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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln
von Metallschmelzen, insbesondere Stahlschmelzen, mit einem Frischmittel
aus Sauerstoff.
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Es
ist bekannt, zum Frischen von Stählen oxidierende
Gase oder Gasgemische, insbesondere gasförmigen Sauerstoff, zu verwenden. Üblicherweise
wird der Frischprozess in Konvertern durch Aufblasen oder Einblasen
der Gase oder deren Kombination durchgeführt.
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Eine
Reihe von Verfahrensbezeichnungen leiten sich aus der Art des Sauerstoffeinbringens
ab, wie z.B. des LD-, LDAC-Verfahren oder der OBM-Prozeß. Darüber hinaus
gibt es für
legierte und hochlegierte Stähle
Aufblasverfahren wie z. B. das AOD Verfahren, die mit Sauerstoff
und z.B. Argon arbeiten. Dabei wird der gasförmige Sauerstoff über eine
Lanze oder einen Bodenspülstein
dem Roheisen oder der Basislegierung zur Reaktion zugeführt.
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Beim
Frischen von Stählen
mit gasförmigem Sauerstoff
ergibt sich derzeit eine Blaszeit von 15 bis 18 min, um die im Roheisenbad
enthaltenen Elemente wie beispielsweise Kohlenstoff, Silizium, Phosphor und
Mangan zu oxidieren und damit das Roheisen bzw. Basislegierungen
zu Stahl umzuwandeln.
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Durch
die
DE 43 15 342 C1 ist
weiterhin bekannt, beim Stahlschmelzen als Frischmittel flüssigen Sauerstoff
als einphasige Flüssigkeit
oder als Zweiphasengemisch, bestehend aus Gas und Flüssigkeit,
einzusetzen.
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Bei
diesem Verfahren wird der flüssige
und gasförmige
Sauerstoff jedoch in getrennten Strahlen auf das Bad geblasen.
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Der
aus
DE 43 15 342 C1 bekannte
Sauerstoffeintrag beim Frischen von Stahl hat den wesentlichen Nachteil,
dass der zum Verdrängen
der Schlacke über
dem Stahlbad verwendete Impuls des Gasstahles nicht für den flüssigen Sauerstoffstrahl
genutzt werden kann. Der flüssige
Sauerstoffstrahl prallt auf die Schlacke auf, verdampft dabei zu
einem bedeutenden Teil, welcher für den Frischprozeß nicht mehr
zur Verfügung
steht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Erhöhen
der Frischgeschwindigkeit zu schaffen.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein
Verfahren und eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen
von Anspruch 1 und 10 gelöst.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird flüssiger und
gasförmiger
Sauerstoff zum Frischen von Stählen
eingesetzt, wobei der innerhalb des gasförmigen Sauerstoffstrahls geführte Strahl
flüssigen
Sauerstoffs auf eine, bereits von dem gasförmigen Sauerstoffstrahl von
der Schmelzenschlacke befreite Badoberfläche der Metallschmelze aufgebracht
und/oder in die Metallschmelze eingebracht wird.
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Der
erfindungsgemäße Sauerstoffeintrag beim
Stahlfrischen weist – gegenüber dem
bisherigen Sauerstoffeintrag – den
wesentlichen Vorteil auf, dass der flüssige Sauerstoff direkt mit
der Metallschmelze in Berührung
kommt, wodurch der Sauerstoff – auf
Grund der in im Brennfleck der Metallschmelze herrschenden hohen
Temperaturen – schlagartig
verdampft, wodurch eine intensive Badbewegung bewirkt wird und ein
verstärkter
Stoffaustausch in der Metallschmelze – nämlich die Oxidation, z.B. des
Kohlenstoffs zu Kohlenmonoxid, sowie die Verschlackung der Roheisenbegleiter,
z.B. Silizium und Mangan – stattfindet.
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Darüber hinaus
wird in der Metallschmelze zusätzliche
Oberfläche
für den
Stoffaustausch durch Bildung vieler kleiner Schlacke und Metalltröpfchen gebildet,
wodurch die Raum-Zeit-Ausbeute beim Frischen von Stahl wesentlich
verbessert und damit die Blasedauer deutlich verringert werden kann.
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Durch
den erfindungsgemäßen Sauerstoffeintrag
beim Stahlfrischen kann die Durchsatzleistung von herkömmlichen
Schmelzanlagen deutlich gesteigert werden.
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Die
Versorgung der Blaslanze mit gasförmigem Sauerstoff erfolgt auf
dem üblichen
Wege. Die Ausführung
der Lanzenspitze kann als Ein- oder Mehrlochspitze ausgeführt sein.
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Die
Versorgung der Blaslanze mit flüssigem Sauerstoff
erfolgt nach dem Stand der Technik, jedoch besonders vorteilhaft
mittels einer aus der
DE 43
15 343 C1 bekannten Vorrichtung.
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Dazu
sind die den flüssigen
oder gasförmigen
Sauerstoff von der Sauerstoffversorgung zur Blaslanze führenden
Leitungen als flexible Schläuche
ausgebildet und die Flüssigsauerstoff-Leitung/en zusätzlich vakuum-isoliert.
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Der
Frischprozess kann durch die Beeinflussung des Verhältnisses
der Eintragsmengen an gasförmigem
und flüssigem
Sauerstoff und/oder durch die Beeinflussung des gasförmigen oder
flüssigen Sauerstoffdruckes
sowie der Geometrie der für
den gasförmigen
Sauerstoffeintrag eingesetzten Blasdüse bezüglich einer höheren Frischgeschwindigkeit gesteuert
werden.
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Des
Weiteren kann durch Variation des Flüssigsauerstoffdruckes und der
Düsengeometrie
die Auftreffenergie des flüssigen
Sauerstoffs beeinflusst werden.
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Erfindungsgemäß wird der
flüssige
Sauerstoff entsprechend der herrschenden Strömungsverhältnisse und der Reynoldszahl – entweder
als homogener Flüssigkeitsstrahl
oder als Tröpfchenstrahl – in die
Metallschmelze eingebracht, oder auf diese aufgebracht.
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Der
Abstand zwischen der Lanzenspitze und der Badoberfläche kann
wie bei herkömmlichen
Blaslanzen verändert
werden.
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Das
Verhältnis
der mittels der erfindungemäßen Blasvorrichtung
in ein metallisches Schmelzbad eingetragenen Menge an flüssigem und
gasförmigem
Sauerstoff kann problemlos den jeweiligen Betriebsbedingungen angepasst
werden. Dabei steht eine weite Variationsbreite von nahezu 100%
flüssigem
Sauerstoff und sehr geringem gasförmigem Anteil und umgekehrt
zur Verfügung.
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Der
flüssige
Sauerstoff-Strahl (LOX) kann auch intermittierend der Badoberfläche zugeführt werden.
Dazu kann mit größeren Durchmessern
der Ausströmöffnung – bei gleichem
mittlerem Massenstrom – gearbeitet
werden. Dadurch kann ein stabiler Strahl aus flüssigem Sauerstoff dem Schmelzbad
zugeführt
werden.
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Als
erfindungsgemäße Sauerstoff-Blaslanze sind
herkömmlichen
Ein- oder Mehrloch-Lanzenspitzen
einsetzbar. Jedoch ist bei einer Einloch-Lanzenspitze eine vorzugsweise
in der Lanzenachse befindliche Zuführung für Flüssigsauerstoff vorgesehen. Bei
einer Mehrloch-Lanzenspitze kann die Zuführung von Flüssigsauerstoff
auf ein oder mehrere Löcher aufgeteilt
sein.
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Darüber hinaus
ist es möglich
durch die Flüssigsauerstoffleitung
andere verflüssigte
Gase wie z. B. Argon der Schmelze zuzuführen. Durch die bereits beschriebene
intensive Badbewegung können
weitere metallurgische Effekte wie z.B. Entfernen von in der Metallschmelze
unerwünschten
Gasen oder Einschlüssen
oder ein zusätzlicher
Rühreffekt
zur Homogenisierung der Schmelze erzielt werden.
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung (1 bis 3)
dargestellten Ausführungsbeispiels
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Sauerstoff-Blaslanze;
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2 eine schematische Darstellung
einer Sauerstoffversorgung mit Zwischenkühlung und mit einer zum Frischen
einer Stahlschmelze in einem Konverter angeordneten Blaslanze mit
Einloch-Lanzenspitze;
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3 eine schematische Darstellung
einer erfindungsgemäßen Sauerstoff-Blaslanze
mit Mehrloch-Lanzenspitze;
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4 eine schematische Darstellung
einer Sauerstoffversorgung mit Gasphasenabscheider und mit einer
zum Frischen einer Stahlschmelze in einem Konverter angeordneten
Blaslanze mit Mehrloch-Lanzenspitze.
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In
der 1 ist eine zum Einblasen
von gasförmigem
und flüssigem
Sauerstoff in eine – bildlich nicht
dargestellte – Stahlschmelze
einsetzbare Vorrichtung dargestellt.
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Die
erfindungsgemäße Sauerstoff-Blasvorrichtung
besteht aus einer Blaslanze 1, über deren mit einer Wasserkühlung 2 ummantelten
Zuströmkanal 3,
gasförmiger
Sauerstoff (GOX) durch eine Ausströmdüse 4 als gasförmiger Sauerstoff-Strahl 5 der Stahlschmelze
zugeführt
wird.
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Die
erfindungsgemäße Sauerstoff-Blasvorrichtung
weist zudem eine weitere, im Zuströmkanal 3 der Blaslanze 1 zentrisch
angeordnete LOX-Lanze 6 auf, über deren mit einer Wärmeisolierung 7 versehenen
Zuströmkanal 8 tiefkalter
flüssiger
Sauerstoff (LOX) durch eine Ausströmdüse 9 als – vom Gasstrahl 5 umhüllter – zentrischer
Strahl 10 flüssigen Sauerstoffs
der Stahlschmelze zugeführt
werden kann.
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Der
durch die Ausströmdüse 4 der
Blaslanze 1 als Strahl 5 gasförmigen Sauerstoffs auf die
Oberfläche
der in einem Konverter befindlichen Stahlschmelze auftreffende Gasstrahl 5 durchdringt
mittels seiner Impulsenergie die auf der Stahlschmelze befindliche
Schlacke, wodurch im Auftreffbereich des gasförmigen Sauerstoff-Strahls 5 die
Oberfläche
der Stahlschmelze von der Schlacke befreit und in der Stahlschmelze
Oxidationsreaktionen bewirkt werden.
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Der
durch die Ausströmdüse 9 der
LOX-Lanze 6 als – vom
Gasstrahl 5 umhüllter – zentrischer Strahl 10 flüssigen Sauerstoffs
der Stahlschmelze zugeführte
Strahl 10 trifft auf die, vom Gasstrahl 5 von
der Schlacke befreite Oberfläche
der Stahlschmelze und verdampft bei seinem Eindringen in das in
seinem Brennfleck hohe Temperaturen aufweisende Schmelzbad schlagartig,
wodurch eine intensive Badbewegung bewirkt wird und damit ein verstärkter Stoffaustausch
in der Stahlschmelze – nämlich die
Oxidation des Kohlenstoffs zu Kohlenmonoxid, sowie die Verschlackung
der Roheisenbegleiter Silizium und Mangan – stattfindet.
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Der
Strahl 10 flüssigen
Sauerstoffs wird den jeweiligen Strömungsverhältnissen und der Reynoldszahl
angepasst und kann entweder als homogener Flüssigkeitsstrahl oder als Tröpfchenstrahl dem
Schmelzbad zugeführt
werden.
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Die
Ausbildung des Strahls 10 flüssigen Sauerstoffs kann durch
den Grad seiner Unterkühlung beeinflusst
werden.
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Die
das vorzeitige Verdampfen des den Zuströmkanal 8 der Blaslanze 6 durchfließenden flüssigen Sauerstoffs
(LOX) verhindernde Wärmeisolierung 7 besteht
aus aus einem üblichen
Isolationsmaterial.
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Der
Strahl 10 flüssigen
Sauerstoffs kann auch intermittierend der Stahlschmelze zugeführt werden.
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In 2 ist eine – gemäß 1 ausgebildete – Einloch-Blaslanze 11 schematisch
dargestellt, aus welcher ein – von
einem Strahl 5 gasförmigen Sauerstoffs
umhüllter,
zentrischer Strahl flüssigen Sauerstoffs 10 im
Bereich des von Schlacke 12 befreiten flüssigen Stahlbads 13 eines
Konverters 14 auftrifft. Die Zufuhr des als Frischmittel
eingesetzten flüssigen
Sauerstoffs (LOX) von einer Flüssigsauerstoff-Versorgung 15 in
die mit einem Kühlwasseranschluss 16 ausgerüstete Einloch-Blaslanze 11 erfolgt durch
eine als flexibler Schlauch ausgebildete Leitung 17. Die
Zufuhr des ebenfalls als Frischmittel eingesetzten gasförmigen Sauerstoffs
(GOX) erfolgt von einer üblichen,
nicht näher
bezeichneten Sauerstoffgas-Versorgung in die Blaslanze 11 durch
eine, vorteilhaft als flexibler Schlauch ausgebildeten Leitung 18.
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Die
aus der
DE 43 15 342
C1 bekannte Flüssigsauerstoff-Versorgung
15 besteht
aus einem, mit üblichen
und daher nicht näher
bezeichneten Rohrleitungen und Ventilen ausgerüsteten Speicherbehälter
19 für flüssigen Sauerstoff.
Der zum Frischen des Stahlbads
13 der im Konverter
14 angeordneten
Einloch-Blaslanze
11 zugeführte flüssige Sauerstoff wird aus dem
isolierten Speicherbehälter
19 durch
eine Leitung
20 entnommen und – falls der Druck des Speicherbehälters
19 nicht
ausreicht – nach
einem Absperrventil
21 über
eine Flüssigsauerstoffpumpe
22 auf
den erforderlichen Druck erhöht
und danach in einen Wärmeaustauscher
23 eingeleitet.
Die Leitung
20 kann zusätzlich
mit einer – in
der Zeichnung nicht dargestellten – Ummantelung mit einem kryogenen Medium,
beispielsweise Flüssigstickstoff
versehen sein, um ein vorzeitiges Verdampfen des Sauerstoffs zu
verhindern.
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Zum
Kühlen
des als Frischmittel eingesetzten flüssigen Sauerstoffs in dem Wärmeaustauscher 23 wird
von der isolierten Leitung 20 hinter dem Absperrventil 21 durch
eine isolierte Leitung 24 abgezweigter Sauerstoff über ein
mittels eines Fühlers 32 geregelten
Füllstandsregelungssystem 25 in
den Wärmeaustauscher 23 geleitet.
Im Innern des Wärmeaustauschers 23 wird
mittels einer Pumpe 26 ein solcher Unterdruck erzeugt,
durch den die Siedetemperatur des als Kühlmittel im Wärmeaustauscher 23 eingesetzten
flüssigen
Sauerstoffs so gesenkt wird, dass dieser als Kühlmittel für den Frischsauerstoff dienen
kann. Durch die Wahl des Unterdrucks kann die Temperaturdifferenz
des Kühlsauerstoffes
zum Frischsauerstoff und somit das Maß der Verhinderung der vorzeitigen
Verdampfung des Flüssigsauerstoffs
zum Frischen bestimmt werden.
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Der
zum Frischen des Stahlbads 13 im Konverter 14 eingesetzte
flüssige
Sauerstoff wird in Kupferwendeln 27 durch den Wärmeaustauscher 23 geführt und
dabei von dem ihn umgebenden Kühlsauerstoff – je nach
vorliegendem Druckverhältnis – unter seine
durch den Druck bestimmte Siedetemperatur gekühlt. Danach wird der flüssige Frischsauerstoff durch
die als isolierter Schlauch ausgebildete Leitung 17 der
in dem Konverter 14 angeordneten Einloch-Blasdüse 11 zugeführt – und zusammen
mit dem über
die Leitung 18 der Blaslanze 11 zugeführten gasförmigen Sauerstoff – in der
vorab erläuterten Weise
in das Stahlbad 13 des Konverters 14 eingeblasen.
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In 3 ist eine Blaslanze 1 mit
einer Dreiloch-Lanzenspitze dargestellt, deren Ausführungsform
grundsätzlich
der in 1 beschriebenen
Blaslanze 1 entspricht.
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Im
Unterschied zu der in 1 beschriebenen
Blaslanze 1 ist die in 3 beschriebene
Blaslanze 1 derart ausgebildet, dass sowohl der flüssige Sauerstoff (LOX)
als auch der gasförmige
Sauerstoff (GOX) in der Lanzenspitze auf mehrere Teilstrahlen – gemäß 3 – in drei Teilstrahlen aufgeteilt
wird.
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Die
Aufteilung des gasförmigen
Sauerstoffs erfolgt aus dem Zuströmkanal 3 für gasförmigen Sauerstoff
auf die drei in der Lanzenspitze befindlichen Ausströmdüsen 4 für gasförmigen Sauerstoff.
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Die
Aufteilung des flüssigen
Sauerstoffs erfolgt durch die Aufteilung des Zuströmkanals 8 für flüssigen Sauerstoff
auf drei – in 3 nicht gezeigte – Zuströmkanäle, die
jeweils mit einer Ausströmdüse 9 für flüssigen Sauerstoff
versehen sind.
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Wie
weiterhin in 3 gezeigt,
entströmen der
Ausströmdüse/n 4 der
Blaslanze 1 der Strahl 10 flüssigen Sauerstoffs und der
den Strahl 10 flüssigen Sauerstoffs
umhüllende
Strahl 5 gasförmigen
Sauerstoffs mit einem – für Mehrloch-Lanzenspitzen üblichen – Neigungswinkel
zur Lanzenachse zum Frischen der Stahlschmelze. Bei der in 3 dargestellten Blaslanze 1 beträgt dieser
Winkel 25°.
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In 4 ist eine, mit Ihrer Mehrloch-Lanzenspitze
in einem Konverter 14 angeordnete Mehrloch-Blaslanze 28 schematisch
dargestellt, aus welcher mehrere, jeweils von einem Strahl 5 gasförmigen Sauerstoffs
umhüllte,
zentrische Strahlen 10 flüssigen Sauerstoffs im Bereich
des von Schlacke 12 befreiten flüssigen Stahlbads 13 des
Konverters 14 auftreffen. Die Zufuhr des flüssigen Sauerstoffs (LOX)
aus einer Flüssigsauerstoff-Versorgung 29 in die
mit einem Kühlwasseranschluss 16 und
mit einer Mehrloch-Lanzenspitze ausgerüsteten, in dem Konverter 14 angeordneten
Mehrloch-Blaslanze 28 erfolgt durch die isolierte Leitung 17 in
Form eines flexiblen Schlauchs. Die Zufuhr des gasförmigen Sauerstoffs
(GOX) von einer üblichen
und daher nicht näher
bezeichneten Sauerstoffgas-Versorgung in die Mehrloch-Blaslanze 28 erfolgt
durch die Leitung 18.
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Aus
dem – gemäß 2 ausgebildeten – Speicherbehälter 19 der
Flüssigsauerstoff-Versorgung 29 wird
der flüssige
Sauerstoff (LOX) durch die Entnahmeleitung 20 über ein
Absperrventil 21 durch eine isolierte Leitung 30 einem
Gasphasenabscheider 31 zugeführt. Ein Füllstandsregelungssystem 25 hält den zum
Frischen eingesetzten flüssigen
Sauerstoff im Gasphasenabscheider 31 automatisch auf dem
gewünschten
Niveau, wozu mittels eines Fühlers 32 der
Füllstand
des flüssigen
Sauerstoffs im Gasphasenabscheider 31 erfasst wird.
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In
dem Gasphasenabscheider 31 wird der gasförmige Sauerstoff
von dem flüssigen
Sauerstoff getrennt. Der flüssige
Sauerstoff (LOX) wird über
die als isolierter Schlauch ausgebildete Leitung 17 der
in dem Konverter 14 angeordneten Mehrloch-Blaslanze 28 zugeführt und
mittels dieser – zusammen
mit dem über
die Leitung 18 zugeführten
gasförmigen
Sauerstoff – in
vorab erläuterter
Weise zum Frischen des Stahlbads 13 im Konverter 14 eingesetzt.
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Der
durch äußeren Wärmeeintrag
in den flüssigen
Sauerstoff entstehende gasförmige
Sauerstoffanteil wird durch den Gasphasenabscheider 31 vor
der Mehrloch-Blasdüse 28 separiert
und über eine – das Füllstandsregelungssystem 25 enthaltenden – Leitung 33 anderen,
nicht näher
bezeichneten Verbrauchern zugeführt.
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Dem
zum Frischen von Stahl eingesetzten flüssigen und gasförmigen Sauerstoff
können
bei Bedarf auch andere Medien, wie z.B. Argon oder Feststoffe, beigefügt werden.
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- 1
- Blaslanze
(GOX + LOX)
- 2
- Wasserkühlung
- 3
- Zuströmkanal (GOX)
- 4
- Ausströmdüse (GOX)
- 5
- Strahl
(GOX)
- 6
- LOX-Lanze
- 7
- Wärmeisolierung
- 8
- Zuströmkanal (LOX)
- 9
- Ausströmdüse (LOX)
- 10
- Strahl
(LOX)
- 11
- Einloch-Blaslanze
- 12
- Schlacke
- 13
- Stahlbad
- 14
- Konverter
- 15
- Flüssigsauerstoff-Versorgung
(LOX)
- 16
- Kühlwasseranschluss
- 17
- LOX
Leitung (Schlauch)
- 18
- GOX
Leitung (Schlauch)
- 19
- Speicherbehälter (LOX)
- 20
- Leitung
(LOX)
- 21
- Absperrventil
- 22
- Flüssigsauerstoffpumpe
- 23
- Wärmeaustauscher
- 24
- Leitung
- 25
- Füllstandsregelungssystem
- 26
- Pumpe
- 27
- Kupferwendeln
- 28
- Mehrloch-Blaslanze
- 29
- Flüssigsauerstoff-Versorgung
(LOX)
- 30
- Leitung
(LOX)
- 31
- Gasphasenabscheider
- 32
- Fühler
- 33
- Leitung
(GOX)