NO310728B1 - Fremgangsmåte og utstyr for skumming - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte samt utstyr for dannelse/opprettholdelse av skum i en prosess. Spesielt relateres oppfinnelsen til metallurgiske prosesser som utføres ved høye temperaturer.

Ved behandling av metall, som f. eks stål i en lysbueovn, vil det kunne dannes et slaggsjikt på overflaten av det smeltede metall. Slaggsjiktets beskaffenhet vil blant annet være avhengig av eventuelle forurensinger og tilsatsmidler i det nedsmeltede metallet.

I den senere tid har stålprodusenter forsøkt å skumme opp slaggsjiktet da dette kan gi prosesstekniske fordeler. Et oppskummet slaggsjikt vil gi bedre isolerende egenskaper hvilket innebærer mindre varmetap ut av lysbueovnen samt mindre termisk påkjenning og forbruk av foringer i ovnens øvre partier. Sistnevnte vil innebære mindre stillstand og reparasjonsarbeider av ovnen. Mindre varmetap vil videre redusere energiforbruket, samtidig som tidsforbruket mellom tappingene vil bli mindre. Et skummet slaggsjikt kan også bidra til redusert spesifikt elektrodeforbruk samt redusere støvmengden som følger avgassene fra ovnen til renseanlegget. Videre reduseres støy fra ovnen, samt at arbeidsmiljøet bedres.

Referansen "Richard Mader, Peter Hoffmann, Wilfried Stein, Karl Stein, Fachbereite Huttenpraxis Metallweiterverarbeitung, Vol. 25, No. 1,1987, sidene 16-17", angår skumming av slaggsjikt i forbindelse med lysbueovner. I referansen beskrives kalk, dolomitt, bauxit som slaggdannere. Det beskrives tilførsel av kull og oksygen til smeiten for frigivelse av CO som vil resultere i skumming av slagget over smeiten. Videre beskrives utstyr for å blåse inn skumdannende kull under slaggsjiktet i ovnen ved benyttelse av en lanse. Det beskrives også et utstyr som vedrører dosering av kalk gjennom flere åpninger i et lokk i lysbueovnen.

I DE 196 08 530 C2 beskrives anvendelse av C02som en bæregass for tilførsel av faststoffer til undersiden av en slaggoverflate i en lysbueovn for skumming av slagget. Faststoffene kan blant annet utgjøres av jern eller jernholdige partikler, kull eller kullholdig avfall.

Tilførsel av skumdannende materialer i henhold til kjente teknikker i dag medfører gjerne at det kreves en etterbehandling av smeiten for fjernelse av disse, evt. tilsetning av ferrosilisium. Blant annet vil tilførsel av karbon og oksygen i kromholdige ferrolegeringer for skumdannelse i slaggsjiktet medføre at smeiten tappes for legeringselementet krom idet dette vil danne kromoksid i slaggsjiktet.

Foreliggende oppfinnelse baserer seg på tilførsel av et skummende middel som vil gjøre en etterbehandling av smeiten/slaggen grunnet det skummende middel mindre påkrevet. Utøvelsen av oppfinnelsen baserer seg på at karbondioksid i fast form (tørris) tilføres slagget/smeiten, og vil sublimere der.

Tørris sublimerer ved tilstrekkelig høye temperaturer (høyere enn ca. -78°C ved atmosfærisk trykk). Ved sublimeringsprosessen dannes det C02-gass. Det er ved forsøk påvist at sublimasjonen av tørris vil være forholdsvis langsom også ved langt høyere temperaturer, så som i et slaggsjikt. Dette kan forklares ved at sublimasjonsgassen under gitte vilkår danner et isolerende sjikt rundt tørrisens overflate.

Ved injeksjon av tørrispartikler til et slaggsjikt eller til et område beliggende like under dette, kan det produseres et stort antall bobler pr. partikkel. Dette vil avhenge av kinetikk, strømningsforhold og fuktingsforhold. Ved innblåsing av tørrispartikler ved hjelp av en bæregass vil partiklene penetrere slaggsjiktet blant annet i avhengighet av partikkelstørrelse og gasstrømningshastighet. Fortrinnsvis kan CO2 gass benyttes som bæregass. Tørrisen kan eventuelt injiseres direkte i slaggsjiktet.

Det er utført et teoretisk studie for å belyse hvor mye en tørrispartikkel vil bli redusert med hensyn til sublimasjon før den kommer inn i slaggsjiktet, det vil si under transporten frem til slaggen. Tørrisen innblåses ved hjelp av en dyse eller lanse. Utstyret kan i hovedsak være tilsvarende det som i dag benyttes for tilførsel av karbonpartikler ved hjelp av en bæregass (luft), med nødvendig tilpasning for håndtering av et kryogent middel.

Penetrasjonseffektiviteten rjp er definert som andelen partikler som penetrerer grenseflaten mellom gass og væske. Med henvisning til "Langberg, D. E., Avery, S., og Nilmani, M. (1996), The separation of the Solids from the Carrier Gas during Submerged Powder Injection, Metallurgical and Materials, Trans., Vol. 27B, Oet., pp 773-779" kan penetrasjonseffektiviteten uttrykkes som:

hvor D er dyse-/lansediameter, mp er massetransporten av faste partikler og Up er hastigheten til partiklene. Fst er overflatespenningskraften, Fmer massefarten til partiklene, a er grenseflatespenningen.

Likningen er gyldig når Webers tall, We - ( mpUp) l( pD) er større enn n.

Ved injisering av partikler inn i et slaggsjikt må det forventes at fuktingsforholdene er komplekse. Imidlertid kan det anslagsvis antas at o er i størrelsesorden IN/ m hvoretter ovennevnte likninger kan anvendes. I dette eksempel kan det tas utgangspunkt i følgende:

mp = lOkg/ s

Up = 5 Om/i

D = 0,02m

Det er observert at r\ p ligger svært nær 1 slik at alle partiklene vil ventelig nå inn i slagget. Selv for partikler ved en så lav hastighet som 0,06 m/s er effektiviteten fortsatt så høy som 0,9. For en massetransport mp = 2kgls er effektiviteten 0,9 ved en partikkelhastighet på 0,31 m/s.

Videre er det gjort et teoretisk studie for å bekrefte at tørrispartiklene "overlever" den pneumatiske transporten inn i slagget: Når en kuleformet tørrispartikkel sublimerer, kan reduksjonen i radien r finnes ut fra varmebalansen: - Lpsdrldt = h( Tg- Ts)

Her er L enthalpien til sublimasjonen pr. mol, h er en koeffisient som angir varmeoverføringen, Tg er gass temperaturen og T^er sublimasjonstemperaturen som her er satt til -78,5° C.

L = 253007/mo/. Moltettheten, ps kan settes til 35000moZ/m<3.>

Dersom Tg er antatt konstant, kan likningen integreres til følgende:

Hvor r0 er den intitielle størrelsen til partikkelen. Transporttiden t gjennom det pneumatiske transportsystemet med lengde / blir da:

Dersom / = 5m, gir dette t = 0, Ols

Videre, ved følgende valgte størrelser: ra = 0.003m,

Tg= 500°C

Varmeoverføringskoeffisienten kan i henhold til "Ranz, W.E., and Marshall, W.R. (1952), Evaporation from drops, Chem. Eng. Progr., Vol.48, No.3, part 1 pp141-146, No. 4, pp 173-180" beregnes ut fra følgende korrelasjon:

hvor

Reynolds tall, Rep=2rpgUr/ p = 2 * 0,003 * 0,69 * 5/0.00022 = 94

Her er pg tettheten av gassen og p. er viskositeten. Den relative hastigheten Ur mellom partikkel og gass er her satt til Smis. Dette innebærer at hastigheten til bæregassen settes til 55m/ s.

Videre er Prandtls tall, Pr = cpp/ k = 0,6

Dette gir for Nusselts tall, Nu = hlrlk = 6,9

eller

altså blir:

Hvilket innebærer at kulens nedsmelting under transporten til slaggen er nærmest lik null, slik at tørrispartiklen vil treffe slaggen tilnærmelsesvis med sin opprinnelige størrelse.

Oppfinnelsen skal i det etterfølgende beskrives nærmere ved eksempel og figurer hvor:

Fig. 1 viser et utstyr for dosering av tørrispartikler til en lysbueovn

Fig. 2 viser et alternativt utstyr for dosering av tørrispartikler til en lysbueovn.

I figur 1 er det vist skjematisk en lysbueovn 1 med et lokk 2 og elektroder 3. Videre vises en smelte 4 samt et slaggsjikt 5. Ovnen er utstyrt med et tappehull 7 som åpnes/lukkes med en ventilanordning 6. I ovnens ene side er det vist en åpning 9 som kan lukkes ved hjelp av en ventilanordning 8. Som vist i figuren er ventilanordningen 8 i åpen stilling, hvor en lanse 10 er stukket inn gjennom åpningen. Lansen er tilordnet utstyr for dosering og mating av tørrispartikler ved hjelp av en bæregass. Eventuelt kan utstyret omfatte en doseringsanordning, så som en mateskrue (ikke vist).

Utstyret omfatter et forråd 12 for tørrispartikler av nærmere valgt størrelse. Eventuelt kan forrådet 12 erstattes av et utstyr for fortløpende tildannelse av partikler (pellets) i den ønskede størrelse og mengde (ikke vist). Mellom forrådet 12 og lansen 10 er det anbragt en doseringsanordning 14 for regulering av tilførselen av tørrispartikler til lansen 10. Doseringsanordningen 14 kan være tilknyttet en styreenhet 15. Et forråd av bæregass 11, f. eks karbondioksidgass, nitrogen, luft, oksygen eller en blanding av disse er tilordnet lansens bakre ende. Mellom lansen og forrådet av bæregass er det anbragt en ventilanordning 13, som kan være tilknyttet styreenheten 15.

Utstyret kan videre omfatte ytterligere midler for tilpasning av trykket i bæregassens forråd, samt midler for å begrense en eventuell sublimasjon av tørrispartiklene i forrådet 12. Dette ligger innen for fagmannens kompetanseområde, og er følgelig ikke ytterligere beskrevet her.

Ved injisering av tørrispartikler til slaggsjiktet/øvre del av smeiten, aktiveres doseringsanordningen 14 samtidig som ventilen 13 åpnes slik at det opprettes en transport av tørrispartikler gjennom lansen og inn i slaggsjiktet/smelten. Ved et gunstig dimesjonsvalg av tørrispartiklenes størrelse (projiserte areal) og lansens diameter (innvendig strømningsareal), vil det kunne oppnås en ønsket grad av spredning av partiklene slik at disse penetrerer slaggsjiktet analogt en haglladning 16. Lansens diameter kan være vesentlig større enn tørrispartiklenes størrelse.

Lansen 10 kan være tilordnet en manipulator (ikke vist) som kan bevege/instille lansen i forhold til slaggsjiktet, slik at injisering av tørrispartikler kan gjøres i alle områder av slaggsjiktet, bortsett fra områder som kommer i "skyggen" av elektroden(e). Lansens vinkel i forhold til slaggsjiktet eller smeltens overflate kan være tilstrekkelig liten til at det genereres en viss omrøring eller turbulens i slaggsjiktet.

Figur 2 viser skjematisk en lysbueovn 100 med et lokk 102 og elektrode(r) 103. Videre vises en smelte 104 samt et slaggsjikt 105. Ovnen er utstyrt med et tappehull 107 som åpnes/lukkes med en ventilanordning 106. I ovnens ene side er det vist en inspeksjonsåpning 109 som kan lukkes ved hjelp av en ventilanordning 108. Videre omfatter ovnen åpninger 116,116' i sitt lokk 102, hvor lanser 110,110' er stukket inn gjennom åpningene. Lansene er tilordnet utstyr for mating av tørrispartikler ved hjelp av en bæregass (kun vist for lanse 110 i figuren). Det skal forstås at i en ovn med tre elektroder kan lokket hensiktsmessig omfatte tre lanser, jevnt fordelt i forhold til elektrodene. Det skal videre forstås at lansene i en ikke vist utførelse kan være tilordnet et i all hovedsak felles utstyr for mating av tørrispartikler ved hjelp av en bæregass, hvor forråd for tørrispartikler og bæregass kan være felles.

Utstyret for mating av tørrispartikler som vist i figur 2 omfatter et forråd 112 for tørrispartikler av nærmere valgt størrelse. Eventuelt kan forrådet 112 erstattes av et utstyr for fortløpende tildannelse av partikler (pellets) i den ønskede størrelse og mengde (ikke vist). Mellom forrådet 112 og lansen 110 er det anbragt en doseringsanordning 114 for regulering av tilførselen av tørrispartikler til lansen 110. Doseringsanordningen 114 kan være tilknyttet en styreenhet 115. Et forråd av bæregass 111, fortrinnsvis karbondioksidgass er tilordnet lansens bakre ende. Som i foregående eksempel kan også andre gasser/gassblandinger benyttes. Mellom lansen og forrådet av bæregass er det anbragt en ventilanordning 113, som kan være tilknyttet styreenheten 115.

Utstyret kan videre omfatte ytterligere midler for tilpasning av trykket i bæregassens forråd, samt midler for å begrense en eventuell sublimasjon av tørrispartiklene i forrådet 112. Dette ligger innen for fagmannens kompetanseområde, og er følgelig ikke ytterligere beskrevet her.

Ved injisering av tørrispartikler til slaggsjiktet/øvre del av smeiten, aktiveres doseringsanordningen 114, samtidig som ventilen 113 åpnes slik at det opprettes en transport av tørrispartikler gjennom lansen og inn i slaggsjiktet/smelten. Ved et gunstig dimesjonsvalg av tørrispartiklenes størrelse og lansens diameter, vil det kunne oppnås en ønsket grad av spredning av partiklene slik at disse penetrerer slaggsjiktet analogt en haglladning 116. Lansens strømningstverrsnitt bør da være vesentlig mindre enn partiklenes projiserte areal, slik at disse forlater lansen med stor spredning.

Lansen 110 kan være tilordnet en manipulator (ikke vist) som kan bevege/instille lansen i forhold til slaggsjiktet, slik at injisering av tørrispartikler kan dekke alle områder av slaggsjiktet, eventuelt bortsett fra de som er beliggende bak elektrodene. Partiklenes innfallsvinkel samt inntrengningsdybde kan tilpasses ønsket omrøring/turbulens i slaggsjiktet/smelten.

Det skal forstås at antall lanser som til enhver tid benyttes ikke er begrenset med henvisning til de to foregående eksempler. F. eks kan antall lanser fastsettes ut fra krav til ønsket skumming og utbredelsen av denne i slagget.

Oppfinnelsen kan utøves på tilpasset vis sammen med andre, kjente prosesstekniske handlinger. F. eks vil oppfinnelsen kunne utøves selv om oksygen, karbonpartikler tilføres slaggsjiktet/smelten i samsvar med kjente teknikker.

Eventuelt kan karbonpartikler og tørrispartikler innføres i slaggsjiktet/smelten ved benyttelse av felles lanse(r) (ikke vist). Det skal videre forstås at størrelsen og hastigheten til tørrispartiklene kan tilpasses ønsket inntrengningsdybde og omrøring i hvert enkelt tilfelle.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte for å danne/opprettholde skum i en prosess, spesielt en metallurgisk prosess omfattende en smelte av metall tildekket av et slaggsjikt som behandles med gass og/eller et faststoff i partikkelform karakterisertvedat slaggsjiktet/smelten tilføres tørris ( CO2) i partikkelform.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at tørrisen tilføres ved hjelp av en bæregass.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 2, karakterisert ved at bæregassen er karbondioksid, luft, nitrogen, oksygen eller en blanding av disse.

4. Fremgansmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at tørrisen tilføres i en flat vinkel i forhold til slaggsjiktet/smelten, slik at det skapes en omrøring.

5. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at tørrisen tilføres tilnærmet perpendikulært ned mot slaggsjiktets overflate, og med en spredning i forhold til denne.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at tørrispartiklene tilføres slaggsjiktet/smelten i en størrelse og hastighet som bevirker ønsket inntrengning og omrøring i slaggsjiktet/smelten.

7. Utstyr for å danne/opprettholde skum i en prosess, spesielt en metallurgisk prosess omfattende en smelte av metall tildekket av et slaggsjikt, hvor utstyret omfatter midler for å tilføre et faststoff til slaggsjiktet/smelten ved hjelp av en bæregass via en lanse som rager inn i ovnen, karakterisert ved at utstyret omfatter et forråd (12) for tørrispartikler tilknyttet lansen ved hjelp av en styrbar doseringsanordning (14).

8. Utstyr i samsvar med krav 7, karakterisert ved at den styrbare doseringsanordningen (14) utgjøres av en mateskrue.

9. Utstyr i samsvar med krav 7, karakterisert ved at lansens strømningstversnitt er vesentlig større enn partiklenes projiserte areal, slik at disse forlater lansen med en stor spredning.