FI77897B - Saett foer framstaellning av metaller och/eller generering av slagg. - Google Patents

Description

1 77897

Menetelmä metallien valmistamiseksi ja/tai kuona-aineen aikaansaamiseksi

Keksinnön kohteena on menetelmä metallien valmista-5 miseksi ja/tai kuonan generoimiseksi oksidimalmeista, jotka hienojakoisina mahdollisten kuonanmuodostajien kanssa syötetään reaktorin yläosaan, jonka reaktorin pohjasta muodostunut sula metalli ja kuona poistetaan. Seuraavassa selityksessä ja esimerkeissä viitataan ferrokromin valmistuk-10 seen kromiittimalmista, mutta keksintö ei millään tavoin rajoitu tähän materiaaliin, vaan se on sovellettavissa lukuisaan joukkoon erilaisia rauta- ja ei-rautamateriaaleja.

Ferrokromi valmistetaan kromiittimalmista tavallisesti sähkövalokaariuuneissa, joissa pelkistys tapahtuu 15 koksilla. Tällaisiin prosesseihin liittyy varjopuolia, mm. pelkistimenä voidaan käyttää vain korkealaatuista metallurgista koksia, on hankalaa valmistaa pienen hiilipitoisuuden omaavia metalleja ja hienojakoisen malmin käyttö suurisaan-toisissa metallinvalmistusprosesseissa edellyttää normaa-20 listi tällaisen malmin agglomeroitumista.

Prosesseja on parannettu plasmatekniikan pohjalta. Tällöin koksi on suureksi osaksi korvattu hiilijauheella ja malmi käytetään hienojakoisena. Tavanomaisiin sähköva-lokaariuuneilla toimiviin prosesseihin verrattuna nämä uu-25 det prosessit merkitsevät huomattavaa edistysaskelta, mutta silti ne edellyttävät, että vähintään 25 % pelkistimes-tä on metallurgista koksia, ja prosessi ei ole ilman muuta sovellettavissa pienen hiilipitoisuuden omaavien tuotteiden valmistukseen.

30 Käsiteltävänä olevan keksinnön tehtävänä on säilyt tää yllä kuvattujen uusien plasmaenergiaan pohjautuvien pelkistys- ja sulatusprosessien edut ja samalla eliminoida riippuvuus metallurgisesta koksista ja mahdollistaa suhteellisen vähän hiiltä sisältävien metallituotteiden valmistus.

35 Keksinnön lisätehtävänä on luoda menetelmä, joka tunnettuihin menetelmiin verrattuna on joustavampi mitä tulee pelkistykseen ja sulatukseen tarvittavan energian 2 77897 jakautumiseen sähköenergian ja fossiilisen polttoaineen poltossa syntyvän energian kesken.

Yllä kuvatut ja muut tehtävät voidaan ratkaista keksinnön mukaisella menetelmällä, joka tunnetaan siitä, 5 että hienojakoinen materiaali esikuumennetaan hapettavassa ylävyöhykkeessä polttamalla alla olevasta välivyöhykkeestä tulevaa hiilidioksidia ja vetykaasua happipitoisella kaasulla, että esikuumennettu oksidimateriaali ainakin osittain pelkistetään juoksevasta kuonasulatteesta muodostuvas-10 sa välivyöhykkeessä ruiskuttamalla samanaikaisesti hiili-ja/tai hiilivetypitoista materiaalia ja lisäämällä lämpö-energiaa pääasiassa plasmageneraattorissa kuumennetun kaasun avulla, ja että pelkistyksessä muodostuneen metallin annetaan laskeutua alavyöhykkeeseen, josta metalli ja muo-15 dostunut kuona poistetaan. Keksinnön eri suoritusmuotoja on kuvattu epäitsenäisissä patenttivaatimuksissa.

Keksinnön muut edut ja tunnusmerkit ilmenevät alla olevasta yksityiskohtaisesta kuvauksesta ja siihen liittyvistä toteuttamisesimerkeistä ja piirustuksista, joissa: 20 kuviossa 1 nähdään kaavioesityksenä laitteisto kek sinnön mukaisen menetelmän toteuttamiseksi, kuviossa 2 nähdään keksinnön mukainen menetelmä virtauskaaviona ja kuviossa 3 nähdään tavanomainen plasmaan pohjautu-25 va menetelmä virtauskaaviona.

Kuviossa 1 nähdään tulenkestävästi vuoratun pesän 10 päälle rakennettu kammio 11, joka muodostaa korkealäm-pötilareaktiovyöhykkeen. Kammio 11 on ympäröity vesijäähdytteisillä paneeleilla 12, jotka muodostuvat metallikana-30 vista, joiden läpi jäähdytysvesi voi virrata suurella nopeudella ja jotka on varustettu tulenkestävällä sisävuo-rauksella 13, joka suojaa sisäpuolisen metallipinnan suoralta kosketukselta kammiossa 11 olevan sulan kanssa.

Kammion 11 alaosa on varustettu plasmageneraatto-35 reillä 14, jotka syöttävät sähköenergiaa prosessiin, sekä hiilensyöttösuuttimilla 15 pelkistimen syöttämiseksi pro- 3 77897 sessiin. Kammiossa 11 on suuttimet 15 sijoitettu olennaisesti korkeammalle kuin plasmageneraattorit 14. Lisäksi kammio 11 on varustettu happikaasusuuttimilla 16, jotka vuorostaan voivat olla korkealla tasolla kuin hiilisuutti-5 met 15. Happikaasun tehtävänä on polttaa osa kaasuista, jotka syntyvät hiilen reagoidessa systeemin metallioksi-sidien kanssa, jolloin saadaan energiaa näiden oksidien kuumentamiseksi ja sulattamiseksi. Kammion 11 yläosassa, valinnaisesti sen katossa, on syöttösuuttimia 17 hienoja-10 koisen malmin ja lisämateriaalien syöttämiseksi reaktoriin. Lisäksi kammion 11 yläpäässä on tulenkestävästi vuorattu kanava 18 kaasujen poistamiseksi systeemistä. Lisäksi pesä 10 on varustettu laskuaukoilla 19 ja 20 kuonan tai metallin poistamiseksi.

15 Suuttimet hapen ja vastaavasti pelkistimen syöttä miseksi voidaan yhdistää keskenään ja/tai plasmageneraatto-rien kanssa. Jos hapensyöttö on yhdistetty plasmageneraat-toreihin matalalla tasolla kammiossa 11, syötetään lisää happikaasua kuonakerroksen yläpuolelta.

20 Lisäksi voi muodostuneelle kuonalle ja metallille olla yhteinen poisto reaktorin pohjassa.

Alla oleva kuvaan 1 pohjautuva kuvaus koskee keksinnön mukaisen menetelmän suositeltavaa toteuttamismuotoa.

Kun pesä 10 ja kammio 11 on kuumennettu lähes 25 käyttölämpötilaan syöttämällä plasmageneraattoreihin 14 sopivaa plasmakaasua ja aikaansaatu sulasta metallista ja kuonasta muodostuva kerros sopivia lähtömateriaaleja sulattamalla, aloitetaan hiilen ja happikaasun ruiskutus suutti-mien 15 ja vastaavasti 16 kautta. Tämä saattaa komponen-30 teista CO, C02 ja H^O muodostuvan prosessikaasun kier toliikkeeseen ja prosessikaasu voidaan ainakin osaksi kierrättää sopivampana plasmakaasuna. Prosessipoistokaasu, joka kierrätetään plasmakaasuna tai käytetään polttoaineena, jäähdytetään, pestään ja puristetaan uudelleen tavanomai-35 sissa laitteissa, jotka eivät ilmene kuvasta.

4 77897

Kammion 11 toiminnan käynnistyessä kuonan alkaessa samalla kiertää sulatteesta pesässä 10 kammioon 11, käynnistetään malmin ja lisäaineiden syöttö suuttimien 17 kautta. Hiilen ja oksidien välisessä reaktiossa syntyy hiilidi-5 oksidia ja vetykaasua, jotka osaksi palavat happikaasun avulla kammiossa 11. Kammiossa 11 tapahtuvaa palamista ohjataan siten, että saadaan riittävä energiamäärä kammioon 11 syötetyn malmin ja lisäaineiden esilämmittämiseksi.

Plasmageneraattorien kautta syötettyä energiaa ohja-10 taan suhteessa kuonan ja hiilen välisiin endotermisiin reaktioihin. Tällä tavoin pesässä 10 ja kammion 11 alaosassa, joissa tapahtuu pelkistyminen ja sulaminen, ylläpidetään pelkistävä kaasukehä ja hapettavampi kaasukehä ylläpidetään kammion 11 ylä- ja välivyöhykkeessä, jossa tapahtuu 15 esilämpeneminen ja sulaminen. Kuonaa ja metallia poistetaan jaksoittaisesti tai jatkuvatoimisesti tavalliseen tapaan laskuaukkojen 19 ja 20 kautta.

Lämpövirtaus sisävuorauksen 13 kautta vesijäähdyt- 2 teisiin paneeleihin 12 on luokkaa 50 - 100 kWh/m , jonka 20 seurauksena sisävuoruksen 13 sisäpinnalle muodostuu ohut jähmettynyt kuonakerros 21. Tämän jähmettyneen kuonakerrok-sen, jonka paksuus voi olla 1 - 2 cm, sisäpinnan lämpötila on sama kuin kuonan sulamispiste. Tämä kuonakerros suojaa sisävuorausta 13 ja vesijäähdytteisiä paneeleja 12 korro-25 doivalta/erodoivalta vaikutukselta, jonka aiheuttajana on kammiossa 11 kiertävien kiinteiden, juoksevien ja kaasumaisten reaktanttien turbulentti massa.

Ferrokromia valmistettaessa kammion 11 käyttölämpötila on olennaisesti noin 2000°C, jolloin kammion 11 ala-30 osaan virtaavien sulien reaktanttien lämpötila on noin 1700°C.

Plasmakaasuna voidaan käyttää ilmaa, hapella rikastettua ilmaa, happikaasua ja/tai kierrätettyä prosessikaa-sua. Kun plasmakaasuna käytetään kierrätettyä prosessi-35 kaasua, vesihöyry ja hiilidioksidi poistetaan sopivasti kaasusta ennen sen joutumista plasmageneraattoriin.

5 77897

Ylävyöhyke voidaan edullisesti erottaa ainakin osaksi muista vyöhykkeistä, jolloin syntyy ns. flash melting kammio. Tällöin voidaan käyttää osaa uunin kuumasta poistokaasusta hienojakoisen oksidimalmisyötteen esilämmittämiseksi 5 ja sulattamiseksi. Näin käsitelty malmi tippuu sitten reaktoriin .

Keksinnön mukainen menetelmä mahdollistaa happi-potentiaalin ohjaamisen sulatusvyöhykkeessä säätelemällä hapettavien aineosien, kuten metallioksidien ja hapettavien 10 kaasujen, kuten happikaasun, hiilioksidin, veden jne. syöt-tönopeuksia suhteessa pelkistävien aineiden eli hiili ja/tai hiilivetypitoisten materiaalien syöttönopeuksiin. Tällä tavoin pystytään kontrolloimaan tuotetun metallin hiili-pitoisuutta samoin kuin karbidin muodostusta. On myös mah-15 dollista selektiivisesti pelkistää kompleksiset metalliok-sidit, esim. pelkistää Cu systeemissä Cu-Fe-0, Cu-Zn-Pb systeemissä Cu-Zn-Pb-Ο ja Fe systeemissä Fe-Ti-O. Keksinnön mukainen menetelmä mahdollistaa erityisesti systeemissä Fe-Ti-0 rautaoksidin pelkistämisen ja metallisen raudan 20 muodostamisen ilmeniitistä ja siten runaasti Ti02:ta ja vähän FeO:ta sisältävän kuonan tuottamisen ilman haitallista titaanikarbidien tai nitrokarbidien muodostumista.

Kuviossa 2 nähdään keksinnön mukaisen menetelmän virtauskaavio ja kuviossa 3 tavanomaisen, plasmaan pohjau-25 tuvan menetelmän virtauskaavio, jotka molemmat on tarkoitettu runsaasti hiiltä sisältävän ferrokromin valmistukseen. Nämä molemmat virtauskaaviot antavat selvän kuvan eduista, jotka saavutetaan keksinnön mukaisella menetelmällä tavanomaiseen menetelmään verrattuna.

30 Alla oleva taulukko selventää edelleen keksinnön mukaisen menetelmän etuja. Taulukossa verrataan käyttöpara-metrejä valmistettaessa runsaasti hiiltä sisältävää ferrokromia aikaisemmin tunnetun, plasmaan pohjautuvan menetelmän ja keksinnön mukaisen menetelmän avulla.

6 77897

Taulukko

Tavanomainen Keksinnön mukainen plasmasulatus menetelmä_

Malmisyöte (tonnia) 2,293 2,293 5 Hiili (tonnia) 0,366 0,510

Koksi (tonnia) 0,166

Happikaasu (moolia) - 12,388 Sähkö (kWh) 4,913 3,036

Kuona (tonnia) 1,217 1,213 10 Polttoainekaasuhyvitys 2,844 1,006

Polttoainekaasun tilavuus (moolia) 44,69 24,59

Poistokaasun kokonaismäärä (kmol) 97,94 73,70 15 Plasmakaasu (kmol) 53,25 32,90

Keksinnön mukaisessa menetelmässä ei tarvita lainkaan koksia verrattuna tavanomaisen plasmasulatuksen 30 paino-%:n koksintarpeeseen ja välittömän sähköenergian tarve on 40 % pienempi. Tämän keksinnön menetelmän polttoainekaasun kulu-20 tusta voidaan lisäksi hyvittää 65 %:n pienenemisellä, mikä saattaa olla huomattava etu paikoissa, joissa tällaiselle polttoaineelle ei löydy ulkoista eikä sisäistä käyttöä. Pienentynyt poistokaasun tilavuus keksinnön mukaisessa menetelmässä merkitsee lisäetua, koska poistokaasun vaatimat jääh-25 dytys-, pesu- ja uudelleenpuristuslaitteet tulevat halvemmiksi.

Mainittakoon myös eräitä menetelmän oikeaan mitoitukseen ja käyttöön liittyviä kriittisiä tunnusmerkkejä ja edellytyksiä. Tärkeimpiä vaatimuksia on reaktiokammion sei-30 nät ja katon muodostavien jäähdytyspaneelien toiminnan ylläpito. Tämä on saavutettavissa johtavaa, tulenkestävää materiaalia olevalla sisävuorauksella. Tällä tavoin sisävuorauk-seen tarttuu jähmettynyttä kuonaa ohuen kuoren muodossa, joka toimii systeemin lisäsuojana. Suuttimet 15, 16 ja 17 35 ovat muodoltaan ja asennukseltaan sellaisia, että ne minimoi- i 7 77897 vat suoran vaikutuksen seinämiin ja maksimoivat turbulenssin reaktiokammiossa 11. Tämä on saavutettavissa yhdistämällä suihkun tunkeutuma, joka riippuu sen koosta ja nopeudesta, sekä suihkun suunta. Plasmageneraattorien 14, hiilen-5 ruiskutussuuttimien 15 ja happisuuttimien 16 suhteellinen sijainti on sellainen, että voidaan varmistaa oikea jakautuminen hapettaviin olosuhteisiin reaktiokammion 11 ylä- ja keskiosissa ja pelkistäviin olosuhteisiin pesässä 10 ja kammion 11 alaosassa.

10 Tuotesulate voidaan erottaa kammiossa 11 tapahtuvis ta reaktioista siten, että pesässä 10 olevan metallisulat-teen päällä oleva kuonasulate pidetään niin paksuna, että ainakin osa tuotesulatteen päällä olevasta kuonasta on liikkumaton.

Claims (5)

8 77897

1. Menetelmä metallien valmistamiseksi ja/tai kuonan generoimiseksi oksidimalmeista, jotka hienojakoisina mah- 5 dollisten kuonanmuodostajien kanssa syötetään reaktorin yläosaan, jonka reaktorin pohjasta muodostunut sula metalli ja kuona poistetaan, tunnettu siitä, että hienojakoinen materiaali esikuumennetaan hapettavassa ylävyöhyk-keessä polttamalla alla olevasta välivyöhykkeestä tulevaa 10 hiilidioksidia ja vetykaasua happipitoisella kaasulla, että esikuumennettu oksidimateriaali ainakin osittain pelkistetään juoksevasta kuonasulatteesta muodostuvassa välivyö-hykkeessä ruiskuttamalla samanaikaisesti hiili- ja/tai hii-livetypitoista materiaalia ja lisäämällä lämpöenergiaa pää-15 asiassa plasmageneraattorissa kuumennetun kaasun avulla, ja että pelkistyksessä muodostuneen metallin annetaan laskeutua alavyöhykkeeseen, josta metalli ja muodostunut kuona poistetaan.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, t u n -20 n e t t u siitä, että hiili- ja/tai hiilivetypitoinen materiaali syötetään tasolle, joka on plasmageneraattorilla kuumennetun kaasusyötteen yläpuolella.

3. Patenttivaatimuksen 1-2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että hiili- ja/tai hiilivetypitoinen ma- 25 teriaali ja happipitoinen kaasu syötetään reaktorin alaosiin ja lisäksi syötetään happipitoinen kaasu tasolle, joka on kuonasulatteen yläpuolella.

4. Jonkin patenttivaatimuksen 1-3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että reaktorin hapettava ylävyöhy- 30 ke on ainakin osittain erotettu muista vyöhykkeistä ja että esikuumennettu materiaali tippuu mainitusta ylävyöhykkees-tä välivyöhykkeeseen.

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että kuuma poistokaasu poistetaan reak- 35 torin yläpäästä ja että ainakin osa siitä käytetään esi- 9 77897 kuumennukseen ja mahdollisesti sulatukseen ainakin osittain erotetussa ylävyöhykkeessä, joka tällä tavoin muodostaa ns. flash melting vyöhykkeen.