DK157631B

DK157631B - Fremgangsmaade til fremstilling af ikke-metallisk materiale

Info

Publication number: DK157631B
Application number: DK441881A
Authority: DK
Inventors: Patrick J Wooding
Original assignee: Wooding Corp
Priority date: 1980-02-07
Filing date: 1981-10-06
Publication date: 1990-01-29
Also published as: JPH0250394B2; EP0034109A1; US4389724A; NO154897B; NO813377L; ES499189A0; ZA81767B; GB2081857B; DE3134429C2; NZ196189A; FI70470B; DK441881A; CA1174261A; PL229590A1; AT390246B; SE441742B; NL8120038A; JPS57500525A; ATA901481A; NO154897C

Description

DK 157631 B

Opfindelsen angår en fremgangsmåde til elektrisk smeltning af ikke-metal1 i sk materiale, i forbindelse med fremstilling af mi nera 1uldsfibre, omfattende en anbringelse af materialet i en digel, en elektrisk opvarmning af materialet til smeltning.

5 til brug ved en efterfølgende omdannelse til mi neralu1dsfi ore, en fjernelse af smeltet materiale fra digelen gennem er åbning ved den nedre ende samtidigt med at materialet oovarir.es.

Siden 1850 er der blevet fremstillet mineraluld af flere fo ΓΙΟ skellige råmaterialer incl. højovnsslagger hidrørende fra produktion af kobber, bly og jern. Til fremstilling af mineraluld er disse materialer på ny smeltet i brændselsfyrede kupol ovne, som er primitive anordninger, der kun muliggør en mindre kvalitetsstyring, giver en betydelig luftforurening og har store 15 dr iftscmkostninger som følge af priserne på koks, som er det foretrukne brændstof.

Studier af reaktionerne i store kupolovr.e, såsom højovne, årtiers anstrengelser i retning af at etablere optimale niveauer 20 for ovnens parametre og forøgelser af dimensionerne har resulteret i forudsigelige kvaliteter og g-'vet en rimelig økonomi .

Små kupolovne (med en produktion per 5 ton per time} til t i 1 -25 vejebri ngel se af smeltede ikke-metaller, som formes til mine ral uldsfibre, er imidlertid ikke særlig effektive. Processer-har ikke kunnet gøres økonomisk som følge af, at mineralulder fylder forholdvis meget og ikke kan transporteres over stO:,c afstande, uden at fragtomkostningerne eliminerer fortjenest-30 marginen. Derudover er de såkaldte ’'spindere", der anvendes af operatører til at danne fibre af den smeltede strøm af slagge fra kupolovnen, i almindelighed begrænset til 5 ton per time. og i praksis er der monteret et apparat per ovn el':er per "linie”.

Den typiske kupolovn, der smelter ikke-meta11 er til mineraluld, omfatter et vandkølet stålhylster med en diameter pé 1,83-2,14 m og en højde på 4,6-7,6 m.Den er termisk ineffex- 35

DK 157631 B

2 liv, 1 uf-forurenende oq giver store driftsomkostninger. Mængderne af pulverformet materiale, svovl og svovloxider i røgen fra kupolovnen giver uforholdsmæssig store omkostninger i be-tragninq af, at der kun kan smeltes 5 ton per time.

5

Kupolo-vn-ens· største ulempe er, at der ikke er mulighed for at styre kvaliteten af produktet. Til bagehol del sesti den af den enkelte charge i smeltet tilstand er meget lille, af størrel-sesordenen sekunder i nogle tilfælde og højst nogle minutter.

10 En modifikation af tappetemperaturen kan kun opnås ved tilsætning af en charge såsom sand til nedsættelse af smeltepunktet.

En forøgelse af smeltehastigheden kan kun opnås ved at forøge indblæsni nger samtidigt med,at tilbageholdelsestidem og tappetemperaturen ændres.

15

Det roterende systems evne til at omsætte det meste af kupol-ovnens_afgivelse til et produkt af høj kvalitet er en funktion af overf1 adespændi ngen af den smeltede strøm, som på sin side afhænger af temperaturen, kemien og viskositeten. Kupol ovnens 20 manglende evne til at kunne styre disse parametre resulterer i en då.r-1-i-g-gennems-n i t-syxieevne. Når man nærmer sig· optimale tilstande for fiberdannelse, omsætter en kupol/spindekombination en meget stor del af sin smeltefremføring til et produkt af høj kvalitet, hvilket indikerer, at selv en mindre styring af 25 smeltep'aramet'rene giver en væsentlig forbedring af udbyttet.

Overfladespændingen er en kritisk parameter under fiberdannelsen. Nedbrydr. i ngen af slaqgefilmen til fibre er illustreret i fig. I. Det roterende hjul giver et plant ark af flydende slag-30 get som under en ret vinkel rammes af en hurtig luftstrøm.

SIaggefi 1 men 10 afbøjes og udsættes for aerodynamiske instabiliteter i form af bølqer, der udbreder sig med voksende amplitude i tilnærmelsesvis tangential retning.

35 Ved forkanten af arket er halve eller hele bølgelængder af det smeltede materiale aftaget ved slag af luftstrømmen og kontakt til båndene 14 under indflydelse af overfladespændingen. Det videre forløb af disse bånd, dvs. om de omsættes til brugbare 3

DK 157651 B

fibre eller til kugler, som afvises, afhænger i høj grad af forholdet mellem temperatur og viskositet.

Eftersom råmaterialer, især højovns-jerns!agqer er i overf 1 od 5 i de fleste spiIdprodukter, og mineraluld af god kvalitet har en høj isolationsværdi, er der inden for de sidste 20 år gjort flere forsøg på at finde en mere tilfredsstillende smeltemetode. Disse forsøg er baseret på brugen af en elektrisk ovn til modstandsopvarmning, buedannelse eller induktionssmeltning af 10 chargen med henblik på at tilvejebringe et smeltet materiale, som kan stvres i henseende til strømningshastighed, temperatur og sammensætning.

Disse forsøg har slået fejl; ikke fordi en elektrisk smeltning 15 af slagger i sig selv er vanskelig, men fordi en sådan smeltning med en konventionel elektrisk ovn har vist siq at være uøkonomisk. Den nødvendige energi til smeltning af 1 ton høj-ovnsslaqqe ved hjælp af en kupolovn til 5 ton per time kan f.eks. være omkring 7 millioner BTU. Som følge af at man ikke 20 kan styre temperaturen, kemien og hastigheden af kupolafgivelsen, spildes der i middel 45% af dette smeltede materiale som hagl eller returgods, således at den nødvendige energi til smeltning af 1 ton af produktet med tilnærmelse er 12,5 mil-1 i oner BTU .

25

Under ideelle omstændigheder er den varmemængde, der er nødvendig til at opvarme 1 ton højovns-jernslagge til tappetemperatur, omtrent 450 kWH eller 1,5 millioner BTU. Eftersom virkningsgraden af en moderne termisk energistation højst er 37%, 30 og transmissionstabene til smeltestedet sandsynligvis forklarer andre 10%, er den samlede energi, der skal til for at opvarme 1 ton slagge til tappetemperaturen under ideelle omstændigheder 4,5 millioner BTU. I en konventionel elektrisk ovn til 5 ton per time med en samlet termisk virkningsgrad på 70% 35 er den nødvendige energi derfor 6,4 millioner BTU per ton smeltet materiale. Hvis det antages, at forbedringen i tappetemperatur, kemi og hastighed ved en konventionel elektrisk smeltning giver en forøgelse i brugbare mi neral uldsprodukter fra 55% til

DK 157631 B

4 65%, er nettoenergiforbruget af denne elektriske smelteanord-ninq 9, 8 millioner BTU per ton af produktet.

Den nødvendige energi per ton mineraluldsprodukt er med til-5 nærmelse 20% højere for kupolovne end ved konventionel elektrisk smeltning.

Ved en pris på 170 $ per ton koks og en energipris i USA på 0,028 $ per kHW {i 1979) er besparelserne i energi ved konven-10 tionel elektrisk smeltning i forhold til kupo 1smeltn inq ca. 10 $ per ton smelte eller 18 $ per ton produkt.

Disse besparelser i .energi modregnes af høje omkostninger ved ildfast materiale i konventionelle elektriske ovne, eftersom 15 smeltet slagge og tilstedeværelsen af oxygen bevirker, at ildfaste foringer eroderes, endog carbon- og grafitforinger. Kulstof hol d-i ge materialer oxiderer eller brænder bort med voksende hastighed, når temperaturen overstiger 500°C. F.eks. mister industriel grafit 5% af sin vægt ved oxidation, når det 20 holdes ved 600°C i luft i 2¾ time. Smeltepunktet af højovns-jernsl'agg'é' er afhængigt af sammensætningen 1370 - 1540°C.

Ifølge opfindelsen er det anvist, hvorledes man eliminerer disse ulemper, og dette formål er ifølge opfindelsen opnået 25 ved, at der anvendes en digel med carbonfor ing, idet atmosfæren i digelen kontinuerligt reguleres ved en fjernelse af gasser. som er skadelige for carbonfori ngen.

Denne fuldt indesluttede ovn giver i sig selv en termisk iso-30 lation af meget høj værdi, og derved muliggøres termiske virkningsgrader på 80-85% for en 5 ton ovn med tilsvarende reduktioner i energi forbrug og driftsomkostninger.

Chargeportioner afgives gennem en atmosfæresluse til en smelte-35 pøl, der i hovedsagen svarer til 1 times produktion. Den resulterende tilbageholdelsestid på 30-60 min. i forbindelse med den variable energitilførsel og charge og afgivelseshastighed og den styrede atmosfære, muliggør en meget nøje styring af

DK 157631B

5 tappetemperaturen, kemien og hastigheden og tillader en forudsigelig overfladespænding og viskositet, hvorved kvaliteten oq udbyttet forbedres tilsvarende.

5 Ovnen ifølge opfindelsen kan også modtage og recirkulere de afviste kugler og det afviste returgods, som ikke kan anvendes af kupolovnen. Derved reduceres spildet til et minimum.

Ved ovnen ifølge opfindelsen er der således tale om betydelige 10 besparelser i energi og dr iftsomkostninger. Med en rimelig levetid af det ildfaste materiale, en ovnvirkningsgrad på 85%, et spinderudbytte på 75% og en fuldstændig recirkulation af kugler og returgods falder den nødvendige energi per ton af produktet fra 12,5 millinoer BTU i kupolovnen til 7 millioner 15 BTU, og driftsomkostni ngerne reduceres med mere end 40 $ per ton produkt.

Opfindelsen skal nærmere forklares i det følgende under henvisning til tegningen, hvor 20 fig. 1 illustrerer, hvorledes en slaggefilm kan nedbrydes til fibre, f i g - 2 et atmosfærestyret elektrisk smelteovn ifølge opfindel-25 sen og f i q . 3 den i fiq. 2 viste smelteovn, set i snit.

I fig. 2 er der vist en atmosfærestyret elektrisk smelteovn 20 30 ifølge opfindelsen.

Smelteovnen 20 omfatter en elektrisk smeltedigel 22, der vil blive beskrevet i forbindelse med fig. 3. Diglen 22 er monteret på en bæreramme 24 ved hjælp af drejetappe 25. Et antal ve-35 jeceller er monteret under bærerammen 24, således at vægten e* diglen 22 og andre dertil hørende strukturer kan måles. Derved bliver det muligt at bestemme vægten af materialet i diglen 22 ved at subtrahere taravæqten fra den samlede vægt.

6

DK -11-.,7031 B

I den nedre del af diglen 22 er der et tappehul 30, som gør det muligt at fjerne smeltet materiale fra diqlen 22. Under tappehullet 30 er der et trug 32 til afgivelse af det smeltede materiale til en firhjulssoinder 34. Det smeltede materiale 5 (slagge) bliver derefter konverteret til mineraluld under anvendelse af en kendt teknik. Ved smeltning af andre materialer end slagger i diglen eller ved fremstilling af andre materialer end mineraluld, kan truget 32 og spinderen 34 erstattes af andre anordninger.

Λ r- i u

Over diglen 22 er der et elektrodeophængningssystem 36. Som det vil blive beskrevet i det følgende understøtter elektrodeophængningssystemet 36 ikke kun de elektroder, der anvendes til smeltning af materialet i diglen 22. Det virker også som 15 et dæksel til tætning af diglen 22 i forhold til den ydre atmosfære. Der tilføres elektrisk energi til elektroderne i elektrodeophængninqssystemet 36 via fleksible ledere 40, som er ført gennem en tætnet åbning 42 i siden af elektrodeophæng-ningssystemet 36.

20

Materiale, som skal til føres til diglen 22, er lagret i en eller flere beholdere 44. Der kan lagres forskellige materialer i de forskellige beholdere 44. Under hver beholder eller tragt 44 er der en vejebeholder 46, der tjener til at sikre, at de 25 forskellige materialer tilføres til diglen 22 i nøjagtige mængder.

Mår de rette mængder af de ønskede materialer er anbragt i ve-jebeholderne 46, bliver åbningen 48 i bunden åbnet, og materi- 30 alet bliver afgivet til en første transportør 50. Materialet på transportøren 50 bliver derefter overført til en anden transportør 52, som transporterer materialet til toppen af diglen 22.

35 Materialet føres derefter ind i diglen 22 gennem en indgangsåbning 54 og en dertil sluttet beholder 56. Ved fremføring af materiale til beholderen 56, og især når diglen drives kontinuert fremfor portionsvis, er det væsentligt, at der ikke trænger gasser ind i diglen 22 gennem indgangsåbningen 54.

7

DK 157651B

Dette sikres ved hjælp af en fremfør i ngs 1 ås 58 med en ventil 50 i toppen og en ventil 62 i nærheden af bunden. Når ventilen 62 er lukket, er indgangen til diglen 22 tætnet, ventilen 60 åbnet, og materialet er ført til fremførinqslåsen 58. Ventilen 5 60 bliver derefter lukket, og det indre af fremføringslåsen 58 bliver derefter renset med en inaktiv gas, såsom nitrogen. Andre inaktive gasser kan også anvendes, og det er også muligt at fastgøre en vakuumkilde til fremfør ings1 åsen 58 for b^ot at udtrække atmosfæriske gasser derfra. Derefter åbnes den nedre 10 ventil 62, og materialet i fremføringslåsen eller -slusen 53 trænger ind i diglen 22 gennem beholderen 56 og indgangsåbningen 5 4.

Nær den øvre del af diglen 22 er der en udblæsningsåbning 64.

15 Udblæsningsåbningen 64 kommunikerer med diglen 22 og er forbundet til et vandret udblæsnings-fcrgreningsrør 66. En vakuumpumpe 68 er forbundet til midtpunktet af forgreningsrøret 66 ved hjælp af en fleksibel slange 70. Nær den frie ende af forgreningsrøret 66 er der en justerbar venturi 72, der energi-20 forsynes ved hjælp af en ventilator 74 forbundet til en skorsten 76.

Under opstart af diglen 22 er man interesseret i at fjerne skadelige gasser fra denne. Dette sker ved hjælp af en lukke-25 ventil 78 ved den frie ende af forgreningsrøret 66, og en vakuumpumpe 68, indtil trykket i diglen 22 er reduceret til det ønskede niveau. Vakuumpumpen 68 bliver derefter slukket, oc diglen 22 fyldes med en inaktiv gas, såsom nitrogen, til lidt over atmosfæretryk. Når diglen 22 er i drift, kan ventilen 78 30 åbnes og ventilatoren 74 energi forsynes. Venturien 72 er derefter justeret således, at røggasser kan fjernes fra det indre af diglen 22, idet dog oxygen og andre skadelige atmosfæriske gasser ikke må kunne trænge ind. Under anvendelsen af venturien 72 kan små mængder opspædningsnitrogen og i visse tilfælde 35 vakuumpumpen 68 og atmosfæren i diglen 22 kontrolleres nøje.

Der henvises nu til fig. 3. Det ses, at diglen 22 er i hovedsagen sfærisk og indeholder en i hovedsagen sfærisk ildfast 8

DK 167631 B

foring 80, som til slaggesmeltning fortrinsvis udgøres af carbon. Bag carbonbori ngen 80 er der en yderligere foring 82, der fortrinsvis udgøres af ildfast alumina. Denne foring efterfølges af en ildfast isolation 84 og et yderligere isolations-5 lag 86, der fortrinsvis udgøres af blæret alumina. Det ydre lag af ovnen 82, som dækker isolationslaget 86, er et stålhylster 8-8·.-

Smeltet materiale såsom slagge er i den foretrukne udførelses-10 form vist ved 90, idet det i hovedsagen udfylder halvdelen af smeltediglen. "Som følge af de ekstremt høje temperaturer er det vigtigt, at det smeltede materiale 90 ikke kommer i berøring med materialer, som ikke kan modstå disse høje temperaturer. Af denne årsag indeholder den indvendige del af ir.d-15 gangsåbni ngen 54 et carbonrør 92, og et tilsvarende carbonrør 94 er anbragt ved den indre ende af udblæsningsåbningen 64. Bag carbonrørene 92 og 94 er der vandkølende stålrør 96 og 98. Tilsvarende er tappehullet 50 udstyret med et grafitrør 100 og et antal vandkølende ståldele 102 og 104 nær grafitrøret 100. 20 En pløk 106 tjener til at lukke enden af tappehullet 30.

Smeltediglen ..2.2.-har en åbning ved den øverste del. Denne åbning er lukket af et dæksel 108 bestående af flere lag. Det ne-derste lag lio udgøres fortrinsvis af carbon og har et trin-2 5 formet f vær s nit H2 for tilpasning til en trinformet del 114 veg den-øverste del af smeltediglen. De øvrige lag af dækslet 108 udgøres fortrinsvis af de mater i a 1er( som er omtalt i forbindelse med væggene af smeltediglen 22, 3Ό · Dækslet 108 har et antal huller 116 og 118. Disse huller optager nogle elektroder 120 og 122, som fortrinsvis udgøres af grafit. Eftersom mindst ét af lagene af dækslet 108 udgøres af et elektrisk ledende materiale, skal der være et ringformet mellemrum imellem hver elektrode og væggen af hullet, hvori-85 gennem elektroden er ført.

Den øvers te ende af hver af elektroderne er forbundet til et krydshoved, såsom krydshovedet 124. Krydshovederne er under-

Claims

25 Selv om der kun er vist to elektroder 120 og 122 i fig. 3, er det underforstået, at det også er m'uligt at anvende tre elektroden i et f1erfaset system eller en enkelt elektrode og da anvende carbonfor i ngen 80 som den anden elektrode, Endvidere vil der kunne anvendes både veksel- og jævnstrøm, og smeltnir,-30 gen kan foretages ved buedannelse, eventuelt under overflader, eller ved modstandsopvarmning. Det er også muligt at anvende induktionssmeltning. Patentkrav, 35 --------------------

1. Fremgangsmåde til elektrisk smeltning af ikke-metallisk metallisk materiale, i forbindelse med fremstilling af mineral- DK 157631B uldsfibre, omfattende en anbringelse af materialet i en digel (22), en elektrisk opvarmning af materialet til smeltning, til brug ved en efterfølgende omdannelse til mineraluldsfibre, en fjernelse af smeltet materiale (90) fra diglen gennem en åb-5 ning (100) ved den nedre ende samtidigt med at materialet opvarmes, kendetegnet ved, at der anvendes en digel med en carbonforing 80, idet atmosfæren i diglen 22 kontinuerligt reguleres ved en fjernelse af gasser, som er skadelige for carbonfor ingen (80).

2. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at reguleringen af atmosfæren omfatter en erstatning af atmosfæren i diglen (22) med en inaktiv gas.

3. Fremgangsmåde ifølge krav 2, kendetegnet ved, at diglen (22) evakueres, inden den fyldes med inaktiv gas.

4. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at der ved den elektriske opvarmning af materialet anvendes 20 mindst én carbonelektrode (120), som strækker sig ind i det indre af diglen (22),

5. Fremgangsmåde ifølge krav 4, kendetegnet ved, at materialet opvarmes ved, at der føres en elektrisk strøm 25 igennem materialet.

6. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at atmosfæriske gasser er forhindret i at nå ind i diglen (22), når materialet anbringes i denne, 30

7. Fremgangsmåde ifølge krav 1, kendetegnet ved, at det smeltede materiale (90) udgøres af slagge.

8. Elektrisk smelteovn til smeltning af ikke-metal1 i sk mate-35 riale specielt i forbindelse med fremstilling af mineralulds- fibre omfattende en digel (22) med et øvre og et nedre parti, organer til at tætne det indre af diglen overfor atmosfæren uden for diglen, idet organerne omfatter et ildfast foret lag DK 157631 B (108), som dækker det øvre parti, elektriske organer (120) til at smelte materialet (90) i diglen (22), og et tappehul (30) anbragt i det nedre parti af diglen til at fjerne smeltet materiale fra denne, medens de elektriske organer smelter mate-5 rialet i diglen, og organer (54, 56, 58) til at føre materialet, som skal smeltes, ind i det indre af diglen, kendetegnet ved, at diglen (22) er carbonforet, og at der er indrettet organer til at regulere atmosfæren i diglen, herunder organer til at fjerne gasser, som er skadelige for forirs-10 gen, og organer (60 , 62) til at hindre atmosfæriske gasser i al-trænge ind i det indre af diglen, når der tilføres materiale til denne.

9. Smelteovn ifølge krav 8, kendetegnet ved, at 15 diglen (22) er i hovedsagen kugleformet.

10. Smelteovn ifølge krav 8, kendetegnet ved, at de elektriske organer omfatter mindst én elektrode (120), som strækker sig ind i det indre af diglen. 20

11- Smelteovn ifølge krav 8, kendetegnet ved, at elektroderne består af carbon.

12. Smelteovn ifølge krav 8, kendetegnet ved, at 25 organerne til at regulere atmosfæren i diglen omfatter organer til at fjerne oxygen fra denne atmosfære,

13. Smelteovn ifølge krav 8, kendetegnet ved, at det ildfast forede lag er foret med carbon. 30 35