NO771583L - Lysbueovn. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en lysbueovn.

Innen den metallurgiske industri i storteknisk målestokk er prosessteknologien blitt forbedret i de siste 10 til 15 år ved at

det er blitt oppnådd en dramatisk økning i produksjonshastigheten og produksjonskapasiteten for de enkelte arbeidsenheter. Ovner med neddykket lysbue med en effekt på over 7o mVA er f.eks. i bruk sammenlignet med en effekt på ca..40 mVA for ovner med den største størrelse for ti år siden, og en følge av denne utvikling har vært en hurtig økning av omkostningene ved driftstans. Megen vekt er blitt lagt på å oppnå en lengre driftstid og en mer stabil prosess. Dette har på sin side ført til et behov for ildfaste fo/-wringer med forbedrede egenskaper hva gjelder øket levealder under kraftigere arbeidsbetingelser.

I en ovn med neddykket lysbue utsettes den ildfaste foring

for angrep på grunn av reaksjon mellom foringen og ovnens innhold. Dette kan føre til en dyp slitasje over et vidt område av foringen eller innen spesielle områder som eventuelt befordres av meget høye temperaturer og mekanisk beskadigelse på grunn av spenninger ved varme ekspansjon.

Virkningen av dette angrep enten det er lokalt eller generelt, er at styrken og stabiliteten til foringen nedsettes slik at det til slutt blir nødvendig å reparere eller bytte denne ut. I ekstreme tilfeller kan. en kraftig overoppheting av mantelen forekomme med gjennombrudd av ovnens smeltede innhold.

Spesielle mekanismer ved angrep på ildfaste materialer i

disse ovner kan omfatte:

reaksjon med smeltet metall og slagg,

reaksjon med gasser (oxydasjon, carbonmonoxyd-angrep) , og angrep av alkali.

Disse er alle av kjemisk opprinnelse og derfor temperatur-avhengige. Det følger av dette at én nedsettelse av temperaturen til det ildfaste materiales arbeidsoverflate vil nedsette angreps-hastigheten. Ved en viss temperatur som vil være avhengig av

det ildfaste materiale, det aggressive middel og selve ovnsdriften, vil angrepet opphøre. Slitasje kan imidlertid føre til et sterkt tap av den ilfaste foring og en svekkelse av det gjenværende materiale. Dessuten kan innenfor lokale områder en høy temperatur som er forbundet med den elektriske lysebue, forårsake en meget sterk slitasje. Tappehullområdet er også vanligvis utsatt for sterk slitasje på grunn av lengre tids kontakt med flytende metaller eller sla.gg.

I praksis nedsettes.foringens tykkelse (og dermed ders varme-motstandsdyktighet) på grunn av angrep inntil en likevekt nås.

På dette punkt vil.varmestrømmen fra arbeidsoverflaten være nøyaktig tilstrekkelig til å avkjøle overflaten til under den temperatur ved hvilken angrep kan finne sted.

For derfor å holde den størst mulige tykkelse av denildfaste foring intakt er det viktig å gjøre varmefjernelseshastigheten fra arbeidsoverflaten så høy som mulig, pg et praktisk middel for å oppnå dette er ifølge oppfinnelsen å innarbeide et ildfast materiale med høyt varmeledningsevne i foringen for lysbueovnen. Bruken av et slikt materiale nedsetter foringens motstand mot varmeledning og forbedrer fjernelsen av varme fra arbeidsoverflaten, idet varmen overføres f.eks. til et utvendig kjølesystem eller ved strømning til et kaldere område av foringen.

Foruten at den nødvendige varmestabilitet fås, kan en slik konstruksjon gL en tilstrekkelig sikkerhet til at større variasjoner i arbeidsbetingelsene vil kunne tåles, som svikt i kjølesystemet.

Oppfinnelsen angår således en lysbueovn med en sammensatt foring som er særpreget ved at den omfatter et eksponert innvendig lag av ildfast materiale mot ovnens indre og et ytre lag av ildfast materiale som tjener som underlag for det innvendige lag og befinner seg i termisk kontakt med dette og har en høyere varmeledningsevne enn det innvendige lag.

Det ytre lag kan befinne seg i kontakt med ovnsmantelen

når denne tjener til å avgi varme til omgivelsene eller mer"

vanlig til et tvungent luft- eller vannkjølemedium. Et slikt lag har fortrinnsvis^f^3 av tykkelsen, for et lag bestående av et vanlig enkelt eller sammensatt ildfast materiale som er vendt mot chargen, og helst 0,8-1,2, ganger tykkelsen for et slikt lag.

Det ytre lag kan spesielt i ovnsherden eventuelt være skilt fra ovnsmantelen med et ytterligere lag av et enkelt eller sammensatt ildfast materiale og således hovedsakelig tjene til tempera-turutligning i ovnen istedenfor til varmeavgivelse til omgivelsene. Tykkelsen av et slikt ytre lag vil være avhengig av den forventede varmestrøm og den samlede tykkelse og konstruksjon av foringen i overensstemmelse med det formål som ovnen skal anvendes for.

Det ytre lag strekker seg generelt over hele eller over i det minste den større del av ovnsveggen eller -herden eller begge og kan sikre et tilfredsstillende varmetap eller varmeutligning uten de potensielle vanskeligheter som skyldes innføring av sirkulasjonsledninger eller andre innretninger gjennom ovnsmantelen.

Materialet for det ytre ildfaste lag har fortrinnsvis en varmeledningsevne som er minst 5 ganger, helst 10 eller endog 20 ganger, høyere enn varmeledningsevnen for materialet i det indre lag.

Det ytre lag er vanligvis laget fullstendig av materialet med høy varmeledningsevne, men resultatene ifølge oppfinnelsen kan også oppnås dersom bare en del av det ytre lag består av et slikt materiale.

Et egnet materiale med høy varmeledningsevne for anvendelse i det ytre lag kan erholdes ved i en blanding av et vanlig ildfast materiale å innarbeide varmefedende materialer, som graf itt, spesielt naturlig flakgrafitt, eller siliconcarbid eller begge ., disse materialer med anvendelse av f.eks. leire eller carbon som bindemidler. Det erholdte materiale med høy varmeledningsevne kan derefter formes til stener for konstruksjon av en foring av et sammensatt ildfast materiale på den måte som er anvendt for konstruksjon av vanlige foringer, eller materialet kan anvendes som stampemateriale. Når det er blitt installert, kan materialet foreligge i brent eller ubrent form.

Selv om hovedformålet med materialet med høy varmeledningsevne er å befordre en avkjøling av den sammensatte forings indre

overflate slik at det fås én så høy varmeledningsevne som mulig,

er dét også av viktighet at materialet er ildfast slik at materialet ved at Uforutsett slitasje eller svikt av det indre lag vil—

være istand til å motstå høye temperaturer og et eventuelt angrep av ovnschargen og -gasser. Det må dessuten ha en rimelig trykk-fasthet slik at det. er istand til å hjelpe til med å bære vekten av den overliggende ildfaste foring i ovnen. Begge disse krav tilfredsstilles lett av ildfaste stener eller stampemasser.

Foretrukne materialer er basert på ildfaste materialer av .siliciumdioxyd/aluminiumoxyd, og spesielt ildfaste leirer av kaolinittypen. Grafitt, spesielt naturlig flakgrafitt, kan anvendes i mengder opp til 30-70 vekt% av det ferdige materiale,

idet de høyere mengder spesielt anvendes for stampemasser. I

Stener foretrekkes en mengde av 30-50 vekt% da det er vanskelig å fremstille stener ved de høyere mengder. Som.et eksempel kan det nevnes at opp til 15- vekt% s.iliconcarbid kan anvendes,

spesielt i materialer for stenene. Disse materialer som er basert på leire, er heri generelt betegnet med "grafittsverte".

Andre egnede materialer er imidlertid elektrografitt og materialer som er i det vesentlige basert på siliciumcarbid. Disse kan omfatte direkte bundet, nitridbundet, carbonbundet eller leirebundet siliciumcarbid med eller uten tilsetning av andre ildfaste bestanddeler, som flakgrafitt. Slike materialer har en tilfredsstillende varmeledningsevne selv om de i tilfelle av svikt av. den indre fåring kan vise seg ikke å være istand til å motstå disse betingelser i lengre tid.

Egnede grafittsvertematerialer blir f.eks. fremstilt og solgt under varemerket "Salamander" og har en kornet struktur på grunn av at flakgrafitten befinner seg på linje, og har en varmeledningsevne langs kornretningen på ca. 4 2 W/MK og på ca. 13 W/MK på tvers,

av kbrnretningen.

Det er vanligvis ønsket at det ytre lags varmeledningsevne

er minst 13 W/MK, og en varmeledningsevne på ca. 20 W/MK eller derover er foretrukket. Når "Salamander" eller lignende materialer anvendes, bør kornene befinne seg på linje med retningen for den høyeste varmegradient for å oppnå den største effektivitet.

"Salamander"-materialene har en bemerkelsesverdig kombina-

sjon av fysikalske og kjemiske egenskaper, og av disse er de vik-

tigste:

én meget høy varmeledningsevne, .

en fremtredende kornorientering,

en høy motstandsdyktighet overfor angrep av smeltede metaller og

slagger, de fuktes ikke av smeltede metaller og slagger, vg de har en høy motstandsdyktighet overfor oxydasjon og angrep av alkalier sammenlignet med andre carbonholdige materialer.

En kvalitet av "Salamander"-grafittsverte har således de følgende egenskaper: varmeledningsevne (W/MK)

Et eksempel på en stampemasse er den stampemasse av flakgrafitt som selges under handelsnavnet "Morråm" 8301 VHC med de følgende egenskaper:

Om nødvendig kan disse materialer fremstilles slik at de

får spesielle kombinasjoner av egenskaper, f.eks. høy kompressibilitet og høy grønnstyrke, eller de kan lages som preformede,plastiske slabber. Dessuten kan en slik stampemasse lett anordnes for oppnåelse av en viss grad av kornstruktur og dermed retningsbestemt varmeoverføring som er n£r varmeoverføringen for ekstrudert,

brent grafittsverte, ved å spre materialet utover i sideretningen under stampingen.

Ennu et eksempel på et carbonbund.et siliciumcarbidmateriale

som er egnet for anvendelse ifølge oppfinnelsen, er et materiale

med de følgende egenskaper:

Mulige anbringelser av det spesielle materiale som anvendes for utførelse av den foreliggende fremgangsmåte, er skjematisk vist i form av et eksempel på fig. la og lb av tegningene som viser de konstruksjonstrekk som kan forekomme i de forskjellige ovner. Hovedvirkningene av disse er: a) en innvendig varmeoverføring, fig. la. Et lag med grafittsverte bygget inn i foringen for ovnsherden tjener som en tem-peraturutj evningspute og hindrer enhv^^foMal temperaturoppstuvning fra lysbuen eller f.eks. på grunn av lokale feil, ved at det hurtig leder varmen bort i sideretning i foringen. Bemerk den horisontale orientering av grafittsvertekornene for oppnåelse av en ønsket hovedretning for varmestrømmen.

b) Varmeekstraksjon,. fig. la og lb. Grafittsverten i kontakt med herden 2 eller veggmantelen 3 eller med begge nedsetter

foringens motstand mot varmeledning. Sammen med tvungen avkjøling av mantelen (med luft eller vann) vil dette øke temperaturgradienten på arbeidsoverflaten. Grafittsvertekornene ligger horisontalt i veggforingen.og vertikalt i ovnsherdfBringen (fig. lb) i overensstemmelse med hovedretningen for varmestrømmen.

I alle tilfeller kan de varmeledende stampemasser av grafittsverte og sementer anvendes sammen med murverk for å sikre en god varmekontakt mellom murverket og mantelen og dermed med avkjølings-systemet. Disse materialer kan også anvendes for å hjelpe til med å oppheve spenninger forårsaket av varmeekspansjon, ved at de utgjør et element med kompressibilitet på kritiske punkter i foringen.

De forskjellige områder kan således behandles som følger: Herden

En temperaturutligningspute kan anvendes som er laget for å motvirke slike betingelser som kan føre til en meget sterk lokal beskadigelse av herden.

Et lag med grafittsverte i firingen slik at kornene forløper horisontalt, vil ha en varmeoverføringskapasitet av opp til 30 ganger varmeoverføringskapasiteten for vanlige ildfaste materialer. Dette muliggjør en meget hurtig ledning av varme bort fra et lokalt område med høy temperatur.

En bestemmelse av de nøyaktige varmestrømningsmønstre og temperaturfordelinger kan beregnes for et spesielt tilfelle ut fra tilgjengelige data om den ildfaste konstruksjon, ovnstemperaturene og den smeltede chargés sammensetning.

For å forklare disse prinsipper er på fig. 2a og b og på fig. 3a og b vist den beregnede effekt på temperaturfordelingen

og varmestrømmen når en temperaturutligningspute av grafittsverte er innarbeidet i en foringskonstruksjon som for enkelhets skyld, består av et enkelt, vanlig, ildfast materiale, hvor: Fig.2a og. b gjelder for en permanent "hot spot" forbundet med den elektriske lysbue og viser (fig. 2b) virkningen av grafittsverten ved at den øker varmeekstraksjonen fra overflaten og under-trykker en oppstuvning av for høye temperaturer i foringen.

Fig. 3a og b gjelder virkningen av grafittsverte (fig. 3b) for å ta hånd om virkningene av en revne og dermed en økning av temperaturen i fSringen (på grunn av f.eks. inntrengning av smeltet metall i en lokal sprekk eller revne).

I hvert tilfelle er konstruksjonen basert på bruk av en grafittsvertesten, men det er også mulig å anvende en varmeledende stampemasse av grafittsverte for erholdelse av en lignende virkning.

Nedenfor er angitt eksempler på praktiske sammensatte materialer for herdkonstruksjoner hvori anvendes materialer med høy varmeledningsevne som varmeutligningsputer (V.U.). Det øverste lag nærmest chargen er først angitt, og konstruksjonen er som generelt angitt for herden ifølge fig. la. I hvert tilfelle ut-gjør "Salamander"-materialet V.U.--puten.

Eksempel 1

Eksempel 2 ■ Eksempel 3

Fig. 4a og b viser den beregnede virkning av herdkonstruksjoner på varmestrømmen og temperaturfordelingen for de spesielle viste foringsanordninger.

En herd av vanlig type er vist på fig. 4a, og en herd med et varmeledningslag av grafittsvertesten og stampemasse er vist på fig. 4b. Denne andre herd avkjøles med luft med en strømnings-hastighet på 6S 1, og den gunstige temperaturfordeling og økede

yarmestrøm fremgår tydelig. (K-verdiene er gitt for en arbeids-temperatur av 1500°C eller 1600°C på den indre overflate, og K-verdien for carbonpastaen spesielt er derfor høy sammenlignet med. f.eks. K-verdien ifølge fig. 5 og som nærmere forklart nedenfor, hvor elektrodepastaen befinner seg mot mantelen og derfor er forholdsvis kald).

Ovnsveggene

En støtteforing av grafittsverte innarbeidet mellom mantelen og arbeidsoverflaten vil gi en betydelig økning i temperaturgradienten på arbeidsoverflaten sammenlignet med vanlige anordninger.

Den "komplekse" konstruksjon hvor grafittsverte er anordnet mellom arbeidsoverf laten og mantelen-, vil øke varmestrømmen gjennom sideveggforingen og derved nedsette slitasjen av det ildfaste

materiale på grunn av kjemisk angrep. På samme måte som tilfellet er for herden, krever denne konstruksjon at mantelen avkjøles tvungent, f.eks. med. pådusjet vann.

Denne konstruksjon er vist på fig. 5a og b, hvorav fig. 5a er sammenlignbar,og kan anvendes for å motvirke slitasje på,lokale "hot spots" eller over hele veggområdet.

Konstruksjonen av den sammensatte foring (fig.5b) består av et ringformig lag av grafittsvertesten bak arbeidsoverflaten og

med horisontal kornretning for erholdelse av den høyeste radiale varmestrøm. Grafittsvertestenen er bundet til mantelen ved hjelp av et ytre ringformig lag av varmeledende stampemasse for å sikre en kontinuerlig varmestrøm.

Det ytre lag av stampemasse kan også hjelpa til med å hindre spenninger på grunn av varmeekspansjon av foringen. Dette kan være til hjelp spesielt ved eller under herdens nivå.

På fig. 5b er antydet den forbedrede temperaturfordeling som fås ved anvéndelse av grafittsverte, uttrykt ved forskjellen

i den forutsagte stilling for 1000°C-isotermen.

Tappehullet

Grafittsverte kan anvendes rundt tappehullet for å virke som en varmebrønn (4, fig. lb) og for effektivt å avkjøle tappehull - stenen. Denne virkning kan også erholdes ved å anvende grafittsverte i ovnsveggene.

I hvert tilfelle vil retningsegenskapene for grafittsverten gjøre det mulig å dirigere den sterkeste varmestrøm efter behov.

Claims (15)

1. Ovn med neddykket lysbue,karakterisert vedat den har en sammensatt foring som omfatter et eksponert indre lag av ildfast materiale mot ovnens indre og et ytre lag av ildfast materiale som understøtter det indre lag og befinner seg i termisk kontakt med dette og har en høyere varmeledningsevne enn det indre lag.

2. Ovn ifølge kravl,karakterisert vedat det ytre lag befinner seg i termisk kontakt med ovnsmantelen og at det hovedsakelig er tilstede for å lede varme bort til omgivelsene eller til et utvendig tvunget avkjølingsmedium.

3. Ovn ifølge krav 1,karakterisert vedat det ytre lag i herden eller i en annen del av ovnen er skilt fra ovnsmantelen med et lag av ildfast materiale med en varmeledningsevne som er sammenlignbar med varmeledningsevnen for det indre lag,og hovedsakelig er tilstede for å utjevne varmefordelingen i ovnen.

4. Ovn ifølge krav 1-4,karakterisert vedat materialet for det ytre lag inneholder flakgrafitt med flakene gjensidig på linje med hverandre i materialet og med materialet anordnet på linje med retningen for den sterkeste varmestrøm i laget, i overensstemmelse med dets stilling i ovnen.

5. Ovn ifølge krav 3 eller 4,karakterisertved at det ytre lag befinner seg i herden og er anordnet med grafittflakene horisontalt på linje méd hverandre.

6. Ovn ifølge krav 1-5,karakterisert vedat det ytre lag strekkér seg over hele eller den største del av herden eller ovnsveggen eller begge deler.

7. Ovn ifølge krav 1-6,karakterisert vedat det ytre lag har en varmeledningsevne på ikke under 13-20 W/MK. .

8. Ovn ifølge krav 1-7,karakterisert vedat det ytre lag har en varmeledningsevne på ikke under 5 ganger varmeledningsevnen for det indre lag.

9. Ovn ifølge krav 8,karakterisert vedat det ytre lag har en varmeledningsevne på ikke under 10-20 ganger varmeledningsevnen for det indre lag.

10. Ovn ifølge krav 1-9,karakterisert vedat det ytre lag omfatter grafitt eller siliconcarbid.

11. Ovn ifølge krav 10,karakterisert vedat det ytre lag omfatter en kaolinittleire eller et annet silicium-dioxyd/aluminiumoxyd-bindemateriale for grafitten eller silicium-carbidet.

12. Ovn ifølge krav 1-11,karakterisert vedat det ytre lag helt eller delvis utgjøres av en stampemasse som inneholder 30-70 vekt% grafitt.

13. Ovn ifølge krav 1-11,karakterisert vedat det ytre lag helt eller delvis utgjøres av stener som inneholder 30-50 vekt% grafitt og 0-15 vekt% siliciumcarbid.

14. Ovn ifølge krav 1-10,karakterisert vedat det ytre lag helt eller delvis utgjøres av elektrografitt.

15. Ovn ifølge krav 1-M),karakterisert vedat det ytre lag helt eller delvis utgjøres av et direktebundet, nitridbundet, carbonbundet eller leirebundet siliciumcarbidmateriale.