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Verfahren und Einrichtungen zum Frischen von Eisenbädern in Stahlerzeugungsöfen.
Der Frischprozess durch die Wirkung der oxydierenden Flamme auf die Erdoberfläche und durch die Vermittlung der Schlackendecke erfolgt bekanntlich sehr langsam, wenn das Bad in Ruhe ist. Auch die Wärmeübertragung verläuft in diesem Falle sehr träge. Zur Beschleunigung dieser Vorgänge hat man daher eine mechanische Badbewegung durch Rühren, Schaukeln oder Kreisen versucht und dazu eine verstärkte Berührung mit Sauerstoff durch Einblasen von Luft oder Eintragen von Erz angewendet.
Das Erz gibt überhaupt nur bei der Entkohlung eine Badbewegung. Da es satzweise und in ungleichmässiger Stückung zugesetzt wird, ist eine Ausnutzung der unregelmässig entbundenen grossen Kohlenoxydmenge durch Nachverbrennung nicht möglich ; auch wird die Führung der Schmelze beim Frischen mit Erz unsicher.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird nun Wasser in das Bad selbst eingeführt. Dies bietet eine Reihe von Vorteilen. Erstens wird bei genügender Geschwindigkeit des Wassers das Einführungrohr geschützt, zweitens wird in das Bad ein hochwertiger Sauerstoffträger eingeführt und drittens wird durch die stetige starke Wasserstoffgasentwicklung eine ständige Badbewegung hervorgerufen. Durch die Sauerstoffabspaltung wird beim Arbeiten mit Wasser für 1 kg Sauerstoff weniger Wärme als beim Arbeiten mit Erz verbraucht.
Im übrigen kann man aber diese Wärmemenge durch Verbrennung über dem Bade restlos wieder in fühlbare Wärme verwandeln und besonders, wenn man durch die Abhitze die Verbrennungsluft bis 12000 C vorwärmt, mit dem im Mittel auf 14500 C vorgewärmten Wasserstoff ein grosses Wärmenutzgefälle über dem Bade erzeugen, also einen grossen Teil der Wärme für den Vorgang wiedergewinnen. Man erhält ferner die Möglichkeit der bewussten Führung der Schmelze durch eine geregelte gleichmässig verteilte Wasserzufuhr.
Man kann das Wasser so einführen, dass es bereits in dem Zuführungsrohr über dem Bad verdampft und demgemäss für die Verdampfung keine hochwertige Badwärme verbraucht wird. Die Einführung kann durch die Badoberfläche vom Gewölbe oder den Seitenwänden her, aber auch durch den Boden von der Badsohle aus erfolgen.
Man kann mit Bädern beliebiger Tiefe arbeiten und jede beliebige Stelle eines Bades zum Kochen bringen, das Verfahren also auch beim Siemens-Martinofen dann anwenden, wenn die Charge nicht loskochen will. Man kann aber auch beim Thomas-oder Bessemerverfahren die Charge beliebig lange führen, indem man das Bad durch die Nachverbrennung der entwickelten Gase bei einsprechend eingestellter Verbrennungsluftmenge beheizt. Man erhält hiebei eine wesentlich höhere Arbeitstemperatur als etwa bei der Nachverbrennung des Kohlenoxyds bei einem Windfrischverfahren, weil die Verdünnung des Gases durch Stickstoff der frischenden Luft fortfällt.
Die Verbrennungsluft ist dabei so zu führen, dass sie mit dem aus der ganzen Badoberfläche austretenden Gase wirksam in Berührung kommt. Das Rohr kann in vollem Strahle das Wasser zuführen oder als Hohlmantelrohr zur Erreichung geeigneter Geschwindigkeiten ausgebildet sein. Ein besonderer Vorteil ist die bewusst nach Menge und Zeit geregelte Zufuhr, so dass man den Verlauf des Frischen und der Nachverbrennung genau einregeln und nach der Gasentwicklung den Verlauf der Schmelze genau beobachten kann. Ein fehlender Wärmebedarf kann durch Zusatz von Brennstoffen ausgeglichen werden.
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Bei der Ausführung des Verfahrens hat sich herausgestellt, dass bei Anwendung einfacher Eisenrohre diese nur kurze Zeit zu verwenden sind, so dass der Verschleiss an Rohren das Verfahren unwirtschaftlich machen kann. Die begrenzte Haltbarkeit einfacher Eisenrohre ist in den Wärmeübergangsund Wärmeleitungsverhältnissen begründet. Der Wärmeübergang von der Seite des bewegten Bades an das Rohr ist etwa gleich dem von Wasser an die Rohrwand, also etwa 2000-3000 Wärmeeinheiten, und wird sich infolge der starken Badbewegung und der im Verhältnis zum Rohrvolumen ungleich grösseren Menge des Eisenbades, die praktisch zu keinem Temperaturabfall führt, an der oberen Grenze, also über 3000 Wärmeeinheiten, befinden.
Würde die Ausführung des Verfahrens über die gesamte der Erhitzung ausgesetzte Rohrstrecke ein Arbeiten mit siedendem Wasser, also mit einem Wärmeübergang von 4000 bis 6000 Wärmeeinheiten, ermöglichen, so wäre die Haltbarkeit des Rohres gesichert, da die sonst gute Leitfähigkeit des Eisens bei den beiderseitig hohen Wärmeübergangsverhältnissen hier schon isolierend wirkt.
Da das Verfahren aber nur eine relativ geringe Wassermenge vorsieht, ist eine solche Führung praktisch nicht möglich. Der Wärmeübergang auf der Seite des Wassers ist also nur günstigstenfalls gleich dem Übergang auf der Seite des Eisenbades ; das Rohr wird also auf das Mittel zwischen Bad-und Wassertemperatur oder höher erwärmt werden. Damit kommt es in das Gebiet, wo die Festigkeitseigenschaften des Eisens fast Null sind, das Rohr dem Wasserdruck und der mechanischen Beanspruchung also keinen Widerstand mehr zu leisten vermag und nach kurzer Zeit aufreisst, wobei die nicht mehr gekühlten Teile abschmelzen.
Diesem Verlauf kann nun gemäss der weiter vorliegenden Erfindung auf viererlei Art begegnet werden : a) Durch Verminderung oder Störung des Wärmeüberganges Eisenbad-Rohr ; dies wird durch besondere, den Verhältnissen angepasste isolierende Schutzmittel erreicht. b) Durch periodisches Senken und Heben des mit einem Isoliermittel umgebenen Rohres, wobei die sich ansetzenden und beim Heben abkühlenden Teile des Bades auch isolierend wirken. e) Durch höhere Wärmeaufnahmefähigkeit des Einführungsrohres, so dass die Zeit bis zur Zerstörung eine praktisch und wirtschaftlich einwandfreie Ausführung des Verfahrens ermöglicht. d) Durch Wassereinleitung unter Vermeidung einer Rohrführung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele von Einrichtungen für die Ausführung des Verfahrens dargestellt, u. zw. zeigen Fig. 1 ein besonders ausgebildetes Wassereinblaserohr im Längsschnitt, Fig. 2 einen Querschnitt des Rohres, Fig. 3 und 4 je einen Querschnitt des Rohres bei anderer Innenausbildung, Fig. 5 eine zweite Ausführungsform eines Wassereinblaserohres und Fig. 6 eine weitere Ausführungsform einer Einrichtung für die Ausführung des Verfahrens.
Ein Rohrschutz gemäss der Ausführung a) kann auf verschiedene Art erreicht werden, nur ist bei der Anwendung den besonderen Verhältnissen Rechnung zu tragen, wie sie durch das Wachsen des Rohres und die starken mechanischen Beanspruchungen und Erschütterungen bedingt sind. Ein einfacher Isolationsschutz aus feuerfesten Rohrsteinen hat sich z. B. als unbrauchbar erwiesen. Man kann jedoch die Schutzwirkung einer gut warmen, festanhaftenden, zähflüssigen Schlacke anwenden, wobei der Schlackenüberzug vor dem Erstarren und Abspringen dadurch zu schützen ist, dass während der ganzen Verwendungszeit eine Erkaltung der Masse vermieden wird.
Der Überzug ist also unmittelbar vor dem Einsetzen der Rohre durch Überziehen mit flüssiger Schlacke aufzutragen oder auch während des Frischen durch gelegentliches Anheben des Rohres zwecks Neubildung der Schichte aus der über dem Bad liegenden Schlacke zu ergänzen. Ist die Dicke der Schutzschicht, die sich zum Teil aus Bestandteilen des Bades ergänzt, richtig bemessen, so stellt sich in zu-und abgeführter Wärme ein Gleichgewicht ein, das die Wasserzuführung sichert. Auch kann so vorgegangen werden, dass, die Rohre während des Frischen mit beliebiger Isolationsmasse, beispielsweise mit einer Dolomitpistole, übergossen oder angespritzt werden.
Da trotz dieses Schutzes immer noch eine Erwärmung der Rohre auf eine verhältnismässig hohe Temperatur stattfinden kann, wodurch die Stabilität sehr herabgesetzt wird, wird zweckmässig folgende Sicherung gegen ein Durchbiegen angewendet : Man legt in das Rohrinnere ein Profileisen a, b oder c ein (Fig. 1-4) ; dieses bleibt stets auf Wassertemperatur, also unter 100 C, und behält seine Festigkeit. Um ein Verbiegen zu verhüten, sind die Rohre auf der gefährdeten Strecke mit einer Seele, beispielsweise einem T-, L-oder Flacheisen, zu versehen ; doch ist darauf zu achten, dass diese Versteifung die Rohrwand nur an wenigen Punkten berührt und nicht durch Anliegen über eine grössere Fläche eine Wärmestauung und erhöhte Gefährdung des Rohres verursacht.
Bei Einführung von Wasser in flüssigem Zustande bewährt sich das im folgenden beschriebene Verfahren. Es ist in allen Fällen, wo die Temperatur der Schmelze wesentlich über 1000 C liegt, eine einfache Zuführung mittels metallener oder keramischer Rohre auf die Dauer nicht ausführbar. Man ist deshalb dazu übergegangen, wie beim Konverterprozess, das Mittel durch Düsen einzublasen, die in einer Wandung des Reaktionsbehälters angebracht sind. Diese Ausführung bedingt aber bei An-und Abstellung des Zusatzmittels ein umständliches Kippen oder Rollen des ganzen Behälters ; ferner ist die zugeführte Menge nur in beschränktem Masse variabel und schliesslich ist die Zugabe des Frischmittels nur in besonderen, derart vorbereiteten Ofen oder Gefässen durchführbar.
Hier handelt es sich
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nun um ein Verfahren, das die Zuführung des Frischmittels in ein Sehmelzbad hoher Temperatur mittels einfacher Rohre ermöglicht, ohne dass das Reaktionsgefäss besonders vorbereitet zu werden braucht.
Die Erfindung beruht auf folgender Überlegung : Trotz des bedeutend höheren Wärmeüberganges in einem Schmelzbad von seiten der Schmelze an ein Rohr als von seiten des Durchströmmittels bedarf es zur Erhitzung des Rohres auf seine kritische Temperatur doch einige Zeit. Ferner setzt die Zerstörung durch Schmelzen oder Verbrennen an der tiefsten Eintauchstelle, also an der Mündung, ein, da hier durch die bereits höhere Temperatur des Zusatzstoffes, infolge der auf der davorliegenden Strecke aufgenommenen Wärmezufuhr, auch die Kühlung der Rohrwand geringer ist. Anderseits ist das Rohr bei einer
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Das Verfahren sieht nun eine Unterbrechung dieser Aufheizung und Wiederkühlung der Rohrwand immer kurz vor Erreichung dieser kritischen Temperatur vor. Dies wird dadurch erreicht, dass das Rohr unter weiterer Zuführung des flüssigen Mittels so weit aus dem Bade zurückgezogen wird, dass eine Entspeicherung der Rohrwandwärme eintritt und dass nunmehr wieder kalte Zusatzmittel in der Höchststellung des Rohres auch die Mündung wirksam kühlt. Hiebei sind die Wärmeübergangsverhältnisse im Bade selbst auf beiden Seiten annähernd gleich, dagegen ist oberhalb des Bades der Wärmeübergang im Innern des Rohres 20-100mal grösser als aussen ; es tritt also sehr schnell eine starke Abkühlung der Rohrwandung ein.
Zum Schutz des Rohres vor Zerstörung ist dieses also periodisch zu heben und zu senken, wobei durch die Strömungsgeschwindigkeit des Zusatzmittels, die Dimensionen des Rohres und die Häufigkeit der Perioden bei einer bestimmten Temperatur des Schmelzbades die maximale Eintauch-und Resttiefe festgelegt ist. Bei dem Hochziehen des Rohres wird ferner immer etwas von der Schmelzmasse anhaften und deren Wärme gleichfalls entspeichert werden, so dass der Angriff des Bades zunächst diese Schutzschicht trifft und eine weitere Sicherung des Rohres gewährleistet ist. Zur Bildung eines wirksamen Schutzes dieser Art aus den Bestandteilen des Bades selbst hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Rohr über die Eintauchstrecke vor dem Gebrauch fest anliegend mit Asbestschnur zu umwickeln, welche dann als Ansatz für die Bildung einer isolierenden Schichte wirkt.
Beispielsweise wird die Zuführung von flüssigem Wasser in einem einfachen Schmelzofen, dessen Badhöhe die ausnutzbare Eintauchtiefe auf 70-80 cm beschränkt, mit "Eisenrohren durchgeführt. Diese sind mit Asbestschnur von 5 mm 0 auf 1 m Länge bewickelt ; an der Mündung sind sie auf 15 cm doppelt bewickelt. Bei einer Flüssigkeitszufuhr von mindestens 35 l in der Minute und einer Pendelung von 30 bis 40 cm war, wie Versuche gezeigt haben, die Haltbarkeit der Rohre gesichert, wenn die Senkungen 25 bis 35mal in der Minute erfolgten.
In Fig. 6 der Zeichnung ist ein solches Ausführungsbeispiel schematisch dargestellt. Mit e ist der mit einem Schmelzbad gefüllte Behälter bezeichnet, in den das Rohr t, welches über die Eintauch- strecke mit einer Isoliermasse g (Asbest od. dgl. ) versehen ist, getaucht wird.
Nach der Ausführung c) wird ein guter Rohrschutz durch grössere Wärmeaufnahmefähigkeit des Zufuhrmittels durch Einführung des Wassers in das Eisenbad mittels Blockschrottes in Form von Knüppelabschnitten, wie er dem Eisenbad auch sonst zugesetzt wird, erreicht. Die Knüppel sind in diesem Falle mit einer entsprechenden Bohrung zu versehen. Weiter ist ein wirksamer Rohrschutz dadurch zu erzielen, dass das Zuführungswasser selbst ganz oder teilweise zum Schutz verwendet wird.
Zu diesem Zwecke lässt man das Wasser über die in das Bad eintauchende Rohrstrecke aus siebartig verteilten kleinen Löchern austreten. Die Kühlung und Sicherung des Rohres erfolgen dabei vorwiegend durch die Bindung der zur Aufspaltung des Wassers benötigten grossen Zersetzungswärme.
Eine Ausführung der Wasserfrischung unter Vermeidung von Rohren lässt sich nach der Ausführung d) dadurch ermöglichen, dass man beliebige Zusatzmittel des Eisenbades, wie beispielsweise Erz oder Kalk, anfeuchtet und auf diese Weise dem Bade das Frischwasser zuführt.
Weiter hat sich die nachstehende Ausbildung der Einführungsrohre als vorteilhaft erwiesen, insbesondere bei Bädern mit beschränkter Badtiefe. Um eine sofortige kräftige Aufspaltung des Wassers in die Reaktionsgase Wasserstoff und Sauerstoff zu begünstigen, wird das Mündungsstück d des Rohres derart ausgebildet, dass der Wasserstrahl in Form eines stark auseinandergezogenen Bandes in das Bad tritt (Fig. 5). Hiebei ist aber darauf zu achten, dass durch diese Umformung des Strahles keine Drucksteigerung in dem Rohr eintritt, die eine frühzeitige Zerstörung hervorrufen würde. Man muss also bei Berücksichtigung eines entsprechenden Kontraktionsfaktors die Ausbildung eines stets unverengten Querschnittes einhalten.
Schliesslich kann der Verringerung der Eintauchtiefe des Rohres infolge Zurückbrennens oder Abschmelzens dadurch entgegengetreten werden, dass das Rohr spiralförmig ausgebildet wird (Fig. 5), wobei gleichzeitig durch tangentiale Führung des Wasseraustrittes eine erwünschte Verstärkung der Badbewegung hervorgerufen werden kann.
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