Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung chemischer oder physikalischer Vorgänge Die bekannten Konverter-Verfahren, z. B. Thomas- und Bessemer-Verfahren in der Eisenindustrie, sind sehr leistungsfähige Verfahren, haben aber den Nach teil, dass die Qualität des nach ihnen erzeugten Stahls immer weniger den heutigen Anforderungen genügt. Sie verlangen ferner eine bestimmte Zusammensetzung des zu verblasenden Roheisens und beschränken daher vielfach die Anwendbarkeit dieser Verfahren auf breiter Grundlage.
Durch Anreicherung des Windes mit Sauerstoff, gegebenenfalls bis nahezu 100 ,-ö, und Übergang zum Oberwindfrischen konnten die engen Grenzen der Zusammensetzung des Rohstoffes bei den klassischen Konverter-Verfahren etwas weiter gezogen werden.
Bei einem neuerdings bekanntgewordenen Ver fahren erfolgt das Frischen mit Sauerstoff oder sauer stoffangereicherter Luft in einem rotierenden Gefäss, um offenbar eine bessere Durchmischung des Ein satzes zu erreichen. Die Einführung des Windes zum Teil in das Bad, zum anderen oberhalb des Bades, bewirkt ein Verbrennen des bei der Entkohlung ent stehenden Kohlenoxyds zu Kohlensäure, so dass ein erheblicher Teil der hierbei freiwerdenden Wärme für den Prozess nutzbar gemacht wird. Mit diesem Ver fahren konnte bereits eine erhebliche Verbesserung der Qualität des erblasenen Stahls erreicht werden.
Bei den bekannten Verfahren erfolgt der Reaktions ablauf nur in einem begrenzten Teil des Badvolumens, wodurch die Beschaffenheit des Bades ungleichmässig wird. Die Bewegung des Bades, die sich keineswegs gleichmässig über das ganze Bad erstreckt, kann hier nur zum Teil einen Ausgleich herbeiführen, weshalb Durchsatz, Qualität und Ausbringen durchaus noch erheblich verbessert werden können, wenn der Ablauf der Reaktion möglichst gleichmässig über das ganze Bad verteilt erfolgt.
Die vorliegende Erfindung betrifft nun ein Ver fahren zur Durchführung von chemischen oder physi kalischen Vorgängen in einem Bad aus flüssigen Stoffen, wobei dem Bad Stoffe zugeführt werden, mittels deren Strömungsenergie das Bad in eine drehende Bewegung versetzt wird, das dadurch ge kennzeichnet ist, dass die dem Bad zuzuführenden Stoffe derart durch in einer horizontalen Ebene praktisch gleichmässig verteilte Düsen dem Bad zu geführt werden, dass dem Bad eine schraubenlinien- förmige Drehbewegung erteilt wird.
Die bei aus reichender Geschwindigkeit der zugeführten Reak tionsmittel im Bade eintretende schraubenlinien- förmige Drehbewegung sorgt für eine ständige inten sive und gleichmässige Durchmischung des Bades.
Die horizontale Querschnittsfläche des Badraumes kann in der Regel kreisförmig sein. Die Achse der im Bade erzeugten schraubenlinienförmigen Drehbewe gung wird dann ein Kreis von etwa dem halben Durch messer des Bades sein. In gewissen Fällen kann es zweckmässig sein, dem horizontalen Querschnitt des Badraumes eine elliptische oder dieser ähnliche Form zu geben, wenn besondere Bewegungsverhältnisse des Bades erreicht werden sollen oder bauliche Verhält nisse dies nützlich erscheinen lassen.
Die erfindungsgemäss erzeugte Bewegung des Bades fördert besonders wirksam den ständigen Wechsel zwischen Bad und Schlacke an deren Grenzfläche. Er wird noch unterstützt durch aus dem Bad austretende gasförmige Reaktionsprodukte und die saugende Wir kung der Wirbelsenke im Zentrum der Badoberfläche oder an der Gefässwand derselben, entsprechend dem Drehsinn der schraubenlinienförmigen Drehbewegung.
Die Drehbewegung des Bades kann durch die Strömungsenergie zugeführter Reaktionsmittel auf rechterhalten werden. Durch Wahl der Eintritts geschwindigkeit, der Eintrittsrichtung und des Ein- trittsortes von Reaktionsmitteln in das Bad kann dessen Bewegung dem jeweiligen Reaktionsablauf an gepasst werden. Hierbei wird durch die unmittelbare Berührung des Bades mit den Reaktionsmitteln prak tisch deren gesamte Strömungsenergie dem Bad mit geteilt und die günstigsten Bewegungsverhältnisse des Bades erzielt. Die hierfür benutzten Reaktionsmittel sind im allgemeinen gasförmig, wie Luft, sauerstoff angereicherte Luft, Sauerstoff oder andere Gase. Auch die Durchführung von Prozessen mit flüssigen Reak tionsmitteln ist auf diese Weise möglich.
Feste, in staubförmiger oder feinkörniger Form vorliegende Reaktionsmittel können mit Hilfe von Trägergasen, die gleichzeitig Reaktionsmittel sein können, in das Bad eingeführt werden. Trägergase oder andere Gase, die sich an der Reaktion nicht beteiligen, wirken dem nach nur als Energieträger; nebenbei können sie auch als Wärmeträger dienen, wenn sie im erhitzten Zustand eingeführt werden.
Auf diese Weise können auch Brennstoffe in den Reaktionsraum eingeführt werden, die zur Aufheizung der Einsatzstoffe oder/und zur Deckung des Wärme bedarfs des Prozesses oder/und zur Reduktion des Rohstoffes oder eingesetzter Reaktionsmittel ganz oder teilweise verbrannt werden. Hierfür sind sowohl gasförmige als auch flüssige oder feste Brennstoffe geeignet. Diese Massnahme gestattet eine universelle Anwendung des vorliegenden Verfahrens. Die Einsatz stoffe können im Reaktionsraum eingeschmolzen und weitgehend erhitzt werden, bevor das Verfahren, z. B. der metallurgische Prozess, durchgeführt wird.
Auch während eines metallurgischen Prozesses ist auf diese Weise die Zufuhr von Wärme möglich, wenn eine Reaktion nicht ausreichend exotherm oder wenn sie endotherm abläuft. Die Brennstoffe gestatten ferner, wenn sie nicht oder nur zum Teil verbrannt werden, eine reduzierende Wirkung auf Einsatzstoffe aus zuüben. Diese kann zur Vorbehandlung oder Nach behandlung von eingesetzten Stoffen sowie zur Ver arbeitung mit eingesetztem Erze dienen.
Falls das Verfahren zum Windfrischen verwendet wird, ist man daher nicht mehr an Roheisensorten bestimmter Zusammensetzung gebunden. Die Ver brennungswärme eingeführter Brennstoffe vermag den Mangel des Roheisens an Silicium, Phosphor oder Kohlenstoff zu kompensieren. Es ist daher möglich, minderwertiges Roheisen und Stahlschrott zu ver arbeiten. Der Prozess lässt sich auch so leiten, dass Zusätze an Zunder oder Eisenerzen zu metallischem Eisen reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Reaktions mittel, Zuschläge, Legierungsstoffe oder/und Erze, die in feinkörniger oder staubförmiger Form vorliegen, mit Hilfe von gasförmigen Reaktionsmitteln oder inerten Gasen als Trägergase dem Bad zugeführt werden können. Ihr Schmelz- und Lösungsprozess vollzieht sich im heissen Bad infolge ihrer geringen Abmessungen und gleichmässigen Verteilung sehr rasch. Ihre Reak tion mit Bestandteilen das Bades setzt daher unmittel bar danach ein und läuft in kürzester Frist ab. Auch flüssige Stoffe können auf ähnliche Weise in das Bad eingeblasen werden.
Das Trägergas dient dann gleich zeitig als Zerstäubungsmittel. Entweichen aus dem Bad während der Durchführung metallurgischer Prozesse brennbare, gasförmige Reaktionsprodukte, so können sie durch unmittelbar über dem Bad ein geführte und über dessen Oberfläche gleichmässig verteilte Verbrennungsmittel, z. B. Luft, sauerstoff- angereicherte Luft oder Sauerstoff, verbrannt werden. Ein Teil der hierbei freiwerdenden Wärme wird auf das Bad übertragen, wodurch eine bessere Wärme ausnutzung erreicht wird.
Das Verfahren gemäss der Erfindung gestattet, mehrere Prozesse in einem Arbeitsgang auszuführen. Neben metallurgischen sind auch Prozesse physi kalischer Art durchführbar, z. B. können die Einsatz stoffe, wenn sie nicht in flüssiger Form vorliegen, in das Bad eingebracht werden, wobei sie geschmolzen werden, sodann kann der Einsatz oder ein Bestandteil desselben, wie Metalloxyde, einer Reduktion unter worfen werden. Anschliessend erfolgt das Windfrischen und schliesslich können noch Legierungsbestandteile dem Bad zugeführt werden. Selbstverständlich sind auch vorbereitende Arbeitsgänge, wie Verdampfen von flüchtigen Bestandteilen, Herstellen der für die Pro zesse geeigneten Schlacken sowie alle anderen metall urgischen Prozesse durchführbar, die in flüssiger Phase stattfinden können.
Bei Auftreten von gasförmigen Reaktionsproduk ten werden diese zweckmässig über Wärmeaustauscher und Trocken- oder/und Nassentstauber bekannter Bauart abgesaugt. In den Wärmeaustauschern geben die Gase ihre fühlbare Wärme zur Vorwärmung der Reaktionsmittel, Dampferzeugung oder dergleichen ab. Die Entstauber befreien die Gase von den mitgeführten Stäuben, die vorteilhaft wieder in den metallurgischen Prozess zurückgeführt werden. Die abgekühlten und entstaubten Gase werden einer Weiterverarbeitung zugeführt, wenn sie verwertbare Bestandteile ent halten. Bei der Abführung der Gase ins Freie sind keine Immissionsschäden zu befürchten.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Erfindung schematisch dargestellt, und zwar zeigen Fig. 1 und 2 ein Reaktionsgefäss in Längs schnitt und Querschnitt A-B, in welchem dem Bad eine in sich geschlossene, schraubenlinienförmige Dreh bewegung etwa um eine horizontal verlaufende, kreis förmige Schraubenachse erteilt wird. Es sind auch Einrichtungen vorgesehen, um gegebenenfalls die brennbaren, aus dem Bad entweichenden gasförmigen Reaktionsprodukte unmittelbar über dem Bad zu verbrennen. Zur Aufheizung des Reaktionsgefässes oder/und des Einsatzes oder Deckung des Wärme bedarfs sind Einrichtungen vorhanden, um Brennstoff und Verbrennungsmittel zuzuführen.
Diese Einrich tungen sind auch wahlweise für die Zuführung von in staubförmiger oder feinkörniger Form vorliegenden Reaktionsmitteln, Zuschlägen, Legierungsmitteln und dergleichen zu benutzen. Das Reaktionsgefäss 1 enthält ein Bad 2 aus bei spielsweise flüssigem Roheisen, über dem sich eine Schlackenschicht 3 befindet, die aus Kalk und Erz gebildet wird. Durch über den Umfang des Reaktions gefässes gleichmässig verteilte Düsen 4, in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet, wird sauerstoffangereicherte Luft eingeblasen. Diese Düsen sind schräg zum Radius des Gefässquerschnittes gestellt. Ihre Richtung tangiert einen konzentrisch gedachten Kreis 5, der kleiner als die Begrenzungslinie der Wand des Gefässes 1 ist (Fig. 2).
Die Strömungsenergie des eingeblasenen Windes überträgt sich grösstenteils auf das Bad, das in heftige Bewegung versetzt wird. Betrachtet man ein unendlich kleines Badelement 6 und zerlegt seinen Geschwindigkeitsvektor 7 in zwei Komponenten 8 und 9 in Richtung des Radius des Gefässes und senk recht dazu, dann ergibt sich zunächst, dass das Bad element, in der Projektion auf eine horizontale Fläche gesehen, um die senkrechte Achse des Gefässes rotiert und gleichzeitig zur Gefässmitte strebt. Da ferner an den Öffnungen der Düsen 4 und dahinter durch den strömenden Wind eine Saugwirkung auftritt, wird dem Bad auch eine kreisende Bewegung in Pfeil richtung 10 um eine horizontale Achse 11 vermittelt.
Diese Achse ist eine um die senkrechte Gefässachse verlaufende Kreislinie, die etwa durch den Schwer punkt der erzeugenden Badquerschnittfläche gebildet wird. Aus den geschilderten Bewegungsverhältnissen des Bades resultiert der Weg eines Badelements in einer geschlossenen, schraubenlinienförmig gewunde nen Kreisbahn um die senkrechte Gefässachse, die sich auf den ganzen Badraum gleichmässig erstreckt. Durch die turbulente Strömung treten noch sekundäre Wirbel bildungen auf, die sich gleichfalls über das ganze Bad gleichmässig verteilen, so dass eine ständige intensive Durchmischung des Bades erreicht wird.
Die gleich mässig heftige Badbewegung förderte den ständigen Wechsel zwischen Schlacke und Bad sehr wirkungs voll, weshalb Reaktionen zwischen den beiden rasch und gleichmässig über deren Grenzfläche verteilt statt finden.
Die aus dem Bad austretenden Reaktionsgase, die hauptsächlich aus Kohlenoxyd und Stickstoff be stehen, werden durch sauerstoffangereicherte Luft, die durch die über den Umfang des Reaktionsgefässes gleichmässig verteilten Düsen 12 über die Badoberfläche geblasen wird, verbrannt und aus dem Reaktionsgefäss durch den Abgasaustritt 13 abgeführt.
Die Düsen 14 und 15 sind für die Zuführung von Brennstoffen und Verbrennungsmitteln sowie wahl weise Reaktionsmitteln, Zuschlägen oder Legierungs stoffen vorgesehen. Sie sind abwechselnd über den Umfang des Reaktionsgefässes gleichmässig verteilt angeordnet und unter einem Winkel von kleiner als 90', vorzugsweise 45 bis 60 , auf die Badoberfläche gerichtet. Sie sind ausserdem, ähnlich wie die Düsen 4, schräg zum Gefässradius gestellt. Die Brennstoffe werden durch die Düsen 14, die Verbrennungsmittel, z. B. Luft, Sauerstoff, durch die Düsen 15 eingeführt. Die Düsen 14 können auch als Brenner ausgebildet sein, durch die der Brennstoff gemeinsam mit dem Verbrennungsmittel im gewünschten Verhältnis in das Reaktionsgefäss eingeblasen wird.
Es entsteht eine heisse, gut durchwirbelte Flamme, die in innige Be rührung mit der Badoberfläche gebracht wird. Durch die Düsen 15 werden bei Bedarf Reaktionsmittel oder Zuschläge, die die Viskosität der Schlacke beeinflussen, Erze oder Legierungsmittel in feinkörniger Form mit gasförmigen Reaktionsmitteln oder inerten Träger gasen in das Bad geblasen.
Die Funktion der verschiedenen Düsen wird man den jeweiligen Bedürfnissen anpassen und können anders sein, als im vorstehenden Beispiel beschrieben. So können z. B. mit dem Wind durch die Düsen 4 Reaktionsmittel, Zuschläge und dergleichen in das Bad gefördert werden. Die Funktion der Düsen 12, 14 und 15 können beliebig vertauscht werden, wenn die Verhältnisse es erfordern oder günstiger erscheinen lassen.
Für das Einbringen der Einsatzstoffe in flüssiger oder fester Form ist eine Arbeitstür 16 oder mehrere vorgesehen. Die Entleerung des Reaktionsgefässes erfolgt durch Abstichöffnungen 17 für das Metall, z. B. Stahl, und durch Abstichöffnungen 18 für die Schlacke. Zweckmässig werden mehrere Abstich öffnungen, insbesondere für die Schlacke, in ver schiedener Höhe des Reaktionsgefässes angeordnet. Das Reaktionsgefäss kann auch mit einer Kippvor richtung versehen werden, so dass sein Inhalt in be kannter Weise durch Kippen entleert wird. Die Zu führung der Reaktionsmittel und Stoffe zu den Düsen erfolgt dann in üblicher Weise durch Leitungen, die durch die Tragzapfen des Reaktionsgefässes gelegt werden.
Die Beschaffenheit einer Auskleidung des Reak tionsgefässes ist in bekannter Weise den Einsatzstoffen und den Betriebsbedingungen anzupassen. Ein Futter wird - den zu verarbeitenden Stoffen gemäss - entweder basisch, sauer oder neutral ausgeführt unter Berück sichtigung der auftretenden Arbeitstemperaturen. Eine längere Haltbarkeit kann durch Kühlung der Aussen wand erreicht werden. Hierzu dient ein Doppelmantel oder ein Röhrensystem, durch den oder das ein Kühl mittel geleitet wird. Als Kühlmittel können Luft, Wasser oder andere Gase oder Flüssigkeiten ver wendet werden. Das Reaktionsgefäss kann auch als Dampfkessel ausgebildet sein.
Die weiteren Ausführungsbeispiele, die in den Fig. 3 bis 10 dargestellt sind, zeigen einige ausgewählte Düsen anordnungen, die für die Durchführung des erfindungs- gemässen Verfahrens geeignet sind. Sie beschränken sich nur auf jene Düsen, welche die Badbewegung herbeiführen. Alle anderen Einrichtungen, die bereits erwähnt wurden, sind der klareren Übersicht wegen fortgelassen worden.
Fig. 3 und 4 stellen im Längsschnitt und Querschnitt nach Linie C-D ein Reaktionsgefäss 21 dar, in dem das Bad 22 durch die Einführung von Reaktionsmitteln unmittelbar über dem Boden 23 des Gefässes in Be- wegung gehalten wird. Von einer Ringleitung 24 zweigen Leitungen 25 für die Reaktionsmittel zu den Düsen 26 ab, die schräg zu den Radien des Reaktions gefässes ausmünden. Die hierdurch erzielbare Bewe gung des Bades ist durch die Pfeile P und Q angedeutet.
Fig. 5 und 6 zeigen im Längsschnitt und Quer schnitt nach Linie E-F ein Reaktionsgefäss 31, in dem der Frischprozess durch Aufblasen des Windes auf das Bad 32 erfolgt, wobei die Blasrichtung der Düsen 33 unter steilem Winkel auf das Bad und schräg zu den Radien des Reaktionsgefässes gewählt wurde. Dem zufolge wird das Bad in eine gleichzeitig drehende (nach Pfeil P) und rollende (nach Pfeil Q) Bewegung versetzt, die eine innige Durchnnischung bewirkt und durch die dem Wind dauernd neue Angriffsflächen dargeboten werden.
In den Fig. 7 und 8 ist im Längsschnitt und Quer schnitt nach der Linie G-H ein Reaktionsgefäss 41 mit zentraler Einführung des Frisch- oder Reaktions mittels durch Leitung 42 veranschaulicht. Das untere Ende dieser Leitung endigt in Düsen 43, die seitlich am Leitungsumfang gleichmässig verteilt in Richtung schräg zu den Radien des Gefässes ausmünden. Die Bewegung des Bades 44 ist wieder durch die Pfeile P und Q in der Zeichnung gekennzeichnet. Die Leitung 42 kann verschiebbar angeordnet sein. Bei Stellung der Düsen etwa in mittlerer Höhe des Bades erreicht man zwei übereinanderliegende, gegenläufige Roll- bewegungen bei gleichzeitiger Drehung des Bades.
In höherer Lage der Düsen ist die Rollbewegung der in der Zeichnung dargestellten gegenläufig. Ob die eine oder andere Stellung vorzuziehen ist, hängt von der erforderlichen Dauer der Berührung zwischen Bad und Wind ab. Massgeblichen Einfluss hierauf haben die Reaktionsgeschwindigkeit und die Viskosität des Bades, die im allgemeinen beide temperaturabhängig sind. Lässt man ferner das Düsenrohr 42 rotieren, kann die Drehung des Bades gemäss Pfeil P verstärkt werden.
Führt man das Düsenrohr 42 durch einen abheb- baren Deckel des Reaktionsgefässes, kann es ganz herausgezogen werden. Die entstehende Öffnung kann zur Beschickung dienen und bei kippbarer Anordnung des Gefässes auch zur Entleerung.
Die Fig. 9 und 10 zeigen im Längsschnitt und Quer schnitt nach Linie L-M ein Reaktionsgefäss 51, durch dessen Deckel 52, gleichmässig über den Umfang ver teilt, längsverschiebbare und drehbare Düsenlanzen 53 von oben her in das Bad 54 eingeführt werden. Sie können auch so beschaffen sein, dass sie über dem Bad enden und der Blasvorgang von oben her erfolgt. Die Stellung der Düsen gemäss der Erfindung bewirkt wieder die charakteristische Bewegung des Bades, die durch Pfeile P und Q angedeutet ist. Der Deckel 52 ist abhebbar und kann mit den Düsenlanzen heraus gezogen und entfernt werden, wodurch das Bad zu gänglich wird. Durch Kippen des Gefässes findet die Entleerung statt.
Die durch die Zeichnung veranschaulichten Bei spiele sind nicht vollständig. Jede denkbare Kombina- tion der erwähnten Ausführungsformen ist möglich, wobei die Art der durchzuführenden Prozesse, die Beschaffenheit der Einsatzstoffe und dergleichen zu berücksichtigen sind.
Die Düsen selbst sind je nach Art der zu verarbei tenden Stoffe und der herrschenden Temperatur aus Baustoffen hergestellt, die deren Einflüssen wider stehen. Im allgemeinen werden bei hohen Temperatu ren Düsen aus Stahl oder Kupfer verwendet, die vor zugsweise bestiftet sind und mit einem Überzug aus geeignetem Baustoff oder Schlacke, die bei der Durch führung des Prozesses vorliegt, versehen sind. Im letzteren Fall taucht man die Düsen in die flüssige Schlacke ein. Durch die Wasserkühlung überzieht sich die Düse mit einer festen Schlackenschicht, die durch die Stifte festgehalten wird.