DE10060217B4

DE10060217B4 - Blaslanze

Info

Publication number: DE10060217B4
Application number: DE2000160217
Authority: DE
Inventors: Theo Beermann
Original assignee: ThyssenKrupp Stahl AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2000-12-04
Filing date: 2000-12-04
Publication date: 2004-04-15
Anticipated expiration: 2020-12-05
Also published as: EP1211327A3; DE10060217A1; EP1211327A2

Abstract

Blaslanze mit einem Außenrohr (4), an dessen freien? Ende ein Düsenkopf (2) zum Blasen von Blasfluid (S), insbesondere Sauerstoff, auf eine Schmelze befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein benachbart zu dem Düsenkopf (2) angeordnetes Teilstück (T1, T2) des Außenrohrs (4) zumindest abschnittsweise aus einem Werkstoff gefertigt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als die Leitfähigkeit des Werkstoffs, aus dem der an dieses Teilstück (4) angrenzende Teil des Außenrohrs (4) besteht.

Description

Die Erfindung betrifft eine Blaslanze mit einem Außenrohr, an dessen freien Ende ein Düsenkopf zum Blasen von Blasfliud auf eine Schmelze befestigt ist. Über solche Blaslanzen werden beispielsweise beim Frischprozeß im Konverter große Mengen an Sauerstoff auf eine Roheisenschmelze geblasen.

Eine für diesen Zweck bestimmte Blaslanze ist beispielsweise aus der DE 31 22 178 A1 bekannt. Bei dieser Blaslanze ist ein Düsenkopf an einem Außenrohr befestigt. Das Außenrohr umgibt zwei konzentrisch zum Außenrohr angeordnete Innenrohre. Deren Durchmesser ist jeweils so bemessen, daß zwischen dem Außenrohr und dem ersten Innenrohr sowie zwischen den beiden Innenrohren jeweils ein Kanal ausgebildet ist. Über diesen wird Kühlfluid im Kreislauf durch den Düsenkopf geleitet, während das Blasfluid gleichzeitig durch das Innenrohr mit dem kleinsten Durchmesser zur Düse des Düsenkopfes strömt.

Um die Wirksamkeit der Kühlung des Düsenkopfes zu erhöhen, ist dieser in der Regel aus einer gut wärmeleitenden Kupferlegierung hergestellt. Die Rohre der Blaslanze bestehen demgegenüber aus Stahl.

Das Aufblasen des Sauerstoffs führt zu exothermen Reaktionen, durch die dem Roheisen Kohlenstoff entzogen und die Temperatur der Schmelze erhöht wird. Der Frischvorgang und die mit dem Aufblasen des Blasfluids selbst verbundenen Gasströmungen führen jedoch zur Entstehung von flüssigen Stahl- und Schlackespritzern, die von der Schmelze gegen die Blaslanze spritzen.

Diese Schmelzenspritzer verursachen einerseits einen starken Materialabtrag an Düse und Außenrohr der Blaslanze. Andererseits kommt es im Bereich des Düsenkopfes und der daran anschließenden Abschnitte des Außenrohrs zum Anbacken bzw. Ablagern der Schmelze- und Schlackespritzer.

Dieses in der Fachsprache als "Bärenbildung" bezeichnete Phänomen führt zu einer erheblichen Verkürzung der Lebensdauer. einer Blaslanze. So können die sogenannten "Bären" ein Gewicht von mehreren Tonnen erreichen. Übersteigt das Gewicht dieser Ablagerungen an der Lanze eine bestimmte Obergrenze, so muß die Blaslanze ausgebaut und die Ablagerungen müssen abgebrannt werden. Darüber hinaus können die Ablagerungen einen solchen Raum einnehmen, daß die Blaslanze nicht mehr ohne weiteres aus der für ihr Ein- und Ausführen bestimmten Öffnung des Konvertergefäßes gezogen werden kann. Auch diese Gefahr führt dazu, daß die Lanzen häufiger gewartet werden müssen, als es nach ihrem sonstigen Verschleißzustand erforderlich wäre.

In der schon erwähnten DE 31 22 178 A1 ist vorgeschlagen worden, auf die Lanzenspitze eine Schutzkappe aus einem hitzebeständigen Material aufzusetzen. Diese Schutzkappe soll den Düsenkopf vor abrasivem Verschleiß schützen und sich gegebenenfalls ablagernde Stahl- und Schlackespritzer auffangen. Wird nach einem Blasvorgang ein nennenswerter Verschleiß der Schutzkappe festgestellt, so kann diese relativ einfach ausgetauscht werden, so daß die Lebensdauer des Düsenkopfes selbst erhöht wird. Auf diese Weise kann sein Blasverhalten über eine längere Betriebsdauer konstant gehalten werden. Allerdings muß dazu der mit der Herstellung, Montage und Demontage der Schutzkappe verbundene zusätzliche Aufwand in Kauf genommen werden. Zudem kann mit der Schutzkappe in der Praxis nicht wirksam verhindert werden, daß es zu Ablagerungen von erstarrten Schmelzespritzern am Rohr der Blaslanze kommt.

Neben dem voranstehend erläuterten Stand der Technik ist aus der deutschen Auslegeschrift DE-AS 1 925 045 eine weitere Blaslanze bekannt. Diese bekannte Blaslanze besitzt ein Außenrohr, an das ein Düsenkopf angeschweißt ist. Der Düsenkopf ist dabei in seiner Grundform becherförmig geformt und weist einen sich axial erstreckenden, umlaufenden Wandabschnitt auf, der einstückig mit dem die Stirnwand des Düsenkopfes bildenden Wandabschnitt ausgebildet ist. Auf der Stirnwand des Düsenkopfes münden die Öffnungen von zwei Blaskanälen, die über eine zentral durch die Blaslanze laufende Versorgungsleitung mit Blasfluid versorgt werden. Das an den Düsenkopf angeschlossene Außenrohr besteht bei der aus der DE-AS 1 925 045 bekannten Blaslanze aus Stahl, während der Düsenkopf aus Elektrolytkupfer gefertigt ist.

Der in der DE-AS 1 925 045 beschriebene Stand der Technik ist ein Beleg dafür, daß Blaslanzen nach dem Stand der Technik üblicherweise mit einem Außenrohr ausgestattet sind, an dessen der Schmelze zugewandten Ende ein Düsenkopf befestigt ist, wobei diese beiden Elemente aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen können. Auf diese Weise kann der Verschleiß des Düsenkopfes selbst herabgesetzt werden. Allerdings wird auch durch die in D1 wiedergegebene Ausgestaltung einer Blaslanze nicht verhindert, daß es beim Blasen des Stahls zu einer massiven, die voranstehend bereits diskutierten Probleme verursachenden "Bärenbildung" kommt.

Ausgehend von dem voranstehenden erläuterten Stand der Technik besteht die Aufgabe der Erfindung darin, die Lebensdauer einer Blaslanze mit einfachen Mitteln derart zu verbessern, daß die Gefahr einer "Bärenbildung" wirksam reduziert ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Blaslanze, die mit einem Außenrohr ausgestattet ist, an dessen freien Ende ein Düsenkopf zum Blasen von Blasfluid auf eine Schmelze befestigt ist, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein benachbart zu dem Düsenkopf angeordnetes Teilstück des Außenrohrs zumindest abschnittsweise aus einem Werkstoff gefertigt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als die Leitfähigkeit des Werkstoffs, aus dem der an dieses Teilstück angrenzende Teil des Außenrohrs besteht.

Bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Blaslanze ist im Bereich des dem Düsenkopf zugeordneten Endes des Rohres ein Teilstück des Außenrohres so ausgebildet, daß das Rohr in diesem Bereich eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit aufweist. Auf diese Weise wird das Außenrohr über dieses Teilstück durch ein durch die Blaslanze strömendes Kühlmittel stärker abgekühlt als dies bei herkömmlichen Blaslanzen der Fall ist. Überraschend hat sich gezeigt, daß durch die auf diese Weise im Betrieb erreichte Verminderung der Temperatur an der Außenfläche des Teilstücks die Entstehung von nennenswerten Ablagerungen in diesem Bereich wirkungsvoll verhindert werden kann. Die auf das relativ kühle Teilstück treffenden Schmelzespritzer platzen aufgrund ihrer schnellen Erstarrung von dem Rohr ab und fallen zurück in den Schmelzenbehälter.

Indem die Erfindung eine Entstehung von "Bären"-Ablagerungen verhindert, wird die Lebensdauer erfindungsgemäßer Blaslanzen gegenüber bekannten Lanzen erheblich verlängert. So haben praktische Versuche beim Frischen von Roheisen ergeben, daß die gemäß der Erfindung ausgebildeten Blaslanzen nach einer mehr als dreifach verlängerten Einsatzdauer noch keine nennenswerten Ablagerungen aufwiesen. Auch traten Deformationen und Einschnürungen der Blaslanze, die aufgrund der Entstehung der "Bären" beim Stand der Technik unvermeidbar waren, bei erfindungsgemäßen Lanzen nicht auf. Zu diesen Deformationen und Einschnürungen kam es beim Stand der Technik, weil der "Bär" abkühlt, wenn die Blaslanze in einer Blaspause aus dem Konverter herausgezogen wird. Infolge der dann eintretenden Abkühlung schrumpfte das große Volumen des "Bären". Die dadurch auf den Lanzenschaft wirkenden Kräfte führten zu Verformungen, aufgrund derer der Querschnitt der Kühlwasserkanäle vermindert wurde. Diese Querschnittsabnahme brachte die Gefahr eines vorzeitigen Undichtwerdens der Blaslanze aufgrund von Materialausdünnung und Erhöhung des Drucks des durch den Düsenkopf strömenden Kühlmediums mit sich. Diese beim Stand der Technik bestehenden Gefahren werden bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung einer Blaslanze vermieden.

Grundsätzlich bestimmt sich die Erstreckung und die Position des Teilstücks mit höherer Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der Geometrie der Blaslanze allgemein, der des Düsenkopfes im besonderen und den bei der Blasbehandlung im jeweiligen Schmelzenbehälter eintretenden Bedingungen, durch welche die Entstehung und Verbreitung der Schmelze- und Schlackespritzer maßgeblich beeinflußt werden. Versuche an aus der Praxis bekannten Blaslanzengeometrien haben in diesem Zusammenhang ergeben, daß das Teilstück zweckmäßigerweise unmittelbar an den Düsenkopf angrenzt oder in enger Nachbarschaft zu diesem angeordnet ist.

Eine weitere wesentliche Einflußgröße bei der Bestimmung der Länge und der Position des Teilstücks höherer Wärmeleitfähigkeit ist das Verhalten des Werkstoffs der Blaslanze bei Erwärmung und Abkühlung. Üblicherweise eingesetzte Stähle zeichnen sich dadurch aus, daß sie sich bei einer Erwärmung ausdehnen und bei der anschließenden Abkühlung schrumpfen. Dabei kann die mit der Schrumpfung einhergehende Verkürzung der Blaslanze so groß sein, daß die Blaslanze nach der Schrumpfung kürzer ist als zu Beginn der Erwärmung. Dieses besondere Ausdehnungs- und Schrumpfungsverhalten kann zu erheblichen Deformationen der Blaslanze führen. Aus diesem Grund sind die für das Teilstück höherer Wärmeleitfähigkeit und die sonstigen Abschnitte der Blaslanze verwendeten Werkstoffe so aufeinander abzustimmen, daß sowohl die Stabilität als auch eine im wesentlichen konstante Länge der Blaslanze gewährleistet ist. Dies kann einerseits durch eine geeignete Bemessung der Längserstreckung des Teilstücks bewerkstelligt werden. Andererseits ist es auch denkbar, Wandungen des Rohres der Blaslanze im Bereich des Teilstücks nur abschnittsweise, und zwar in Längserstreckung, aus einem Werkstoff höherer Wärmeleitfähigkeit auszubilden. Auf diese Weise kann beispielsweise das gegebenenfalls günstigere Wärmeausdehnungsverhalten und die gegebenenfalls bessere Festigkeit des an sich für die Herstellung des Rohres verwendeten Werkstoffs mit der besseren Wärmeleitfähigkeit des im Bereich des Teilstücks eingesetzten anderen Werkstoffs kombiniert werden. In anderen Anwendungsfällen, insbesondere solchen, bei denen sich das Teilstück nur über eine relativ geringe Länge des Rohres erstrecken soll, kann es jedoch fertigungstechnisch und hinsichtlich der Wirksamkeit günstiger sein, wenn das Teilstück vollständig aus dem Werkstoff höherer Wärmeleitfähigkeit besteht.

Als Werkstoff für die Herstellung der Abschnitte erhöhter Wärmeleitfähigkeit des Teilstücks hat sich Kupfer oder eine Kupferlegierung in Versuchen bewährt.

Im Hinblick auf die Vermeidung der Entstehung größerer Ablagerungen ist es zudem vorteilhaft, wenn sich das Teilstück mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit über die gesamte von Schmelze- und Schlackspritzern erreichte Länge der Blaslanze erstreckt. Allerdings sind dieser Erstreckung in der Praxis aufgrund der Materialeigenschaften des Werkstoffs höherer Wärmeleitfähigkeit Grenzen gesetzt. Es hat sich jedoch gezeigt, daß eine Entstehung von größeren Ablagerungen an der Blaslanze schon dann vermieden werden kann, wenn die Länge des Teilstücks beispielsweise dem 0,3- bis 3-fachen des Durchmessers des Düsenkopfes entspricht. Versuche an aus der Praxis bekannten Blaslanzen mit einer Gesamtlänge von jeweils mehr als 20 Metern haben ergeben, daß eine mehr als dreifache Verbesserung der Lebensdauer schon dann erreicht wird, wenn bei einer erfindungsgemäß ausgebildeten Blaslanze ein nahe dem Düsenkopf angeordnetes Teilstück sich beispielsweise über nur 200 mm erstreckt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben und werden im Zusammenhang mit nachfolgend anhand einer Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 die Spitze einer ersten Blaslanze in einem Längsschnitt;
2 die Spitze einer zweiten Blaslanze in einem Längsschnitt.
Die für das Frischen von Roheisen in einen nicht dargestellten Konverterbehälter eingeführten Blaslanzen 1 (1) und 10 (2) weisen jeweils einen aus einer Kupferlegierung hergestellten Düsenkopf 2 auf, der am Rohr 3 der jeweiligen Blaslanze 1, 10 angeschweißt ist.
Das Rohr 3 umfaßt jeweils ein Außenrohr 4, ein erstes Innenrohr 5 und ein zweites Innenrohr 6.
Das Außenrohr 4 und die Innenrohre 5, 6 sind koaxial zueinander angeordnet. Ihre Durchmesser sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß zwischen dem Außenrohr 4 und dem ersten Innenrohr 5 ein mantelförmig das erste Innenrohr 5 umgebender Rückströmkanal 7 und zwischen dem ersten Innenrohr 5 und dem zweiten Innenrohr 6 ein ebenso mantelförmig das zweite Innenrohr 6 umgebender Zuströmkanal 8 ausgebildet sind. Über den Zuströmkanal 8 strömt als Kühlfluid Kühlwasser W in den Düsenkopf 2 und wird von dort üben den Rückströmkanal 7 zu einer nicht gezeigten Kühlfluidversorgung zurückgeleitet. Das zweite Innenrohr 6 umschließt einen Kanal 9 für den als Blasgas aus dem Düsenkopf 2 geblasenen Sauerstoff S.
Bei der in 1 dargestellten Blaslanze 1 laufen das Außenrohr 4 und das erste Innenrohr 5 in ihrem vorderen, dem Düsenkcpf 2 zugeordneten Bereich konisch zu, so daß ein bündiger Anschluß des Düsenkopfes 2 an das Außenrohr 4 gegeben ist. Das Außenrohr 4 besitzt außerhalb seines konischen Abschnitts einen Durchmesser, der größer ist als der Durchmesser Dk des Düsenkopfes 2. Auf diese Weise wird zusätzlich eine Verengung des Zuströmkanals 8 und des Rückströmkanals 7 und damit einhergehend eine Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kühlwassers W im Bereich des Düsenkopfes 2 erzwungen.
Beim in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind dagegen in üblicher Weise sowohl das Außenrohr 4 als auch die Innenrohre 5 und 6 zylindrisch ausgebildet und weisen einen über ihre Länge im wesentlichen konstanten Außendurchmesser Dk2 auf. Dieser ist im Fall der Blaslanze 10 gleich dem Durchmesser des bündig an das Außenrohr 4 angeschlossenen Düsenkopfes 2.
Das Außenrohr 4 und die Innenrohre 5, 6 bestehen grundsätzlich aus einem Stahlwerkstoff, dessen Festigkeit und Wärmeausdehnungsverhalten (Ausdehnung bei Erwärmung/ Schrumpfung bei Abkühlung) so eingestellt sind, daß eine optimale Längenhaltigkeit und Wärmebeständigkeit der Rohre gewährleistet ist. Beim Außenrohr 4 ist der Stahlwerkstoff jedoch jeweils über ein eng benachbart zum Düsenkopf 2 angeordnetes Teilstück T1 (1) bzw. T2 (2) durch eine Kupferlegierung ersetzt. Diese weist eine bessere Wärmeleitfähigkeit als der Stahlwerkstoff auf, aus dem das Außenrohr 4 im übrigen besteht. Auf diese Weise stellt sich im Bereich des Teilstücks T1 bzw. T2 eine stärkere Abkühlung der Wand des Außenrohrs 4 durch das durch den Rückströmkanal 7 geführte Kühlwasser W ein als in den übrigen aus dem Stahlwerkstoff bestehender Abschnitten des Außenrohres 4.
Die Blaslanzen 1, 10 weisen beispielsweise eine Länge von zwanzig Metern auf. Die im Zuge des Frischprozesses im Konvertergefäß aufgewirbelten Stahl- und Schlackespritzer erreichen die jeweilige Blaslanze 1, 10 ausgehend vom Düsenkopf 2 über eine Länge Ls von ca. 6 Metern. Der Durchmesser Dk des Düsenkopfes 2 beträgt bei der Blaslanze 1. ca. 350 mm.
Beim in 1 gezeigten Beispiel ist die Länge L1 des aus dem Kupferwerkstoff höherer Wärmeleitfähigkeit bestehenden Teilstücks T1 auf 200 mm beschränkt, während die Länge L2 des Teilstücks T2 beim Beispiel der 2 die von Stahl- und Schlackenspritzern erreichte Länge Ls des Außenrohrs 4 im wesentlichen vollständig abdeckt. Im Betrieb liegt die mittlere Wandtemperatur im Bereich der Teilstücke T1 und T2 jeweils um ca. 100 °C niedriger als die mittlere Wandtemperatur bei herkömmlich ausgebildeten, aus einem einheitlichen Stahlwerkstoff bestehenden Blaslanzen 1, 10 in diesem Bereich.
Versuche mit einer entsprechend dem Beispiel der 1 ausgebildeten Blaslanze 1 haben ergeben, daß es bei dieser Blaslanze 1 bei einer gegenüber herkömmlichen Blaslanzen um mehr als das Doppelte verlängerten Einsatzdauer zu keiner nennenswerten "Bärenbildung" im Bereich des Teilstücks T1 kommt. Dies zeigt, daß selbst ein im Vergleich zur Gesamtlänge der Blaslanze 1 derart kurzes Teilstück T1 mit erhöhter Wärmeleitfähigkeit wirksam die Ablagerung von Schmelzenspritzern im kritischen Bereich des Außenrohrs 4 der Blaslanze 1 nahe dem Düsenkopf 2 verhindert. Die gemäß 2 mit dem längeren Teilstück T2 ausgestattete Ausgestaltung der Blaslanze 10 läßt eine weiter verbesserte Wirkung und damit weiter verlängerte Lebensdauer dieser Blaslanze 10 erwarten.

1, 10: Blaslanzen
2: Düsenkopf
3: Rohr
4: Außenrohr
5: erstes Innenrohr
6: zweites Innenrohr
7: Rückströmkanal
8: Zuströmkanal
9: Kanal
Dk: Durchmesser des Düsenkopfes 2
Dk2: Durchmesser der Blaslanze 10
L1: Länge des Teilstücks T1
L2: Länge des Teilstücks T2
Ls: von Stahl- und Schlackspritzern erreichte Länge
S: Sauerstoff
T1, T2: Teilstücke erhöhter Wärmeleitfähigkeit
W: Kühlwasser

Claims

Blaslanze mit einem Außenrohr (4), an dessen freien? Ende ein Düsenkopf (2) zum Blasen von Blasfluid (S), insbesondere Sauerstoff, auf eine Schmelze befestigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein benachbart zu dem Düsenkopf (2) angeordnetes Teilstück (T1, T2) des Außenrohrs (4) zumindest abschnittsweise aus einem Werkstoff gefertigt ist, dessen Wärmeleitfähigkeit höher ist als die Leitfähigkeit des Werkstoffs, aus dem der an dieses Teilstück (4) angrenzende Teil des Außenrohrs (4) besteht.
Blaslanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilstück (T1, T2) unmittelbar an den Düsenkopf (2) angrenzt.
Blaslanze nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilstück (T1, T2) vollständig aus dem Werkstoff höherer Wärmeleitfähigkeit besteht.
Blaslanze nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilstück (T1, T2) aus einem Werkstoff besteht, dessen Wärmeleitfähigkeit der des Düsenkopfs (2) entspricht.
Blaslanze nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Teilstück (T1, T2) aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt ist.
Blaslanze nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L1, L2) des Teilstücks das 0,3- bis 3-fache des Durchmessers (Dk) des Düsenkopfes (2) beträgt.
Blaslanze nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Außenrohr (2) und koaxial zu diesem mindestens zwei Innenrohre (5, 6) unterschiedlichen Durchmessers angeordnet sind und daß zwischen dem ersten Innenrohr (5) und dem Außenrohr (4) ein erster Kanal (7) für Kühlfluid (W), zwischen dem ersten Innenrohr (5) und dem zweiten Innenrohr (6) ein zweiter Kanal (8) für Kühlfluid (W) und in dem zweiten Innenrohr (6) ein Kanal (9) für das Blasfluid (S) ausgebildet sind.
Blaslanze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlfluid (W) durch den zweiten Kanal (8) in Richtung des Düsenkopfes (2) und durch den ersten Kanal (7) zurück in Richtung einer Kühlmittelversorgung strömt.