SE441742B - Sett att elektriskt smelta icke metalliskt material samt smeltugn for genomforande av forfarandet - Google Patents

Description

8105928-9 vattenkyld ugnsmantel av stål med en diameter av l,83-2,l4 m och med I i en höjd av 4, 58-7,63 m. Den är av naturen termiskt ineffektiv, luftförorenande och medför höga driftskostnader. För reglering av de mängder som är av särskild betydelse, dvs. svavel och svaveloxid vid det övre utloppet för rökgasen från kupolugnen, krävs avskräckande höga kapitalkostander och underhållskostnader med tanke på att endast ton per timme smälts.

Den mest betydelsefulla bristen hos kupolugrxen är dess avsaknad av kvalitetskontroll för produkten. Uppmållstiasn, i smält tillstånd. för varje beskickningstillskott, är mycket ko , i storleksordningen sekunder i vissa fall eller minuter som mest. En rnodifiering av tapp- ningstenperatllren kan aldast på tillfredsställande sätt Lçpnás gerlona _> beskickningstillsatser, såsom sand, för sänkning av smältpunkten. Em ökning av smälthastigheten kan endast uppnås genom att öka bläster- luften, med en förändring av uppehållstiden och tappningstemperaturen som följa.

Förmågan hos spinnsystemet (spinning system) att omvandla största delen av kupolugners utrratrnirg till en högkvalitativ produkt är en funktion av den smälta strömmens ytspänning som i sin tur på- verkas av temperatur, sammansättning od1 kemiska egenskaper och visko- sitet. Impolugrxerzs oförmåga att reglera dessa variabler resulterar i dålig genomsnittlig prestanda. Ibland, när man närmar sig optimala defibreringsförhållanden, onlvandlar en kupolugra/spirmerkonüixlatiozl en mycket högre del av sina smälta rnatrfirxg till en högkvalitetsprodmt, och detta antyder att även en försiktig reglering av de viktigaste smältvariablerna ger ett avsevärt förbättrat utbyte.

Ytspänningen är en kritisk parameter vid defzibreringsprocessen.

Nedbrytningerl av slaggfilmen till fibrer visas i fig. l. Spinnhjulet åstadkommer en plan skiva av flytande slagg 10 vilken vinkelrätt träffas av en ström av luft med hög hastighet. Slaggfilxnen 10 avböjes och utsätts för aerodynamisk instabilitet som utvecklas till vågor vilka fortplantar sig med ökad amplitud i mer eller mindre tangentiell riktning.

Vid skivans främre kant frigörs halva eller fulla våglängder av det smälta materialet genom stötverkan från luftstöten 12 och dras sarmnantill viskösa trådar 14 under inverkan av ytspänningen. Vad som ..__.,.._-_.. ...-_,_..-__- 8105928-9 därefter händer dessa viskösa trådar, dvs. om de omvandlas till användbara fibrer 16 eller till korn 18 som kasseras, beror till stor del på förhållandet terrperatur-viskosiet.

Eftersom råmaterial, och i synnerhet slagg från järn-masugrxar, finns i stor mängd såsom (för det mesta) avfall eller utskott, och eftersom míneralull av god kvalitet är värdefullt som isolering nar ett antal försök gjorts under de senaste 20 åren att finna en mer tillfredsställande smältmetod. Dessa försäc har vanligtvis baserat sig på användningen av en elektrisk ugn för rnotstånds-, båg- eller induktionssmältziixxg av beskickningen, i avsikten att åstadkomma smält material som är kontrollerat med avseende på strömningshastighet, temperatur och sammansättning och detta till en konkurrenskraftig kostnad.

Vart och ett av dessa försök har misslyckats inte eftersom elektrisk smältnixag av slagg i sig är speciellt svår utan på gnmsí av att det har visat sig vara oekonomiskt att på ett kontrollerat sätt uppnå detta resultat med hjälp av någm konventionell elektrisk ugn.

Den källenergi som utnyttjas för att smälta ett ton masugnsslagg med hjälp av en kupolugn med en kapacitet av 5 ton per timme kan visas vara ca. 7,42 GJ. På grund av avsaknaden av kontroll av tenperatur, sanmvazmsättnixag oda kemiska egenskaper samt hastigheten på kupolugnens utxnatning kasseras ett genomsnitt av 45% av detta smälta material i form av kom och avfall varför källenergin som krävs för smältning av l ton av produkten är ca. 13,25 GI.

Under ideala förhållanden är däremot den totala värme som krävs för att höja ett ton av järn-masugnsslagg till tappningstenperatur oa. 450 kWh eller 1,59 GI. Eftersom verkningsgraden för ett rnodemt värme- kraftverk som bäst 37% och eftersom förlusterna vid överföringen till platsen för smältningen antagligen uppgår till 10% uppgår dock det totala behovet av källenergi vid höjning av l ton slagg till tapp- ningstemperatur, under ideala förhållanden, till 4,77 GJ. Följakt- ligen krävs i en konventionell elektrisk ugn med en kapacitet av 5 ton per timme och med en total termisk verkningsgrad av 70% en källenergi av 6,78 GI per smält ton. Om man antar att förbättringen av kontrollen av tappningsterrperaturen, sammansättningen av de kemiska egenskaperna samt hastigheten beroende på den konventionella elektriska smältningen 8105928-9 ger en ökning av användbara mineralullsprodukter från rmvarande 55% till 65% blir nettobehovet av källenergi för denna elektriska smältare ,39 GJ per ton av produkten.

Sammantaget är den källenergi som behövs per ton mineral- ullsprodukt ca. 20% större för det för närvarande använda kupolugrns- förfarandet än för konventionell elektrisk smältning.

Uttryckt i ekonomiska termer, vid ett pris av 170 dollar per ton koks och vid en genomsnittlig strömkostnad i USA av 0,28 dollar per kWh (1979), är besparingarna i energikostnad för konventionell elektrisk smältning jäxnfört med lcupolugrxssmältrzing ca. 10 dollar per smält ton eller 18 dollar per ton av produkten.

Tyvärr Lzppvägs dessa besparingar i energikostnader av de höga kostnaderna för eldfast material i konventionell elektriska ugnar eftersom smält slagg och närvaron av aktivt syre kommer att erodera eller fräta på alla kända eldfasta fodersystem, även kol ocn grafit.

Kolhaltiga material oxiderar eller bränns bort allt snabbare när deras tenuperatur stiger ovanför 5oo°c Exempelvis förlorar inaustrigrafit 6% av sin vikt genom oxidation när det hålls vid en ternperatur av 600°C i luft under endast 2,5 timme. Smältpunkten för slagg från en järn- masugn är, beroende på sammansättningen l370-l540°C.

Föreliggande uppfinning elinuinerar ovan beskrivna problem med de tidigare kända systemen. Detta uppnås genom att :nan vid ett sätt av inledningsvis angivet slag utnyttjar en med kol fodrad degel od1 att atmosfären inuti degeln kontrolleras kontinuerligt genom avlägsnande av gaser därifrån vilka är skadliga för fodret. Den elektriska smältugnen enligt uppfinningen uppvisar en degel som fodrad med kol, organ för kontroll av atmosfären inuti degeln, vilka organ inbe- griper organ för avlägsnande av gaser från degeln vilka skadliga för fodret och organ för att förhindra atmosfäriska gaser från att tränga in i degelns inre under det att nämnda material matas in till denna. Genom att ugnen är utrustad för högintegritetsatmosfärskon- troll, utesluts luftsyre och användningen av kolhaltiga material tillåts som ett ekonomiskt eldfast foder.

Denna helt inneslutna ugn ger i sig en mycket hög grad av vänneisolerzirmg och tillåter termiska verkningsgrader av 80-85% för en tons ugn, med motsvarande minskningar i källexlergibehov och drifts- 8105928-9 kostnader.

Den mängd rökgas som alstras av en nelt innesluten ugn, från vilken luftsyre är utestängd, är en bråkdel av den mängd som blir resultatet av de 100-tals m3 rnotströzrmande blästerluft som krävs för ett kupolugnsförfarande. Följaktligen minskas rökgashanteringen för den nya ugnen till rimliga, relativt billiga proportioner.

Beskicknirxgstillskott tillföræ genom en atmosfärssluss oda in i en smält bassäng som utgör ca. l timmes produktion. Den resulterande uppehållstidm av 30-60 minuter gör i kombination med helt variabel energiinmatning och fullt variabla beskicknings- och utnatxxilxgsnastig- heter och i kombinaticn med den kontrollerade atmosfären att uzgnerl i sig ger möjlighet till en mycket noggrann kontroll av tappnings- temperatur, sammansättning och kemiska egenskaper samt hastighet vilket gör det möjligt att förutsäga ytspänning oda viskositet samt vilket resulterar i motsvarande förbättringar med avseende på produkt- kvalitet och avkastning.

Den nya ugnen mottager och återanvänder även kasserade korn och avfall som inte kan utnyttjas med hjäJp av kupolugnen och därigenom möjliggöres betydelsefulla besparingar i råmaterial och avfallshante- ringskostnader.

Den ackumulerade effektm av föregående fördelar väsentliga besparingar med avseende på källenergi och driftskostnader. Med en rimlig livslängd för det eldfasta materialet, en verkningsgrad för ugnen av 85%, en "spinner"-produktion av 75% och en full åter- användning av korn och avfall sjunker behovet av källerxergi per ton av produkten från 13,25 GJ i kupolugnen till 7,42 GJ, och drifts- kostnaderna sjunker med mer än 40 dollar per ton av produkten vid användning; av l979-års siffror.

Ugnen enligt denna uppfinning kan smälta material inom ett brett område, från icke-metaller till metaller, under förutsättning att ett länlpligt arbetsfoder väljs, och kan utnyttja ett brett anfårxg av smältningsmetoder, innefattande likströms- eller växelströms- metoder, med enkla eller rnultipelelektroder, båg~, melt-, mtståxris- eller induktionssmältning.

I syfte att illustrera uppfinningen visas i bifogade ritningar en för närvarande föredragen utföringsform men det bör förstås att 8105928-9 uppfinningen inte är avsedd att vara begränsad till just det arrangemang och de hjälpmedel *scm visas.

Fig. l är en illustration av det sätt på vilket slaggfilmen bryts sönder till fibrer på det sätt san beskrives ovan, fig. 2 är a: vertikalprojektim av ett elektriskt smältugxssystem med kontrollerad atmosfär konstruerat i enlighet med principerna * för .föreliggande uppfinning, och fig. 3 är m tvärsnittsvy genun ugnen san visas i fig. 2.

I alla figurerna* har samma länvisnzingssiffror använts för att beteckna' samma element, och i fig. 2 visas en allmän vertikal- projektion av ett elektriskt smältugxussystem med kontrollerad atmosfär konstruerat i enlighet med principerna fdr föreliggande uppfinning och allmänt beteoknat Såsom 20.

Systemet 20' innefattar en elektrisk smältugn 22 vars detaljer kornmer att beskrivas med hänvisning till fig. 3. Ugnen 22 är monterad på en stödram 24 med hjälp av vridtappar 26. Ett flertal 'belastningsceller är monterade under stödramen 24- så att vikten av ugnen 22' och andra därmed förbundna kmstruktioner kan Detta 'gir det naturligtvis möjligt -attbestänuna vikten på materialet i ugnen genom att dra egenvikten från den totala qzprrätta vikten.

I den nedre delen av ugnen 2-2 är ett tappningshål 30 placerat vilket :är så tsnskas kan utrqttjas för att låta det smälta naterialet i ugnm avlägsnas därifrån. Under tappningshålet 30 befinner sig ett tråg 32 som avlämnar det smälta materialet till en fyrhjulig "spinner" 34. Det snuältarmaterialet (slagg i .den utföriragsforxn som m beskrivs) omformas därefter till rnineralullsisolering genom användande av känd teknik såsom den som beskrives ovan. Om andra material än slagg smälts i ugnen eller om man önskar tillverka andra, produkter än mineral- ullsisolering kan naturligtvis tråget 32 och spinnem 34 avlägsnas och utbytas :rot andra önskade anordningar.

Ovanför ugnen 22 är ett elektrodupphängningssystem 36 placerat. f Såsom kommer att beskrivas närmareanedan uppbär elektrodupphäng- ningssystemet 36 inte endast elektroderna som kan utnyttjas för att smälta materialet i ugnen 22 utan det fungerar även som ett täck- element för av ugnens 22 inre mot atmosfären utanför. Elkraft från kraftförsörjningen 38 avges till elektroderna i elektrodupphäng- 8105928-9 ningssystemet 36 med hjälp av flexibla ledningar 40 som passerar genom en plomberad eller gastät strömförsörjningsöppning 42 i sidan av elektrodupphängningssystemet 36.

Material som skall matas till ugnen 22 för smältning lagras i ett eller flera magasin 44. När fler än ett magasin 44 utnyttjas kan olika rraterial lagras i olika magasin. Varje nnagasin 44 innefattar ett vägningsmagasin 46 :nonterat under detsamma så att exakta mängder av vart och ett av de olika materialet som man örxskar mata till ugnen kan upprrätas.

När de korrekta mängderna av de önskade materialen ar placerade i vägningsmagasinen 46 öppnas spjället i botten på dessa och mate- rialet avläxnnas på en första transportör 50. Materialet transpor- tören 50 överföres därefter till en andra transportör 52 som förflyttar materialet uppåt mot ugnens 22 överdel.

'Material matas in i ugnens 22 inre genom ett inlopp 54 och ett magasin 56 som är förbundet När material matas in i ugnen 22, och i synnerhet när ugnen drivs i ett kontinuerligt driftssätt snarare än i ett satsvis driftssätt, är det dock väsentligt att atmosfäriska gaser förhindras att tränga in i ugnen genom inloppsporten 54.

Detta åstadkommas med hjälp av en rnatningssluss 58 som har en ventil 60 vid sin överdel och en ventil 62 intill sin botten. Med ventilen 62 stängd, och inloppet till ugnen 22 tätat, öppnas ventilen 60 och matas materialet in i matningsslussen 58. ventilen 60 stängs därefter och matningsslussens inre avluftas med hjälp av en ädelgas såsom kvävgas. Andra ädelgaser kan även utnyttjas och det är även möjligt att ansluta en vakuurtwkälla till matningsslussen för att helt enkelt dra bort de atmosfäriska gaserna från dennas inre. När detta uppnåtts öppnas den nedre ventilen 62 och materialet från matnings- Slussens 58 inre träder in i ugnen 22 genom magasinet 56 oda inlqps- porten 54.

Intill den övre delen av ugnen 22 är även en utloppsiàppning 64 anordnad. Utloppsöppningen 64 står i förbindelse med ugnens 22 inre och är ansluten till ett horisontellt utsträckt utloppsrör 66. En vakuumpump 68 är ansluten till den mellersta delen av röret 66 med hjälp av en flexibel slang 70. Intill den fria änden av röret 66 är ett ställbart venturirör 72 anordnat vilket drivs med hjälp av en 8105928-9 fläkt 74 som är förbunden med en skorsten 76.

Under igångkörrling av ugnen 22 är det önskvärt att så gott som totalt eliminera skadliga gaser i atmosfären inuti ugnen. Detta åstad- kommas genom stängning av ventilen 78 vid den fria änden av utlopps- röret 66 och genom att därefter köra vakuumpumpen 68 tills trycket inuti ugnen.22 har sänkts till önskad nivå. Därefter stängs vakuum- pumpen 68 av och ugnen återfylles med ädelgas såsom kvävgas till ett tryck något över atmosfärstryclc. När ugnen en gång går kan ventilen 78 öppnas och fläkten 74 aktiveras. Venturiröret 72 justeras därefter så att rökgaser kan avlägsnas från ugnens 22 inre men syre och andra skadliga atmosfäriska gaser tillåts inte återinträda i ugnen. Genom att utnyttja venturriröret 72, små kvantiteter av tillsats-kvävgas, och i vissa fall vakuumpumpen 68, kan atmosfären inuti ugnen 22 noggrant kontrolleras.

Med särskild hänvisning till fig. 3 framgår det att ugnen 22 är utformad huvudsakligen sfärisk och innefattar ett huvudsakligen sfäriskt utformat eldfast foder 80 vilket för slaggsxnältning , företrädesvis består av koL Bakom kolfodret 80 finrs ett hjälpfoder 82 som lämpligtvis består av eldfast material med hög halt av aluminiumoxid. Detta följs av en eldfast isolering 84 och av ett ytterligare isoleringslager 86 som länpligtvis består av ett material som bubbelaluminiumoxid. Ugnens 22 yttre lager som täcker isole- ringslagret 86 är ett stålhölje 88.

Smält Inaterial, såsom slagg i den föredragna utföringsformen, visas vid 90 approximativt till hälften fyllande degeln inuti ugnen 22. På grund av de extremt höga tenperaturerna som det här är frågan om är det viktigt att det smälta materialet 90 aldrig kommer i kontakt med något 'material som inte kan motstå dessa temperaturer. Av den anledningen innefattar .den inre delen av inloppsporten 54 ett kolrör 92 och ett liknande kolrör 94 är placerat i den inre änden av utloppsporten 64. Bakom kolrören 92 och 94 finm vattenkylch stålrör 96 resp. 98. På liknande sätt är tappningshålet 30 försett med ett grafitrör 100 och ett flertal vattenkylda stålelement 102 och 104 intill grafitröret 100. En plugg 106 tillsluter änden av tappnings- hålet 30.

.Degelsektionen av ugnen 22 har en öppning vid den översta delen 8105928-9 därav. Denna öppning tillslutes med hjälp av ett flerlagrigt täckelement 108. Det nedersta lagret 110 av täckelementet 108 utgöres läxrpligtvis av kol och har en trappstegsformad tvärsektion 112 för att passa ihq: med den trappstegsforrnade delen 114 vid den övre änden av degeln. De resterande lagren av täckelementet 108 ovanför grafitlagret 110 består lämpligtvis av samma material som beskrivas med hänvisning till väggarna i ugnens 22 degel.

Täckelementet 108 har ett flertal hål 116 och 118 däri. Dessa hål inrymmer elektroderna 120 och 122 som lämpligtvis består av grafit. Eftersom åtminstone ett lager av täckelementet 108 består av ett elektriskt ledande material måste ett ringformigt utrymne lämnas mellan varje elektrod och väggen till det hål genom vilket den passerar.

Den översta änden av var och en av elektroderna är förbunden med ett tvärsstycke såsom tvärstycket 124. Tvärstyckena är sin tur uppburna med hjälp av ett flertal kulskruvar 126 vilka när de vrids med hjälp av en drivmotor 128 förflyttar tvärstyckena och sålunda elektroderna uppåt eller nedåt efter önskemål. Elektroderna 120 och 128 kan kraftförsörjas med hjälp av flexibla kablar, glidkontakter eller varje annan känd teknik. Även om täckelementet 108 tillsluter överdelen av ugnen 122 bildar det inte i sig en totalt lufti-.ät tillslut-ning. En dylik åstad- kommes med hjälp av ett stålhölje 130 som helt och hållet omger och bildar en del av elektrodupphängrlingssystemet 36. Den nedersta delen av höljet 130 innefattar en fläns 132 som samverkar med en fläns 134 vid den övre änden av ugnens 22 hölje 88. Dessa flänsar och andra ramdelar i ugnssystemet som kan utsättas för för hög värme är länpligtvis wtternqlaa.

Såsom är välkänt inom tekniken utsmältes järn (eller andra metaller i slagg) när slagg smälts odl eftersom det är tyngre än den smälta slaggen samlar sig järnet vid bottnen av ugnen såsom visas vid 136. Tack varje utformningen av föreliggande ugn kan hela ugnen när helst det är önskvärt att avlägsna den smälta metallen 136, tippas ett flertal graden i moturs riktning sett i fig. 3 runt vridtapparna 26. I detta läge kan den smälta metallen 136 tappas ur genom tappningshålet eller genom ett separat tappningshål som är anordnat för detta 8105928-9 lO ändamål. Även om två elektroder 120 och 122 visas i fig. 3 bör det förstås att detta gjorts i illustrerande syfte. Det är även möjligt att använda tre elektroder i ett flerfassystem eller att använda en enda elektrod Odl därvid utnyttja kolfodret 80 som en extra elektrod.

Vidare kan likström eller växelström utnyttjas och smältrringsmetoden kan vara med hjälp .av båge-, meltsmältrxirg eller motståndssmältiïirwg.

Därutöver är det även möjligt att använda föreliggande @pfinr1ing vid utnyttjande av Föreliggande uppfinning kan åskådliggöras i andra speciella former utan att man avviker från uppfinningens grundtanke eller de väsentliga särdragen därför och följaktligen hänvisas snarare till bifogade krav äntill ovanstående beskrivning vid avgränsande av uppfinningens mfattning.

Claims (13)

8105928-9 11 PATENTKRAV

1. Sätt att elektriskt smälta icke-metalliskt material, i synnerhet i samband med tillverkning av mineralullsfibrer, vid vilket icke-metalliskt material placeras i en degel (22), nämn- da material upphettas på elektrisk väg tillsdet har smält och vid vilket smält material (90) som är avsett för efterföljande omvandling till mineralullsfibrer avlägsnas från degeln genom en öppning (100) intill dess nedre ände under det att material- et kontinuerligt upphettas, k ä n n e t e c k n a t av att man utnyttjar en med kol (80) fodrad degel och att atmosfären inuti degeln kontrolleras kontinuerligt genom avlägsnande av gaser därifrån vilka är skadliga för fodret (80).

2. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den kontinuerliga kontrollen av atmosfären inbegriper utbyte av atmosfären inuti degeln mot en inert gas.

3. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att atmosfären inuti degeln först evakueras innan degeln fylls med en inert gas.

4. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att den elektriska upphettningen inbegriper upphettning av materialet med hjälp av åtminstone en kolelektrod (120) utsträckt in i degelns inre.

5. Sätt enligt krav 4, k ä n n e t e c k n a t av att den elektriska upphettningen inbegriper upphettning av materialet genom ledning av en elektrisk ström därigenom.

6. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att atmosfärsgaser förhindras från att träda in i degelns inre när material placeras däri.

7. Sätt enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda smälta material (90) utgöres av slagg.

8. Elektrisk smältugn för smältning av icke-metalliska material, i synnerhet i samband med tillverkning av mineral- ullsfibrer, innefattande en degel (22) med en övre och en ned- re del, organ för tätning av degelns inre från atmosfären utan- för degeln, vilka organ inbegriper ett med eldfast foder (110) försett täckelement (108) för tillslutning av degelns övre del, elektriska organ (120) för smältning av material (90) i degeln, ett tappningshäl (100) placerat intill degelns nedre del för 8105928-9 12 avlägsnande av smält material från degeln under det att de elektriska organen smälter material inuti degeln och organ (54, 56,58) för matning av icke-metalliskt material som skall smäl- tas in tilldegelns inre, k ä n n e t e c k n a d av att degeln (22) är fodrad med kol (80), av organ (66) för kontroll av atmosfären inuti degeln, vilka organ inbegriper organ för av- lägsnande av gaser från degeln vilka är skadliga för fodret och av organ (60,62) för att förhindra atmosfäriska gaser från att tränga in i degelns inre under det att nämnda material ma- tas in till denna.

9. Ugn enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att de- geln (22) har en huvudsakligen sfärisk form.

10. Ugn enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att nämn- da elektriska organ innefattar åtmínstone en elektrod (120) som sträcker sig in i degelns (22) inre.

11. Ugn enligt krav 10, k ä n n e t e c k n a d av attnämn- da elektrod (120) består av kol.

12. Ugn enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att nämn- da organ (66) för kontroll av atmosfären innefattar organ för avlägsnande av syre därifrån.

13. Ugn enligt krav 8, k ä n n e t e c k n a d av att det med eldfast foder försedda täckelementet (108) är fodrat med kol.