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Die Erfindung betrifft eine Heißwindlanze mit einem am Heißwindaustritt angeordneten Düsenstein für den Einsatz in metallurgischen Prozessen, wie bspw bei der Stahlherstellung in einem Konverter, mit mindestens einer Heißwindaustrittsdüse im Düsenstein, über welche Heißwind auf das Stahlbad eines Konverters aufgeblasen wird, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bei metallurgischen Prozessen ist die Einleitung von Reaktionsgasen wie bspw Sauerstoff Stand der Technik. So ist es auch bei der Stahlherstellung bekannt, der Schmelze Sauerstoff zuzuführen, mit dem Ziel, unerwünschte Bestandteile aus der Schmelze zu entfernen. Dieser Vorgang wird als „Frischen” bezeichnet. Die Zuführung des Sauerstoffs kann durch Bodenblasen erfolgen und/oder durch Aufblasen. Beim Bodenblasen weist der Konverter im Bodenbereich eine oder mehrer spezielle Bodendüsen auf, durch die der Sauerstoff zugeführt wird. Beim Aufblasverfahren wird der Sauerstoff mittels einer Lanze eingebracht.
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Aus metallurgischen Prozessen ist weiterhin bekannt, dass der mittels einer Sauerstofflanze eingebrachte Sauerstoff nicht vollständig in Frischreaktionen verbraucht wird.
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Vielmehr können von einem Teil des eingeblasenen Sauerstoffs, die beim Frischen enstehenden Reaktionsprodukte wie bspw CO oder H2 in der Gasatmosphäre oberhalb der Eisenschmelze zumindest teilweise zu CO2 und/oder H2O nachverbrannt werden. Durch diese Vorgehensweise lassen sich der CO-Anteil sowie auch der H
2-Anteil im Prozessgas verringern. Es ist auch bekannt, dass sich eine wie oben beschriebene Nachverbrennung besonders vorteilhaft betreiben lässt, wenn hierfür an Stelle von reinem Sauerstoff, Heißwind eingesetzt wird. Bei der Stahlherstellung in Reaktionsgefäßen, wie bspw in Konvertern wird sowohl Roheisen als auch Schrott als Einsatzmaterial verwendet. Zusätzlich kann aber auch im sogenannten Direktreduk-tionsverfahren hergestellter Eisenschwamm in Form von DRI (Direct Reduced Iron) oder HBI (Hot Briquetted Iron) eingesetzt werden. Ein Beispiel hierfür ist aus der
EP 1 920 075 B1 bekannt. Ein weiteres Verfahren ist aus der
DE 43 43 957 A1 bekannt, bei welchem in der Betriebsphase des Konverters Brennstoffe, Sauerstoff enthaltende Gase und Eisenrohstoffe, auch Schrott eingeführt werden, und die Reaktionsgase oberhalb der Schmelze im Gasraum des Konverters mit oxidierenden Gasen nachverbrannt werden. Die dabei entstehende Wärme wird auf die Schmelze übertragen. Zusätzlich wird über Bodendüsen Sauerstoff und/oder Brennstoffe zugeführt. Soweit ist die Kombination der bodenseitigen Einblasung mit Sauerstoff sowie die Aufblasung von Heißwind auf die Schmelze als solche bekannt. Aus der
DE 101 02 854 C2 ist ein Lanzenkopf für eine Sauerstofflanze mit sogenannten Mündungsringen. Aus der
JP H08-311524 A ist ein Lanze mit mehreren Düsenkanälen bekannt. Aus der
DE 33 22 556 A1 ist eine Blaslanze bekannt, bei welcher Mundstück am unteren Ende vorgesehen ist, welches über eine Art Bajonett-verschluss befestigt ist.
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Es ist ferner bekannt, dass sich Heißluft in einer Heißluftquelle effizient erzeugen lässt, wenn hier ein sogenannter Pebble-Heater eingesetzt wird. Der Pebble-Heater an sich, als eine Ausführungsform eines Regenerators ist aus dem Stand der Technik bekannt. In der Patentliteratur ist der Pebble-Heater beispielsweise beschrieben in der
DE 38 41 708 C1 oder in der
EP 908 692 A2 .
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Mittels eines solchen Pebble-Heaters lässt sich Heißluft mit Temperaturen von 1.200° Celsius und mehr erzeugen.
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Die Heißluft muss dann vom Heißluft-Auslass des Pebble-Heaters zur Spitze der Lanze gefördert werden, um von dort in ein metallurgisches Reaktionsgefäß eingeblasen zu werden.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Einbringung von Heißwind in ein metallurgisches Gefäß, wie bspwnden Konverter, auf effiziente Weise zu ermöglichen. Die gestellte Aufgabe wird bei einer Heißwindlanze der gattungsgemäßen Art mit einem am Heißwindaustritt angeordneten Düsenstein erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Eine erfindungsgemäße Verwendung ist in Anspruch 14 angegeben.
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Kern der Erfindung besteht darin, dass der Düsenstein mit mindestens einer Heißwindaustrittsdüse versehen ist, und auswechselbar ist, und am Heißwindaustritt an einem Auflagering aufliegt.
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Wesentlich ist, dass der für einen metallurgischen Prozess bereit gestellte Heißwind allein durch den Einsatz eines erfindungsgemäß ausgestalteten speziellen Düsensteins an der Spitze der zuführenden Heißwindlanze im Hinblick auf die für die Strahlausbreitung entscheidenden Parametern wie Strahlgeometrie und Strahlimpuls konditionieren lässt, ohne dass hierfür die Ausführung der Heißwindlanze im Übrigen verändert werden muss. Dies gestattet die oben genannte Erfindung nun in vorteilhaftem Maße.
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Der Heißwind weist eine Temperatur von 500°C bis 1.400°C, vorteilhafterweise 1.200°C auf. Zur Optimierung der Eigenschaften als Nachvebrennungsstrahl, hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Heißwindstrahl so auszuformen, dass Mündungsgeschwindidgkeiten (= Strahlgeschwindigkeit am Austritt des Strahls aus der Lanze) im Bereich von 250 m/s bis 600 m/s, vorteilhafterweise 350 m/s realisiert werden.
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Im Hinblick auf noch baulich handhabbare äußere Abmessungen einer Heißwindlanze muss diese so ausgelegt werden, dass der Heißwind vor Austritt aus der Lanzenmündung notgedrungen mit Geschwindigkeiten von 100 bis 300 m/s, vorzugsweise 150 m/s durch den Lanzenkörper strömt.
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Bei der Auslegung der Heißwindlanze für metallurgische Prozesse mit unterschiedlichen Abstich- und/oder Chargengewichten ist zu berücksichtigen, dass die äußeren Abmessungen des metallurgischen Reaktors und die der darauf angepassten Heißwindlanze unterschiedlich skalieren.
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Für die Lanze gilt, dass die Lauflänge (= die Wegstrecke, die der Heißwindstrahl zurücklegen muss, bis sich sein Impuls nicht mehr erheblich von dem der umgebenden Atmosphäre abweicht) ca. das 20-fache des Düsendurchmessers an der Lanzenspitze beträgt.
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Gleichzeitig wird das Volumen eines metallurgischen Reaktors üblicherweise an dem im Reaktor gehandhabten Chargen- bzw. Abstichgewicht bemessen. Entsprechend wachsen die geometrischen Abmessungen des Reaktorgefäßes deutlich langamer als das im Reaktor gehandhabte Chargen- oder Abstichgewicht.
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In der Konsequenz ergibt sich, dass für ein kleines Reaktionsgefäß mit einem Fassungsvermögen von etwa 10 Tonnen Flüssigmetall eine Lanzengeometrie mit nur einer Mündungsöffnung vorteilhaft ist. Ab einer bestimmten Größe und der damit skalierenden Heißwindrate kann es passieren, dass bei Ausformung mit nur einer Austrittsöffnung der Heißwindstrahl seinen Anfangsimpuls im Inneren des Reaktionsgefäßes bis zum Erreichen der Badoberfläch nicht mehr weit genug abbauen kann. Ab einer bestimmten Reaktorrgröße kann es daher erforderlich werden, den Heißwindstrahl in mehrere Strahlen aufzuteilen. Erfindungsgemäß wird dies erreicht, in dem ein anders ausgeformter Düsenstein mit nicht mehr nur einer sonderen mehrerer Austrittsöffnungen in die ansonsten vom Bauprinzip her gleiche Heißwindlanze eingesetzt wird.
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So kann erreicht werden, dass der Heißwind nicht in das Stahlbad eindringt, sondern im Wesentlichen in der Konverteratmosphäre die Nachverbrennung der Abgase bewirkt, so dass die frei werdende Energie dieser Nachverbrennung im Konverter genutzt werden kann.
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Im Fall einer Düse mit Einzelöffnung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass der in Richtung des einströmenden Heißwindes vor der Düsenspitze platzierte Düsenkanal im Wesentlichen parallel zur Lanzenachse verläuft.
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Bei einer Ausformung mit mehreren, bspw drei Düsenöffnungen sollten die Düsenkanäle der wengistens zwei Düsen schräg zur Längsachse der Heißwindlanze verlaufen.
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Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 oder 3 erweist es sich weiterhin als vorteilhaft, dass durch die Verlängerung des Weges des Heißwindes in der Konverteratmosphäre die Effizienz der Nachverbrennung und/oder der Wärmeübertragung in das Schmelzbad verbessert wird. Besonders vorteilhaft wird der Heißwind aus der Düse mit einem Drall ausgegeben und bewegt sich „schraubenlinienförmig” von oben auf das Stahlbad.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der Düsenstein mehr als eine, vorzugsweise drei Düsen enthält. Im Fall von nur einer Düse weist diese im Wesentlichen in Richtung zu der Längsachse der Heißwindlanze. Bei mehreren Düsen ist zu beachten, dass die Düsenkanäle einen Mindestwinkel von vorzugsweise 11° zueinander einhalten müssen.
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Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zu Grunde, dass die Lauflänge des Strahls mit dem Düsendurchmesser zusammenhängt. Indem die Heißluft durch mehrere Düsen austritt, die für sich jeweils im Durchmesser reduziert sind gegenüber einer größeren Düse, wird dadurch die Lauflänge der einzelnen Strahlen reduziert.
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In einer Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass der Düsenstein drei Düsen enthält, deren Düsenkanal-Längsachsen zur Längsachse der Heißwindlanze so geneigt sind, dass sie diese nicht schneiden.
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Das heisst, die Düsenkanal-Längsachsen weisen zwar in etwa in Richtung auf die Längsachse der Heißwindlanze zu, aber nur so, dass sie diese nicht schneiden, d. h. also vorbei verlaufen. Dies bewirkt eine zusätzlich Kippung der Düsenkanallängsachsen, so dass sie beim Austritt im Heißwind letztendlich einen Drall erzeugen.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist daher vorgesehen, dass die Düsen derart orientiert sind, dass die Längsachsen zweier Düsen einen Winkel größer als 20° bilden.
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Diese Ausgestaltung hängt mit der Erkenntnis zusammen, dass die aus den Düsen austretenden Strahlen einen bestimmten Öffnungswinkel haben. Weiterhin erzeugen die Strahlen auf Grund ihrer Strömung im Randbereich einen Unterdruck, durch den gasförmige Teilchen in die Strömung hineingezogen werden, die sich in diesem Randbereich befinden.
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Liegen zwei Heißluftströme zu dicht beieinander, ziehen sich die beiden Heißluftströme wegen des Unterdrucks an und vereinigen sich zu einem Strom.
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Die Vorgabe der Orientierung der Düsen nach der beschriebenen Ausgestaltung beruht auf der Erkenntnis, dass der sogenannte Freistrahlwinkel einer Strömung ca. 11° beträgt. Da sich die Freiwinkel der beiden nebeneinander liegenden Strömungen addieren, ergibt sich daraus der Mindestwinkel zwischen den Mittelachsen der Düsen und damit zwischen den Mittelachsen der beiden Strömungen.
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Es ist weiter ausgestaltet, dass der Düsenstein aus einem feuerfesten Material oder aber auch aus einem hochtemperaturbeständugen metallischen Werkstoff, wie bspw einer Superlegierung besteht.
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Dabei ist weiterhin vorteilhaft ausgestaltet, dass zumindest die Innenoberflächen der Düsen beschichtet und/oder geglättet sind.
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Dabei können weiterhin die Innenoberflächen der Düsen strömungswiderstandsreduziertstrukturiert sein Hierzu können Mikrostrukturen bspw in Form von Haifischhautstrukturen gewählt werden.
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Ebenso vorteilhaft ist, dass der Düsenstein an der Heißwindaustrittflache konvex ausgeformt ist.
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Weiterhin ist ausgestaltet, dass der Krümmungsradius der konvexen Heißwindaustrittsfläche so bemessen ist, dass die geneigte Längsachse des Düsenkanals bzw die geneigten Längsachsen der Düsenkanäle in etwa mit dem Radius der konvexen Heißwindaustrittsfläche des Düsensteins zusammenfallen. Dies gibt eine Krümmung vor, bei der die Flächennormalen der aüßeren Düsenöffnungen mit dem Radius konvexen Heißwindaustrittsfläche des Düsensteins zusammenfallen. Dies gibt eine Krümmung vor, bei der die Flächennormalen der aüßeren Düsenöffnungen mit dem Radius der Konvexität in etwa zusammen fallen.
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Zur Befestigung des Düsensteins bzw als Widerlager für denselben am offenen Ende der Heißwindlanze ist vorgesehen, dass die Heißwindlanze dort mit einem separaten oder an einem Innenrohr der Heißwindlanze integriert angeordneten Auflagering versehen ist, der den Düsenstein am offenen Ende der Heißwindlanze als Widerlager hält. Auf diese Weise ergibt sich, dass der Düsenstein nicht klemmend befestigt werden muss, was aufgrund unterschiedlicher Materialausdehnungskoeffinzienten zwischen Heißwindlanze und Düsenstein auch problematisch wäre.
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Weiterhin ist ausgeführt, dass der erfindungsgemäß auf dem Widerlager aufliegende Düsenstein durch Ausformung einer Nut daran gehindert wird, sich während der Betriebes der Heißwindlanze radial zur Lanzenachse zu verdrehen.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß ausgestaltet, dass die Düsenkanäle zumindest auf der Eintrittsseite des Heißwindes einen vom runden Querschnitt abweichende Kontur aufweisen. Beispiele hierfür sind weiter unten noch beschrieben und dargestellt.
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Somit erfindungsgemäß ist die Verwendung einer Heißwindlanze nach Anspruch 14 zum Einblasen von Heißwind oberhalb eines Stahlbades bzw. oberhalb eines Schrotthaufens/Haufwerkes in einem Stahlkonverter.
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In horizontaler Richtung aufgeprägt wird. Dadurch vergrößert sich vorteilhaft die Lauflänge des Heißwindstrahls in der Konverteratmosphäre. Bei einer entsprechenden Ausgestaltung der Geometrie kann dadurch erreicht werden, dass der Heißwindstrahl in der Konverteratmosphäre verbleibt und nicht in das Stahlbad eindringt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben.
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Es zeigt:
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1 Perspektivische Schnitt-Darstellung auf den unteren Teil einer Heißwindlanze
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2 Detailschnitt-Darstellung der Heißwindlanze
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3 Perspektivische Ansicht des Düsensteins in transparenter Darstellung
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1 zeigt eine perspektivische Schnittdarstellung auf das untere Ende der Heißwindlanze. Ferner ist zu erkennen, dass der Düsenstein auf einem am unteren Rohrende der Heißwindlanze angeordneten Auflagering aufliegt. Dieser Auflagering kann auch integraler Bestandteil des Heißwindrohres, oder des inneren Rohres der Heißwindlanze sein.
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Ferner ist zu erkennen, dass der Düsenstein, in dem die Düsen angeordnet sind, am Außenumfang eine Stufe aufweist, in der Art, dass der oberhalb der Stufe angeordnete Durchmesser des Düsensteins kleiner ist, als der untere auf dem Auflagering aufliegende Abschnitt des Düsensteins.
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Damit wird im Heißwindbetrieb bei den hohen gasdynamischen Geschwindigkeiten eine gleichförmige dichte Anpressung nach unten auf den Auflagering erzeugt.
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2 zeigt diese Details nochmals deutlich. Die gleichförmige Anpressung auf den Auflagering wird durch die Außenkontur des Düsensteins erzeugt.
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3 zeigt verschiedene Ausführungen des Düsensteins. Der obere Bildteil zeigt eine Ausführung mit nur einem hierbei zentrisch angeordneten Düsenkanal. Darunter ist eine perspektivische Ansicht eines Düsensteins mit 3 Düsenkanälen, die in der oben beschriebenen Weise verlaufen.
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Es ist zu erkennen, dass die gedachten Achsen der Düsenkanäle zwar zur mittigen Längsachse, die auch die Längsachse der Heißwindlanze ist hin weisen, aber diese nicht schneiden. So dass sich eine weitere Neigungskomponente der Längsachsen der Düsenkanäle ergibt, die zusätzlich einen Drall ergibt.
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Ebenso ist zu erkennen, dass die nach unten weisende Außenfläche des Düsensteins, in die die Düsenkanäle austreten, konvex geformt ist, was die Gasdynamik in der oben bereits beschriebenen Weise verbessert.
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Die untere Darstellung zeigt einen Düsenstein mit ebenfalls drei Düsenkanälen. Hierbei ist jedoch die Besonderheit, dass auf der Heißwindeintrittseite in den Düsenstein die Düsenkanäle keinen runden Querschnitt aufweisen. Dieser Querschnitt kann sich nach unten, sogar in einer gebogenen Düsenkanalführung fortsetzen, bis zur unteren Heißwindaustrittsfläche.
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Der Düsenstein selbst bei der Heißwindlanze nach der vorliegenden Erfindung kann also ein keramischer Stein sein, oder aus einer temperaturbeständigen Stahllegierung bestehen oder auch aus einem wassergekühlten Kupferkopf bestehen.
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Ferner wird ebenso beabsichtigt, durch die Düse bzw. durch die Düsen einen gerichteten Kanal vorzusehen, durch den der Heißwind mit einem Drall in die Konverteratmosphäre ausgegeben wird.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Düsenstein
- 2
- Austrittstelle für Heißwind aus der Heißwindlanze
- 3
- Heißwindlanze
- 4
- Auflagering
- 10
- Heißwindaustrittsdüse/Düsenkanal
