DE102011006876A1

DE102011006876A1 - Verfahren zum Betrieb mindestens einer Überschalldüse in einem metallurgischen Gefäß, Verfahren zur Ermittlung eines Druckverlusts, sowie System zum Ermitteln von Betriebsparametern mindestens einer Überschalldüse

Info

Publication number: DE102011006876A1
Application number: DE201110006876
Authority: DE
Inventors: Pavlo Grygorov; Hans-Jürgen Odenthal; Jochen Schlüter
Original assignee: SMS Siemag AG
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2011-04-06
Filing date: 2011-04-06
Publication date: 2012-10-11
Also published as: WO2012136698A1; EP2694691A1; EP2694691B1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb mindestens einer Überschalldüse (40) in einem metallurgischen Gefäß (3), umfassend die Schritte: Messen des Eintrittsdruckes (p0(t)) eines Gases in eine Überschalldüse (40); gleichzeitiges Messen des Zuführdruckes (pVS(t)) des Gases an einer beabstandet von der Überschalldüse (40) angeordneten Gaszuführstation (1); Ermitteln einer Kalibrierkurve (p0(t) = f(pVS(t))) aus dem gemessenen Eintrittsdruck (p0(t)) und dem gemessenen Zuführdruck (pVS(t)); und Betreiben der Überschalldüse (40) in dem metallurgischen Gefäß bei einem vorgegebenen Eintrittsdruck (p0) durch Regeln des Zuführdruckes (pVS) auf Grundlage der ermittelten Kalibrierkurve.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb mindestens einer Überschalldüse in einem metallurgischen Gefäß, ein Verfahren zur Ermittlung eines Druckverlustes zwischen einer Gaszuführstation und mindestens einer in einem metallurgischen Gefäß angeordneten Überschalldüse, sowie ein System zum Ermitteln von Betriebsparametern mindestens einer in einem metallurgischen Gefäß angeordneten Überschalldüse.
Technischer Hintergrund
Bei der Stahlerzeugung ist es in bestimmten Verfahren, beispielsweise beim Basic Oxygen Furnace-Verfahren (BOF) oder beim Argon Oxygen Decarburization-Verfahren (AOD) üblich, eine sich in einem metallurgischen Gefäß befindliche Metallschmelze mit einem Gas, insbesondere mit Sauerstoff (O₂) oder Stickstoff (N₂), zu beströmen. Hierzu wird typischerweise eine Blaslanze von oben in das metallurgische Gefäß eingefahren, aus welcher das Gas auf die Metallschmelze aufgebracht wird.
Auch im Bereich des Aufschmelzens von Schrott in einem Lichtbogenofen, also einem Electric Arc Furnace (EAF), kann Gas auf die Schmelze aufgeblasen werden. Ein Aufblasen von Gas wird üblicherweise zumindest in den folgenden metallurgischen Aggregaten verwendet: BOF-Konverter, AOD-Konverter, Brenner und Injektordüsen, für einen Elektrolichtbogenofen (EAF), Brenner und Injektordüsen für einen Reduktionsofen (SAF) sowie Düsen für Vakuumbehandlungsanlagen wie beispielsweise VOD- oder RH-Anlagen.
Bei der Stahlerzeugung im BOF-Konverter wird der Sauerstoff mit Hilfe der Blaslanze auf das Metallbad aufgeblasen. Der Blaslanzenkopf ist dabei typischer Weise 1,4 bis 3 m von der Schmelzenoberfläche entfernt.
In einem solchen Blaslanzenkopf befinden sich üblicher Weise mehrere unter vorbestimmten Winkeln angeordnete konvergent-divergente Düsen welche das Gas auf Überschallgeschwindigkeit beschleunigen. Die konvergent-divergenten Düsen werden auch als Überschalldüsen oder Laval-Düsen bezeichnet. Aus diesen Überschalldüsen tritt das Gas typischerweise mit etwa zweifacher Schallgeschwindigkeit und mit einem hohen Impuls aus und trifft dann auf die Metallschmelze. In der Metallschmelze wird eine oszillierende Blasmulde erzeugt und das aufgeblasene Gas sorgt für eine intensive Entkohlungsreaktion. Dabei entsteht durch die aufsteigenden gasförmigen Reaktionsprodukte eine Schaumschlacke auf der Metallschmelze.
Um den hohen Temperaturen zu widerstehen, wird der Blaslanzenkopf aus Kupfer gegossen oder geschmiedet und dann im Betrieb intensiv durch Wasser gekühlt.
Weiterhin kühlt sich das Gas im divergenten Düsenteil der Überschalldüse durch die Expansion des Gases bis auf ca. –100°C ab, so dass die Düse bzw. der Blaslanzenkopf auch gasseitig durch das expandierte Gas gekühlt wird. Entsprechend werden auch auf diese Weise sowohl der Blaslanzenkopf, als auch die einzelnen Düsen gut gekühlt, solange der expandierte Gasstrahl fest an der entsprechenden Düsenwand anliegt und die Kühlwasserzuführung aufrecht erhalten wird. Der Verschleiß der Düsen ist dann gering, wobei typische Standzeiten von Blaslanzenköpfen bei ca. 150 bis 400 Konverterschmelzen liegen.
Die Geometrie einer Laval-Düse bzw. einer Überschalldüse kann gemäß der isentropen Stromfadentheorie nur für jeweils einen einzigen Wert – nämlich ihrem idealen Betriebspunkt bzw. ihrem Auslegungspunkt (design-point) – hinsichtlich des Eintrittsdruckes p₀ und der Eintrittstemperatur T₀ innerhalb der Laval-Düse, sowie des statischen Gegendruckes p_E im metallurgischen Aggregat ausgelegt werden. Der Eintrittsdruck p₀ wird auch als Auslegungsdruck, die Eintrittstemperatur T₀ wird auch als Auslegungstemperatur bezeichnet. Nur wenn die Überschalldüse in ihrem idealen Betriebspunkt betrieben wird, liegt die expandierte Gasströmung fest an der Düsenwand bis zum Verlassen der Düse an und eine Beschleunigung des Gases auf Überschallgeschwindigkeit wird erreicht. Sobald die reale Düsenströmung jedoch vom idealen Auslegungszustand bzw. vom idealen Betriebspunkt abweicht, ergeben sich innerhalb und außerhalb der Düse komplexe Störungsmuster (diamond pattern) in Form von Expansionswellen oder Verdichtungsstößen, welche zum Verschleiß der Düsenkante führen und welche zu einer frühzeitigen Ablösung des Strahls von der Düsenwand führen. Bei einer Ablösung des kalten Gasstrahles von der Düsenwand entsteht ein Rezirkulationsgebiet an dem Düsenaustritt, über welches heißes Konvertergas an die Düsenwand gelangt, wodurch dann der Düsenverschleiß einsetzt.
Um diesen Düsenverschleiß zu verringern oder zu vermeiden, muss die Überschalldüse entsprechend in ihrem Betriebspunkt betrieben werden.
Da eine Blaslanze typischerweise eine Länge von ca. 20 m aufweist, handelt es sich bei dem Eintrittsdruck p₀ und der Eintrittstemperatur T₀ um a priori unbekannte Prozessgrößen direkt am Eintritt in die Überschalldüse im Inneren des Blaslanzenkopfes. Andererseits arbeitet die Laval-Düse nur dann im idealen Betriebspunkt und damit optimal und verschleißoptimiert, wenn diese beiden Prozessgrößen im Konverterbetrieb auch eingehalten werden.
Im herkömmlichen Betrieb wird der Vordruck p_VS sowie der Volumenstrom des Gases V . an einer der Blaslanze vorgelagerten Ventilstation gemessen. Diese Größen dienen in der Regel zum Betrieb der Blaslanze bzw. der Überschalldüse nahe ihrem Auslegungspunkt. Zusätzlich wird der Druckverlust Δp_Verl von der Ventilstation über die Rohrleitungen und Druckschläuche sowie über die gesamte Blaslanze abgeschätzt, um den unbekannten, am Ende der Blaslanze befindlichen Eintrittsdruck p₀ anhand der Gleichung p₀ = p_VS – Δp_Verl abzuschätzen. Der genaue Druckverlust Δp_Verl ist jedoch theoretisch schwierig zu ermitteln, so dass die für die Düsenauslegung notwendigen Prozessgrößen p₀, T₀ und p_E in der Praxis bislang tatsächlich nur als Näherungswerte anzusehen sind. Entsprechend wird die Überschalldüse häufig nur nahe ihrem Betriebspunkt betrieben, nicht aber zwangsläufig genau in ihrem Betriebspunkt.
Beschreibung
Hieraus ergibt sich die Aufgabe, ein Verfahren und ein System zum Betrieb einer Überschalldüse anzugeben, mittels welchem die Einhaltung der Betriebsparameter für die Überschalldüse verbessert wird.
Entsprechend umfasst das Verfahren zum Betrieb mindestens einer Überschalldüse in einem metallurgischen Gefäß die Schritte: Messen des Eintrittsdruckes eines Gases in die mindestens eine Überschalldüse, gleichzeitiges Messen des Zuführdruckes des Gases an einer beabstandet von der mindestens einen Überschalldüse angeordneten Gaszuführstation, Ermitteln einer Kalibrierkurve für den Eintrittsdruck aus dem gemessenen Eintrittsdruck und dem gemessenen Zuführdruck, und Betreiben der mindestens einen Überschalldüse in dem metallurgischen Gefäß bei einem vorgegebenen Eintrittsdruck durch Regeln des Zuführdruckes auf Grundlage der ermittelten Kalibrierkurve.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Ermittlung eines Druckverlustes zwischen einer Gaszuführstation und mindestens einer in einem metallurgischen Gefäß betriebenen Überschalldüse vorgeschlagen, umfassend die Schritte: Messen des Eintrittsdruckes eines Gases in die mindestens eine Überschalldüse, gleichzeitiges Messen des Zuführdruckes des Gases an einer von der mindestens einen Überschalldüse beabstandeten Gaszuführstation, und Ermitteln des Druckverlustes zwischen der Gaszuführstation und der mindestens einen Überschalldüse aus den gemessenen Drücken.
Die erfindungsgemäßen Verfahren ermöglichen auf diese Weise, über das Bestimmen der Kalibrierkurve bzw. über das Bestimmen des Druckverlustes den Eintrittsdruck p₀ an der Überschalldüse durch die Regelung des Druckes p_VS an der Ventilstation zuverlässig zu regeln.
Da die Betriebsbedingungen im Blaslanzenkopf einer Blaslanze bei der Stahlerzeugung sehr extrem sind, kann durch einfache Regelung des Druckes p_VS des zugeführten Gases an der Ventilstation bzw. an der Gaszuführstation auf diese Weise erreicht werden, dass die Überschalldüse in ihrem Betriebspunkt betrieben werden kann. Diese Gaszuführstation ist typischerweise deutlich von dem Blaslanzenkopf beabstandet, nämlich über diverse Leitungen, Schläuche, sowie die Blaslanze selbst. Weiterhin muss eine Messung des jeweiligen Eintrittsdruckes am Blaslanzenkopf während des regulären Betriebs nicht durchgeführt werden, was auch aufgrund der genannten extremen Bedingungen im regulären Betrieb nur schwer möglich wäre.
Bevorzugt wird eine autarke Messvorrichtung in einen mindestens eine Überschalldüse tragenden Blaslanzenkopf eingesetzt, dann wird der Eintrittsdruck im Blaslanzenkopf mittels der autarken Messvorrichtung gemessen, darauf hin die autarke Messvorrichtung aus dem Blaslanzenkopf entfernt, und dann der Blaslanzenkopf ohne die autarke Messvorrichtung betrieben.
Um eine möglichst aussagekräftige Messung zu erhalten, wird bevorzugt die Messung des Eintrittsdruckes und die Messung des Zuführdruckes über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg durchgeführt, bevorzugt über die Lebensdauer einer autarken Messvorrichtung zur Messung des Eintrittsdruckes hinweg, und die Messungen werden nach Ablauf des Zeitraumes ausgewertet.
Bevorzugt wird neben dem Eintrittsdruck auch die Eintrittstemperatur T₀ des Gases in die Überschalldüse gemessen, um sämtliche Parameter, die wesentlich für die Auslegung der mindestens einen Überschalldüse sind, sicher bestimmen zu können. Gleiches gilt für die Messung der Zuführtemperatur T_VS des in der Gaszuführstation zugeführten Gases und/oder des Volumenstroms V . des an der Gaszuführstation zugeführten Gases. Die zusätzlich gemessenen Größen werden bei der Ermittlung der Kalibrierkurve, oder einer separaten Kalibrierkurve bevorzugt herangezogen.
Um eine gute Zeitauflösung zu erhalten, werden die Messungen des Eintrittsdruckes und/oder der Eintrittstemperatur bevorzugt mit einer Frequenz von 0.1 Hz bis 10 Hz durchgeführt.
Unter einer autarken Messvorrichtung wird hier eine Messvorrichtung verstanden, welche ohne äußere Zuführungen oder Zuleitungen eine Messung, insbesondere eine Druckmessung und/oder eine Temperaturmessung, über die Zeit aufgelöst vornimmt, sowie die entsprechenden Messwerte speichert. Eine solche autarke Messvorrichtung wird beispielsweise auch als „Datenlogger” bezeichnet. Die autarke Messvorrichtung wird an einer geeigneten Stelle in den Blaslanzenkopf oder in der Blaslanze unmittelbar vor dem Blaslanzenkopf eingesetzt, misst dann über ihre (Batterie)-Lebensdauer hinweg den Druck (und/oder die Temperatur) über die Zeit hinweg und speichert diese Daten derart, dass sie nach Entnahme der autarken Messvorrichtung aus dem Blaslanzenkopf ausgelesen werden können.
Anschließend wird die autarke Messvorrichtung aus dem Blaslanzenkopf entfernt und die Daten ausgelesen und mit den ebenfalls über die Zeit hinweg aufgenommenen Messdaten an der Gaszuführstation des Gases, also insbesondere einer Ventilstation des Gases, in Beziehung gesetzt. Die Kalibrierkurve und/oder der Druckverlust wird dann aus den aus der autarken Messvorrichtung ausgelesenen Messdaten, sowie den an der Gaszuführstation des Gases aufgenommenen Messdaten ermittelt.
Anschließend wird nach Entfernen der autarken Messvorrichtung die Überschalldüsen bzw. die Blaslanzen mit der Überschalldüsen anhand der ermittelten Kalibrierkurve und/oder des ermittelten Druckverlustes betrieben. Insbesondere wird der Druck an der Gaszuführstation des Gases so eingestellt, dass der gewünschte Eintrittsdruck in die Überschalldüse unter den jeweiligen Bedingungen, insbesondere dem jeweiligen statischen Gegendruckes sowie der Gastemperatur, erreicht wird.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein System zum Ermitteln von Betriebsparametern mindestens einer in einem metallurgischen Gefäß angeordneten Überschalldüse, umfassend einen mindestens eine Überschalldüse tragenden Blaslanzenkopf, eine autarke Messvorrichtung zum Messen des Eintrittsdruckes im Blaslanzenkopf, eine Messvorrichtung zum Messen des Druckes an einer von der Überschalldüse beabstandeten Gaszuführstation zum Zuführen eines Gases zum Blaslanzenkopf, eine Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer Kalibrierkurve für den Eintrittsdruck auf Grundlage der mittels der autarken Messvorrichtung und der Messvorrichtung an der Gaszuführstation durchgeführten Messungen, sowie eine Regelvorrichtung zum Regeln der Gaszufuhr an der Gaszuführstation.
Bevorzugt umfasst das System eine entfernbare Halterung zum Halten der autarken Messvorrichtung im Blaslanzenkopf. Weiterhin ist die autarke Messvorrichtung bevorzugt ein Datenlogger. Die autarke Messvorrichtung kann auch zur Messung der Eintrittstemperatur ausgebildet sein und/oder die Messvorrichtung kann zum Messen des Druckes an der Gaszuführstation auch zur Messung der Zuführtemperatur und/oder des Volumenstromes ausgebildet sein.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird weiterhin neben dem Druck im Blaslanzenkopf auch die Temperatur des Gases im Blaslanzenkopf gemessen, also die Temperatur T₀.
Kurze Beschreibung der Figuren
1 zeigt schematisch einen Konverter, in welchem ein Sauerstoffblasverfahren durchgeführt wird,
2 zeigt schematisch die Anordnung einer autarken Messvorrichtung in einem Blaslanzenkopf, und
3 zeigt schematisch eine Kalibrierkurve.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Im Folgenden wird die vorliegende Offenbarung auf Grundlage der Zeichnungen der Figuren noch ausführlicher beschrieben. Hierbei werden gleiche Elemente in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen und teilweise wird auf die wiederholte Beschreibung der jeweiligen Elemente verzichtet.
1 zeigt eine schematische Darstellung des Sauerstoffblasverfahrens in einem Konverter.
Entsprechend ist ein Konverter 3 vorgesehen, in welchem das aufgeschmolzene Metallbad 5 aufgenommen ist. Von oben in den Konverter eingeführt wird eine Blaslanze 2, welche an ihrem unteren Ende einen Blaslanzenkopf 4 umfasst, welcher Überschalldüsen trägt.
Das Gas, insbesondere der Sauerstoff oder der Stickstoff, welcher durch die Blaslanze 2 auf das Metallbad 5 aufgeblasen wird, wird der Blaslanze 2 von einer Gaszuführstation 1 aus, insbesondere in Form einer Ventilstation 1, über Rohrleitungen 10 und Schläuche 12 zugeführt.
Durch das Aufblasen des Gases mittels der Blaslanze 2 durch den Blaslanzenkopf 4 hindurch, entsteht in dem Metallbad 5 eine oszillierende Blasmulde 50, mittels welcher sichergestellt wird, dass ein großer Teil der Metalloberfläche in Kontakt mit dem Gas tritt. Auf diese Weise wird für eine intensive Entkohlungsreaktion der Metallschmelze gesorgt und es entsteht eine schaumförmige Schlacke auf dem Metallbad 5.
Im Blaslanzenkopf 4 sind mehrere Überschalldüsen 40 eingesetzt, wie sich beispielsweise aus der schematischen 2 erkennen lässt. In dem gezeigten Blaslanzenkopf 4 sind mehrere Überschalldüsen 40 unter einem bestimmten Winkel angeordnet, welche einen Austritt des Gases mit ungefähr doppelter Schallgeschwindigkeit ermöglichen.
In dem Blaslanzenkopf 4 ist vor dem Eintritt des Gases in die jeweiligen Überschalldüsen 40 ein Hohlraum 42 vorgesehen, über welchen das Gas zugeführt wird. In diesem Hohlraum 42 wird bevorzugt eine autarke Messvorrichtung 6 eingesetzt, welche dazu dient, den Druck p₀(t) des Gases vor dem Eintritt in die jeweiligen Überschalldüsen 40 zu messen und den Druckverlauf über die Zeit hinweg zu protokollieren. Die autarke Messvorrichtung 6 kann darüber hinaus auch die Temperatur T₀(t) des Gases über die Zeit hinweg protokollieren.
Die autarke Messvorrichtung 6 ist, wie in 2 gezeigt, bevorzugt strömungsgünstig derart geformt, dass eine Beeinträchtigung des durch die Blaslanze und den Blaslanzenkopf hindurch strömenden Gases so gut wie möglich reduziert wird.
Die autarke Messvorrichtung 6 ist dabei so ausgebildet, dass durch eine interne Energiequelle, beispielsweise eine Batterie, die Energie für die Messung sowie für die Aufzeichnung bereitgestellt wird. Die autarke Messvorrichtung 6 hat entsprechend keinerlei Verbindung nach außen, insbesondere werden keine Datenkabel oder Energiekabel nach außen gelegt.
Die autarke Messvorrichtung 6 ist über eine Klemmhalterung 60 in ihrer Position fixiert. Die Klemmhalterung 60 sowie die autarke Messvorrichtung 6 können in den Blaslanzenkopf 4 eingesetzt werden und aus diesem wieder rückstandsfrei entfernt werden.
Ein Auslesen der autarken Messvorrichtung 6, welche auch als „Datenlogger” bezeichnet werden kann, findet erst nach dem vollständigen Ausbau der autarken Messvorrichtung 6 aus dem Blaslanzenkopf 4 statt.
Es ist bekannt, dass die Überschalldüsen 40, die auch als Laval-Düsen bezeichnet werden, gemäß der isentropen Stromfadentheorie nur für einen einzigen Wert hinsichtlich des Eintrittsdruckes p₀ und der Eintrittstemperatur T₀, sowie des statischen Gegendruckes p_E ausgelegt werden können.
Der Eintrittsdruck p₀ sowie die Eintrittstemperatur T₀ des Gases sind also im Bereich des Hohlraums 42 direkt vor dem Eintritt des Gases in die jeweiligen Überschalldüsen 40 interessant und müssen hier so geregelt werden, dass die Überschalldüse 40 in ihrem optimalen Betriebspunkt arbeitet. Hier ist insbesondere auch zu beachten, dass ein Betrieb der Überschalldüse 40 außerhalb des optimalen Betriebspunkts dazu führen kann, dass die Kühlung des Blaskopfes 4 durch das in der Überschalldüse 40 expandierte und auf ungefähr –100°C abgekühlte Gas nicht mehr stattfindet, wenn die Strömung des Gases nicht mehr direkt an der Wand der jeweiligen Überschalldüse 40 anliegt. Sobald sich der Druck innerhalb des Hohlraumes 42 direkt vor dem Eintritt des Gases in die jeweiligen Überschalldüsen 40 aus dem vorgegebenen Betriebspunkt herausbewegt, kann es aber zu einem solchen Strömungsabriss an der Wand der Überschalldüse 40 kommen.
Bislang wurde, wie bereits erläutert, der Druck im Hohlraum 42, also direkt vor dem Eintritt des Gases in die Überschalldüsen 40, mittels einer Regelungsvorrichtung 8 an der Gaszuführstation 1 (siehe 1) geregelt, wobei der Druckverlust Δp_Verl auf dem Weg des Gases von der Gaszuführstation 1 bis hin zum Blaslanzenkopf 4 bzw. bis hin zur Überschalldüse 40 abgeschätzt wurde. Der Druckverlust findet hier in den Gasröhren 10, Gasschläuchen 12 sowie der Blaslanze 2 und den Anfangsbereichen des Blaskopfes 4 statt.
Der Druckverlust Δp_Verl wurde hier bislang theoretisch grob abgeschätzt, um dann den im Hohlraum 42 anliegenden Druck p₀ durch die Gleichung p₀ = p_VS – Δp_Verl abzuschätzen. Da jedoch der Druckverlust Δp_Verl theoretisch zu ermitteln ist, wurde bislang nur ein grober Anhaltswert für den Eintrittsdruck p₀ erreicht.
Mittels der autarken Messvorrichtung 6 wird es nun möglich, den exakten Druckverlust Δp_Verl experimentell zu ermitteln. Insbesondere wird mittels der autarken Messvorrichtung 6 in einem ersten Schritt der Druckverlauf p₀(t) über die Zeit hinweg gemessen. Gleichzeitig wird in diesem ersten Schritt der Druckverlauf an der Gaszuführstation 1, also insbesondere der Ventilstation 1, ebenfalls über die Zeit hinweg gemessen, so dass p_VS(t) bestimmt werden kann. Nach dieser experimentellen Phase im ersten Schritt wird dann die autarke Messvorrichtung 6 aus dem Blaslanzenkopf 4 wiederum entfernt und die Druckverlaufsdaten ausgelesen. Diese aus der autarken Messvorrichtung 6 ausgelesenen Daten des Druckverlaufs über die Zeit werden nun in Relation gesetzt zu dem Druckverlauf über die Zeit an der Gaszuführstation 1.
3 zeigt eine entsprechende Kalibrierkurve des Eintrittsdruckes p₀(t) = f(p_VS(t)), also den Eintrittsdruck p₀ am Blaslanzenkopf 4, bzw. im Hohlraum 42 des Blaskopfes 4 als Funktion des an der Ventilstation bzw. Gaszuführstation 1 anliegenden Druckes. Auf diese Weise kann der an den Überschalldüsen 40 anliegende Eintrittsdruck p₀ deutlich genauer durch die Regelung des an der Ventilstation bzw. Gaszuführstation 1 anliegenden Druckes p_VS geregelt werden, so dass die Überschalldüse 40 zuverlässig in ihrem Betriebspunkt betrieben werden kann. Dies hat den grundlegenden Vorteil, dass die Prozessbedingungen hinsichtlich der metallurgischen Abläufe reproduzierbar und stabil sind. Auf diese Weise kann weiterhin auf eine theoretische Abschätzung des Druckverlustes zwischen der Gaszuführstation 1 und dem Blaslanzenkopf 4 verzichtet werden.
Das gleiche Verfahren kann auch für die Eintrittstemperatur T₀ durchgeführt werden, also insbesondere mittels der autarken Messvorrichtung 6 der Temperaturverlauf über die Zeit gemessen werden, und dieser Temperaturverlauf über die Zeit mit einem Temperaturverlauf des an der Gaszuführstation 1 zugeführten Gases in Beziehung gesetzt werden und entsprechend eine Kalibrierkurve bereitgestellt werden. Insbesondere kann auf diese Weise eine Kalibrierkurve für die Eintrittstemperatur T₀ als Funktion der an der Gaszuführstation 1 anliegenden Gastemperatur, sowie bevorzugt ebenfalls weiterhin als Funktion des an der Gaszuführstation 1 anliegenden Gasdruckes angegeben werden.
Entsprechend sind die für die Auslegung der Überschalldüse 40 notwendigen Prozessgrößen p₀, T₀ über diese Kalibrierkurven zu erhalten.
Mit anderen Worten werden die von der autarken Messvorrichtung 6 gemessenen zeitabhängigen Daten p₀(t) in Verbindung mit den ebenfalls gemessenen zeitabhängigen Daten p_VS(t) an der Gaszuführstation bzw. Ventilstation 1 gebracht, so dass anhand einer in 3 gezeigten einfachen Kalibrierkurve eine Zuordnung in Form von p₀(t) = f(p_VS(t)) erfolgen kann.
Hierbei ist ebenfalls zu beachten, dass die Größe T₀ für den eigentlichen Betrieb nicht notwendig ist, sie jedoch als theoretische Auslegungsgröße bei der Düsenauslegung mittels der isentropen Stromfadentheorie benötigt wird.
Mittels des genannten Verfahrens kann der statische Druck p_E im metallurgischen Gefäß 3 nicht ermittelt werden. Für die eigentliche Düsenauslegung spielt aber auch der statische Druck p_E nur eine untergeordnete Rolle, da sich dieser Druck im Allgemeinen nur wenig vom Umgebungsdruck von 1,013 bar unterscheidet.
Ein System zur Bestimmung der Betriebsparameter einer Überschalldüse 40 in einem Konverter 3 umfasst neben der autarken Messvorrichtung 6 und der Messvorrichtung 7 an der Zuführvorrichtung 1 weiterhin noch eine Auswertungsvorrichtung, mittels welcher die Daten aus der autarken Messvorrichtung 6 ausgelesen und in Beziehung zu den an der Gaszuführstation 1 gemessenen Daten gesetzt werden können. Diese Auswertungsvorrichtung ist typischerweise in Form eines Computers vorgesehen.
Die autarke Messvorrichtung 6, welche im Kopf 4 der Blaslanze 2 eingesetzt werden kann, wird bevorzugt mittels einer rückstandslos entfernbaren Halterung 60 befestigt. Sie nimmt bevorzugt den Druck sowie die Temperatur über die Zeit hinweg auf. Ein solcher Datenlogger besitzt einen Druck- und einen Temperatursensor und wird mit einer internen Batterie mit Energie versorgt Die zeitabhängigen Prozessgrößen werden dabei mit einer Frequenz zwischen 0,1 Hz und 10 Hz erfasst und entsprechend aufgenommen.
Die Halterung 60 für die autarke Messvorrichtung 6 kann beispielsweise ringförmig gefertigt sein, damit sie in einen herkömmlichen Blaslanzenkopf 4 integrierbar ist Die autarke Messvorrichtung 6 in Form des Datenloggers wird bevorzugt strömungsgünstig gefertigt, so dass der Gasfluss in die Überschalldüsen 40 hinein so wenig wie möglich gestört wird. Der Datenlogger 6 wird entsprechend in einen Blaslanzenkopf 4 eingebaut und am Ende der Batterielebenszeit wieder ausgebaut. Die gemessenen Prozessgrößen werden dann in einer Auswertungsvorrichtung in Form eines PC übertragen.
Zeitgleich zur Messung der Prozessgrößen p₀(t) und T₀(t) werden der Druck p_VS(t) sowie der Volumenstrom V .(t) an der Gaszuführstation bzw. Ventilstation 1 gemessen. Die Kalibrierkurve wird dann aus den entsprechenden Daten ermittelt und dient im praktischen Betrieb zur Regelung des Gasvolumenstromes bzw. des Gasdruckes am Blaslanzenkopf 4 bzw. vor dem Eintritt des Gases in die jeweiligen Überschalldüsen 40. Mittels der Kalibrierkurve kann gewährleistet werden, dass die Überschalldüsen 40 der Blaslanze stets in ihrem Auslegungspunkt, also ihrem optimalen Betriebspunkt, betrieben werden.
Durch das angegebene Verfahren und das System zur Ermittlung der Betriebsparameter einer Überschalldüse 40 in einem metallurgischen Gefäß können entsprechend die Überschalldüsen bei ihren Auslegungsparametern betrieben werden. Der Eintrittsdruck p₀, die Eintrittstemperatur T₀ direkt an der Überschalldüse können auf diese Weise bestimmt werden. Der statische Gegendruck p_E im metallurgischen Gefäß spielt für die korrekte Auslegung nur eine untergeordnete Rolle, da er in der Regel nur mäßig um den Umgebungsdruck herum schwankt, ungefähr 1,01 bar ±0,2 bar.
Entsprechend kann auch der Druckverlust Δp_Verl zwischen der Gaszuführstation des Gases und dem Eintritt des Gases in den Blaslanzenkopf erstmals korrekt bestimmt werden.
Durch die zeitliche Zuordnung des Ventildruckes p_VS(t) zum Eintrittsdruck p₀(t) in der Überschalldüse lässt sich eine eindeutige Kalibrierkurve der Form p₀(t) = f(p_VS(t)) ermitteln. Wird diese Kalibrierkurve dann nach dem Ausbau des Datenloggers aus dem jeweiligen Blaslanzenkopf zur Regelung verwendet, dann arbeiten die Überschalldüsen stets im korrekten Prozesszustand, also im Auslegungszustand der jeweiligen Überschalldüsen. Damit ergeben sich stabile Prozessbedingungen für das Blasen des Gases und damit eine deutlich höhere Lebensdauer des Lanzenkopfes, da insbesondere auch die Kühlung der jeweiligen Überschalldüsen gewährleistet sein kann, da ein Strömungsabriss an den jeweiligen Wänden der Überschalldüse nicht stattfindet.
Weiterhin muss die Messung der Prozessgrößen p₀ und T₀ nur einmal erfolgen und der Datenlogger bzw. die autarke Messvorrichtung kann danach aus dem Blaslanzenkopf ausgebaut werden. Dabei ermöglicht die ringförmige Halterung des Datenloggers eine einfache Montage des Datenloggers in konventionelle Blaslanzenköpfe, ohne dass hierfür irgendeine Modifikation der Blaslanzenköpfe vorgenommen werden müsste. Entsprechend sind auch die Kosten für die Durchführung des Verfahrens gering, die praktische Handhabung im Stahlwerksbetrieb ist entsprechend denkbar einfach.
Das Verfahren kann auf alle Überschalldüsen für metallurgische Anlagen, beispielsweise BOF, AOD, EAF, SAF etc. übertragen und verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1: Ventilstation/Gaszuführstation
10: Rohrleitung
12: Schlauch
2: Blaslanze
3: metallurgisches Gefäß
4: Blaslanzenkopf
40: Überschalldüse
42: Hohlraum im Blaslanzenkopf
5: Metallschmelze
50: Oszillierende Blasmulde
6: autarke Messvorrichtung
60: Halterung für autarke Messvorrichtung
7: Messvorrichtung an Ventilstation
8: Regelvorrichtung

Claims

Verfahren zum Betrieb mindestens einer Überschalldüse (40) in einem metallurgischen Gefäß (3), umfassend die Schritte: – Messen des Eintrittsdruckes (p₀(t)) eines Gases in die mindestens eine Überschalldüse (40); – gleichzeitiges Messen des Zuführdruckes (p_VS(t)) des Gases an einer beabstandet von der mindestens einen Überschalldüse (40) angeordneten Gaszuführstation (1); – Ermitteln einer Kalibrierkurve (p₀(t) = f(p_VS(t))) für den Eintrittsdruck (p₀) aus dem gemessenen Eintrittsdruck (p₀(t)) und dem gemessenen Zuführdruck (p_VS(t)); und – Betreiben der mindestens einen Überschalldüse (40) in dem metallurgischen Gefäß bei einem vorgegebenen Eintrittsdruck (p₀) durch Regeln des Zuführdruckes (p_VS) auf Grundlage der ermittelten Kalibrierkurve.
Verfahren zur Ermittlung eines Druckverlustes (Δp_Verl) zwischen einer Gaszuführstation (1) und mindestens einer in einem metallurgischen Gefäß betriebenen Überschalldüse (40), umfassend die Schritte: – Messen des Eintrittsdruckes (p₀(t)) eines Gases in die mindestens eine Überschalldüse; – gleichzeitiges Messen des Zuführdruckes (p_VS(t)) des Gases an einer von der mindestens einen Überschalldüse (40) beabstandeten Gaszuführstation (1); und – Ermitteln des Druckverlustes (Δp_Verl) zwischen der Gaszuführstation (1) und der mindestens einen Überschalldüse (40) aus den gemessenen Drücken.
Verfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, weiterhin umfassend die Schritte: – Einsetzen einer autarken Messvorrichtung (6) in einen mindestens eine Überschalldüse (40) tragenden Blaslanzenkopf (4); – Messen des Eintrittsdruckes (p₀(t)) im Blaslanzenkopf (4) mittels der autarken Messvorrichtung (6); – Entfernen der autarken Messvorrichtung (6) aus dem Blaslanzenkopf (4); und – Betrieb des Blaslanzenkopfes (4) ohne die autarke Messvorrichtung.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messung des Eintrittsdruckes (p₀(t)) und die Messung des Zuführdruckes (p_VS(t)) über einen vorbestimmten Zeitraum hinweg, bevorzugt über die Lebensdauer einer autarken Messvorrichtung (6) zur Messung des Eintrittsdruckes (p₀(t)) hinweg, vorgenommen wird und die Messungen nach Ablauf des Zeitraumes ausgewertet werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei neben dem Eintrittsdruck (p₀(t)) auch die Eintrittstemperatur (T₀(t)) des Gases in die mindestens eine Überschalldüse (40) gemessen wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei neben dem Zuführdruck (p_VS(t)) auch die Zuführtemperatur (T_VS(t)) des an der Gaszuführstation (1) zugeführten Gases und/oder der Volumenstrom (V .(t)) des an der Gaszuführstation (1) zugeführten Gases gemessen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5 und/oder 6, wobei die zusätzlich gemessenen Größen (T₀(t), T_VS(t), V .(t)) bei der Ermittlung der Kalibrierkurve (p₀(t) = f(p_VS(t))) herangezogen werden.
Verfahren gemäß Anspruch 5 und/oder 6, wobei die zusätzlich gemessenen Größen (T₀(t), T_VS(t), V .(t)) bei der Ermittlung einer separaten Kalibrierkurve (T₀(t) = (T_VS(t), V .(t)) für die Eintrittstemperatur (T₀) herangezogen werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Messungen der Eintrittstemperatur und/oder des Eintrittsdruckes mit einer Frequenz von 0.1 Hz bis 10 Hz durchgeführt werden.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Überschalldüse (40) in ihrem Auslegungspunkt (p₀, T₀, P_E) betrieben wird durch Regeln des Zuführdruckes (p_VS), der Zuführtemperatur (T_VS) und/oder des Volumenstroms (V .) an der Gaszuführstation (1) auf Grundlage der ermittelten Kalibrierkurve.
System zum Ermitteln von Betriebsparametern mindestens einer in einem metallurgischen Gefäß (3) angeordneten Überschalldüse (40), umfassend – einen mindestens eine Überschalldüse (40) tragenden Blaslanzenkopf (4); – eine autarke Messvorrichtung (6) zum Messen des Eintrittsdruckes (p₀(t)) im Blaslanzenkopf (4); – eine Messvorrichtung (7) zum Messen des Druckes an einer von der Überschalldüse (40) beabstandeten Gaszuführstation (1) zum Zuführen eines Gases zu dem Blaslanzenkopf (4); – eine Ermittlungsvorrichtung zum Ermitteln einer Kalibrierkurve (p₀(t) = f(p_VS(t))) für den Eintrittsdruck auf Grundlage der mittels der autarken Messvorrichtung (6) und der Messvorrichtung (7) an der Gaszuführstation (1) durchgeführten Messungen; und – eine Regelvorrichtung (8) zum Regeln der Gaszufuhr an der Gaszuführstation (1).
System gemäß Anspruch 11, weiterhin umfassend eine entfernbare Halterung (60) zum Halten der autarken Messvorrichtung (6) im Blaslanzenkopf (4).
System gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei die autarke Messvorrichtung (6) ein Datenlogger ist.
System gemäß einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei die autarke Messvorrichtung (6) auch zur Messung der Eintrittstemperatur (T₀(t)) ausgebildet ist und/oder die Messvorrichtung (7) auch zur Messung der Zuführtemperatur (T_VS(t)) und/oder des Volumenstromes (V .(t)) an der Gaszuführstation (1) ausgebildet ist.