DE102018208433A1

DE102018208433A1 - Sauerstoffinjektor für einen Konverter insbesondere zur Stahlherstellung

Info

Publication number: DE102018208433A1
Application number: DE102018208433.5A
Authority: DE
Inventors: Sabrine Khadhraoui; Fabian Krause; Hans-Jürgen Odenthal
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2018-05-29
Filing date: 2018-05-29
Publication date: 2019-12-05

Abstract

Eine metallurgische Anlage umfasst einen Ofen oder Konverter, der eingerichtet ist, ein Bad von geschmolzenem Metall aufzunehmen, und zumindest einen Injektor der eingerichtet ist, einen Gasstrahl in Richtung einer Oberfläche eines in dem Ofen oder Konverter aufgenommenen Bades von geschmolzenem Metall auszugeben. Dabei ist der zumindest ein Injektor eingerichtet, den Gasstrahl in Form eines Zentralgasstrahls und eines, den Zentralgasstrahl koaxial umhüllenden, Hüllgasstrahls auszugeben. Die metallurgische Anlage umfasst Steuermittel, die so eingerichtet sind, dass mit den Steuermitteln über eine Einstellung einer Machzahl des Hüllgasstrahls und/oder einer Temperatur des Hüllgasstrahls eine Länge des Zentralgasstrahls auf einen gewünschten Wert einstellbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Sauerstoffinjektor für eine metallurgische Anlage mit einem Ofen oder Konverter, beispielsweise einem Basic Oxygen Furnace (BOF) Konverter, einem Argon Oxygen Decarburization (AOD) Konverter, oder einem Elektrolichtbogenofen (EAF), und ein entsprechendes metallurgisches Verfahren.
Technischer Hintergrund
Beispielsweise bei der Herstellung von Stahl ist es bekannt, Sauerstoff als Reaktionsgas zum Entkohlen in eine in einem Konverter vorhandene Metallschmelze einzublasen. Sowohl bei der Herstellung von Stahl mit einem Konverter im Elektrolichtbogenbetrieb (auch EAF, „Electric Arc Furnace“), als auch bei der Herstellung von Stahl mit einem Konverter im BOF-Betrieb („Basic Oxygen Furnance“-Betrieb, auch LD-Verfahren), können dazu Sauerstoffinjektoren eingesetzt werden, wie sie beispielsweise in der DE 10 2015 105 307 A1 beschrieben sind. Diese Injektoren können in einer Seitenwand eines Konverters angeordnet sein, um einen konzentrierten Sauerstoffstrahl mit Überschallgeschwindigkeit in das im Konverter erzeugte Bad von geschmolzenem Metall einzublasen.
Herkömmlich werden bei BOF-Verfahren Schlackenbildung und Oxidationsreaktionen durch Steuerung eines Abstands zwischen einer herkömmlichen Sauerstoffblaslanze und einem im Konverter aufgenommenem Schmelz- oder Metallbad gesteuert. Dabei spiegelt sich ein kleiner Abstand zwischen Blaslanze und Metallbadoberfläche in einem höheren Blasimpuls (oder Staudruck) wieder, was zu einer höheren Eindringtiefe des Sauerstoffs in das Bad und damit zu einer hohen Entkohlungsrate führt. Im Gegensatz dazu führt ein größerer Abstand zu einer stärkeren Eisenoxidation, fördert eine Kalkauflösung, und fördert damit eine Schlackenbildung. Um diese Prozesse geeignet zu steuern, wird vor Durchführung des metallurgischen Verfahrens in Abhängigkeit von Analyseergebnissen des im Konverter enthaltenen Schmelzbads ein „Blasprofil“ festgelegt, welches diesen Prozessen Rechnung trägt. Mit dem Blasprofil wird festgelegt, wie der Abstand zwischen Sauerstoffblaslanze und Metallbad während eines metallurgischen Verfahrens gesteuert wird.
Die oben beschriebene DE 10 2015 105 307 A1 schlägt vor, anstelle einer herkömmlichen Sauerstoffblaslanze die beschriebenen Sauerstoffinjektoren zu verwenden. Allerdings ist bei den beschriebenen Injektoren keine Veränderung eines Abstandes zwischen Injektor und Badoberfläche möglich. Die Injektoren sind für eine feste Strahllänge ausgelegt, und ein mechanisches Verschieben der Injektoren am Konverter oder Ofen ist nicht vorgesehen. Es ist somit im Falle der in DE 10 2015 105 307 A1 offenbarten Injektoren nicht möglich, einen Blasimpuls oder einen Staudruck beim Auftreffen des Gasstrahls auf das Metallbad während eines metallurgischen Verfahrens, wie einem Stahlherstellungsprozess, zu steuern. Somit ist in diesem Fall keine Kontrolle beispielsweise von Schlackenbildung oder Oxidationsreaktionen möglich. Weiterhin kann es dadurch, dass die Injektoren für feste Strahllängen ausgelegt sind, nicht garantiert werden, dass eine Überschalldüse optimal verwendet wird, d.h. dass ein Überschallgasstrahl optimal auf die Metallschmelze auftrifft. Es kann so zu Verdichtungsstößen und Expansionswellen kommen, was den Strahl aufweitet, und so eine Strahleffizienz mindert.
Ein Einblasen von Sauerstoff beispielsweise in einen Elektrolichtbogenofen ist auch in DE 699 06 125 T2 offenbart. Um ein Eindringen eines Gasstrahls in das Innere eines Metallschmelzbades effizient zu ermöglichen, schlägt DE 699 06 125 T2 eine Verwendung von Düsen vor, die axial fixiert an Wänden eines Ofens zum Schmelzen von Metallen angeordnet sind. Dabei umfasst eine Düse gemäß DE 699 06 125 T2 eine innere Düse, und eine koaxial dazu angeordnete äußere Düse. Die innere Düse kann einen Überschallstrahl von Sauerstoff ausgeben, während die äußere Düse einen Unterschallstrahl von Sauerstoff ausgeben kann. Gemäß DE 699 06 125 T2 schützt der äußere Unterschallstrahl den inneren Überschallstrahl thermisch und funktionsmäßig bei üblichen Betriebsbedingungen innerhalb eines Ofens. Es wird so eine höhere Eindringtiefe des Überschallstrahls in die Metallschmelze erreicht.
Auch dieses Dokument offenbart keine Möglichkeit, einen Abstand der Düsen von einer Metallbadoberfläche zu steuern. Bei einem BOF-Verfahren ist es mit solchen Injektoren somit nicht möglich, einen Abstand im Einklang mit einem wie oben beschriebenen „Blasprofil“ während des metallurgischen Verfahrens einzustellen.
Das Fehlen der Möglichkeit, den Abstand der Düsen von der Metallbadoberfläche zu steuern ist weiter auch hinsichtlich der üblichen Änderung der Höhe der Badoberfläche im Laufe einer Ofenreise, insbesondere im Falle eines EAFs, nachteilig. Insbesondere bei einem EAF ändert sich ein Abstand zwischen einem Injektor und einer Schmelzbadoberfläche im Laufe einer Ofenreise beispielsweise durch Verschleiß von Feuerfestmaterialien (Feuerfestverschleiß) bei konstanter Füllmenge um 500 mm oder mehr. Werden fest an den Ofenwänden angebrachte Injektoren verwendet, so kann die Effizienz der Injektoren nicht optimal an die sich verändernde Höhe des Metallbads angepasst werden. Ein zu kurzer Strahl bietet eine zu geringe Effizienz der Sauerstoffeinbringung während ein zu langer Strahl zu erhöhtem Feuerfestverschleiß führt.
Werden, wie im Stand der Technik, fixierte Düsen zum Einblasen von Sauerstoff in ein Metallbad verwendet, wurde es, wie im Falle der DE 699 06 125 T2 , oft als wünschenswert angesehen, einen Hüllgasstrahl zu verwenden, um Stabilität, und damit auch eine Länge, eines vom Hüllgasstrahl umschlossenen zentralen Gasstrahl zu maximieren. Beispielsweise die Veröffentlichung von Klioutchnikov, I; Olivier, H.; Odenthal, J.: „Numerical Investigation of Coaxial Jets Entering into a Hot Environment“, Computers & Fluids 86 (2013), S. 490-499, offenbart Untersuchungen entsprechender Parameter, die es ermöglichen einen Zentralgasstrahl optimierter Stabilität und Länge zu erhalten.
Zusammenfassend ist im Stand der Technik aber keine metallurgische Anlage mit einem Ofen oder Konverter offenbart, die es ermöglicht einen Abstand zwischen Injektoren und Metallbadoberfläche, und damit den Blasimpuls eines auf eine Metallbadoberfläche auftreffenden Überschallstrahls, insbesondere während einer Durchführung eines metallurgischen Verfahrens, auf einen gewünschten Wert einzustellen.
Angesichts dessen ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben beschriebenen Nachteile des Standes der Technik auszuräumen. Es ist insbesondere eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine metallurgische Anlage, sowie ein entsprechendes metallurgisches Verfahren, bereitzustellen, die es ermöglichen, einen Blasimpuls eines auf eine Metallbadoberfläche auftreffenden Überschallstrahls, insbesondere während einer Durchführung eines metallurgischen Verfahrens, auf einen gewünschten Wert einzustellen.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese und andere Aufgaben werden durch eine metallurgische Anlage gemäß Anspruch 1 und durch ein metallurgisches Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
Die vorliegende Erfindung stellt eine metallurgische Anlage bereit, die einen Ofen oder einen Konverter umfasst. Vorzugsweise umfasst die metallurgische Anlage einen Basic Oxygen Furnace (BOF) Konverter, einen Argon Oxygen Decarburization (AOD) Konverter, oder einen Elektrolichtbogenofen (EAF). Dabei ist der Ofen oder Konverter eingerichtet, ein Bad von geschmolzenem Metall aufzunehmen.
Erfindungsgemäß umfasst die metallurgische Anlage weiter einen Injektor, der eingerichtet ist, einen Gasstrahl in Richtung einer Oberfläche eines in dem Ofen oder Konverter aufgenommenen Bades von geschmolzenem Metall auszugeben. Der Injektor ist beispielsweise eine Düse mit einer Primärdüse und einer diese umschließende sekundären Ringdüse zur Verwendung beispielsweise bei der Stahlherstellung. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der zumindest eine Injektor an einer Seitenwand des Ofens oder Konverters angeordnet. Der Injektor ist dann so ausgerichtet, dass ein Gasstrahl, der vom Injektor ausgegeben wird, auf die Oberfläche des im Ofen oder Konverter befindlichen Metallbads geleitet wird. Dabei kann der zumindest eine Injektor so an der Wand angeordnet sein, dass ein Neigungswinkel (zur Horizontalen) eines ausgegebenen Gasstrahls zwischen 20° und 80°, vorzugsweise zwischen 35° und 55° liegt.
Erfindungsgemäß ist der zumindest eine Injektor eingerichtet, den Gasstrahl in Form eines Zentralgasstrahls und eines, den Zentralgasstrahl koaxial umhüllenden, Hüllgasstrahls auszugeben. Mit anderen Worten umfasst der zumindest eine Injektor vorzugsweise eine innere Primärdüse, die eingerichtet ist, den Zentralgasstrahl auszugeben. Die Primärdüse kann dazu mit einem geeigneten Gasreservoir verbunden sein. Der Injektor umfasst vorzugsweise weiter eine koaxial zur Primärdüse angeordnete Sekundärdüse, die die Primärdüse umschließt. Die Sekundärdüse ist vorzugsweise eine Ringdüse. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Primärdüse eine Laval-Düse. Mit anderen Worten ist vorzugsweise ein inneres Profil der Primärdüse zunächst konvergent und dann divergent, so dass es möglich ist, mit der Primärdüse einen Überschallgasstrahl auszugeben. Die Primärdüse ist vorzugsweise so mit einem Gasreservoir und Steuermitteln verbunden, dass der Primärdüse Gas mit einstellbarem Druck zugeleitet werden kann. Vorzugsweise umfasst der Injektor als Sekundärdüse einen zwischen einem Gehäuse des zumindest einen Injektors und der Laval-Düse angeordneten Ringspalt zum Ausgeben des Hüllgasstrahls. Auch die Sekundärdüse ist vorzugsweise so mit einem Gasreservoir und Steuermitteln verbunden, dass der Sekundärdüse Gas mit einstellbarem Druck zugeleitet werden kann.
Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung umfasst die metallurgische Anlage Steuermittel, die so eingerichtet sind, dass mit den Steuermitteln über eine Einstellung einer Machzahl des Hüllgasstrahls und/oder einer Temperatur des Hüllgasstrahls eine Länge des Zentralgasstrahls auf einen gewünschten Wert einstellbar ist. Mit anderen Worten kann insbesondere ein Verhältnis der konvektiven Machzahlen M_csp (Machzahl zwischen Hüllgasstrahl und Zentralgasstrahl) und M_c∞pc (Machzahl zwischen Hüllgasstrahl und Umgebung, z.B. Ofenatmosphäre) über eine Einstellung von Geschwindigkeit (u_s) des Hüllgasstrahls und Schallgeschwindigkeit (a_s) des Hüllgasstrahls eingestellt werden. Erfindungsgemäß entspricht somit eine Einstellung der Machzahl des Hüllgasstrahls einer Einstellung des Verhältnisses einer Machzahl zwischen Zentralgasstrahl und Hüllgasstrahl und einer Machzahl zwischen Hüllgasstrahl und Umgebung. Vorzugsweise wird für diese Einstellung ein Hüllgasmassenstrom eingestellt, vorzugsweise durch eine Einstellung des Drucks des Hüllgases, das der Sekundärdüse zugeleitet wird.
Beispielsweise kann die konvektive Machzahl des Hüllgasstrahls somit über eine Einstellung eines Drucks des der Sekundärdüse zugeleiteten Gases eingestellt werden. Die Steuermittel umfassen in diesem Fall beispielsweise Ventile, wie Drosselventile zum Einstellen des der Sekundärdüse zugeleiteten Gases. Entsprechend kann auch eine Machzahl des Zentralgasstrahls über eine Einstellung eines Drucks des der Primärdüse zugeleiteten Gases eingestellt werden, falls dies gewünscht ist.
Weiterhin kann die Temperatur des Hüllgasstrahls mit geeigneten Steuermitteln eingestellt werden. Beispielsweise kann die Temperatur des Hüllgasstrahls über eine Einstellung eines Verhältnisses eines Brenngases und Luft eingestellt werden. Ein heißer Hüllgasstrahl kann dann durch eine Verbrennung eines Gemischs aus einem brennbaren Gas und Luft im Inneren des Injektors erreicht werden. Steuermittel können in diesem Fall beispielsweise Ventile von Gaszuleitungen, die das Verhältnis des brennbaren Gases und Luft einstellen, umfassen, sowie gegebenenfalls einen Temperatursensor. Geeignete Brenngase sind beispielsweise Erdgas, Hochofengas und/oder Konvertergas.
Weiterhin kann zum Einstellen der Temperatur eine Gaszuleitung auf einen gewünschten Wert geheizt werden, um das der Sekundärdüse zugeleitete Gas auf den gewünschten Wert zu bringen. Steuermittel können in diesem Fall eine entsprechende Heizeinrichtung gegebenenfalls mit einem Temperatursensor umfassen.
Mit anderen Worten hat es sich herausgestellt, dass ein Blasimpuls in vorteilhafter Weise über eine Einstellung der Länge des Zentralgasstrahls eingestellt werden kann. Die Länge des Zentralgasstrahls wird erfindungsgemäß über die beschriebene Einstellung der Parameter des Hüllgasstrahls erreicht. Es wird so in vorteilhafter Weise möglich, beispielsweise bei einem BOF-Verfahren, einen Blasimpuls im Einklang mit einem vorberechneten Blasprofil einzustellen. Anstelle einer herkömmlichen Einstellung des Abstandes zwischen Blaslanze und Metallbadoberfläche, ermöglicht die vorliegende Erfindung eine stufenlose Einstellung der Länge des Zentralgasstrahls auf einen gewünschten Wert. Hierbei kann eine Länge des Zentralgasstrahls wie erforderlich definiert werden. Beispielsweise kann als Länge des Zentralgasstrahls ein Abstand vom Austrittspunkt der Primärdüse bis zu einem Punkt, an welchem eine lokale Machzahl des Zentralgasstrahls gleich 1 ist (in gebräuchlicher Schreibweise Ma_p=1).
Es hat sich herausgestellt, dass eine Einstellung von Temperatur und/oder Machzahl des Hüllgasstrahls es ermöglicht, eine Länge des Zentralgasstrahls im Vergleich zu einem Fall ohne Hüllgasstrahl sowohl zu verlängern als auch zu verkürzen. Dementsprechend sind in einer bevorzugten Ausführungsform die Steuermittel so eingerichtet, dass eine Temperatur und/oder eine Machzahl des Hüllgasstrahls so verändert werden kann/können, dass sich ein Verhältnis einer Länge des Zentralgasstrahls mit Hüllgasstrahl zu einer Länge des Zentralgasstrahls ohne Hüllgasstrahl in einem Bereich von 0.5 bis 1.5 ändern kann. Mit anderen Worten ermöglicht die vorliegende Erfindung eine stufenlose Einstellbarkeit des Zentralgasstrahls über eine Einstellung von Temperatur und/oder Machzahl des Hüllgasstrahls in einem besonders großen Bereich, der sogar ein Verkürzen der Länge des Zentralgasstrahls umfasst.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Steuermittel eingerichtet, während eines metallurgischen Prozesses eine Temperatur des Hüllgasstrahls bei Austritt aus dem Injektor innerhalb eines Bereichs von 300 K bis 2000 K einzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Steuermittel eingerichtet, während eines metallurgischen Prozesses eine Machzahl des Hüllgasstrahls bei Austritt aus dem Injektor innerhalb eines Bereichs von 0 bis 0.9 einzustellen. Mit anderen Worten sieht es die vorliegende Erfindung vor, dass die Temperatur und/oder die Machzahl des Hüllgasstrahls auch während der Durchführung eines metallurgischen Prozesses, beispielsweise während der Stahlherstellung in einem BOF-Konverter, einem EAF oder einem AOD-Konverter, variiert werden kann, um so die Länge des Zentralgasstrahls und so den Blasimpuls in gewünschter Weise einzustellen. Es hat sich herausgestellt, dass eine geeignete Einstellung der Temperatur und/oder der Machzahl des Hüllgasstrahls es ermöglicht, dass eine Länge des zentralen Überschallgasstrahls in einem großen Bereich stufenlos eingestellt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst der Zentralgasstrahl Sauerstoff. Vorzugsweise ist der Zentralgasstrahl ein Strahl von im Wesentlichen reinen Sauerstoff, der vorzugsweise zumindest 95%, mehr bevorzugt zumindest 98% und am meisten bevorzugt zumindest 99% Sauerstoff enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält der Hüllgasstrahl ein Verbrennungsprodukt beispielsweise von CH4 oder LPG (auch als Autogas bezeichnet) und Luft.
Die vorliegende Erfindung stellt weiter ein metallurgisches Verfahren bereit. Erfindungsgemäß umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines Bades von geschmolzenem Metall in einem Ofen oder Konverter. Wie erwähnt kann der Ofen oder Konverter ein Basic Oxygen Furnace (BOF) Konverter, ein Argon Oxygen Decarburization (AOD) Konverter, ein Elektrolichtbogenofen (EAF), oder eine Pfanne mit Stahl sein.
Das Verfahren umfasst weiter ein Ausgeben eines Gasstrahls in Form eines Zentralgasstrahls und eines, den Zentralgasstrahl koaxial umhüllenden, Hüllgasstrahls, in Richtung einer Oberfläche eines in dem Ofen oder Konverter aufgenommenen Bades von geschmolzenem Metall mit einem Injektor. Der Injektor entspricht hierbei dem oben beschriebenen Injektor.
Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren weiter ein Einstellen einer Machzahl des Hüllgasstrahls und/oder einer Temperatur des Hüllgasstrahls um eine Länge des Zentralgasstrahls auf einen gewünschten Wert einzustellen. Hierbei kann der Schritt des Einstellens mit den oben beschriebenen Steuermitteln der metallurgischen Anlage erfolgen.
Somit ermöglicht die vorliegende Erfindung ein stufenloses Einstellen einer Strahllänge insbesondere eines Sauerstoffinjektors zur Verwendung bei der Stahlherstellung über eine Einstellung einer Temperatur und/oder einer Machzahl eines einen zentralen Überschallgasstrahls koaxial umschließenden Hüllgasstrahls.
Figurenliste
Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische Querschnittsansicht eines Gasstrahls;
2 eine schematische Darstellung eines EAF;
3 Graphen, die die Veränderung der Mach-Zahl eines Gasstrahls auf dem Weg vom Düsenausgang zur Metallbadoberfläche für einen Fall mit Hüllgas und einen Fall ohne Hüllgas darstellen; und
4 Graphen, die die Veränderung der Mach-Zahl eines Gasstrahls auf dem Weg vom Düsenausgang zur Metallbadoberfläche für einen Fall mit Hüllgas und einen Fall ohne Hüllgas bei einem Konverter im EAF-Betrieb darstellen.

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Gasstrahls anhand welcher eine Einstellung einer Machzahl des Hüllgasstrahls und/oder einer Temperatur des Hüllgasstrahls zum Einstellen einer Länge des Zentralgasstrahls auf einen gewünschten Wert erläutert wird.
Wie in 1 dargestellt, umfasst ein Injektor 111 eine als Lavaldüse ausgebildete Zentraldüse 121 zum Ausgeben eines Zentralgasstrahls 131 und eine Ringdüse 123 zum Ausgeben eines den Zentralgasstrahl 131 axial umhüllenden Hüllgasstrahls 133. Die Figur deutet schematisch eine Umgebung 135 (Ofenatmosphäre) an, in die der Hüllgasstrahl 133 eintritt. Im dargestellten Fall ist der Zentralgasstrahl 131 ein reiner Sauerstoffstrahl und der Hüllgasstrahl 133 enthält CH₄ und Luft.
Wie beschrieben wird gemäß der Erfindung eine Länge des Zentralgasstrahls über eine Einstellung der Machzahl und der Temperatur des Hüllgasstrahls eingestellt. Dabei wird die Überschallstrahllänge $L_{p}^{*}$
durch die konvektive Machzahl M_c bestimmt. Hierbei beschreibt M_c die relative Konvektionsgeschwindigkeit u_c von Wirbelstrukturen im Verhältnis zur Schallgeschwindigkeit a. Bei einem Injektor 111 mit Hüllgasstrahl 133 gibt es zwei konvektive Machzahlen. Eine Machzahl M_csp ist definiert zwischen Hüllgasstrahl 133 und Zentralgasstrahl 131 und eine Machzahl M_c∞p ist definiert zwischen Umgebung 135 (Ofenatmosphäre) und Hüllgasstrahl 133. Diese konvektiven Machzahlen berechnen sich wie folgt: $M_{c s p} = \frac{u_{p} - u_{s}}{a_{p} + a_{s}},$
und $M_{c \infty p} = \frac{u_{s}}{a_{s} + a_{\infty}}$
Dabei ist u die Gasgeschwindigkeit und a die Schallgeschwindigkeit. Die Indizes bezeichnen p = primär (Zentralgasstrahl) s = sekundär (Hüllgasstrahl) und ∞ = Umgebung (Ofenatmosphäre). Eine maximale Länge des Zentralgasstrahls ergibt sich, wenn M_c∞p = M_csp, die etwa 1,5 mal der Strahllänge ohne Hüllgasstrahl entspricht.
Eine Einstellung der Länge des Zentralgasstrahls 131 ist vorteilhaft über eine Einstellung des Verhältnisses der konvektiven Machzahlen möglich. Dieses kann über eine Einstellung der Eigenschaften des Hüllgasstrahls 133 (u_s und a_s) eingestellt werden. Insbesondere können hierzu Massenstrom, Temperatur, Düsenkontur und Gaszusammensetzung variiert werden. Vorzugsweise werden Massenstrom und Temperatur des Hüllgasstrahls variiert. Hierbei beeinflusst der Massenstrom im Wesentlichen die Geschwindigkeit u_s und kann vorzugsweise durch Einstellen des Druck an einem Ventilstand eingestellt werden. Ist, wie dargestellt, die Ringdüse 123 nicht als Lavaldüse ausgebildet, so kann die Geschwindigkeit des Hüllgasstrahls 133 maximal der Schallgeschwindigkeit (u_s = a_s) entsprechen.
Eine Einstellung der Temperatur ändert im Wesentlichen die Schallgeschwindigkeit a_s. Die Temperatur des Hüllgasstrahls 133 kann vorzugsweise über Einstellung eines Mengenverhältnisses zwischen einem Brenngase und Luft eingestellt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, eine externe Beheizung oder eine Verwendung von vorhandenem Heißgas (Abgas) vorzusehen. Wird ein Verhältnis beispielsweise von Erdgas und Luft für den Hüllgasstrahl 133 eingestellt, ist es möglich die Temperatur des Hüllgasstrahls in einem Temperaturbereich von 300 K (nur Luft, keine Verbrennung) bis 1800 K (stöchiometrische Verbrennung von Erdgas) einzustellen. Durch Einsatz anderer Brenngase und reinem Sauerstoff können Temperaturen bis 3000 K erreicht werden während Temperaturen unter 300 K durch Kühlen erreicht werden können. Ein Temperaturbereich von 300 K bis 1800 K hat sich als technisch sinnvoll herausgestellt, da hier bei akzeptablem Aufwand zum Einstellen der Temperatur eine zufriedenstellende Längeneinstellung des Zentralgasstrahls möglich ist. Alternativ zu Erdgas können auch andere Brenngase wie Hochofengas oder Konvertergas verwendet werden.
2 zeigt einen unteren Teil eines EAF 100, in welchem ein Metallbad 500, insbesondere zur Stahlherstellung aufgenommen ist. 2 zeigt beispielhaft drei Injektoren 111, 113, 115, wobei im dargestellten Beispiel ein Injektor, der dem Injektor 115 gegenüberliegt, aufgrund der Darstellung nicht sichtbar ist. Die Figur illustriert schematisch, dass im Falle eines kurzen Strahls 603 (beispielsweise aufgrund eines kleinen angelegten Drucks der Gaszuführung), aufgrund eines kleinen Gasimpulses der Strahl 603 nicht in das Metallbad eindringt (bevorzugte Schlackenbildung im Vergleich zu einem eindringenden Strahl). Wie durch Pfeile 701 angedeutet, wird der Strahl teilweise an der Metallbadoberfläche 501 reflektiert. Dagegen kann ein längerer Strahl 601 mit höherem Blasimpuls die Metallbadoberfläche 501 durchdringen und kann, wie durch Pfeil 703 angedeutet, tief in das Metallbad 500 eindringen (bevorzugte Entkohlung im Vergleich zu einem kürzeren Strahl).
Wie oben beschrieben, hat es sich herausgestellt, dass eine Einstellung der Parameter Mach-Zahl und Temperatur eines Hüllgasstrahls, der einen zentralen Überschallgasstrahl umschließt, eine vorteilhafte Einstellbarkeit der Länge und des Blasdrucks des zentralen Gasstrahls ermöglicht. 3 illustriert die Möglichkeit, den Zentralgasstrahl durch Hinzuschalten eines Hüllgasstrahls zu verlängern. Wie der Figur zu entnehmen ist, wird durch Einstellen des Hüllgasstrahls eine Variierung des Gasimpulses, beispielsweise des Sauerstoffimpulses, beim Auftreffen auf die Badoberfläche 501 möglich. Mit anderen Worten ermöglicht diese Einstellbarkeit eine Steuerung des Blasimpulses ähnlich wie im Fall einer Einstellung des Abstandes zwischen einer herkömmlichen Blaslanze und der Badoberfläche. Zur Illustration vergleicht 3 die Veränderung der Mach-Zahl eines Gasstrahls auf dem Weg vom Injektorausgang zur Badoberfläche. Dabei ist x/Dp eine dimensionslose Koordinate, die den Weg x im Verhältnis zum Durchmesser Dp der inneren Primärdüse, die den Überschallstrahl ausgibt, beschreibt.
In dieser Einheit variiert ein dimensionsloser Abstand einer herkömmlichen Blaslanze zur Badoberfläche typischerweise zwischen 25 und 40. Dadurch variiert eine entsprechende Mach-Zahl (Ma) des Stahles beim Auftreffen auf die Badoberfläche üblicherweise zwischen 0.6 und 2.2. Im Einklang mit der vorliegenden Erfindung lässt sich dieser Mach-Zahl-Bereich über eine geeignete Einstellung eines des Hüllgasstrahls abdecken. Wie man der Figur entnehmen kann, kann beispielsweise bei einem konstanten Abstand von x/d = 40 allein durch das Anschalten des Hüllgasstrahls die Machzahl von 0.6 auf 2.2 erhöht werden. Im dargestellten Fall wurde für den Zentralgasstrahl reiner Sauerstoff verwendet und für den Hüllgasstrahl wurde CO₂ verwendet.
4 zeigt Graphen, die Veränderung der Mach-Zahl eines Gasstrahls auf dem Weg vom Düsenausgang zur Metallbadoberfläche für einen Fall mit Hüllgas und einen Fall ohne Hüllgas bei einem Konverter im EAF-Betrieb darstellen. In dieser Figur sind die Werte für den Start und das Ende der Ofenreise eines EAF-Konverters gekennzeichnet. Man erkennt, dass die Einstellung der Länge des Zentralgasstrahls über entsprechende Einstellung des Hüllgasstrahls es ermöglicht, auch bei Verwendung von festen Injektoren über Einstellung der Länge des Zentralgasstrahls der Veränderung der Badoberfläche im Laufe der Ofenreise Rechnung zu tragen. Im Falle der 4 ist die Mach-Zahl (Ma) als Funktion der realen Koordinate (in mm) aufgetragen. Dabei entspricht der Wert von 1000 mm in 4 etwa dem Wert 30 (x/Dp) in 3. Der Injektor der 4 entspricht dem Injektor der 3. Druck und verwendete Gase entsprechen denen der 3.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015105307 A1 [0002, 0004]
DE 69906125 T2 [0005, 0008]

Claims

Metallurgische Anlage, umfassend einen Ofen (100), einen Konverter (100), oder eine Pfanne (100) der/die eingerichtet ist, ein Bad (500) von geschmolzenem Metall aufzunehmen, und zumindest einen Injektor (111, 113, 115), der eingerichtet ist, einen Gasstrahl (601, 603) in Richtung einer Oberfläche (501) eines in dem Ofen (100) oder Konverter (100) aufgenommenen Bades (500) von geschmolzenem Metall auszugeben, wobei der zumindest eine Injektor (111, 113, 115) eingerichtet ist, den Gasstrahl (601, 603) in Form eines Zentralgasstrahls (131) und eines, den Zentralgasstrahl koaxial umhüllenden, Hüllgasstrahls (133) auszugeben, dadurch gekennzeichnet, dass die metallurgische Anlage Steuermittel umfasst, die so eingerichtet sind, dass mit den Steuermitteln über eine Einstellung einer Machzahl des Hüllgasstrahls (133) und/oder einer Temperatur des Hüllgasstrahls (133) eine Länge des Zentralgasstrahls (131) auf einen gewünschten Wert einstellbar ist.
Metallurgische Anlage gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel eingerichtet sind, während eines metallurgischen Prozesses eine Temperatur des Hüllgasstrahls bei Austritt aus dem Injektor innerhalb eines Bereichs von 300 K bis 1800 K einzustellen.
Metallurgische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel eingerichtet sind, während eines metallurgischen Prozesses eine Machzahl des Hüllgasstrahls bei Austritt aus dem Injektor, vorzugsweise über eine Einstellung eines Massenstroms des Hüllgasstrahls, innerhalb eines Bereichs von 0 bis 1 einzustellen.
Metallurgische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Injektor (111, 113, 115) eine Laval-Düse (121) zum Ausgeben des Zentralgasstrahls aufweist, und einen zwischen einem Gehäuse des zumindest einen Injektors (111, 113, 115) und der Laval-Düse angeordneten Ringspalt zum Ausgeben des Hüllgasstrahls umfasst.
Metallurgische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ofen oder Konverter ein Basic Oxygen Furnace (BOF) Konverter (100), ein Argon Oxygen Decarburization (AOD) Konverter, oder ein Elektrolichtbogenofen (EAF) ist.
Metallurgische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralgasstrahl Sauerstoff umfasst.
Metallurgische Anlage gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Injektor an einer Seitenwand des Ofens oder Konverters angeordnet ist.
Metallurgisches Verfahren umfassend die folgenden Schritte: Bereitstellen eines Bades (500) von geschmolzenem Metall in einem Ofen (100) oder Konverter (100); Ausgeben eines Gasstrahls (601, 603) in Form eines Zentralgasstrahls und eines, den Zentralgasstrahl koaxial umhüllenden, Hüllgasstrahls, in Richtung einer Oberfläche (501) eines in dem Ofen (100) oder Konverter (100) aufgenommenen Bades (500) von geschmolzenem Metall mit einem Injektor (111, 113, 115); gekennzeichnet, durch Einstellen einer Machzahl des Hüllgasstrahls und/oder einer Temperatur des Hüllgasstrahls um eine Länge des Zentralgasstrahls auf einen gewünschten Wert einzustellen.
Metallurgisches Verfahren gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen der Länge des Zentralgasstrahls während eines metallurgischen Prozesseses eine Temperatur des Hüllgasstrahls bei Austritt aus dem Injektor innerhalb eines Bereichs von 300 K bis 1800 K eingestellt wird.
Metallurgisches Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen der Länge des Zentralgasstrahls während eines metallurgischen Prozesseses eine Machzahl des Hüllgasstrahls bei Austritt aus dem Injektor, vorzugsweise durch Einstellung eines Massenstroms des Hüllgasstrahls, in einem Bereich von 0 bis 1 eingestellt wird.