NO142764B - Tolagsforing for en utvendig oppvarmet stoepejernsdigel samt fremgangsmaate for fremstilling av en slik foring - Google Patents

Description

Oppfinnelsen vedrører en tolagsforing for en ut- . vendig oppvarmet støpejernsdigel for reaktivt smeltet metall, særlig aluminium, hvis ytre lag består av ildfaste,

i forhold til det smeltede metall inerte plater som er utstyrt med skjøtfuger.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte til fremstilling av en slik tolagsforing.

Ved raffinering av smeltet aluminium og andre reaktive metaller er det ofte ønsket å benytte utvendig oppvarmede støpejernsdigler, da de har en høy varmelednings-evne og en forholdsvis lav varmeutvidelseskoeffisient og kan støpes i enhver ønsket form. Støpejern korroderer imidlertid ved påvirkning av smeltet aluminium, da dette i smeltet tilstand utgjør et kraftig oppløsningsmiddel. Samtidig består det fare for en forurensning av smeiten ved reduksjon eller oppløsningsprosesser for digelen.

Det er kjent å utstyre støpejernsgjenstander som skal bringes i kontakt med smeltende aluminium, med et overtrekk av rødslam eller zirkonsilikat, glimmer, jernoksyd eller titanoksyd. Natriumsilikat kan tilsettes de vanligvis påbørstede eller påsprøytede overtrekk for å forbedre feste-evnen til støpejernet. Slike overtrekk slites imidlertid lett av.

Det er videre kjent (DT-PS 647934) for økning av levetiden til en utvendig oppvarmet støpejernsaluminiums-smeltedigel og for å unngå jernforurensninger av smeiten på den side av digelen som er vendt mot det smeltede metall å påføre ett av to sjikt bestående overtrekk. Det ytre sjikt på dette overtrekk blir dannet av plater av et fast varmebestandig materiale, mens det som indre sjikt anvendes et digelbelegg av stoffer, såsom borsyre, boroksyd, borater, fosforsyreanhydrid og fosfater, som tilnærmet har den samme spesifikke vekt som aluminium, og som ved temperaturen for smeiten går over i seigtflytende tilstand. Den masse som danner det. indre sjikt blir oppvarmet til den har en grøt-lignende konsistens og blir så strøket på innsiden av den lett oppvarmede digel. Deretter blir det ytre sjikt lagt på. .Fremstillingen av slike tosjiktsforinger er omstendelig, tidskrevende og kostbart.

Man har også på allerede på forhånd oppvarmede aluminiumsmeltedigler av jern strøket på en til en tynn pasta eller oppløsning utrørt foringsmasse, som består av en blanding av kalciumhydroksyd og et i varmen smeltende bindemiddel, såsom magnesiumsulfat eller boraks, hvoretter foringen tørkes og oppvarmes til ca. 500 - 700°C for å sammensmelte foringen med digeloverflaten (DT-PS 483341).

På grunn av de forskjellige varmeutvidelsestall for digel-materialet og foringsmassen fremkommer imidlertid hurtig riss i belegget. Belegget må hyppig fornyes. Digelens levetid er kort.

For ved flerlags smeltedigler å imøtekomme prob-, lemet med riss i foringen på grunn av forskjellig variueut-videlse for indre og ytre sjikt, ble det mellom sjiktene også allerede foreslått å innføre ett eller flere mellom-.legg av blandinger av de materialer som ble benyttet for det indre og det ytre sjikt. F. eks. ble det mellom et ytre grafittsjikt og et indre karborundumsjikt anbragt et mellom-legg av grafitt og karborundum (DT-PS 484386). Også fremstillingen av denne digel er komplisert. Under påvirkning av de fremdeles opptredende forskjellige varmeutvidelser for foring og digelvegg blir foringen forholdsvis raskt ødelagt.

Den oppgave som ligger til grunn for oppfinnelsen er ved en utvendig oppvarmet støpejernsbeholder for opptak

av et reaktivt smeltet metall å forlenge levetiden for beholderen på en forholdsvis enkel måte og å redusere avgiv-elsen av jernforurensninger til det smeltede metall.

Denne oppgave blir løst ved en tolags foring av den innledningsvis nevnte type, som er kjennetegnet ved at det indre lag består av et fast reaksjonsprodukt av jern og aluminium.

Foringens indre sjikt dannes ved fylling av digelen med aluminium når det smeltede aluminium gjennom skjøt-fugene mellom de inerte plater trer inn mellom platene og digelveggen. Det derved oppnådde faste reaksjonsprodukt av jern og aluminium beskytter så digelen sikkert mot videre korrosjon. Smeiten blir ikke forurenset av jern. Det i digelen anbragte smeltede metall kan utføre selv turbulente bevegelser uten at foringen blir utsatt for skader. Varme-overgangen gjennom digelveggen er bare hindret i liten grad, da såvel støpejernsmantelen som også tosjiktsforingen ut-gjør gode varmeledere.

En slik foring egner seg særlig for aluminium. Den kan imidlertid også benyttes ved bearbeidelse av andre reaktive smeltede metaller, såsom sink, tinn og bly. Med aluminium er her ment såvel aluminiumlegeringer som også rent aluminium.

Uttrykket plater er ikke begrenset f. eks. til grafittplater, men også maskinelt bearbeidede eller støpte deler av et vilkårlig ildfast materiale som er inert over-for det smeltede metall kan benyttes. Uttrykket plate er også ment å adskille konstruksjonen fra foringen i mono-litiske eller enhetlige konstruksjoner.

Ytterligere trekk ved foringen ifølge oppfinnelsen fremgår av underkravene.

Oppfinnelsen vedrører også en fremgangsmåte til fremstilling av foringen, og denne fremgangsmåte er kjennetegnet ved det som fremgår av kravene.

Oppfinnelsen skal i det følgende nærmere forkla-res ved hjelp av utførelseseksempler som er fremstilt på tegningen, som viser: fig. 1 et skjematisk sideriss sett i tverrsnitt av en beholder for smeltet aluminium, som viser den fore-trukkede utførelse for foreliggende oppfinnelse, fig. 2 et oppriss i tverrsnitt av en tokamret aluminiumsraffineringsbeholder, som viser en annen foretruk-ket utførelse for oppfinnelsen, fig. 3 et skjematisk sideriss i tverrsnitt langs linjen 3 - 3 på fig. 2, fig. 4 et skjematisk riss av en forstørrelse av veggen på enten fig. 1 eller fig. 2, som viser det ildfaste lag formet på stedet mellom grafittforingen og støpejern-skallet. Fig. 1 viser en beholder for raffinering av alu- • minium. Beholderen består av et støpejernskall 31 som hol-des ved sin driftstemperatur ved hjelp av vanlig kjente oppvarmingsinnretninger plassert i et hulrom 3 2 og et ytre ildfast skall 33 for isolasjon av varmetap. Den indre fla-te av støpejernskallet 31 er foret med grafitt 34 eller annet ildfast materiale som er inert i forhold til smeltet aluminium. Skallet 31 er utstyrt med en tildekning 36 som hviler på en flens 39. Metall 38 føres inn i beholderen gjennom innløpsåpningen 40. Inne i beholderen blir metallet 38 fordelt og agitert ved virkningen av inert gass som inn-sprøytes i smeiten gjennom den roterende gassinjektor 35. Det raffinerte smeltede metall forlater beholderen gjennom utløpsåpningen 44 som er plassert under metallflaten 42 i veggen 45. Metallet føres gjennom brønnen 46 og forlater raffineringssystemet gjennom utløpet ved 47 til et støpested. Grafittforingen 34 ifølge oppfinnelsen består av flere grafittplater som ved oppvarming til driftstemperatur vil ha tilstrekkelig plass mellom hosliggende plater til å tillate at metallet 38 trenger inn bak platene og danner derved en tynn film av smeltet aluminium som når den kommer i kontakt med støpejernskallet 31 vil danne et FeAl^-lag (ikke vist). Fig. 2 og 3 viser en tokamret beholder bestående av et støpejernskall 51 som er foret på innsiden med flere grafittplater 52 og silikonkarbidplater 56. Utsiden av støpejernskallet 51 er omgitt av et varmekammer 53 som kan inneholde en egnet kjent oppvarmingsinnretning, som f. eks. elektriske spoler. Oppvarmingskammeret 53 er på sin side omgitt av en ildfast isolasjon 54. Ledeplaten 55 som ad-skiller kamrene er likeledes fremstilt av en grafittplate. Retningen for strømmen av smeltet aluminium er vist med pile-ne, idet pilen 60 viser innløpsdelen og pilen 61 utløpet fra brønnen 62 som fortrinnsvis er fremstilt av flere silikonkarbidplater 56 og 57. Roterende gassinjektorer 63 og 64

er anordnet i tildekningen 65 for beholderen. Metalltilbake-føringsrør 68 er likeledes av grafitt.

Fig. 4 viser et skjematisk riss av en forstørrel-» se av et segment av veggen enten på fig. 1 eller fig. 2 og viser støpejernskallet 72, grafittplaten 71 og mellom disse den ildfaste foring som er dannet på stedet og omfatter en jernmettet smeltet aluminiumsfilm 7 3 som inneholder forut-felt FeAl^-fase 74 som dekker flaten til støpejernskallet 72. Den lille målestokk for fig. 1 og 2 forhindrer at dette lag kan vises på disse figurer.

Når beholderen sammensettes, plasseres grafittpla-i tene i støpejernskallet ved romtemperatur og settes så nær hverandre som mulig samt så nær veggen til skallet som mulig. Etter sammensettingen av grafittplatene vil alle sprekker eller rom mellom mot hverandre støtende plater bli sementert igjen med grafittsement. Når imidlertid beholde-5 ren oppvarmes til den forutbestemte driftstemperatur (ca. 700°C for aluminium), vil disse forbindelser åpnes på grunn av den forskjellig termiske ekspansjon mellom støpejern og grafitt, slik at når smeltet aluminium innføres i beholderen vil det trenge gjennom disse sprekker i foringen og fylle ) rommet mellom støpejernhus og foring. Ved oppvarming fra romtemperatur til 700°C ekspanderer grafitt bare ca. 12 %

i forhold til jern langs kornene og ca. 27 % i forhold til jern på tvers av kornene. I tillegg til grafitt kan også plater av silikonkarbid eller forstøpte former av andre ma->terialer benyttes. Disse plater kan ganske enkelt tilskjse-res, slik at de passer tett inn i skallet eller de kan for-synes med spor eller lignende for å gå inn i hverandre.

Fortrinnsvis oppvarmes beholderen til sin ønskede driftstemperatur (temperaturen for smeltet aluminium) før ) aluminium innføres i beholderen. Ved oppvarmingen av beholderen vil støpejernskallet og platene som utgjør den inerte foring ekspandere. Termisk ekspansjon for foringen er ubegrenset, dvs. at platene kan fritt bevege seg i forhold til hverandre såvel som i forhold til støpejernflaten. ' De ekspanderende komponenter i foringen tillates å bevege seg langs sine skjøtelinjer eller motliggende flater, dvs. langs linjer med forutbestemt form. Denne bevegelsesfrihet og den høyere termiske ekspansjon for støpejern hindrer kantødeleggelser i foringen ved andre steder enn forbindelsene eller ved motliggende flater under den termiske ekspansjon for beholderen.

En.meget liten mengde av smeltet aluminium inn-føres i den oppvarmede beholder og tillates å komme i kontakt med støpejernsflaten ved inntrengning gjennom sprekker som åpnes langs forbindelsen mellom plateforingen ved den termiske ekspansjon. Bredden til disse sprekker kan gjøres minimal ved anbringelse av foringen ved romtemperatur ved å tilpasse platene i foringen til hverandre så nøyaktig som mulig. I tilfelle av grafittplater vil en lett påføring av grafittsement på de motliggende flater være fordelaktig for tilveiebringelse av en tettere pasning. Reduksjon av klar-ingene mellom platene kan imidlertid ikke gjennomføres så langt at den hindrer deres relative bevegelse. Hensikten med en minimal klaring mellom platene er å hindre at sprekkene ved forbindelsene blir for store ved den termiske ekspansjon. I motsetning til forventningene og læren i den tidligere kjente teknikk vil denne innføring av aluminium til støpejernflaten starte den prosess som under kontrollerte betingelser inhiberer korrosjon for støpejernet på grunn av smeltet aluminium og fører således til en uventet lang levetid for beholderen.

Når smeltet aluminium bak foringen kommer i kontakt med støpejernflaten, oppløser den noe jern fra støpe-jernet. Da volumet til det aluminum som trenger inn bak en velsittende foring er meget liten i sammenligning med kon-taktflaten med støpejernet, oppløses jernet i noe som kan kalles en tynn smeltet aluminiumsfilm som foreligger som et lag mellom en utvendig oppvarmet støpejernsvegg og en inert grafittforing. Den høye temperatur og størrelsen til kon-taktarealet mellom støpejernskallet og aluminium fremmer en hurtig oppløsning av støpejern til metningsgrensen er nådd. Metningskonsentrasjonen for jern i aluminium er en funksjon av temperaturen og av sammensetningen til aluminiumlegerin-gen. Ved rent aluminium er metningskonsentrasjonen for jern

•gitt i tilnærmelse av følgende ligning, som gjelder for temperaturområdet 655°C - 750°C, som vanligvis benyttes i praksis:

, hvor c er konsentrasjonen av jern i aluminium (vektprosent),

t er temperaturen for aluminium (°C).

Av denne ligning kan det beregnes at ved 700°C vil konsentrasjonen av jern som vil oppløses i aluminium bare være ca. 3 %. Det betyr at en relativt liten mengde i jern kan tilveiebringe metning i den smeltede aluminiumsfilm. Ved denne metningskonsentrasjon utfelles en inerme-tallisk fase som svarer til den støkiometriske formel FeAl^. Denne jern-aluminiumfase er stabil opp til en dekomponer-ingstemperatur på 1160°C, og da det er en jernrik fase, be-> gynner den å dannes på eller i nærheten av støpejernflaten. Utfellingen av FeAl^-fasen fortsetter til hele aluminiums-laget som er innesluttet bak den inerte foring når metning. Ved dette punkt er det oppnådd likevekt. Ikke noe ekstra jern oppløses og ikke noen ekstra FeAl^-fase dannes. Videre ) angrep på støpejernflaten er nå hemmet av tilstedeværelsen av jernrikt FeAl^ som intermetallisk fase. En forandring i denne likevektstilstand er mulig bare hvis jernkonsentra-sjonén i aluminiumsfilmen går under grensen. Dette kan opp-tre hvis f. eks. oppløst jern unnviker fra det jernmettede

> aluminiumslag ved diffusjon gjennom sprekker i foringen. Hvis dette hender, kan FeAl^-fasen innta en rensende rolle ved å gå i oppløsning for å tilbakevinne likevekten. I en total balanse vil graden av korrosjon av støpejernflaten som følger den første dannelse av det beskyttende interme-

) talliske lag bestemmes av graden av masseoverføring gjennom sprekkene i grafittforingen, eventuelt av diffusjonsgraden for oppløst jern fra det smeltede aluminiumslag som er innesluttet bak foringen. Disse grader er imidlertid meget små, slik at korrosjonen av støpejernskallet er ekstremt liten og resulterer i en uventet lang levetid for beholderen.

Den ovenfor beskrevne mekanisme understreker de enkelte viktige trekk som oppnås ved en selvbærende inert grafittplateforing. Den inerte foring danner en mekanisk barriere mot kjemisk oppløsning av den intermetalliske ildfaste fase av massen av smeltet aluminiummetall som innehol-des i beholderen. Det er fordelaktig å holde størrelsen til sprekkene små mellom platene i foringen, da de utgjør den eneste kommunikasjonsvei mellom det jernmettede lag bak foringen og massen av metall i .beholderen. Foringen hindrer også mekanisk erosjon av det beskyttende FeAl^-lag ved strømning av smeltet metall. Denne beskyttelse er særlig viktig når metallet i beholderen er i en turbulent strøm-ning eller voldsomt omrørt, som f. eks. ved den raffiner-ingsprosess som er beskrevet i U.S. patent nr. 3743263.

Ikke direkte i sammenheng med den.mekaniske dannelse av det ildfaste lag, men likevel av stor praktisk betydning er det faktum at materialet i den selvbærende foring kan velges

fra materialer såsom grafitt og silikonkarbid, som ikke bare er virkelig inerte mot og ikke fuktes av aluminium, men som også er gode termiske ledere. Foreliggende oppfinnelse gjør bruk av disse materialer mulig i form av relativt tynne selvbærende plater. Følgelig kan store beholdere fores med slike materialer uten at det medfører for store omkostninger.

Selv om FeAl^-fasen bestandig kan finnes i det ildfaste lag som dannes mellom støpejernet og grafittforingen, kan andre faser også være tilstede når det behandles kommersielle aluminiumslegeringer. F. eks. i det tilfelle hvor man har silisiumholdige aluminiumslegeringer utfelles en intermetallisk fase svarende til en støkiometrisk sam-mensetning av Fe^SiAl^ ve^ relativt lave jernkonstruksjo-ner, hvis den smeltede metallfilm bak den inerte foring blir anriket med silisium over ca. 0,7 vektprosent silisium. Denne fase gir beskyttelse for støpejernflaten etter i det vesentlige den samme mekanisme som FeAl^• Dekomponeringstemperaturen for denne fase (860 C) er også betydelig over den normale temperatur som opptrer ved raffinering av smeltet aluminium.

Foruten selve jernet kan legeringselementene til støpejernet også delta i dannelsen av et beskyttende lag.

F. eks. kan silikon for det foran nevnte intermetalliske faselag bli tilført fra støpejernet i og med at støpejern'-' vanligvis inneholder silisium. Et annet legeringselement som danner en intermetallisk fase med aluminium er krom.

Ved 700°C vil en fast fase CrAl7 utfelles fra smeltet aluminium hvis konsentrasjonen av krom overskrider ca. 0,7 vektprosent krom. Dekomponeringstemperaturen for Cral^ er ca. 725°C.

Eksempel

En beholder som vist på fig. 2 og 3 ble oppbyg-get av et støpejernskall som inneholdt 0,6 % krom og foret med 28,6 mm tykke grafittplater på sidene og 50,8 mm tykke grafittplater på bunnen. Metallinnløps- og utløpsområdene til skallet ble foret med silikonkarbidplater. Beholderen ble forvarmet til 700°C før den ble fylt med smeltet aluminium. Beholderen ble utvendig oppvarmet med elektrisk ener-gi, og temperaturen for aluminiumet ble holdt ved en kon-stant temperatur på ca. 7 00°C. Smeiten ble voldsomt omrørt ved hjelp av drevne skovler og gassbobler i og med at beholderen ble benyttet til å gjennomføre aluminiumsraffiner-ingsprosessen, som er beskrevet i U.S. patent nr. 3743263. Over en kontinuerlig periode på seks måneder ved prøvning under betingelser for aktuell kommersiell drift ble grafittforingen ikke fuktet, kjemisk angrepet eller erodert hverken av aluminium eller drossen. Følgelig var dét ikke nødvendig med noen periodisk rensing eller reparasjon av beholderen. Denne lengde for kontinuerlig drift ved turbulent strømning for smeltet aluminium er meget større enn levetiden for de tidligere kjente utvendig oppvarmede støpejernsbeholdere.

Fordelene ved beholderen ifølge oppfinnelsen er tallrike. Oppfinnelsen muliggjør at en utvendig oppvarmet støpejernsbeholder har en betydelig lengre levetid enn det tidligere var mulig å oppnå. Det smeltede metall i beholderen blir ikke forurenset av. støpejernskallet. Metallet i beholderen kan være i turbulent strømning uten å bevirke en ødeleggelse av det beskyttende lag. En varmeoverføring gjennom beholderen er lettere da alle tre komponenter av • beholderveggene, nemlig støpejernskallet, det intermetall- • iske lag og grafittforingen alle er gode varmeledere.

Claims (6)

1. Tolagsforing for en utvendig oppvarmet støpe-jernsdigel for reaktivt smeltet metall, særlig aluminium, hvis ytre lag består av ildfaste, i forhold til det smeltede metall inerte plater, som er utstyrt med skjøtfuger, karakterisert ved at det indre lag (73, 74) består av et fast reaksjonsprodukt av jern og aluminium.

2. Foring ifølge krav 1, karakterisert ved at det ytre lag er utformet i hvert fall delvis av grafittplater (34, 52, 71).

3. Foring ifølge krav 1,karakterisert ved at det ytre lag (56, 57) er fremstilt i hvert fall delvis av silisiumkarbid.

4. Foring ifølge krav 1, karakterisert ved at det indre lag (73, 74) omfatter FeAl^.

5. Fremgangsmåte til fremstilling av en tolags foring for en utvendig oppvarmet støpejernsdigel for reaktivt smeltet metall i henhold til ett eller flere av kravene 1 - 4, hvor det ytre lag er utformet av ildfaste plater som er inerte i forhold til det smeltede metall og hvor platene har skjøtfuger, karakterisert ved at digelen fylles med smeltet aluminium, at temperaturen for beholderen opprettholdes ved en verdi som minst er lik smeltepunktet for aluminium ved utvendig oppvarming av beholderen, at smeltet aluminium tillates å trenge inn bak det ytre lag gjennom skjøtene og sprekkene i dette ved termisk ekspansjon, hvor-ved det frembringes et lag in situ i mellomrommet mellom det ytre lag og innsiden av støpejernsdigelen, omfattende et fast reaksjonsprodukt av jern og aluminium, slik at det hind-res ytterligere direkte kontakt mellom det smeltede metall og selve digelen.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakter i-s e,.r t ved at digelen forvarmes til en temperatur i det vesentlige lik smeltepunktet for aluminium før den fylles med aluminium.