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Die vorliegende Erfindung befasst sich mit einer Vorrichtung zur Einleitung von Gasen in heiße flüssige Medien, insbesondere zur Einleitung von Veredelungsgasen in die Schmelze verflüssigter Metalle bei der Produktion und Bearbeitung von Stahl in der Metallurgie.
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Eine derartige Vorrichtung ist im Stand der Technik aus der
AT 227 283 B bekannt. Diese Druckschrift offenbart ein Verfahren zur Herstellung haltbarer Blaslanzen für Sauerstoff-Schmelzprozesse, wie sie typischer Weise beim Einblasen von Sauerstoff in flüssige Stahlschmelze verwendet werden. Diese Druckschrift nennt u. a. auch die typischen Verschleißerscheinungen durch Schlackebildungen an der Außenwand der Blaslanzen, was gewöhnlich zur raschen Verzunderung durch den Kontakt mit Sauerstoff führt und dadurch die Standzeit der Blaslanze stark herabgesetzt wird. Zur Vermeidung derartiger Nachteile wird bei der bekannten Erfindung aus dem Stand der Technik als Grundelement zur Gewährleistung der Festigkeit der Blaslanze ein Weichstahllanzenrohr als Grundmetall (1) herangezogen, um die Festigkeit der Blaslanze zu gewährleisten. In der zitierten Druckschrift
AT 227 283 B wird in einer Summenformel u. a. in einer Reihe von Siliziden auch (MoSi2) aufgeführt, was aber in keinem der genannten Ausführungsbeispiele näher erläutert oder verwendet wird.
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Ferner sind im Stand der Technik die
WO 2008/153440 A2 oder die
EP 2 154 256 A2 bekannt geworden. Diese Druckschriften zeigen eine Vorrichtung mit einer Düse (Windform) zur Einleitung von heißen Gasen in ein flüssiges Metall. Die bekannte Vorrichtung besteht aus zwei Abschnitten mit mindestens zwei koaxialen Rohren, die eine Spüllanze bilden, durch die das Spülgas bzw. Prozessgas zur Verarbeitung des flüssigen heißen Metalls geführt wird. Der untere Teil der Spüllanze weist einen größeren Durchmesser als der obere Teil der Spüllanze auf, wobei die beiden Abschnitte an ihren jeweiligen Enden zusammengefügt sind. Der untere Teil der Spüllanze weist dabei zwei Rohrleitungssysteme für zwei verschiedene Gase auf, die am Ende des unteren Abschnitts in einem konischen Endstück zusammengeführt werden und dann gemeinsam durch den oberen Abschnitt der Lanze geführt werden, dessen Innendurchmesser wesentlich kleiner ist als der Innendurchmesser des unteren Abschnitts. Das Ende des oberen Abschnitts führt dann direkt in den Schmelztiegel, sodass das Gas in die Schmelze eingeleitet wird. Bei diesem Gaseinleitungsvorgang entsteht das Problem, dass infolge chemischer Reaktionen des heißen Gases und des Materials der Spüllanze sowie des Materials des Schmelztiegels Material am Ende der Spüllanze, also an der Düse, abgetragen wird, wodurch allmählich die Funktion der Spülung des flüssigen Metalls gefährdet ist und schließlich zum Durchbruch des flüssigen Metalls in die Spüllanzenvorrichtung führen kann, was verheerende Auswirkungen hat. Das Material des oberen rohrförmigen Abschnitts der Spüllanze besteht im Allgemeinen aus einem Stahl, der für diese Vorrichtung in etwa eine Standzeit von ein bis zwei Monaten aufweist.
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Weiterhin treten beim Spülen mit Argon und Stickstoff Probleme auf, die die Standzeiten der gesamten Spüleinrichtungen erheblich beeinträchtigen. Bereits unvermeidbare geringe Spuren von O
2 im Gas lassen die Düsen an der Feuerseite abschmelzen. Dies führt zur Bildung eines Trichters. Das Feuerfestmaterial verschleisst durch sogenanntes ”Abplatzen” immer auf die Höhe der Düse. Ist das Feuerfestmaterial zwar standhaft, so geht es durch den Verschleiß der Düse aber mit verloren. In diesem Zusammenhang ist auch die
DE 42 38 970 C1 zu nennen, die ein Verfahren zum Einblasen oxidierender Gase in eine Metallschmelze beschreibt, bei dem die Einleitungsdüsen unterhalb der Metallbadoberfläche angeordnet sind. Ferner ist im Stand der Technik die
DE 44 29 937 A1 bekannt geworden, die ein Verfahren zum Verblasen NE-Metall-Schrott und Hütten-Zwischenprodukten offenbart, wobei durch dort sogenannte Mehrstoffdüsen Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft in die Schmelze eingeleitet werden, deren Sauerstoffgehalt im Mischgas zwischen 23 und 80 vol.-% liegt. Die gleiche Problematik wird in der
DD 48778 behandelt, der die Zufuhr eines brennbaren, sauerstoffangereicherter Luft zu entnehmen ist.
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Die gesamte Lebensdauer solch verwendeter Böden hängt also von der Verschleißfestigkeit der Düse ab. Es tritt aber auch der umgekehrte Fall ein, dass die Düse durch einen ”Ansaugeffekt” bei hoher Gasaustrittsgeschwindigkeit zupackt. Zur Öffnung wäre der Einsatz von O2 wieder von Nöten. Fakt ist, dass diese verstopften Düsen keine Rührwirkung zeigen und geschlossen werden. Dies ist häufig der Fall. Mit O2 angereicherter Luft wäre ein ”Aufbrennen” möglich.
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Ein weiteres Problem tritt beim Spülen oder bei Sauerstoffzufuhr (OBM Prozess) durch die Düsen auf. Bei Einsatz von reinem Sauerstoff (auch mit O2 angereicherter Luft) wäre ohne Kühlung der Komplettverschleiß der Düse innerhalb von Minuten gegeben. Es ist daher für den Prozess ein zweites Rohr für das Kühlmedium erforderlich, also ein Rohr im Rohr – ein Ringspalt entsteht für das Kühlmedium – im Zentralrohr wird O2 injiziert. Als Kühlmedium dient CxHy oder Öle und auch H2O Dampf, wobei x und y die atomare Anzahl der Elemente für verschiedene Kohlenwasserstoffe kennzeichnet. Einige Verfahren dazu sind im Stand der Technik bekannt, wie beispielsweise das Klöckner-Stahl-Verfahren oder das Tulachermet-Verfahren, das ähnlich wie das Klöckner-Stahlverfahren arbeitet, wobei bis zu 100% Schrott verwendet wird und das Gas durch den Boden in die Schmelze eingeleitet wird. Ähnlich ist auch das oder sogenannten Korf-Verfahren, das hauptsächlich bei Siemens-Martin-Öfen angewendet wird, bei dem anstatt Kohlenwasserstoffe (CxHy) Wasserdampf zum Einsatz kommt. Neben der Gefahr eines Flüssigstahldurchbruches (wird durch das Grundpatent eliminiert) sind diese Anlagen von der Regelungstechnik aufwendig.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche die Nachteile im Stand der Technik zumindest teilweise überwindet, einfach und kostengünstig in der Herstellung ist und eine verbesserte Standzeit gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Weitere wesentliche Merkmale sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung zu entnehmen.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Einleitung von Gas in ein Behältnis mit einem flüssigen heißen Medium, z. B. flüssigem Stahl und mindestens einem temperaturfesten einheitlichen rohrförmigen Gaseinleitungselement, das in einem Strangpressverfahren hergestellt und gesintert ist und im Wesentlichen Molybdändisilizid(MoSi2)-Material enthält, weist einen Innendurchmesser (d) des röhrenförmigen Gaseinleitungselements auf, der sehr viel kleiner ist als die Länge (L) des gesinterten und verpressten Gaseinleitungselements, wobei der Innendurchmesser (d) zwischen 2 mm und 7 mm liegt und die Öffnung des gesinterten und verpressten Endes des Gaseinleitungselements im Boden nur im Öffnungsbereich der Öffnung an der Stirnseite mit dem flüssigen Medium in Berührung kommt.
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Vorteilhaft ist es dabei, dass das Gaseinleitungselement aus einem keramischen gesinterten Material besteht, das wenigstens Molybdändisilizid (MoSi2) enthält und dadurch gekennzeichnet ist, dass der Werkstoff mindestens eine röhrenförmige Durchführung aufweist, wobei die Querschnittsform des Gaseinleitungselements beliebig ausgeformt ist, zum Beispiel rund, oval oder mehreckig.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass der Werkstoff, aus dem das Gaseinleitungselement gefertigt ist, keramische Eigenschaften aufweist.
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Dabei ist es auch vorteilhaft, dass der Werkstoff, aus dem das Gaseinleitungselement gefertigt ist, gesintert ist.
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Vorteilhaft ist es auch, dass das Gaseinleitungselement bei Temperaturen > 550°C an der Oberfläche eine Quarzglasschicht bildet, die eine schützende Wirkung entfaltet.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Gaseinleitungselement an mindestens einem Ende in ein Zwischenstück eingesetzt ist, das an der Oberfläche ein Gewinde aufweist, das mit einem unteren Teil der Spüllanze im Eingriff steht.
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Vorteilhaft ist es auch, dass die geometrischen Abmessungen und Formen des Übergangsteils sowohl an das Gaseinleitungselement als auch an den unteren Teil der Spüllanze angepasst ist.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass der Außendurchmesser des Gaseinleitungselements zwischen 2 mm und 50 mm liegt.
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Ferner ist es vorteilhaft, dass das Material des Gaseinleitungselements eine endogene und/oder exogene Resistenz aufweist (wie z. B. SiSiC).
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Erfindungsgemäß und vorteilhaft ist es ferner, dass das Gaseinleitungselement aus einem keramischen gesinterten Werkstoff besteht, der wenigstens Molybdändisilizid (MoSi2) enthält und sich dadurch auszeichnet, dass das zusammengepresste und gesinterte Material eine rohrförmige Durchführung aufweist, die in einem speziellen Strangpressverfahren mit einem Dorn hergestellt wird.
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Ein vorteilhaftes Verfahren zur Einleitung von Gasen in ein heißes Medium mit einem erfindungsgemäßen Gaseinleitungselement, ist dadurch gekennzeichnet, dass das Spülgas mit Sauerstoff angereicherter Luft in die flüssige Schmelze des Metalls eingeleitet wird, wobei der Sauerstoffgehalt des Gasgemischs > 40% beträgt.
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Ein derartiges Verfahren weist verschiedene Vorteile auf. Infolge des Einsatzes von mit O2 angereicherter Luft auf > 40% O2 entfällt die aufwendige Installation von Ringspaltkühlung, sodass die im Prinzip erforderliche Kühlgasmenge im Verhältnis von 1:5 (CxHy zu O2) ebenfalls überflüssig wird. entfällt. Da das neue verwendete Material (MoSi2) nicht oxidiert.
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Durch den Einsatz von Argon und Stickstoff, mit O2 angereicherter Luft, CO2, sowie endogener und exogener Medien wird die DVS(Direct Vertical Steering)-Lanze quasi nicht mehr angegriffen. Dadurch ist es erstmalig möglich, dass das die Lanze umgebende feuerfeste Material für die Gesamthaltbarkeit einer Injektionsmetallurgie verantwortlich ist.
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Der wohl wirtschaftlichste Vorteil besteht einerseits darin, dass ausreichend Sauerstoff für den metallurgischen Oxidationsprozess zur Verfügung gestellt wird und andererseits kann der Stickstoff seine Rührwirkung in der flüssigen Schmelze entfalten. Die Herstellungskosten von Pressluft sind im Vergleich zu Argon oder Stickstoff vergleichsweise sehr gering. Hierzu reicht der Einsatz einer DVS-Lanze, die keine CxHy Kühlung erforderlich macht.
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Die Zugabe von CO2 entfaltet ebenfalls eine vorteilhafte Wirkung in vollem Umfang dann, wenn die Verweilzeit des CO2 im Stahlbad groß genug ist. Da CO2 im Hochtemperaturbereich nicht stabil ist, wandelt sich das CO2 unter im Stahl vorhandenen C zu CO um. Die Energiebilanz wird positiv beeinflusst. Das neue Rohrmaterial reagiert nicht mit CO2.
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Im nun Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
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1: einen Querschnitt eines Teils des Bodens eines Elektroschmelzofens (2), in dem die erfindungsgemäße Vorrichtung (1) mit dem Gaseinleitungselement (4) eingesetzt ist;
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2: einen Querschnitt durch Teile der Vorrichtung (1), an denen das Gaseinleitungselement (4) mit dem unteren Teil der Vorrichtung (1) zusammengeführt wird;
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3: eine schematische Darstellung des Endbereichs des unteren Teils der Vorrichtung (1) zusammen mit der gesamten Länge des Gaseinleitungselements (4).
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Die 1 zeigt einen Querschnitt durch einen Teil des Bodens eines Elektroschmelztiegels 2, in dem die Vorrichtung 1 mit dem erfindungsgemäßen Gaseinleitungselement 4 eingesetzt ist. Die Öffnung 11 des Gaseinleitungselements 4 weist direkt in die Schmelze 3 des flüssigen heißen Mediums, zum Beispiel Eisen bzw. Stahl und gerät somit unmittelbar in Berührung mit dem heißen flüssigen Medium. Infolge dieser unmittelbaren Berührung zwischen dem Gaseinleitungselement 4 und dem flüssigen Medium 3 im Zusammenwirken mit dem einzuleitenden Gas entstehen chemische und mechanische Reaktionen zwischen dem Gas und dem Boden 12 im Bereich der Öffnung 11 des Gaseinleitungselements, was im Gesamtprozess schließlich zum trichterförmigen Abbau des Materials in diesem Reaktionsbereich führt. Diese Materialabtragung wird durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Gaseinleitungselements 4 um etwa 30% gemindert, was darauf zurückzuführen ist, dass das Molybdändisilizid (MoSi2) eine verminderte chemische Reaktion mit dem einzuleitenden Gasgemisch zeigt, sodass die Geschwindigkeit des Materialabbauprozesses stark gemindert ist und somit die Standzeit des Gaseinleitungselements erheblich verlängert wird.
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Die 2 zeigt eine schematische Explosionsdarstellung des Bereichs zur Zusammenführung zwischen dem unteren Abschnitt der Vorrichtung 1 und dem Gaseinleitungselement 4. Das Gaseinleitungselement 4 weist am Ende eine stufenförmige zylindrische Verjüngung 13 auf, über die ein Zwischenstück 7 gesetzt wird. Das Zwischenstück 7 weist an der Oberfläche ein Gewinde 8 auf, das sich über die gesamte Länge des Zwischenstücks 7 erstreckt. Die stufenförmige Verjüngung 13, die in die Bohrung des Zwischenstücks 7 hineinragt, werden miteinander verklebt oder verschweißt oder auf andere Art miteinander verbunden. Das Gewinde 8 des Zwischenstücks 7 steht mit dem Gewinde 8 am Ende des unteren Teils 9 der Vorrichtung 1 im Eingriff. Das Zwischenstück dient der besseren Haltbarkeit der Verbindung zwischen dem Gaseinleitungselement 4 und dem Ende des unteren Teils der Vorrichtung 1, da das Material des Gaseinleitungselements 4 nicht geeignet ist, an der stufenförmigen Verjüngung ein Gewinde aufzunehmen, das die Festigkeit der Verbindung schwächen würde und den auftretenden Drucken nicht standhalten würde.
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Die 3 zeigt eine schematische Darstellung des Endes des unteren Teils 9 der Vorrichtung 1 zusammen mit der Gesamtlänge des Gaseinleitungselements 4, das rohrförmig ausgebildet ist. Das Gaseinleitungselement 4 besteht aus einem gesinterten und verpressten Material, das im Wesentlichen Molybdändisilizid (MoSi2) beinhaltet. Das Besondere an diesem Gaseinleitungselement 4 ist die röhrenförmige Ausführung, wobei der Innendurchmesser der Röhre sehr viel kleiner ist als die Länge (L) des Gaseinleitungselements 4. Der störungsanfällige, empfindliche Teil der Vorrichtung 1 ist der Bereich 10 des Schmelztiegels 2, in dem das Gaseinleitungselement 4 mit dem flüssigen Medium 3 in Berührung kommt. Daher ist zumindest der Endbereich des Gaseinleitungselements 4 aus dem genannten oder einem ähnlichen Material wie Molybdändisilizid (MoSi2) gefertigt. Die Querschnittsform der Gaseinleitungselemente ist prinzipiell wahlfrei und reicht von rund über oval bis hin zu mehreckig. Denkbar sind auch Ausführungsformen des Gaseinleitungselementes 4, bei denen in einem Block nicht nur eine Durchführung angeordnet ist, sondern mehr als eine, was die Gasdurchflussmenge erhöht, bei gleich bleibendem Innendurchmesser der Durchführung. Selbstverständlich kommen auch andere Materialien, die ähnliche chemische Reaktionen in Abhängigkeit von der Temperatur aufweisen, infrage wie beispielsweise SiSiC, das sowohl exogene als auch endogene chemische Eigenschaften aufweist.
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Die in der Praxis eingesetzten Rohrdurchmesser richten sich grundsätzlich danach, ob das benötigte Spülmedium für den metallurgischen Prozess eingesetzt wird oder ein Rührmedium für die bessere Durchmischung und Gleichgewichtsangleichung eingebracht wird. Ein Richtwert für O2 für metallurgische Zwecke ist bis zu ca. 50 m3/Tonne Stahl und Ar, N2 bis ca. 0,1 m3/Tonne und Minute. Daraus ergeben sich die unterschiedlichsten Durchmesser, welche natürlich auch von der Aggregatsgröße abhängen.
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1. Beispiel: O2 Einsatz im OBM Prozess – 150 t Konverter. Düsendurchmesser 26 mm mit Ringspaltkühlung. O2 über FeO ist der metallurgische Oxidator und wird mittels Ringspaltdüsenkühlung durch den Boden eingebracht.
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2. Beispiel: Klassischer 150 t LD Konverter (O2 Zufuhr von oben über eine wassergekühlte O2 Lanze) mit O2 angereicherter Luft durch den Boden (an Stelle von Ar oder N2) benötigt 2–8 mm Düsendurchmesser und 6 bis 10 DVS Lanzen. Durch des Angebot von metallurgisch benötigten O2 durch den Boden und Rührwirkung lassen sich die Vorteile beider Verfahren vereinen! Es sind weltweit wesentlich mehr LD als OBM Konverter im Einsatz.
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Der in der Metallurgie eingesetzte Rohrdurchmesser variiert somit zwischen 2 mm und 50 mm.
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Der Einsatz des keramischen Materiales im Spüler gepaart mit einer durchbruchsicheren Spüllanze, wie beispielsweise aus der
WO 2008/153440 A2 bekannt, bewirkt die Einsatzmöglichkeit von exogenen oder endogenen Gasen oder Medien im Hochtemperaturbereich von 1400°C bis 1800°C.
