NO305548B1 - St°pbart ildfastmateriale med lavt sementinnhold samt fremgangsmÕte for fremstilling og installering derav - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører et støpbart lldfastmaterlale med lavt sementlnnhold og en fremgangsmåte for fremstilling og installering derav.

Et antall støpbare ildfastmaterialer med lavt sementlnnhold har vært utviklet for anvendelse innen aluminiumindustrien. Disse støpbare ildfastmaterialene består av en blanding av kalsinert aggregat, sementer og fyllstoffer som blandes i forskjellige andeler tilpasset de spesifikke anvendelsene. Det kalsinerte aggregatet er valgt fra en rekke materialer innbefattende lagdelt aluminiumoksyd, bauxitter, kaoliner og andre leirer, og bidrar normalt opp til 95 vekt-# av den endelige ildfastblandingen.

Karakteristika og egenskaper for støpbare materialer med lavt sementlnnhold sammenlignet med konvensjonelle støpbare ildfastmaterialer innbefatter: (i) Et lavt fuktighetskrav under blanding. Dette resulterer i et brent lldfastmaterlale med høyere densitet og lavere porøsitet. (ii) Høyere styrker i herdet og brent tilstand, spesielt i temperaturområdet på 600-1100<0>C. (ili) Større kjemiskresistens og erosjonsresistens mot smeltede metaller og slagg. (iv) Høyere ildfasthet og større termisk sjokkresistens.

Selv om de er overlegne konvensjonelle støpbare materialer er en ulempe ved de støpbare materialene med lavt sementinnhold som nå er tilgjengelige, deres mottagelighet for kjemiske angrep og erosjon. Dette nødvendiggjør et relativt hyppig ovn- eller digelstengnings/erstatningsprogram og reduserer følgelig produktiviteten. Når det benyttes som et bærerlag i reduksjonsceller, fører en gradvis nedbrytning av ildfast materialet over tid til eksponering av de underliggende isolasjonslagene mot det aggressive cellemiljøet. Dette vil til slutt resultere cellesammenbrudd og stengning, men før dette en gradvis økning i cellespenning og følgelig et resulterende tap i energieffektivitet.

En ytterligere ulempe ved støpbare materialer med lavt sementlnnhold som i dag er tilgjengelige, er deres høy pris sammenlignet med konvensjonelle støpbare ildfastmaterialer. Dette er i stor grad en følge av aggregatmaterialet; førsteklasses kalsinerte mineraler har vært benyttet utelukkende for disse formålene.

Det foreligger klart et behov for et billig, kjemisk resistent, støpbart lldfastmaterlale med lavt sementlnnhold for anvendelse innen aluminiumindustrien, og det er et formål med foreliggende oppfinnelse å tilveiebringe et slikt støpbart lldfastmaterlale og en fremgangsmåte for fremstilling av dette.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et støpbart lldfastmaterlale med lavt sementlnnhold, kjennetegnet ved at det innbefatter 85 til 96 vekt-# av et kalsinert ultrafin bauxitt-aggregat, hvori den ultrafine bauxitten som danner aggregatet er kjennetegnet ved agglomererte partikler av en størrelse på mindre enn 6 pm, 2 til 10 vekt-% av et egnet sementmateriale, 0 til 8 vekt-# av et tiksotropisk middel og 0 til 2 vekt-# av egnede deflokkuleringsmidler og myknere.

Det kalsinerte fine bauxitt-aggregatet er fortrinnsvis kjennetegnet ved en partikkelstørrelse på mindre enn 1 pm, så som såkalt "ultrafin" bauxitt som forekommer naturlig ved spesifikke bauxittforekomster, for eksempel ved Weipa-forekomsten i Nord-Australia. Slik ultrafin bauxitt tas vanligvis fra forekomst og tørkedammer og må derfor behandles for å danne en håndterbar fordeling av størrelsesfraksjoner.

For eksempel er følgende fordeling funnet å gi egnede resultater:

Naturligvis kan akseptable resultater oppnås ved findeling av større bauxittpartikler, og selv om dette ville et dyrere prosessvalg ville det resulterende støpbare ildfastmaterialet likevel gi økonomiske og funksjonsmessige fordeler sammenlignet med de hittil kjente støpbare materialene med lavt sementlnnhold.

Sementmaterialet kan innbefatte kalsiumaluminatsement, som fortrinnsvis har et aluminiumoksydinnhold på 40-85$.

De kjemiske binde- og tiksotropiske midlene inneholder fortrinnsvis mikrofint silisiumoksyd, reaktivt aluminiumoksyd og aluminiumfosfater. De uorganiske deflokkuleringsmidlene og myknerene inneholder fortrinnsvis alkalifosfater, ligno-sulfonater og naftalensulfonater.

Den nye typen lldfastmaterlale har mange anvendelser, men er spesielt egnet i områder hvor resistens ovenfor smeltet aluminium og/eller kryolitt (NasAlF^) er påkrevet. For eksempel som et lldfastmaterlale for foring av aluminium-holdige ovner eller for konstruksjonen av Hall Heroult reduksjonsceller. I det sistnevnte tilfellet er det nye ildfastmaterialet ment å tjene som en barriere eller et beskyttelseslag mellom den karbonholdige katoden og den underliggende isolasjonen.

Ildfastmaterialet ifølge oppfinnelsen har betydelige fordeler sammenlignet med konvensjonelle materialer som i dag anvendes for disse anvendelsene; spesielt dets ekstreme kjemiske resistens ovenfor det aggressive miljøet med smeltet aluminium og kryolitt. En del av denne kjemiske resistensen kan tilskrives valget og egenskapene for ildfastaggregatet; ifølge foreliggende oppfinnelse et kalsinert ultrafint bauxittbasert materiale.

Oppfinnelsen tilveiebringer videre en fremgangsmåte for fremstilling av et støpbart lldfastmaterlale med lavt sementlnnhold, kjennetegnet ved at den innbefatter blanding av 85 til 96 vekt-# av et kalsinert, ultrafin bauxitt-aggregat, hvori den ultrafine bauxitten som danner aggregatet er kjennetegnet ved agglomererte partikler som har en størrelse på mindre enn 6 pm, 2 til 10 vekt-# av en egnet sement, 0 til 8 vekt-# av et tiksotropisk middel, og 0 til 2 vekt-# av egnede deflokkuleringsmidler og myknere.

I en foretrukket utførelsesform av oppfinnelsen er det fine bauxitt-aggregatet fortrinnsvis såkalt "ultrafin" bauxitt-aggregat som er oppnådd ved anrikning av bauxittmalm. Det ultrafine bauxittmaterialet er fortrinnsvis soltørket til et fuktighetsinnhold av størrelsesorden 2-10$, oppbrutt, knust og siktet til acidulære biter av den ønskede granulometrien og kalsinert ved en temperatur over 1350°C. Det ultrafine bauxitt-aggregatet størrelsesbestemmes fortrinnsvis slik at man oppnår en fordeling i området på:

En teknikk for fremstilling av et støpbart ildfastmateriale med lavt sementlnnhold ifølge foreliggende oppfinnelse innbefatter følgende trinn: (i) Anrikning av bauxittmalmen for å utvinne den ultrafine fraksjonen. (ii) Soltørking av det ultrafine bauxittmaterialet til et ønsket fuktighetsinnhold (0-10$). (ili) Oppbrytning av det soltørkede ultrafine materialet.

De ultrafine partiklene danner klumper av agglomerert kake. (iv) Nedknusning og sikting av det agglomererte ultrafine materialet til acidulære biter av en ønsket granulo-metri (nominelt mindre enn 10 mm). (v) Kalsinering av de ultrafine bitene, ved temperaturer over 1350°C. Den optimale kalsineringstemperaturen vil avhenge av den kjemiske sammensetningen for den ultrafine bauxitten. (vi) Tørrblanding av aggregatet og andre bestanddeler av

lldfastmaterlale til en ønsket sammensetning.

Den resulterende støpbare blandingen blandes deretter med vann, herdes og brennes for å fremstille det endelige ildfastmaterialet.

Det første trinnet i fremstillingen av det støpbare materialet som beskrevet ovenfor, innbefatter fremstillingen av det kalsinerte, ultrafine aggregatmaterialet. Når dette er naturlig forekommende, må det ultrafine materialet separeres fra den øvrige delen av forekomsten ved anrikning. Dette oppnås best ved en vannvaskings- eller siktingsprosess. Det ultrafine materialet pumpes så til en avgangsdam for sedimentering og soltørking. Som et optimalt trinn kan den ultrafine oppslemmingen først klassifiseres for å sikre at alle partikler med diameter større enn 10 mikrometer er fjernet.

Under soltørkingsprosessen danner de ultrafine partiklene en kake som inneholder rundt 0-10$ fuktighet. Denne kaken deles og knuses til en optimal aggregatstørrelsesfordeling. Aggregatet kalsineres deretter ved temperaturer over 1350°C. Egnede kalsineringsinnretninger innbefatter, men er ikke begrenset til, rotasjonsovner, fluidiserte sjikt og gass-suspensjonskalsineringsinnretninger.

Det støpbare ildfastmaterialet fremstilles på følgende måte. Ildfast ultrafint bauxitt-aggregat størrelsesbestemmes slik at det oppnås en fordeling i følgende område:

Rundt 85-96 vekt-$ av dette aggregatet tørrblandes med 2-10 vekt-$ kalsiumaluminatsement, 0-8 vekt-$ av et kjemisk bindende og tiksotropisk middel og 0-2 vekt-$ av et egnet deflokkuleringsmiddel og mykner. Kalsiumaluminatsementen kan være et hvilket som helst kommersielt tilgjengelig produkt med et aluminiumoksydinnhold varierende innenfor 40-85$. Det kjemisk bindende og tiksotropiske midlet kan være et hvilket som helst kommersielt tilgjengelig produkt eller produkter inneholdende mikrofint silisiumoksyd, reaktivt aluminiumoksyd og aluminiumfosfater. Deflokkuleringsmidlet og mykneren kan være et hvilket som helst kommersielt tilgjengelig alkalifos-fat eller polyfosfatlignosulfat eller naftalensulfonat.

Kalsiumaluminatsementen og det kjemisk bindende og tiksotropiske midlet forblandes i en egnet pulverblandeenhet, for eksempel i en blander av V/-type. Blanding utføres inntil et homogent pulver er oppnådd. De forblandede komponentene blandes deretter med aggregatfraksjonene i en blander av trommel eller båndtypen. Tørrblandingen lagres i lufttette poser inntil det er klart for støping.

Raffinerte eller uraffinerte sjeldne jordarter (for eksempel monazitt eller bastnasitt) og andre ikke-fuktende midler (for eksempel BaS04) kan tilsettes til det støpbare materialet for ytterligere å forbedre dets kjemiske resistens. Andre potensielle additiver innbefatter kalsinert kaolin, leire og andre aggregatmaterialer av høy verdi. I tillegg, eller alternativt, kan organiske eller metalliske fibre tilsettes til aggregatet for å lette raskere brenning i det første tilfellet og forbedre den mekaniske styrken i det andre tilfellet.

Foreliggende oppfinnelse omfatter også en fremgangsmåte for installering av det støpbare ildfastmaterialet med lavt sementlnnhold, som omtalt ovenfor, kjennetegnet ved at den innbefatter blanding av den tørre blandingen av støpbart lldfastmaterlale med lavt sementlnnhold med 2 til 10 vekt-$ vann, etterfulgt av behandling for å fjerne innesluttet luft, herding og oppvarming til driftstemperaturen for ildfastmaterialet.

Det støpbare materialet installeres følgelig ved blanding av det tørre støpbare materialet med 2-10 vekt-$ av rent vann, og en ildfast sementblander med høy skjærbelastning benyttes for å oppnå blanding. Blanding utføres inntil alle partiklene er uniformt fuktet. Det støpbare materialet plasseres i posisjon og vibreres med indre "poker"-vibrasjoner eller ytre overflate-vibrasjoner. En vibrasjonsfrekvens på 3000-18000 vibrasjoner pr. minutt er anbefalt.

Den støpbare sammensetningen herdes i luft i 24 timer før oppvarming. Oppvarmingshastigheten må være langsom nok til å tillate fuktighet å unnslippe uten mekanisk skade. Oppvarming eller brenning fortsettes inntil driftstemperaturen, det vil si 1000°C, er nådd.

Spesifikt eksempel

Ildfast ultrafin bauxitt-aggregat ble fremstilt med ultrafin bauxitt selektivt utvunnet fra avgangsdammen ved Weipa-anrikningsanlegg. De tørkede klumpene ble knust i en kjeveknuser og kalsinert i en oljefyrt rotasjonsovn ved en temperatur på 1400-1450°C. Den fine fraksjonen (-250 mikrometer) ble produsert ved våtmaling av det grovere aggregatet (3-5 mm) i en kulemølle foret med keramisk materiale med keramiske malekuler.

Den kjemiske sammensetningen av det ildfaste ultrafine bauxitt-aggregatet er angitt nedenfor:

Det ildfaste ultrafine bauxitt-aggregatet ble størrelsesbe-stemt til følgende fordeling for den støpbare sammensetningen :

Det størrelsesbestemte ultrafine aggregatet ble deretter blandet med andre bestanddeler i en laboratorie V-blander, i fø1gende andeler:

Kalsiumaluminatsementen, det mikrofine silisiumoksydet, reaktivt aluminiumoksyd og natriumpolyfosfatkomponentene var forblandet før tilsatsen av ildfastaggregatet.

Den tørre støpbare blandingen ble deretter plassert i en Hobart-blander, og 5 vekt-# vann ble tilsatt. Blandingen ble utført inntil en "ball in hand"-test indikerte at materialet var klart for støping. Den våte blandingen ble støpt i 75 mm kuber ved anvendelse av et vibrerende bord drevet ved 11000 vibrasjoner pr. minutt. Blokkene ble hensatt i formene ved romtemperatur i 24 timer. Det ble tørket ved 100° C i 24 timer og deretter oppvarmet til 400°C ved 50°C/time. De ble holdt ved 400° C i 3 timer og oppvarmet til 1000° C ved 100°C/time. De ble holdt ved 1000°C i 2 timer og ble avkjølt i ovnen.

Blokkene ble undersøkt med hensyn på densitet, porøsitet og kaldknusestyrke i henhold til ASTM og britiske standarder. Resultatene er angitt nedenfor:

For å bestemme den kjemiske resistensen av de støpte prøvene ble det boret hull med diameter 28 mm i de brente blokkene til en dybde av 35 mm. Smeltet aluminium- og kryolittkopp- tester ble utført med 7075 alumlniumlegering og kryolittbad av følgende sammensetning:

Kryolittkopptestene ble utført ved 1000°C i 24 timer og alumlnlumkopptestene ved 1000°C 1 72 timer. Etter avkjøling ble prøvene delt og omfanget av angrepet på ildfastmaterialet ble observert.

Sammenligningsforsøk på et kommersielt tilgjengelig støpbart ildfastmateriale med lavt sementlnnhold med et tilsvarende aluminiumoksydinnhold viste at omfanget av angrepet forår-saket av kryolitt er langt mindre alvorlig i tilfellet med den støpbare sammensetningen ifølge foreliggende oppfinnelse. I tilfellet med tre kommersielle ildfastmaterialer med lavt sementlnnhold var de observerte korroderte arealene 3,1 cm<2>, 3,6 cm<2>og 2,5 cm2 , mens det korroderte arealet i ildfastmaterialet ifølge oppfinnelsen var 0,9 cm<2>, hvilket represen-terer en betydelig forbedring.

I tilfellet med aluminiumkoppforsøkene var de kommersielt tilgjengelige ildfastmaterialene med lavt sementlnnhold kjennetegnet ved store sort/gråarealer av korrundum, hvilket indikerer angrep og penetrering ved det smeltede aluminiumet i ildfastlegemet. Ildfastmaterialet ifølge oppfinnelsen viste ingen fukting av aluminium og ingen reaksjon, hvilket igjen indikerer en betydelig forbedring.

Innholdet av den provisjonelle beskrivelsen som ledsager australsk patentsøknad nr. PJ 0780 er innbefattet heri ved kryssreferanse.

Claims (8)

1. Støpbart lldfastmaterlale med lavt sementlnnhold,karakterisert vedat det innbefatter 85 til 96 vekt-$ av et kalsinert ultrafin bauxitt-aggregat, hvori den ultrafine bauxitten som danner aggregatet er kjennetegnet ved agglomererte partikler av en størrelse på mindre enn 6 pm, 2 til 10 vekt-$ av et egnet sementmateriale, 0 til 8 vekt-$ av et tiksotropisk middel og 0 til 2 vekt-$ av egnede deflokkuleringsmidler og myknere.

2. lldfastmaterlale ifølge krav 1,karakterisertved at det kalsinerte, ultrafin bauxitt-aggregatet er størrelsesbestemt og nedmalt i det vesentlige i henhold til følgende fordeling:

3. lldfastmaterlale ifølge krav 1 eller 2,karakterisert vedat sementmaterialet er kalsiumaluminatsement som har et aluminiumoksydinnhold på 40 til 85$.

4. lldfastmaterlale ifølge krav 1, 2 eller 3,karakterisert vedat de tiksotropiske midlene inneholder materialer valgt fra mikrofint silisiumoksyd og/eller reaktivt aluminiumoksyd, og nevnte deflokkuleringsmidler og myknere er valgt fra alkalifosfater, lignosul-fonater eller naftalensulfonater.

5. Fremgangsmåte for fremstilling av et støpbart lldfastmaterlale med lavt sementlnnhold,karakterisertved at den innbefatter blanding av 85 til 96 vekt-$ av et kalsinert, ultrafin bauxitt-aggregat, hvori den ultrafine bauxitten som danner aggregatet er kjennetegnet ved agglomererte partikler som har en størrelse på mindre enn 6 pm, 2 til 10 vekt-$ av en egnet sement, 0 til 8 vekt-$ av et tiksotropisk middel, og 0 til 2 vekt-$ av egnede deflokkuleringsmidler og myknere.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5,karakterisertved at de ultrafine bauxitt-partiklene agglomereres, tørkes til et fuktighetsinnhold av størrelsesorden 2 til 10$, utvinnes, knuses og siktes til acikulaere biter av den ønskede granulometrien og kalsineres ved en temperatur over 1350°C.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 5 eller 6,karakterisert vedat ultrafin bauxitt-aggregatet størrelses-bestemmes i det vesentlige i henhold til følgende fordeling:

8. Fremgangsmåte for installering av det støpbare ildfastmaterialet med lavt sementlnnhold ifølge krav 1,karakterisert vedat den innbefatter blanding av den tørre blandingen av støpbart lldfastmaterlale med lavt sementlnnhold med 2 til 10 vekt-$ vann, etterfulgt av behandling for å fjerne innesluttet luft, herding og oppvarming til driftstemperaturen for ildfastmaterialet.