen som nevnt ovenfor, typisk er meget betydelig mindre, dvs. en størrelsesorden mindre, enn den til det harde, tette indre ildfaste foringsmaterialet som er omtalt ovenfor.. Således har den fibrøse, isolerende PC-45-platen som det er referert til i det nedenstående, med en densitet på 0,96 g/cm<3>, en varmeledningsevne på 19,8 ved 815,6°C og på 13,6 ved 398,9°C. Fibrøs isolerende plate med en lavere densitet av 0,32 g/cm<3>, dvs. såkalt Al-3-plate, har en varmeledningsevne på 14,9 ved 871,1°C, 11,2 ved 648,9°C, og 6,2 ved 93,3°C. Slike verdier er typiske for en slik ildfast, fibrøs isolerende plate som har en varmeledningsevne generelt under 22,3 ved 815,6°C, vanligvis fra 12,4 til 19,8 ved nevnte temperatur. Densiteten til en slik ildfast, fibrøs isolerende plate er vanligvis under 1,28 g/cm<3>, typisk fra 0,24 til 1,12 g/cm<3>. Fra det ovenstående vil det forstås at ildfast, fibrøst isolerende platemateriale har en meget lavere densitet og varmeledningsevne enn den tette ildfaste foringen som vanligvis benyttes som en barriere for smeltet aluminium i raffineringssystemer.

Denne løsning med benyttelse av ildfast isolerende platemateriale av relativt høyere densitet som en metallbarriere er avhengig av det isolerende platematerialets evne til å motstå penetrasjon eller infiltrering av smeltet aluminium som omtalt i det nedenstående. Et hensiktsmessig, kommersielt tilgjengelig, ildfast, fibrøst isolerende materiale som viser seg å være egnet for slik bruk som metallbarriere, er det isolerende platemateriale av relativt høy densitet (0,96 g/cm<3>) som markedsføres under betegnelsen "PC-45" av Eex-Roto Corporation. Ved neddykking i smeltet aluminium i perioder på opptil 11 uker så ble det ikke funnet at det oppsto noen signifikant penetrasjon i nevnte isolerende plate av aluminiumet.

Raffineringssystemer som er konstruert ved bruk av fibrøst isolerende platemateriale av relativt høy densitet som en metallbarriere, f.eks. nevnte PC-45-materiale, ble satt i operasjon og ble overraskende funnet å utvikle varme flekker i nærheten av grafittblokken med oppvarmingsanordning. Ved fjerning fra operasjon fordi varmetapet ved operasjons-temperatur overskred oppvarmingsanordningens kapasitet, ble disse systemene delvis demontert, og det ble funnet at den isolerende PC-45-platen hadde blitt infiltrert fullstendig av aluminium. En del av isolasjonen av relativt lav densitet bak PC-45-platen ble også funnet å ha blitt infiltrert av aluminium. Der metallinfiltrasjon hadde forekommet, ble PC-45-platen fullstendig fylt med metall, idet fuktingen av den isolerende platen med metall var så fullstendig at metallet hadde blitt trukket oppover flere centimeter over operasjons-nivået for smeltet aluminium i raffineringsbeholderen ved kapillærvirkning.

Den uventede infiltrasjon av den tette, ildfaste isolerende platen av aluminium ødelegger på effektiv måte dens brukbar-het i raffineringssystemer. Infiltrasjon slik denne betegnelse (enkelte ganger også referert til som penetrasjon) er benyttet i foreliggende sammenheng, betegner fyllingen av de indre hulrom i ildfast, fibrøst isolerende platemateriale med smeltet aluminium. Som et resultat av dette blir egenskapene til nevnte platemateriale endret fra å ha en meget lav varmeledningsevne til å få en varmeledningsevne nær den til det smeltede aluminium som infiltrerte de indre hulrommene i det ildfaste, fibrøse isolerende platemateriale av relativt lavere densitet. Det smeltede aluminium ville således infiltrere og gjennomtrenge den fibrøse, isolerende plateforing resulterende i meget liten temperaturminsking gjennom den infiltrerte sonen. Under slike omstendigheter ville det smeltede aluminium passere fullstendig gjennom den isolerende foringen og ville nå og forårsake svikt i den ytre stålkassen i raffineringsbeholderen. Slik infiltrasjon av det smeltede metall til stålkassen kan åpenbart ikke tolereres.

Fagfolk på området vil forstå at problemet med slik infiltrasjon av smeltet aluminium i den ildfaste, fibrøse isolerende plateforingen i et raffineringssystem adskiller seg betraktelig fra behandlingen av et hardt, tett materiale som har en meget høyere densitet og en størrelsesorden større varmeledningsevne. Et slikt hardt, tett materiale er vanligvis utsatt for overflateforringelse som et resultat av grunn inntrengning av smeltet aluminium og resulterende kjemisk reaksjon. US patent 4.174.972 til Drouzy et al. beskriver tilsetning av alkali- eller jordalkalimetallfluorid for å hindre den gradvise overflatepenetrasjon av slikt hardt, tett, ildfast materiale med smeltet metall, slik som aluminium, hvilket vil resultere i svelling, sprekking og løsning av partikler av ildfast materiale fra foringen og deres uønskede tilstedeværelse i aluminiumprodukter. Det harde, tette, ildfaste materiale som Drouzy et al. refererer til, er ildfast materiale som har til hensikt å motstå kontakt med et smeltet aluminium i konvensjonell praksis, dvs. støpbar betong som har et høyt innhold av aluminiumoksyd-silisiumdioksyd, idet nevnte harde, tette materiale ikke er infiltrerbart av smeltet aluminium. Som angitt ovenfor er slikt konvensjonelt indre foringsmateriale i besittelse av egenskaper som høy densitet og høy varmeledningsevne sammenlignet med mindre tette materialer av mye lavere varmeledningsevne som normalt benyttes som isolerende foring, men ikke som et barrierelag for smeltet aluminium. Fra det ovenstående vil det forstås at det er et virkelig behov innen teknikken for utvikling av en varmeholdings- og raffineringsbeholder som innbefatter ildfast, fibrøst isolerende platemateriale som en metallbarriere, uten at en slik beholder er utsatt for urimelig aluminiuminfiltrasjon av nevnte ildfaste isolerende platemateriale som benyttes som en metallbarriere i beholderen.

Et formål ved foreliggende oppfinnelse er derfor å tilveiebringe en forbedret hel-ildfast beholder for varmeholding og raffinering av aluminium.

Et annet formål med oppfinnelsen er å tilveiebringe en hel-ildfast beholder for varmeholding og raffinering av aluminium hvor ildfaste, fibrøse isolerende materialer kan benyttes som en metallbarriere deri uten urimelig infiltrasjon av det isolerende platemateriale av aluminium under operasjonsbetingelsene som benyttes i beholderen.

Det er blitt konstruert hel-ildfaste beholdere for varmeholding og raffinering av aluminium hvor ildfast, fibrøst isolasjonsmateriale har virket som aluminiumbarriere, samt som et isolerende lag. Uønsket aluminiuminfiltrasjon av det isolerende materiale, som overraskende forekommer under operasjonsbetingelsene for nevnte beholdere, hindres ved tilstedeværelsen av små mengder metallfluorider som benyttes i slikt fibrøst isolerende materiale som anvendes som nevnte aluminiumbarriere.

Oppfinnelsens formål oppnås ved bruk av ildfaste, fibrøse isolasjonsmaterialer i beholdere for varmeholding og raffinering av aluminium som et aluminiumbarrierelag, hvor nevnte isolerende platemateriale har blitt fremstilt slik at det innbefatter metallfluorid deri som tjener til å hindre den overraskende aluminiuminfiltrasjon i de indre hulrom som ellers finnes å forekomme i forbindelse med slikt isolasjonsmateriale av lav densitet under de operasjonsbetingelser som typisk benyttes i slike beholdere. Mens slikt ildfast, fibrøst isolerende platemateriale av lav densitet og lav varmeledningsevne normalt ikke utsettes for aluminiuminfiltrasjon, som bekreftet av laboratorieforsøk hvor prøver av slikt materiale ble neddykket i smeltet aluminium i lengre tidsrom som angitt ovenfor, så finnes det at slik aluminium-inf iltrasj on inntreffer i aluminiumvarmeholdings- og raffineringsbeholdere som ikke omfatter foreliggende opp-f innelse.

Ifølge foreliggende oppfinnelse er det således tilveiebragt en beholder for varmholdig og raffinering av smeltet aluminium og legeringer derav, hvor et ytre beholderskall har en ildfast, isolerende foring på dets bunn og sidevegger, hvilken foring skal være ugjennomtrengelig for smeltet aluminium, kjennetegnet ved at det for i det minste en del av foringen er benyttet ildfast, fibrøst, isolerende materiale som har en densitet under 1,28 g/cm<3>, hvilket materiale har en varmeledningsevne på under 22,3 kcal•cm/m<2>•°C•h ved 815,6°C, idet det ildfaste, fibrøse, isolerende materiale inneholder alkali- eller jordalkalimetallfluorid eller fluorsilikat deri, idet beholderen eventuelt omfatter en hard, tett, indre ildfast foring anordnet på den indre overflaten av nevnte ildfaste, isolerende foring, hvor den indre foringen omfatter materiale av relativt høy varmeledningsevne og relativt lett rensing ved skraping av dets overflate, idet nevnte harde, tette foring har en densitet av størrelsesorden fra 2,56 til 2,88 g/cm<3>, hvor dens varmeledningsevne er av størrelsesorden fra 173,6 til 248 kcal'cm/m<2->

•°C-h ved 815,6°C.

Det benyttede metallfluorid eller fluorsilikat vil på effektiv måte hindre den uønskede infiltrasjon i den ildfaste, fibrøse, isolerende materialforingen som tjener som en barriere for smeltet aluminium. Beholderens ytre skall eller kasse kan typisk være av stål, som typisk har nevnte ildfaste isolerende foring av lav densitet på dens bunn og sidevegger. Nevnte isolasjon kan være mottagelig for passasje av smeltet aluminium derigjennom. Anordnet på innerveggene til den ildfaste foring av lav densitet er et behandlet, ildfast isolerende foringsmateriale som tjener som et ytterligere isolerende lag for beholderen. En indre sideveggg til det behandlede ildfaste isolerende laget kan være foret med en blokkforing av grafitt eller annet tett ildfast materiale av relativt høy varmeledningsevne. Det elektriske oppvarmingselementet er vanligvis anbragt i en åpning i nevnte blokkforing. De andre indre sideveggene og bunnen er foret med et relativt tynt lag av et egnet hardt, tett ildfast materiale som kan skrapes rent uten for sterk beskadigelse. Det er meget vanskelig å holde denne tette, ildfaste indre foring lekkasjetett slik at det behandlede ildfaste isolasjonslaget således tjener som en aluminiumbarriere i beholderen.

Det behandlede ildfaste isolasjonsmateriale, dvs. ildfast fibrøs isolerende plate eller ildfast fibrøs isolasjon i støpbar form, benyttet som et indre isolasjonslag og aluminiumbarriere, er som nevnt forsynt med en liten mengde metallfluorider eller fluosilikater som tjener til å hindre signifikant aluminiuminfiltrasjon i de indre hulrommene i nevnte plate eller støpbare isolasjon ved bruk i raffi-ner ingsoperas joner . Mekanismen som gjør at ildfast fibrøst isolerende platemateriale eller støpbar isolasjon, som ikke inneholder slike metallfluorider, er motstandsdyktige overfor aluminiuminfiltrasjon ved vanlig neddykkingstesting, er ikke helt ut forstått. Det antas imidlertid at grunnen til at metallinfiltrasjon i slik fibrøs isolasjon av lav densitet ikke synes å forekomme ved konvensjonell testing og bruk, er at det er tilstrekkelig tidligere oksygeninfiltra-sjon i isolasjonen, fra luften, til å hindre slik metallinfiltrasjon deri. Da små stykker av nevnte isolerende "PC-45"-platemateriale ble fullstendig neddykket i smeltet aluminium og holdt nede med en ikke-porøs stav, så ble det funnet at det ikke inntraff noen aluminiuminfiltrasjon i platen. Det viser seg at den lille mengde oksygen som inneholdes i porene i det fibrøse isolerende platemateriale var tilstrekkelig til å danne en oksydfilmbarriere på overflaten av platen slik at aluminiuminfiltrasjon deri på effektiv måte ble hindret.

I en test som gjentok så nært som mulig de betingelsene som forekommer bak grafittblokken med oppvarmingsanordning i en ildfast ovn eller varmeholdingsbeholder, dvs. stedet for den verste metallinfiltrasjonen, ble et stykke PC-45-platemateriale anbragt i et vertikalt grafittrør som var åpent i bunnen og hadde en gassforbindelse i toppen. Med nitrogen strøm-mende gjennom røret ble det neddykket i smeltet aluminium. Nitrogenstrømmen ble holdt høy nok til å holde flytende metall ifra å komme inn i røret. Systemet fikk forbli i denne tilstanden i 3 timer ved en metalltemperatur på 750-780°C, hvorved den typiske holdetiden benyttet for raffineringssystemets oppvarming før metallfylling ble simulert. I løpet av denne tiden hadde alt oksygenet som befant seg i porene i den fibrøse isolasjonsplaten tid til å diffundere ut av platen og eventuelle flyktige stoffer, inkludert vann, hadde tid til å bli fordampet og ført ut av platen av nevnte nitrogen. Det skal påpekes at i et virkelig raffineringssystem så blir nitrogenet som anvendes for å holde topprommet i raffineringsbeholderen inert, innført i oppvarmingsblokksonen for å holde denne delen av raffineringsbeholderen inert og således redusere oppvarmings-blokkoksydasjon.

I testen ble nitrogentrykket deretter redusert slik at det flytende metallet kunne stige opp inne i grafittrøret og skyve mot den nedre enden av isolasjonsplateprøven som ble testet. Noe gass fortsatte å strømme inn i grafittrøret og ut gjennom porene i grafitten. Testsystemet ble holdt i denne tilstand i løpet av testperioder fra 2 til 3 dager hvoretter gasstrykket ble øket for å skyve metallet tilbake ut av røret, og systemet ble fjernet for inspeksjonsformål.

Det ble funnet at det var mulig å fukte og infiltrere eller gjennomtrenge "PC-45"-isolasjonsplaten med det smeltede aluminium som ble benyttet i testen, dvs. aluminium inneholdende ca. 0, 2% Mg, idet rent aluminium ble antatt å ha samme effekt. Slik infiltrasjon inntraff også da nitrogen-gassen som ble benyttet for inertgjøring ved en feiltagelse inneholdt 20 ppm oksygen og 100 ppm vann. En aluminium-inntrengning på 0,95 cm inntraff således i løpet av en periode på 1 dag. Senere forsøk med en renere nitrogen-atmosfære resulterte i infiltrasjonsgrader på ca. 1,3 cm pr. dag i 3 dager. Det ble også funnet at da argon ble benyttet som inert gass istedenfor nitrogen, så ble det funnet at bare flekkvis fukting av overflaten og bare meget liten infiltrasjon i isolasjonsplatens indre hulrom, oppsto i løpet av en 3 dagers testperiode ved bruk av aluminium + 2$ Mg, som det vil forstås er en meget aggresiv legering. Anvendelsen av argongass for inertgjøring eller spyling kan således være en mulig løsning på problemet med aluminiuminfiltrasjon. Denne løsningen vil slik fagfolk på området lett vil forstå, være meget kostbar sett fra et operativt kostnadssynspunkt. En mer kostnadseffektiv løsning, slik som den ifølge oppfinnlsen, var således nødvendig for praktiske kommersielle aluminiumraff ineringsoperasj oner.

Tilstedeværelsen av et halogenid ble betraktet som en annen metode for å stoppe, eller i det minste redusere aluminium-fukting og —infiltrasjon i den ildfaste isolasjonen, slik som ved innføring av klor med nitrogenspylegassen. Slik bruk av klor ville imidlertid være farlig og ville også ha tendens til å forårsake korrosjon av metalldelene i raffinerings-systemet. Dersom kloridene skulle anbringes i isolasjonsplaten som vannoppløsninger, så ville den temmelig flyktige beskaffenhet av kloridene ved typiske raffineringstemperatu-rer og deres kontakt med aluminium ha tilbøyelighet til å resultere i dannelse av meget flyktig aluminiumklorid. Dette ville sannsynligvis forårsake at deres effektivitet hurtig minsket med operasjonstiden. I tillegg er mange slike kloridforbindelser hygroskopiske av natur og ville ha tendens til å fremme korrosjon av ståldeler selv ved romtemperatur. Flere av de metallfluoridene som anvendes i foreliggende oppfinnelse har meget høye smelte- og kokepunkter. Som angitt ovenfor var inkorporeringen av en liten mengde fluor i hard, tett, ikke-fibrøs, støpbar ildfast betong med høye nedbøyingstemperatur- og trykkfasthetsegenskaper, beskrevet i Drouzy et al.-patentet. Tilstedeværelsen av nevnte fluor, i form av et alkali- eller jordalkalimetallfluorid, angis å hindre materialet i massen, inneholdende AI2O3 og Si02, i å bli kjemisk eller fysiokjemisk angrepet av aluminiumet som på skadelig måte kan påvirke de ildfaste egenskapene til sementen i uakseptabel grad. Under henvisning til dette patentet så har B. Gnyra i Alcon International Limited i "Methods for Upgrading Common Silicate Refractories and Foundry Iron Implements Against the Attack of Molten Aluminium Alloys", Light Metals, 1986, angitt at de ildfaste materialene benyttet i aluminiumstøpeteknikken, aluminium-silikater, kalsiumsilikater, o.l., er utsatt for betydelig overflateangrep av smeltet aluminium, spesielt av dets mer aggresive legeringer. Gnyra angir en behandlingsmetode som innebærer bruk av en fluoridsaltoppløsning kombinert i mange tilfeller med anvendelse av ildfast pulver, beregnet for en silikat- og —fluorid-behandling. Fluoridoppløsningen fremstilles fra MgSiF^, • 6H20-krystaller. Dette ildfaste pulveret benyttes som en oppslemming som kan utelates ved behandling av glatte, ildfaste overflater. Det har også blitt bestemt at et mullitt (aluminiumoksyd-silisiumdiolksyd) —basert, støpbart materiale av høy densitet, dvs. DRI-LIFE støpbart materiale nr. 423-E av Diddier-Taylor, som angivelig er meget motstandsdyktige overfor overflateangrep av legeringer med høyt magnesium-aluminium-innhold, inneholder ca. lVt% > fluor i en uoppløselig form.

Ved utførelse av oppfinnelsen er inkorporeringen av små mengder kalsiumfluorid i den fibrøse, ildfaste, isolerende platen av lavere densitet, eller lik isolasjon i støpbar form, vanligvis foretrukket. Slik kalsiumfluorid har lav toksisitet og er tilgjengelig i pulverform til moderate priser. Som nevnt benyttes alkali- eller jordalkalimetall-fluorider eller fluorsilikater ved utførelse av oppfinnelsen. For eksempel kan aluminiumfluorid og manesiumfluorid inkorpo-reres i isolasjonen.

Den ildfaste fibrøse isolasjonen behandlet som beskrevet heri, hvor PC-45-isolerende platemateriale er et illustrerende eksempel, omfatter generelt et keramisk, fibrøst, ildfast isolerende materiale omfattende silisiumdioksyd og aluminiumoksyd. Vektforholdet til et slikt materiale vil forstås å variere avhengig av densiteten til forskjellige kommersielle kvaliteter av slikt isolerende platemateriale. Densiteter under 1,28 g/cm<3>, typisk fra 0,24-0,32 g/cm<3> opp til 0,88-1,12 g/cm<3> eller mer, fortrinnsvis fra 0,32 g/cm<3 >opp til 0,96 g/cm<3>, kan på effektiv måte benyttes ved utførelse av oppfinnelsen. Som angitt ovenfor har nevnte fibrøse isolerende platemateriale relativt lave nivåer for varmeledningsevne på mindre enn 22,3, typisk fra 12,4 til 19,8 ved 815,6°C, i motsetning til varmeledningsevnene generelt fra 173,6 til 248 i forbindelse med harde, tette ildfaste materialer som har densiteter av størrelsesorden fra 2,56 til 2,88 g/cm<3>. Metallfluosilikatet kan benyttes med hvilke som helst sammensetninger for fibrøst, ildfast, isolerende materiale. Når metallfluorider alene benyttes, så oppnås imidlertid de beste resultatene når det fibrøse, isolerende materiale som benyttes ved utførelse av foreliggende oppfinnelse, innbefatter et silisiumdioksyd-bindemiddel.

Ifølge foreliggende oppfinnelses prinsipp kan det inkor-poreres av fra 0,5 opp til 5,0 vekt-# eller mer av nevnte metallfluorid eller fluorsilikat, dvs. alkali- eller jordalkalimetallfluorid, i den ildfaste, fibrøse isolasjonen av lav densitet som benyttes i den forbedrede beholder for varmeholding og raffinering av smeltet aluminium som beskrevet heri. Mens tykkelsen på den behandlede ildfaste, fibrøse isolasjonen som anvendes ved utførelse av oppfinnelsen kan variere avhengig av operasjonsbetingelsene som råder i forbindelse med en gitt aluminiumanvendelse, så vil det forstås at utenfor, dvs. den kjølige siden av beholderens aluminiumbarriereforing, dvs. siden mot beholderens ytre stålkasse, må befinne seg under smeltepunktet til aluminium for å sikre seg mot svikt i den ytre kassen p.g.a. fullstendig infiltrasjon av smeltet aluminium gjennom beholder-isolasjonen. Oppfinnelsen omfatter enten anvendelse av det behandlede fibrøse, isolerende platemateriale for hele den nødvendige isolerende foringstykkelsen eller anvendelse av en tilstrekkelig mengde av det behandlede fibrøse, isolerende platemateriale, eller slikt fibrøst isolerende materiale i støpbar form, for vesentlig å hindre uønsket aluminiuminfiltrasjon, sammen med et ytterligere ytre lag av ubehandlet ildfast, isolerende platemateriale for derved å sikre at den ytre temperaturen hos nevnte behandlede isolerende foring således befinner seg under smeltepunktet til aluminium. Fagfolk på området vil forstå at isolasjon av relativt høyere densitet generelt er mer varmeledende enn materialet av lavere densitet, slik som den ubehandlede isolasjon av relativt lav densitet som typisk benyttes som ytre isolerende lag i raffineringsbeholderen. I en typisk, illustrerende raffineringsbeholder vil 15,2 eller 17,8 cm isolasjon vanligvis bli benyttet, idet f.eks. ca. 10,2 cm av behandlet fibrøst isolerende "PC-45" platemateriale er støttet opp av 7,6 cm ubehandlet isolasjonsmateriale av generelt lav densitet. I utførelser hvor et fibrøst, isolerende platemateriale av lavere densitet, f.eks. ca. 0,48 g/cm<3>, anvendes i behandlet form, så kan en typisk beholderforing omfatte 7,6 cm behandlet materiale og 10,2 cm ubehandlet materiale av lav densitet. Mens det generelt er ønskelig kun å benytte slikt behandlet fibøst, isolerende platemateriale som er nødvendig for en gitt beholderanvendelse, så påpekes det igjen at av prismessig grunner, o.l., så kan hele tykkelsen på beholderforingen omfatte nevnte behandlede fibrøse isolerende platemateriale eller støpbare platemateriale uten støtte eller oppbakking på den kjølige ytre siden av ubehandlet isolerende platemateriale tilstøtende nevnte kasse.

Det vil forstås at forskjellige endringer og modifikasjoner kan foretas i forbindelse med oppfinnelsens detaljer eller ved fremstilling av det behandlede, fibrøse platemateriale, eller slikt isolerende materiale i støpbar form, for bruk ved utførelse av oppfinnelsen uten å fravike oppfinnelsens ramme. Det er således kjent at det kommersielt tilgjengelige fibrøse, ildfaste isolerende platemateriale eller nevnte isolerende materiale i støpbar form, kan fremstilles ved forskjellige fremstillingsteknikker ved bruk av forskjellige ildfaste material-bindemiddelsammensetninger. For oppfinnelsens formål kan metallfluoridadditivet tilsettes til sammensetningen og grundig blandes med denne på en hvilken som helst måte som er hensiktsmessig og forenlig med den fremgangmåte som er benyttet for fremstilling av den ildfaste isolasjonen. Selv om det behandlede, ildfaste isolerende laget kan omfatte den indre overflaten av varmholdings- eller raffineringsbeholderen, så vil det også forstås at innsiden av beholderen vanligvis og fortrinnsvis vil bli foret med et hardt, tett, ildfast materiale av relativt høy varmeledningsevne, hvilket materiale er lett å rense ved skraping, o.l. Aluminiumoksyd, silisiumdioksydkarbid og grafitt er illustrerende eksempler på et egnet innerforingsmateriale som sørger for lett rensing og vedlikehold. Som angitt ovenfor blir en blokkforing av grafitt typisk benyttet for veggen eller veggene på innsiden av raffineringsbeholdere hvor det er ønskelig å anbringe elektriske oppvarmingsanordninger i nevnte sidevegg eller —vegger. P.g.a. muligheten for oksydasjon av grafitten under oksydasjonsbetingelsene som typisk råder i beholdere som benyttes for varmholdig og raffinering av aluminium, så anvender slike beholdere vanligvis en indre grafittforing bare i den sidevegg hvor det er ønskelig å anbringe slike elektriske oppvarmingsanordninger .

Fagfolk vil videre forstå at ved konstruksjon av en foring av fibrøse isolerende platematerialer eller slikt materiale i støpbar form, så er det vanlig, men ikke vesentlig, å fylle eventuelle sammenføyninger med en egnet ildfast sement for å redusere de åpne rommene mellom det isolerende materiale så mye som mulig. De fibrøse isolerende platene eller støpbare materiale blir også generelt, men ikke vesentlig, belagt på alle overflatene med et forseglingsmiddel. Det har f.eks. blitt funnet ønskelig å benytte en kommersiell PC-ekstender, markedsført av Rex-Roto Corporation, som en fyllstoffsement, med en liten mengde metallfluorid, f.eks. 2,5 vekt-% CaF£, tilsatt dertil. For forseglingsmiddelet er PC-forseglingsmiddelet markedsført av Rex-Roto Corporation, ønskelig med metallhalogenidadditv, f.eks. 5 vekt-# CaF£, hensiktsmessig og effektivt.

Ved bruk av varmholdings- og raffineringsbeholderne for aluminium som oppfinnelsen er rettet mot, så blir inert-gjøringen av topprommet i beholderen ved bruk av nitrogen, argon eller annen inertgjørende gass, typisk utført ved innføring av den inertgjørende gassen i oppvarmingsblokksonen for å gjøre dette område inert, og således redusere opp-varmingsblokk-oksydasjon. Mens denne ønskede prosedyre antas å gjøre det mulig for oksygenet som er til stede i porene i isolasjonen, hvilket leder til den uønskede aluminiuminfiltrasjon i isolasjonen, så vil det forstås at andre betingelser som råder i raffineringsbeholderen også kan tjene til å overvinne problemet vd bruk av det behandlede ildfaste, fibrøse isolerende platemateriale eller slikt materiale i støpbar form ved utførelse av oppfinnelse. Mens problemet med uønsket aluminiuminfiltrasjon i de indre hulrom i det fibrøse, isolerende platematerialet eller støpbare materiale av relativt lav densitet, har blitt funnet å oppstå hurtigst i det ildfaste, fibrøse materiale som befinner seg umiddel-bart rundt grafittoppvarmingsblokken, så vil det forstås at nevnte . infiltrasjon også kan forekomme, skjønt ved en langsommere hastighet, i andre deler av beholderforingen. Foreliggende oppfinnelse muliggjør at slik aluminiumilfiltra-sjon effektivt hindres i alle deler av beholderforingen hvor det "behandlede ildfaste, fibrøse, isolerende materiale er benyttet.

I de ovenfor beskrevne laboratorietestmetoder som benytter behandlet fibøst ildfast, isolerende platemateriale inneholdende 2% CaF2 i "PC-45 "-platematerialet, ble ingen infiltrasjon i de indre porene deri av aluminium funnet å inntreffe i løpet av 3 dagers testing ved 750°C. I kommersielle aluminiumraffineringsbeholdere kan det være ønskelig å benytte er høyere konsentrasjon av CaFg eller annet metall-halogenid, spesielt for legeringer med høyt Mg-innhold. Fem konstruerte aluminiumraffineringssystemer hvor det benyttes behandlet fibrøs isolasjon inneholdende 2% kalsiumfluorid, har vært i kommersiell operasjon i flere måneder, og ingen av disse systemene har utviklet varme flekker. Tre tidligere systemer konstruert uten bruk av nevnte behandlede fibrøse isolasjon utviklet derimot varme flekker p.g.a. aluminiuminfiltrasjon i løpet av noen ukers operasjon. Et system innbefattende nevnte behandlede isolasjon ble fjernet fra operasjon etter to måneders drift p.g.a. problemer som ikke var forbundet med isolasjonen. Da dette systemet ble delvis demontert for inspeksjon, ble det funnet at det ikke hadde vært noen infiltrasjon i det behandlede fibrøse, isolerende platemateriale av smeltet aluminium.

Det vil fremgå at foreliggende oppfinnelse representerer et vesentlig teknisk fremskritt ved at den overvinner et større problem som gjør seg gjeldende i praktiske kommersielle operasjoner. Ved tilveiebringelse av en måte for hindring av smeltet aluminiuminfiltrasjon i den isolerende beholderforingen, gjør oppfinnelsen det mulig å benytte raffineringsbeholdere av hensiktsmessig størrelse og uten for stort varmetap i lengre operasjonsperioder før vedlikehold, hvilket i stor grad øker den totale ønskelighet av og effektivitet for kommersielle aluminiumraffineringsoperasjoner.

Claims (9)

1. Beholder for varmholding og raffinering av smeltet aluminium og legeringer derav, hvor et ytre beholderskall har en ildfast, isolerende foring på dets bunn og sidevegger, hvilken foring skal være ugjennomtrengelig for smeltet aluminium, karakterisert ved at det for i det minste en del av foringen er benyttet ildfast, fibrøst, isolerende materiale som har en densitet under 1,28 g/cm<3>, hvilket materiale har en varmeledningsevne på under 22,3 kcal•cm/m<2>•°C*h ved 815,6°C, idet det ildfaste, fibrøse, isolerende materiale inneholder alkali- eller jordalkalimetallfluorid eller fluorsilikat deri, idet beholderen eventuelt omfatter en hard, tett, indre ildfast foring anordnet på den indre overflaten av nevnte ildfaste, isolerende foring, hvor den indre foringen omfatter materiale av relativt høy varmeledningsevne og relativt lett rensing ved skraping av dets overflate, idet nevnte harde, tette foring har en densitet av størrelsesorden fra 2,56 til 2,88 g/cm<3>, hvor dens varmeledningsevne er av størrelsesorden fra 173,6 til 248 kcal•cm/m<2>•°C•h ved 815,6°C.

2. Beholder ifølge krav 1, karakterisert ved at det isolerende materiale inneholder et metallfluorid, fortrinnsvis kalsiumfluorid.

3. Beholder ifølge krav 1, karakterisert ved at det isolerende materiale inneholder et fluorsilikat .

4 . Beholder ifølge krav 1, karakterisert ved at det ildfaste, fibrøse isolerende materiale har en densitet fra 0,24 til 1,12 g/cm<3>, spesielt fra 0,32 til 0,96 <g>/cm3.

5 . Beholder ifølge krav 1, karakterisert ved at metallf luoridet er til stede i en mengde i området fra 0,5 til 5 vekt-# basert på vekten av det ildfaste, fibrøse, isolerende materiale.

6. Beholder ifølge krav 1, karakterisert ved at det ildfaste fibrøse isolerende materiale omfatter fibrøst isolerende platemateriale, fortrinnsvis i støpbar form.

7. Beholder ifølge krav 1, karakterisert ved at minst en sidevegg i nevnte harde, tette, indre ildfaste foring har en indre foring av grafittblokk, og innbefatter elektriske oppvarmingsanordninger anordnet inne i nevnte grafittblokk.

8. Beholder ifølge krav 7, karakterisert ved at den ildfaste, fibrøse isolerende foring omfatter i det minste den indre delen av sideveggen rundt grafittblokken.

9. Beholder ifølge krav 7, karakterisert ved at den ildfaste, fibrøse isolerende foring omfatter isoleringen av alle veggene i beholderen.