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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Blaslanze, die in Metallherstellungsprozessen verwendet wird, genauer gesagt auf eine Lanze, die in einem Prozess namens „Vorfrischen“ zum Erhalt von Stahl verwendet wird, die so entwickelt wurde, dass sie die Betriebsbedingungen für das Beladen und Blasen aufrecht erhält.
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Stand der Technik
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Blaslanzen werden größtenteils in der Hüttenindustrie zur Injektion von Gasen, vorwiegend Sauerstoff, in das Metallbad im Prozess zum Erhalt flüssiger Metalle verwendet. Es ist festzustellen, dass diese Lanzen neben Sauerstoff auch zur Injektion von anderen Gasen oder Gemischen von Gasen in den Herstellungsprozessen flüssiger Metalle verwendet werden können.
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Der Stahlherstellungsprozess nutzt Öfen, die erhöhte Temperaturen aufweisen, und die Injektion von Gasen fördert die Reinigung von Metallen für die Aktivitäten, für die sie bestimmt sind. Das Einführen von Brennbarem, insbesondere des Sauerstoffs, wird mittels einer Blaslanze durchgeführt, die mit dem Ziel in das Innere des Ofens eingeführt wird, näher an die Badoberfläche heranzukommen, um so die Reaktionsgeschwindigkeit zu beschleunigen, wobei sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt bleibt. Der Gasinjektionsprozess wiederum löst eine Bewegung des flüssigen Metalls aus, das sich nach oben bewegen und an der Lanzenoberfläche sowie den Ofenwänden fest werden und ebenso aus dem Ofen ausgeworfen werden kann.
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Zum Erhalt einer Blaslanze mit einer längeren Lebensdauer muss sie, sobald sie erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird, was ihre Lebensdauer verringert, gekühlt werden, wie in diesem Fall beispielsweise durch Wasserzirkulation. Die Temperatur auf der Lanzenaußenseite ist erhöht und viel höher als die Wassersiedehitze. Ist das hergestellte Metall Stahl, übersteigt die Temperatur 1.700 °C, und in einigen Fällen kann es vorkommen, dass die Lanze in den Emulsionskern eintaucht, ein Gemisch, bestehend aus einem Metallbad, Verbrennungsgasen, brennbaren Gasen und Schlacke, welche das flüssige Nebenprodukt des Frischens des Metallbades ist.
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Aus diesem Grund verfügen die Sauerstoff-Blaslanzen nach dem Stand der Technik normalerweise über ein internes Kühlsystem, um die Lanzenkörpertemperatur niedrig genug zu halten, dass die Bedingungen des Frischens aufrechterhalten werden, ohne dass es zum Erweichen und sogar Schmelzen ihrer Bestandteile kommt. Die üblicherweise verwendete Kühlflüssigkeit ist Wasser, das in der Lanze unter Verwendung von Pumpen zirkuliert. So führt das Kühlsystem durch das in seinem Inneren zirkulierende Wasser einen Wärmeaustausch zwischen dem Lanzenkörper, der in der Regel aus Stahl gefertigt ist, und dem flüssigen Metall, das in dem Ofen verarbeitet wird, durch. Die Wasserzirkulation kann sich unter Erhöhung ihres Siedepunktes verändern. Da der Schmelzpunkt von Stahl, dem Material, aus dem die Lanze normalerweise hergestellt ist, relativ hoch ist, verleiht dies dem Lanzenkörper eine gute Stabilität bei hohen Temperaturen.
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Das untere Ende der Lanze, die Düse, ist normalerweise aus Kupfer gefertigt, da dieses Metall über einen hohen Wärmedurchgangskoeffizienten verfügt, wodurch die Wärme, die an ihrer Oberfläche ankommt, unmittelbar auf die Kühlflüssigkeit übertragen wird. Trotz des niedrigen Schmelzpunktes von Kupfer erschwert die Wirksamkeit des Wärmeaustauschs mit der Kühlflüssigkeit sein Schmelzen bei den erhöhten Temperaturen des Stahlherstellungsprozesses.
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Das Flüssigkeitsbad bei der Verarbeitung im Ofen ist in zwei verschiedene Volumen eingeteilt, von denen der eine Teil Schlacke mit geringerer Dichte, Ergebnis dieses Metallreinigungsprozesses, und das gefrischte metallische Material, in diesem Fall Stahl, mit höherer Dichte ist. Wegen der unterschiedlichen Dichten wird sich wahrscheinlich der flüssige Stahl am Boden absetzen und Schlacke zurückbleiben, wenn das Blasen unterbrochen wird. Während des Blasens bilden sich Auswürflinge (Spritzer und Spratzen) von Schlacke und Stahl über der Lanzenkörperoberfläche. Daher leidet beim Stoßen gegen die Lanzenkörperoberfläche das Material unter den Wärmeaustauschwirkungen, und da die Grenzen niedriger als die Verfestigungstemperaturen von Metall und Schlacke sind, bleiben beide, der Metallrest und die Schlacke, an der Lanzenaußenseite kleben. Mit jedem Blaszyklus steigt die Dicke des Materials, wodurch eine als „Krätze“ bekannte Materialanhäufung gebildet wird. „Krätze“ ist ein verfestigtes Gemisch aus Stahl, Schlacke und anderen Elementen in geringerer Menge.
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Die „Krätze“ klebt auch weiter an den oberen Regionen des Ofens, die normalerweise aufgrund des Kontaktabstandes zu dem geblasenen Sauerstoff kälter sind. In diesem Fall kann es in Folge der Krätzebildung vorkommen, dass sich die als „Mund“ des Ofens bekannte Region schrittweise schließt, was es schwierig macht, vor Beginn des Prozesses Rohmaterialien zu laden, und in extremen Fällen kann es zu einer Verschiebung des Schwerpunktes des Ofens kommen. Zum Verständnis, die Öfen verfügen über ein System, welches ermöglicht, dass sie in Stellungen aus der Vertikalen geneigt oder gedreht werden können, was die Vorgänge der Rohmaterialbeladung, insbesondere von flüssigem Roheisen und Alteisen, sowie die Durchführung der Auslaufvorgänge von flüssigem Metall, Stahl und Schlacke erleichtert.
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Der „Mund“ des Ofens ist die Region mit einer Kegelstumpfform in der oberen Region. Das schrittweise Verschließen durch die Krätzeanhäufung verringert ihren Durchgangsbereich, und dies wirkt sich negativ auf die Prozesszeiten aus. Während der Altmetallbeladung erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, dass es zum „Versperren“ oder der Anhäufung von Altmetall im „Mund“ des Ofens kommt, weil es schwierig ist, dies in den Ofen einzubringen. Um dieses Problem zu lösen, sind aufeinanderfolgende Manöver mit der Rollbrücke notwendig, was zu Verlusten bei der Prozesszeit führt. Während der Beladung mit flüssigem Roheisen verursacht das Schließen des Mundes das Auslaufen von flüssigem Material aus dem Ofen, was zu einer Erhöhung des Metallverlustes oder der Metallausbeute des Prozesses führt. Diese Verzögerungen und Verluste gefährden die Stahltagesproduktion und müssen vermieden werden, da die Herstellungskosten mit Stillstand der Ausrüstung und Verlusten von metallischem Material steigen.
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Kommt es zu Krätze an den Lanzen, ist es in der Praxis üblich, diese gegen andere ordnungsgemäß gereinigte und präparierte Lanzen auszutauschen, während die Lanze mit Krätze gewartet wird. Dies erfordert zwangsläufig, dass ein Lager für Ersatzlanzen existiert, was wiederum eine Erhöhung der Herstellungskosten darstellt.
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Zum Reinigen des Ofenmundes ist es in der herkömmlichen Praxis erforderlich, den Herstellungsprozess komplett zu stoppen, so dass der Ofen in eine Stellung geneigt werden kann, welche die Nutzung mechanischer „Rammböcke“ oder das manuelle Autogenbrennschneiden zur Materialentfernung (Krätze) ermöglicht. Diese Ofenstopppraxis gefährdet die Ofentagesproduktion wesentlich. Vor kurzem wurden Kupferdüsen speziell zur Reinigung des „Mundes“ entwickelt, um die Herstellungsverluste zu verringern. Diese Lanzen sind so gestaltet, dass ein horizontaler Sauerstofffluss erreicht wird. Die Löcher sind um die gesamte Düse angeordnet, damit der gesamte „Mund“-Umfang getroffen wird. Um das Reinigen zu maximieren, wird die Lanze von der äußersten Region des „Mundes“ zu der Region des Stahlausflusskanals bewegt, wodurch Zyklen zwischen diesen beiden Enden ausgeführt werden. Trotz der Leichtigkeit und Vorteile dieser Praxis hat sie noch immer keine Bedeutung für die erzeugten Tagesvolumina, da es, auch wenn sie eine Praxis ist, die die Mundreinigungszeit reduziert, zur Erfüllung dieser Aufgabe noch immer notwendig ist, den Herstellungszyklus zu stoppen. Es ist eine allgemeine Anforderung, eine Lanze zu erhalten, die die Funktionen des Frischens ohne die Bildung von Krätze weder auf dem Lanzenkörper noch auf dem Ofenkörper ausübt.
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Eine Lanze mit Kühlsystem des Standes der Technik ist im Nordamerikanischen Patent
US 5,350,158 zu finden. Die betreffende Lanze nutzt mehrere konzentrische Rohre mit unterschiedlichen Durchmessern, die ein Kühlsystem im Inneren der Lanze bilden. Ein Kühlfluid zirkuliert in den betreffenden Rohren derart, dass es Wärme aufnimmt. Um diesen Wärmeaustausch zu erhöhen, werden Innenkühlrippen verwendet, die mit der Außenwand eines Innenrohres und dem benannten Kühlfluid in Kontakt stehen. Auch bei dieser Vorrichtung haftet jedoch bei der Verwendung der Lanze „Krätze“ an ihrer Außenfläche, da ihre Oberfläche nicht die notwendige Charakteristik zur Vermeidung des Verschmelzens oder Abfallens des auf diese treffenden Materials zeigt.
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Die Nordamerikanischen Patente
US 6,440,356 ,
US 6,673,305 und
US 6,773,659 sehen ein ähnliches Kühlsystem mit konzentrischen Stahlrohren vor, die den Wärmeaustausch ermöglichen. In den oben erwähnten Dokumenten ist keine Art von Innenkühlrippen beschrieben, die bei der Wärmübertragung zwischen dem Kühlfluid und dem Lanzenkörper behilflich sind. Es wird eine Innenspirale beschrieben, die die Verteilung der/des in den Metallerhaltungsprozess gespeisten Luft/Brennbaren unterstützt, wobei das Kühlfluid in der Spirale zirkuliert. Die Nordamerikanischen Patente
US 6,673,305 und
US 6,773,659 beschreiben eine Lanze, deren unteres Ende aus Kupfer ist.
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Weitere bekannte Blaslanzen sind in der
US 3 833 209 A , in der
GB 1 009 327 A sowie in der
WO 92/ 07 965 A1 beschrieben.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Blaslanze zur Metallherstellung. Diese Lanze besteht aus einer Einheit konzentrischer runder Rohre, üblicherweise aus Stahl gefertigt, die in ihrem Oberteil eine Stelle für den Einlass von Gasen und den Einlass und Auslass für die Kühlflüssigkeit aufweist, In ihrem Unterteil weist sie Auslässe für die Gase auf, die in das Bad injiziert werden.
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Das Format des Unterteils der Lanze ist konisch und aus Kupfer gefertigt, was das Lösen von anhaftender „Krätze“ erleichtert. Außerdem sind im Inneren des konischen Unterteils Kühlrippen spiralförmig angeordnet, deren Hauptfunktion die Erhöhung der Wärmeaustauscheffizienz zwischen den Rohrwänden und der Kühlflüssigkeit ist.
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Zwischen dem Ober- und Unterteil sind Gasauslässe entlang des Rohraußenumfangs bei einer bestimmten Länge mit unterschiedlichen Winkeln und Ausmaßen verteilt. In Abhängigkeit der Ausmaße des Ofens können an verschiedenen Längen der Lanze mehrere Sätze von Gasauslässen platziert werden. Die Funktion dieser Gasauslässe ist, zu verhindern, dass sich weder in der Mundregion des Ofens noch in der Rohrregion über den Auslässen „Krätze“-Anhaftungen bilden. Durch diese Auslässe für brennbares Gas reagiert der Sauerstoff mit dem Metallvorfrischgas, das reich an Kohlenmonoxid ist. Diese Reaktion ist als Nachbrennen bekannt und erzeugt Wärme, was die Temperatur in der „Mund“-Region und im Unterteil der Lanze erhöht, was das Anhaften des Frischmaterials erschwert, das flüssig bleibt und in den Kern der Emulsion zurückkehrt.
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Figurenliste
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Die vorliegende Erfindung wird nachstehend basierend auf einem Ausführungsbeispiel genau beschrieben, das in den aufgelisteten Figuren wie folgt dargestellt ist:
- 1 ist eine Schnittansicht der Lanze in Betriebsstellung in dem Ofen.
- 2 ist eine Schnittansicht der Lanze.
- 3 ist eine Vorderansicht der Lanzenauslasseinheit, die zum Reinigen den „Mundes“ und Oberteilsauberhaltung vorgesehen ist.
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Ausführliche Beschreibung der Figuren
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1 ist eine Ansicht der Lanzeneinheit (100), die im Inneren eines Ofens zur Stahlproduktion positioniert ist. Diese Einheit besteht aus einer Kupferdüse (101), welche an ihrem Ende die Sauerstoffauslässe in einer unterschiedlichen Anzahl von Löchern aufweist, und dem konischen Rohr (102) mit Innenkühlrippen aus Kupfer. Die Länge des konischen Rohrs (102), ebenso wie seine Konizität hängt von den Produkten und der Prozesscharakteristik jedes Ofens ab. Allgemein gilt, je größer das Fassungsvermögen des Ofens, um so größer wird die Länge der konischen Region sein, die beim Positionieren der Auslässe verliehen wird, die die Lanze am Oberteil und „Mund“ des Ofens reinigen werden. Die Konizität wird in Funktion der Schlackevolumen bemessen, wobei allgemein gilt, je größer das Schlackevolumen, um so geringer die Lanzenkonizität. Über dem konischen Rohr (102) befindet sich die Einheit der Reinigungsgasauslässe (103), deren Menge und Ausmaße in Abhängigkeit der Prozessanforderungen bezogen auf die Reinigung des „Mundes“ (105) oder die Reinigung des zylindrischen Oberteils der Lanze (106) oder beides oder die Ofenmaße (104) variieren. Die Größe der Reinigungsgasauslässe kann von Schallgeschwindigkeit bis Überschallgeschwindigkeit variieren, wobei die Schallgeschwindigkeit für das Nachbrennen bei kurzen Distanzen ist, wodurch das Lanzenoberteil bei höheren Temperaturen gehalten wird, und die Überschallgeschwindigkeit für das Nachbrennen bei langen Distanzen ist, wodurch die „Mund“-Region des Ofens erwärmt bleibt, was das Anhaften der „Krätze“ verhindert. Die Ofenmaße bestimmen die Menge an Auslässen, wobei eine angemessene Verteilung das einheitliche Reinigen am „Mund“-Umfang fördert. Über den Reinigungsauslässen (103) befindet sich das zylindrische Lanzenoberteil (106) aus Stahl. Am oberen Ende befindet sich der Lanzenkopf (107), dessen Zweck es ist, den Einlass von Gasen und den Einlass und Auslass der Kühlflüssigkeit zu unterstützen.
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Außerdem ist in 1 ein Metallurgie-Ofen (104) dargestellt, der eine metallische Außenwand, den Rumpf (108), aufweist, der einen am Oberteil offenen Behälter, den Mund des Ofens (105), bildet. Der Metallurgie-Ofen ist innen mit einer feuerfesten Wand (109) ausgekleidet, damit das flüssige Metall bei den in den Prozessen entwickelten Temperaturen gehalten wird.
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Während des Stahlherstellungsprozesses dringen drei Phasen in das Innere des Ofens (104) ein, die durch die von den Kupferdüsenlöchern (101) verursachte Bewegung gemischt werden. Die Phasen sind: flüssiges Metall oder Bad (110), Schlacke (111) und Gase (112). Die verfestigten Auswürflinge dieser Elemente an der Wand in der „Mund“-Region des Ofens (105) bilden die sogenannte Krätze (119).
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Am Oberteil des Ofens (104) ist eine Entstaubungsleitung (113) mit einer Seitenöffnung (114) installiert, durch die die Lanze (100) in den Ofen (104) bewegt und nach der Bearbeitung der Charge entfernt werden kann.
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An der Stelle der Badbearbeitung (110) in dem Ofen (104) muss die Lanze um einen angemessenen Abstand von dem Bad (110) vorgeschoben werden, so dass der Sauerstoffstrahl, der aus der Kupferdüse (101) kommt, das notwendige Mischen derart unterstützen kann, dass die Reaktion stattfindet. Während des Prozesses bilden die drei gemischten Phasen eine Emulsion, die einen Teil des Lanzenkörpers (100) bedeckt, wodurch er erhöhten Temperaturen ausgesetzt wird. Diese Emulsion schleudert Badpartikel (110) und Schlacke (111), die an der Lanze (100) und am Ofen-„Mund“ (105) in Form von „Krätze“ (119) haften können, weg.
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Wie in 2 zu sehen, umfasst die Lanze (100) einen Einlass (115) für Kühlflüssigkeit, einen Einlass für Gas (116) und einen Auslass für Kühlflüssigkeit (117), die sich alle am Lanzenoberteil und am Kopf (107) befinden. Mittels der Zirkulation der Kühlflüssigkeit wird die Lanzenwärme entfernt (100), was ihre Lebensdauer erhöht. Zwischen der Kupferdüse (101) und dem Stahlrohr (118) ist das konische Rohr (102) installiert, wobei sein kleinerer Durchmesser an das Ende (101) geschweißt ist. Die konische Form des Rohrs (102) begünstigt das Lösen des anhaftenden Gemisches, da es keinen Gegensatz zur Anziehungskraft gibt. So wird das anhaftende Gemisch aus dem flüssigen Metall des Bades (110) und Schlacke (111) (Krätze) durch die Wirkung seines eigenen Gewichtes gelöst. Überdies verhindert die Geschwindigkeitsdifferenz bei der Wärmeschrumpfung das Anhaften des Gemisches am konischen Rohr (102). In der vorliegenden Erfindung führt die in der Region des konischen Rohres (102) geförderte Erhöhung des Wärmeentzugs zu einer schnellen Schrumpfung des während der Verfestigung angehafteten Materials. Auf diese Weise bricht die gebildete Krätze (119) und fällt aufgrund der Anziehungskraft ab. Neben der konischen Geometrie des Rohres (102) sieht die vorliegende Erfindung den Einsatz von Kupfer bei der Herstellung des konischen Rohres (102) vor, während im Stand der Technik ein Stahlrohr mit zylindrischer Geometrie verwendet wird. Die Vorteile der Verwendung von Kupfer liegen in der Tatsache, dass dieses Metall eine um das 5-fache höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl und auch einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist, was zunächst widersprüchlich scheinen mag, da Kupfer viel früher schmelzen würde als Stahl. Die von dem konischen Rohr (102) der vorliegenden Erfindung aufgenommene Wärme wird jedoch rasch auf die Kühlflüssigkeit übertragen, wodurch die Schmelztemperatur von Kupfer nicht erreicht wird, was verhindert, dass eine dünne Schicht des Gemisches (Krätze) (119) haften bleibt. Außerdem ist Kupfer in der Ofenatmosphäre chemisch stabil, was unerwünschte Reaktionen minimiert.
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3 zeigt die Region der Reinigungsauslässe (103). Zum Zwecke der Mundreinigung (105) werden die Reinigungsauslässe (103) unter Berücksichtigung des Krätze-bildenden Profils (119) jedes Ofens bestimmt. Die Öfen sind in der Regel an Zapfen aufgehängt, die die Drehung um ihre Achsen ermöglichen. Die Neigungsrichtung bestimmt zwei Grundoperationen: das Badauslaufen (110) durch den Auslaufkanal (121) und das Schlackeauslaufen (112) in die entgegengesetzte Richtung. In Abhängigkeit des Durchlaufs dieser Materialien nimmt die Krätzebildung (119) des Mundes (105) verschiedene Profile an. Die Reinigungsauslässe (103) ragen derart vor, dass sie Regionen mit einer Anhäufung von Krätze (119) erreichen, nicht aber die gereinigten Regionen mit den erkennbaren feuerfesten Materialien (109), was zur Verlängerung der Ofenreise (104) beiträgt. Bei der Bemessung der Reinigungsauslässe wird der Abstand der Lanze (100) zum Ofen (104) sowie die Winkelkompensation unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit der aufsteigenden Gase (112), die aus den Reaktionen mit dem metallischen Bad (110) stammen, erwogen. Die Möglichkeiten oder Arbeitswinkel an den Reinigungsauslässen (103), während sich die Lanze (100) in dem Ofen (104) bewegt, variieren 170° bezogen auf die vertikale Linie, was einen Mindestwinkel von 10° zur vertikalen Linie in der Badrichtung und einen Mindestwinkel von 0° zur vertikalen Linie in Richtung des Lanzenkopfes (107) ermöglicht. Zu diesem Zweck haben die Reinigungsauslässe (103) Überschall-Charakter, welcher das Erreichen der Regionen von Interesse ermöglicht. Ist der Zweck jedoch das Sauberhalten des zylindrischen Stahlrohres (118), das sich über dem konischen Rohr (102) befindet, sind die Reinigungsauslässe (103) für geringe oder Schallgeschwindigkeiten ausgelegt, was einen Temperaturanstieg nahe den oberen Regionen der Lanze (100) verursacht.
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2 zeigt die Lanzenbaueinheit (100), die an der Basis eine Kupferdüse (101) aufweist, die durch den äußeren und unteren Abschnitt an das konische Rohr (102) angeschlossen wird. Danach wird das Modul mit den Reinigungsauslässen (103) eingeführt. Über diesem Modul befindet sich das Stahlrohr (118), und an seinem oberen Ende befindet sich der Kopf (107), der den Kühlflüssigkeitseinlass (115), Gaseinlass (116) und Kühlflüssigkeitsauslass (117) umfasst. In der Lanze (100), wie in 3 zu sehen, sind zwei weitere Rohre gezeigt: das Innenrohr (122), vorgesehen für den Gasdurchlauf, und das Zwischenrohr (123), vorgesehen für die Teilung zwischen dem Kühlflüssigkeitseinlassstrom und seinem Auslass, der zwangsläufig die Kupferdüse (101) durchläuft. Die Rohre, Innenrohr (122) und Zwischenrohr (123), müssen nicht aus Kupfer sein, da sie nicht in direktem Kontakt mit der Außenatmosphäre stehen. Diese Teile werden fest zusammengebaut. Zwischen dem Zwischenrohr (123) und dem konischen Rohr (102) sind spiralförmige Kühlrippen (124) eingeführt. Die spiralförmigen Kühlrippen dienen der Maximierung des Wärmeaustauschs am konischen Kupferrohr (102), wobei die Anzahl der Kühlrippen sowie der Bildungswinkel der Helikoide variabel bemessen werden können. Im Herstellungs- und Aufbauprozess können die spiralförmigen Kühlrippen direkt an der Außenwand des Zwischenrohrs (123) oder an der Innenwand des konischen Rohrs (102) ausgebildet werden.
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Die Reinigungsauslässe (103) sind in einem Kupfermodul (125) verteilt. Die von der Lanzenkühlung (100) genutzte Flüssigkeit weist in der Regel eine Wirbelströmung auf, da sie ausreichend schnell sein muss, damit sie in den Leitungen nicht bis zum Kochen erwärmt wird. Zu diesem Zweck ist das Kupfermodul (125) so gestaltet, dass es den freien Durchlauf der Kühlflüssigkeit in beide Richtungen ohne Verluste für die Strömung und Drücke ermöglicht, die für das Betriebsverhalten notwendig sind.
