DE3019812A1

DE3019812A1 - Schmelzverfahren und elektrischer schmelzofen

Info

Publication number: DE3019812A1
Application number: DE19803019812
Authority: DE
Inventors: Michael Sidall
Original assignee: SIDDONS IND; SIDDONS INDUSTRIES Ltd
Current assignee: Bi (australia) Pty Ltd North Sydney Neusuedw
Priority date: 1979-05-23
Filing date: 1980-05-23
Publication date: 1980-11-27
Also published as: IN157734B; US4375449A; DE3019812C2; ZA802975B; YU255382A; HK10084A; FR2457462A1; PH20178A; GB2051325B; JPH0146792B2; SE439539B; SE8003721L; NZ193699A; GB2051325A; JPS5649877A; FR2457462B1; AT379572B; ATA275580A; YU42058B; CA1153409A

Description

SIDDONS INDUSTRIES LIMITED
Pooraka, State of South Australia, Australien

Schmelzverfahren und elektrischer Schmelzofen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Schmelzen diskreter Oxidverbindungen von Metallen/Nichtmetallen, wie etwa Schlacke, die im geschmolzenen Zustand elektrisch leitend werden, in einem elektrischen Schmelzofen. Weiterhin betrifft die Erfindung einen elektrischen Schmelzofen zum Erschmelzen solcher Verbindungen, beispielsweise vor der Herstellung von isolierenden oder dämmenden Fasern.

Schlacke, die zuweilen zur Herstellung von Faserdämmmaterial verwendet wird, ist ein Abfallprodukt aus dem Hochofenbetrieb und kann beispielsweise 39 % CaO, 37 % SiO₂, 18 % Al₃O₃, 4 % MgO und geringe Mengen von Fe₂O- neben Spuren anderer Materialien enthalten. Ein solcher Stoff ähnelt dem Material, aus dem feuerfeste Steine hergestellt werden, und solche Schlacke löst feuerfeste Steine tatsächlich an oder wäscht sie weg, wenn die Temperatur so hoch ist, daß die Schlacke dünnflüssig wird. Dies ist einer von zwei Gründen, aus denen elektrische Schmelzöfen normalerweise nicht

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zum Erschmelzen von Schlacke verwendet werden, bevor die Schlacke zur Erzeugung von Faserdämmaterial auf eine drehende Scheibe gegossen wird. Der anderä Grund besteht in der Schwierigkeit, ein Zusetzen der Auslauföffnung für die Schlacke zu vermeiden, wobei Abhilfe hiergegen Gegenstand der parallelen deutschen Patentanmeldung mit dem Titel "Abflußsteuerorgan für einen Schmelzofen" desselben Anmelders vom gleichen Tage wie die vorliegende Anmeldung ist. Auf diese parallele Anmeldung wird wegen weiterer Einzelheiten insoweit, als sie auch im vorliegenden Zusammenhang von Interesse sein können, ausdrücklich Bezug genommen.

Infolge dieser beiden Schwierigkeiten wird die Schlacke in der Regel in einem Schmelzofen mit Koksbett erwärmt, und wenn die Schlacke schmilzt, so tropft sie durch das Koksbett hindurch nach unten und läuft über eine Öffnung in der Bodenwand des Schmelzofens ab. Die Temperatur, bei der der Ofen läuft, kann bis zu 16OO°C betragen und liegt normalerweise zwischen 1450 C und 1500⁰C, und bei dieser Temperatur können die Stahlwände des Schmelzofens erheblich beschädigt werden. Daher ist es üblich, einen in dieser Weise mit Koks befeuerten Schmelzofen mit einem Mantel zu umgeben, durch den dauernd Kühlwasser strömt, welches die Schlacke in unmittelbarer Nachbarschaft der Innenwand des Ofens abkühlt, so daß diese selbst sich verfestigt und gewissermaßen ihre eigene feuerfeste Auskleidung bildet. Bei längerem oder kontinuierlichem Betrieb wird die Qualität der Stahlwand jedoch allmählich schlechter, jedoch wird Kühlwasser, wenn die Stahlwand so weit zerstört worden ist, daß Wasser aus dem Kühlmantel in den Ofen eindringen kann, einen Schmelzofen vorfinden, der eine relativ geringe Menge an Schlackenschmelze und eine relativ große Menge an brennendem Koks aufweist,

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so daß das Wasser im wesentlichen nur die Verbrennung löscht und den Inhalt des Ofens abkühlt, vorauf der Inhalt des Ofens einzeln entfernt und die Wände" einzeln ersetzt werden müssen.

Eine solche Anordnung ist jedoch bei elektrischen Schmelzofen nicht akzeptabel. Wenn eine Wand eines elektrischen Schmelzofens zerstört wird, so daß Wasser aus dem umgebenden Wassermantel in den elektrischen Ofen eintreten kann, so kann dieser explodieren, da anstelle einer großen Menge von Koks im Ofen eine große Menge von Schlackenschmelze ist. Aus diesem Grunde haben bekannte elektrische Schmelzofen bei Verwendung zum Erschmelzen von Schlacke eine Auskleidung aus feuerfesten Steinen, die häufig ersetzt werden müssen.

Aus der US-PS 1 9 46 083 ist eine gasbefeuerte Glaswanne bekannt, die eine bespülte Wand (flux wall) mit dicht gesetzten Steinen (tuck stones) aufweist, die luftgekühlt sind. Auch aus der US-PS 20 42 660 ist eine Anordnung zur Luftkühlung von Ofenwänden bekannt.

Aus der US-PS 26 86 821 ist ein elektrischer Schmelzofen zum Erschmelzen inorganischer schwerschmelzbarer oxidischer Materialien bekannt, der einen Wasserkühlmantel aufweist. Die erläuterte Explosionsgefahr besteht bei dieser Anordnung jedoch nicht, da die Schmelze auf den oberen Bereich des Ofenbehälters beschränkt ist, und durch Kippen des Behälters dekantiert wird.

In der US-PS 27 90 019 ist die Schwierigkeit erläutert, die bei der Abkühlung der Schmelze in der Nachbarschaft einer Abflußöffnung auftritt, und nach dieser Druckschrift soll in einem feuerfest ausgekleideten Ofen das Überströmprinzip angewandt werden. Zwar ist aus der US-PS 36 12

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ein ringförmiger Wasserkühlmantel bekannt, jedoch dient dieser zur Wasserkühlung einer feuerfesten Auskleidung und sind solche Auskleidungen nicht befriedigend beim Erschmelzen von Metalloxiden.

Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Schmelzverfahren und einen elektrischen Schmelzofen zu schaffen, die zur Erzeugung von Schmelze aus Oxidverbindungen verwendet werden können, wie sie beispielsweise bei der Erzeugung von Mineralfaser-Dämmatten verwendet werden, wobei angestrebt ist, daß eine kontinuierliche Produktion über eine erheblich längere Zeitspanne aufrechterhalten werden kann, als bei den "Überström"-Öfen gemäß der US-PS 26 86 821 oder der US-PS 27 90 019.

Im Prinzip weist erfindungsgemäß ein Elektroofen eine Seitenwand aus Stahl auf, so daß beim Erschmelzen von Schlacke oder anderer schmelzbarer Oxidverbindungen von Metallen/Nichtmetallen im Ofen die äußere Schicht der Schmelze, die in Berührung mit der inneren Oberfläche der Seitenwand des Ofens steht, dadurch abgekühlt wird, daß die Außenoberfläche der Seitenwand des Ofens mit einer Wasserströmung abgekühlt wird, die über die Wand strömt. Dadurch kann die Schlacke sozusagen zu ihrer eigenen feuerfesten Auskleidung werden, die kontinuierlich in dem Umfange wieder aufgebaut wird, wie sie abgetragen wird. Umgekehrt kann daher von einem niedrigen Punkt des Ofens aus Schmelze kontinuierlich abgezogen werden, so daß der Ofen von der Oberseite aus her neu beschickt werden kann, ohne Unterbrechung der Produktion.

Die Schlackeschicht an den Wänden des Ofens kann dadurch ständig aufrechterhalten werden, daß die Seitenwände stets gekühlt gehalten werden, jedoch spielt eine Zerstörung der Wand selbst bis zu dem Umfang, in dem Wasser in den Ofen eintreten kann, keine Rolle, da kein Ktihl-

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Wassermantel mit entsprechendem anstehendem Wasservolumen vorhanden ist wie in einem ummantelten Ofen. Wenn Wasser in den Ofen eintreten will, so wird es sofort Verdampft und wird der Wasserdampf aus dem Innenraum des Ofens aus zurück in den Wasserstrom getrieben, der über die Außenseite strömt. Auf diese Weise ist das Explosionsrisiko ganz erheblich vermindert.

Im einzelnen ergibt sich das erfxndungsgemäße Schmelzverfahren aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, während ein erfxndungsgemäßer Schmelzofen zur Lösung der gestellten Aufgabe die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 8 aufweist.

In bevorzugter Weiterbildung ist eine weitere Abflußbuchse durch die Seitenwand des Ofens hindurch vorgesehen, jedoch etwa in der Ebene des Ofenbodens angeordnet. Diese zweite Buchse bildet ein Zapforgan und ermöglicht es,beispiels weise Eisen, welches zur metallischen Form reduziert wurde und sich im untersten Teil des Ofens absetzt, kontinuierlich oder periodisch während des Ofenbetriebs abzuziehen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform anhand der Zeichnung, insbesondere in Verbindung mit den zusätzlichen Unteransprüchen.

Es zeigt

Fig. 1 schematisch vereinfacht die Anordnung eines erfindungsgemäßen elektrischen Schmelzofens,

Fig. 2 schematisch vereinfacht einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Schmelzofen im Betrieb,

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Fig. 3 einen Schnitt durch den Schmelzofen vor Betriebsaufnahme und

Fig. 4 einen Teilschnitt gemäß Linie 4-4 in Fig. 3.

Der mit 10 bezeichnete Schmelzofen der in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsform möge zum Erschmelzen von Schlacke dienen und weist einen feuerfest ausgekleideten Stahlboden 11, eine Seitenwand 12 und eine Beschickungswand 13 auf, die oberhalb der Seitenwand 12 liegt. Obwohl der Stahlboden 10 und die Beschickungswand 13 auch aus anderen Materialien bestehen können, ist es erfindungswesentlich, daß die Seitenwand 12 speziell aus Stahl besteht. Der von der Seitenwand 12 umschriebene Raum ist ein Ofenbehälter und enthält die Schmelze 15, eine erstarrte Schicht 16 angrenzend an die Innenoberfläche der Seitenwand 12 und, für die Anlaufphase, eine Schicht 17 aus Koks oder einem anderen kohlenstoffhaltigen Material.

Der Schmelzofen 10 weist eine Mehrzahl von Elektroden auf, die in das Ofengefäß hineinhängen. Die Elektroden sind Kohlenstoffstangen, die durch Leitungen 21 an einen Drehstrom—Leistungstransformator 22 angeschlossen sind.

Etwas oberhalb und radial außerhalb des oberen Endes der Seitenwand 12 ist eine Verteilerringleitung 24 in Kreisform angeordnet, die mit einer Mehrzahl von nach unten gerichteten Rohren 25 versehen ist, die je einen Auslaß für Kühlmittel besitzen und so angeordnet sind, daß die Kühlmittelströmung über die Außenoberfläche der Seitenwand 12 gelenkt wird. Die Seitenwand 12 ist durch eine Mehrzahl von Aussteifungsstegen 27 ausgesteift, und die Rohre 25 sind im Bereich zwischen den Aussteifungsstegen 27 gegen die Außenoberfläche der Seiten-

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wand 12 gerichtet und weisen einen solchen gegenseitigen Abstand auf, daß mit Ausnahme der Unterbrechungen durch die Stützstege 27 ein zusammenhängender Film an Kühlwasser an der Außenoberfläche der Seitenwand 12 gebildet wird. Das Kühlwasser läuft in einen Sumpf 28 und wird mittels einer Pumpe 29, die von einem Motor 30 aus angetrieben wird, nach oben zurückgepumpt und so rezirkuliert.

Durch die Seitenwand 12 erstreckt sich eine Buchse 31 mit einem ringförmigen Wassermantel, durch den Kühlwasser strömt. Die Buchse 31 besteht aus dickem rostfreiem Stahl. Die Buchse 31 erstreckt sich durch die Seitenwand 12 hindurch und endet mit ihrem inneren stirnseitigen Ende 32 in einem Abstand von der Innenoberfläche der Seitenwand 12 im Ofeninneren, und mit ihrer äußeren Stirnfläche 33 in einem Abstand außerhalb der Außenoberfläche der Seitenwand 12. Die Buchse 31 besitzt eine leicht auswechselbare Auskleidung 34 aus Kohlenstoff. Weiterhin ist ein schwenkbeweglich gelagertes Steuerorgan 36 vorgesehen, welches ebenfalls aus rostfreiem Stahl besteht und ebenfalls wassergekühlt ist und mit dem Abflußkanal durch die Auskleidung 34 hindurch zusammenarbeitet, um den Auslaßquerschnitt und damit die Abflußgeschwindigkeit der Schmelas aus dem Ofeninneren zu steuern. Für weitere Einzelheiten insoweit wird ebenfalls auf die eingangs bereits genannte parallele deutsche Patentanmeldung desselben Anmelders vom gleichen Tage Bezug genommen.

In Höhe der Bodenwand 11 ist,ein zweites Zapforgan 37 mit einer Kohlenstoffauskleidung 37' und einer Buchse 37" mit Wasserkühlmantel vorgesehen, welches von ähnlicher Ausbildung wie im Bereich der Buchse 31 ist; das Zapforgan 37 wird zur Steuerung eines Bodensatzes an Eisen

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verwendet, welches sich am Boden des Ofens absetzen kann.

Aus zusammenschauender Betrachtung der Fig. 1 und 2 wird der Einsatz eines erfindungsgemäßen Schmelzofens 10 in einer Gesamtanlage deutlich. Mittels einer Mühle 38 werden die Rohstoffe in eine geeignete Größe gebracht, wobei zum Erschmelzen von granulierter Schlacke die Partikelgröße im allgemeinen zwischen einer Siebgröße von etwa 6 bis 12 mm (i/4 bis 1/2 inch) liegt. Die diskrete, also partikelförmige Schlacke 39 wird durch einen Elevator 40 hochgefördert und in einen Wiegetrichter 41 eingeführt, sofern erforderlich. Das Schlackegranulat 39 wird sodann mittels eines Förderbandes 42, soweit erforderlich, in den Beschickungsraum des Ofens 10 gebracht und gelangt über Schütten 43 in den Ofen.

Die Erfindung ist zwangsläufig beschränkt auf solche schmelzbaren Oxidverbindungen von Metallen/Nichtmetallen, die im geschmolzenen Zustand leitend sind, und es gibt einige Anwendungsfälle der Erfindung, bei denen es nötig ist, daß die Schmelze zunächst durch verunreinigungsfreie Wärmeeinwirkung, beispielsweise in gasbefeuerten Schmelzöfen, hergestellt wird. Jedoch ist dies bei der Herstellung von Mineralfaser-Dämmatten oder -Dämmplatten nicht erforderlich, und in diesem Falle kann in besonders günstiger Weise eine Schmelze dadurch hergestellt werden, daß zunächst eine Menge an Koks 17 oder anderem kohlenstoffhaltigem Material in den Bodenbereich des Ofens 10 eingebracht wird, wonach diese Koksmenge dadurch erwärmt wird, daß ein entsprechender Strom zwischen den Elektroden 20 fließt. Obwohl dies erfolgen kann, nachdem der Schmelzofen 10 mit Schlackepartikeln 39 beschickt worden ist, ist es bevorzugt, getrennt den Koks zu erhitzen, was nur eine kurze Zeitspanne erfordert, und anschließend den Ofen zu beschicken. Die Erwärmung

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des Kokses erfolgt teilweise durch elektrische Leitung, teilweise durch Plasma-Erwärmung und teilweise durch Verbrennung. Wenn eine ausreichende Temperatur erreicht worden ist, wird einiges Schlackegranulat 39 eingefüllt und erreicht den Bodenbereich des Behälters, so daß hierdurch infolge der körperlichen Berührung mit dem weißglühenden Koks schnell eine Schmelze erzeugt wird. Wenn die Schmelze erstmalig erzeugt ist, so ist die Funktion des Kokses nicht mehr so kritisch, da die Schmelze selbst leitend wird und der Ofen voll beschickt werden kann, wobei die zugeführte partikelförmige Schlacke 39 zunehmend geschmolzen wird.

Die Anströmung der Außenoberfläche der Seitenwand 12 mit Kühlwasser erzeugt eine abgekühlte, verfestigte Schicht aus der Schmelze an der Innenoberfläche der Seitenwand 12 und auch an der Oberseite des feuerfest ausgekleideten Bodens 11, so daß diese verfestigte Schicht gewissermaßen als eigene feuerfeste Schlackeschicht dient; im Zuge der Erzeugung und Bewegung weiterer Schmelze aus den schmelzbaren Verbindungen wird zwar ein Teil der Schlackeschicht weggewaschen, jedoch auch automatisch wieder angesetzt. Da das innere stirnseitige Ende 32 der Buchse 31 im Abstand von der Innenoberfläche der Seitenwand 12 liegt, kann es die verfestigte Schicht durchstoßen und bis zur flüssigen Schmelze vorstoßen, so daß Verstopfungstendenzen weitgehend vermieden sind. Da das äußere Ende 33 der Buchse 31 im Abstand außerhalb der Außenoberfläche der Wand 12 endet, besteht nur eine sehr geringe Wahrscheinlichkeit, daß Kühlwasser auf die Schmelze trifft, wenn diese durch die Auskleidung 34 hindurch nach außen strömt. Notwendigerweise ergeben sich Zerstörungserscheinungen am Stahl der Seitenwand 12 des Schmelzofens 10, jedoch stellt eine solche Zerstörung keine Gefahr mehr dar, da jegliches

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Wasser, welches die Seitenwand 12 zum«Ofen hin durchdringt, lediglich auf die verfestigte Schicht 16 der Schlacke trifft, verdampft und wieder ausgetrieben wird.

Wie in Fig. 3 der Zeichnung veranschaulicht ist, wird der feuerfest ausgekleidete Boden 11 durch das Wasser im Sumpf ebenfalls wassergekühlt, was einen weiteren Schutz der Bodenwand 11 mittels einer Mischmasse aus Oxidverbindungen, Eisen und einigem geschmolzenem feuerfestem Material alle in unterschiedlichen Stufen der Verfestigung erfordert, die auf diese Weise auch gewährleistet ist.

Die geschmolzene Schlacke strömt durch die Buchse 31 und ihre Auskleidung 34 in kontinuierlichem Strom 45 nach außen und wird dort von einem Luftstrahl aus einer Düse 36 abgefangen, der den Strom 45 auf eine drehende Scheibe 47 od. dgl, lenkt, die eben, konisch oder gebogen sein kann, und die Mineralfaser wird geformt und gepackt, wie dies an sich bekannt ist.

Eisen, welches in die metallische Form reduziert wurde, und sich im Bodenbereich des Ofens ablagert, kann durch das Steuerorgan 37 in Bodenhöhe des Ofens abgezapft und in der Aufbauhöhe gesteuert werden.

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Claims

SIDDONS INDUSTRIES LIMITED
Pooraka, State of South Australia, Australien

Patentansprüche

( 1 *^Verfahren zum Erschmelzen schmelzbarer Oxidverbindungen —von Metallen/Nichtmetallen in einem elektrischen Ofen mit einem Behälter mit einer Seitenwand aus Stahl, wobei im Behälter eine Mehrzahl von Elektroden vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ofenbehälter mit wenigstens einigen der schmelzbaren Oxidverbindungen beschickt wird, daß eine Schmelze aus einigen der Oxidverbindungen im Ofen hergestellt und Strom zwischen den Elektroden und durch die Schmelze hindurchgeschickt wird, um so weitere Oxidverbindungen zu erschmelzen, und daß ein Wasserstrom über die Außenoberfläche der Seitenwände des Ofenbehälters geleitet wird, der die Seitenwände kühlt und eine Schicht der geschmolzenen Verbindungen angrenzend an die Innenoberfläche der Seitenwand abkühlt und verfestigt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze dadurch hergestellt wird, daß eine Menge an diskretem.bzw. partikelförmigem kohlenstoffhaltigem Material in den Ofenbehälter eingebracht und in Kontakt

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mit den Elektroden gebracht wird, daß das kohlenstoffhaltige Material durch zwischen den Elektroden fließenden elektrischen Strom erwärmt wird, und daß die schmelzbaren Oxidverbindungen in diskreter bzw. partikelförmiger Form in den Ofen eingeführt werden, derart, daß ein Teil der schmelzbaren Oxidverbindungen in körperliche Berührung mit dem erwärmten kohlenstoffhaltige Material gelangt.
3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidverbindungen nach ihrem Erschmelzen im Ofenbehälter als kontinuierlicher Strom durch eine Abflußbuchse ausgetragen werden, welche sich durch die Seitenwand und die verfestigte Schicht in die Schmelze hinein erstreckt, und zwar an einer Stelle zwischen dem oberen und dem unteren Rand des Ofenbehälters.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidverbindungen nach ihrem Erschmelzen als kontinuierlicher Strom aus dem Ofenbehälter durch eine Abflußbuchse ausgetragen werden, welche sich durch die Seitenwand und durch die verfestigte Schicht in die Schmelze erstreckt, und daß die Austraggeschwindigkeit der geschmolzenen Oxidverbindungen durch ein wassergekühltes Steuerorgan zur Strömungseinsteilung am äußeren Ende der Buchse reguliert wird.
5· Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß weitere Oxidverbindungen in diskreter bzw. in Partikelform in den Ofenbehälter von seiner Oberseite aus eingeführt werden, um die im Strom ausgetragene Menge zu ersetzen.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserströmung von einer Mehrzahl

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von Auslassen einer Kühlmittel-Verteilerleitung auf die Außenoberfläche der Seitenwand aufgebracht wird, welche die Seitenwand in der Nähe ihres oberen Endes umgibt.
7. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere Austragbuchse etwa in Bodenhöhe des Ofenbehälters vorgesehen ist.
8. Elektrischer Schmelzofen zum Erschmelzen diskret oder partikular vorliegender schmelzbarer Oxidverbindungen von Metallen/Nichtmetallen, gekennzeichnet durch

a) eine vorzugsweise feuerfest ausgekleidete Bodenwand (11) und Seitenwände (12), letztere aus Stahl, welche zusammen einen Ofenbehälter begrenzen,

b) eine Mehrzahl von Elektroden (20), die von der Oberseite aus in den Ofenbehälter hineinragen,

c) eine Kühlmittel-Verteilerleitung (24), welche den Ofenbehälter in der Nähe seines oberen Endes umgibt, und

d) eine Abflußbuchse (31), welche sich durch die Seitenwand (12) zwischen deren oberem und unterem Ende hindurch erstreckt, wobei das innere Ende (32) der Buchse (31) im Ofenbehälter in einem Abstand von der Seitenwand (12) liegt.
9. Schmelzofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das äußere Ende (33) der Abflußbuchse (31) in einem Abstand außerhalb der Seitenwand (12) liegt und ein mit dem äußeren Ende (33) zusammenarbeitendes Strömungssteuerorgan (36) aufweist.
10. Schmelzofen nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse (31) einen äußeren Wassermantel und eine

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innere Auskleidung (34) aus Kohlenstoff besitzt.

11· Schmelzofen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Abflußbuchse (37) sich durch die Seitenwand (12) erstreckt und wenigstens annähernd in Höhe des feuerfest ausgekleideten Bodens (11) angeordnet ist.

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