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Verfahren und Vorrichtung zum Frischen von Eisenschmelzen
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Die Erfindung betrifft
ein Verfahren und die zur Ausübung erforderliche Vorrichtung zum Frischen von Eisenschmelzen
durch Aufblasen des Frischgases in mehreren auf einem Kegelmantel verlaufenden Teilströmen
auf die Schmelzbadoberfläche eines metallurgischen Gefäßes, insbesondere eines Stahlwerkskonverters,
Herdofens oder dgl.
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Bei den metallurgischen Prozessen des Frischens von Eisenschmelzen
hat sich als günstig erwiesen, eine zusätzliche Bewegung vorzusehen, um während
des Blasens die Schmelze zu durchmischen. In einem drehenden Gefäß, dem sogenannten
Kaldo-Konverter gelangen Schmelzenteile aus tiefen Zonen an die Oberfläche, wodurch
insbesondere der Effekt eines niedrigen Stickstoffendgehaltes zu erzielen ist. Zwar
wird dieser Vorteil mit einem verhältnismäßig großem Aufwand erzielt. Bei wachsenden
Gefäßen werden die Probleme immer schwieriger, den Konverter zu lagern und noch
schwieriger, das Gefäß drehbar aufzunehmen. Alle metallurgischen Öfen
sind aber auch nfeht drehbar gelagert, so daß die Vorteile des Kaldo-Verfahrens,
beispielsweise nicht bei'Siemens-Martin-Öfen, genutzt werden können.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich deshalb nicht mit einem
drehbaren Gefäß, sondern ausschließlich mit dem Vorgang des Aufblasens von
Sauerstoff auf die Schmelzbadaberfläche. Dafür sind die erforderlichen Vorrichtungen
weitaus einfacher und der zu treibende Aufwand ist geringer.
Die
Stahlerzeugung nach dem Sauerstoff-Aufblasverfahren hängt von vielen Gesichtspunkten
ab. Im wesentlichen jedoch sind die Strömungsverhältnisse und der StoffüberT gang
zu beachten. Die Vorgänge beim Eindringen in das Schmelzbad in Verbindung mit dem
Wärme- und Stoffübergang sind äußerst verwickelt. Von_ wesentlicher Bedeutung ist
zunächst die Kraft des Sauerstoffstrahls, der entweder nur eine schwache Wölbung
auf der Badoberfläche verursacht oder aber bis zu einem tiefen Krater reichen kann.
In jedem Fall beginnt die Reaktion bei genügender Versorgung der das Bad bedeckenden
Schlack+it Sauerstoff bzw. nach Freilegen des Bades durch Abdrängen der Schlacke
derart, daß eine Strömung von außen nach unten über innen nach oben zur Brennfleckzone
hin verläuft. Der Grenzbereich zwischen Gas und flüssiger Schmelze ist gekennzeichnet
durch das Aufsteigen zahlreicher Gasbläschen und Flüssigkeitströpfchen. Je nach
vorhandener Energie treten Tröpfchen und Gasblasen in entsprechend größerer Anzahl
oder auch veränderlicher Größe auf. Diese Zone ist jedenfalls von größter Intensität
und die Vorgänge laufen sehr rasch ab, was aber im Hinblick auf gewisse notwendige
Reaktionszeiten im molekularen Bereich nicht immer erwünscht und günstig sein kann.
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Bei großen Badoberflächen, wie dies bei den heutigen Großgefäßen gegeben
ist, tritt deshalb das Problem auf, in den Brennfleckzonen eine äußerst große Stärke
des Reaktionsablaufes hinnehmen zu müsssen, jedoch die anderen Flächenteile unversorgt
zu lassen, so daß diese darauf angewiesen sind, den Anstoß von den benachbarten
Bereichen zu erhalten. Der Reaktionsablauf ist damit an verschiedenen Stellen der
Badoberfläche ungleichmäßig und vor allen Dingen ungleichmäßig schnell. Daraus entstehen
verschiedene chemische Abläufe, die zu einer verminderten Qualität des Produktes
fUhren.
Die vorliegende Erfindung geht deshalb davon aus, daß für
große Badoberflächen die örtliche Überhitzung einen zwar raschen Prozeßablauf in
gewissen Bereichen sichert, jedoch andere Bereiche unberücksichtigt läßt und vor
allen Dingen an den intensiven Stellen damit keine Vorteile verbunden sind. Beispielsweise
hat man festgestellt, daß bei Überhitzung einer einzelnen Zone bei Vorhandensein
eines großen Blasstromquerschnittes die Entkohlungsbedingungen schlechter werden.
Insbesondere tritt an überhitzten Stellen eine größere Menge von Teilen aus, die
später den unerwünschten rotbraunen Rauch in seiner Menge erhöhen.
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Der Stand der Technik weist ein bekanntes Verfahren auf (DAS 1 064
969), nach dem die Blaslanze mit einem abgeknickten Teil in Rotation versetzt wird.
Die Schrägstellung dieser Kreisbahn bewirkt ein Heben und Senken des Düsenkopfes,
wodurch der Blasstrom periodisch die Schmelzbadoberfläche bzw. die Schlackenschicht
trifft. Die Beseitigung der oben angeführten Schwierigkeiten kann jedoch deshalb
damit nicht verbunden sein, weil auch hier die örtliche Beaufschlagung des Blasstrahles
so stark intensiviert ist, daß mit der Überhitzung dieser Zone gerechnet werden
muß.
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Nach einem anderen bekannten Verfahren (österreichische Patentschrift
174 388) wird vorgeschlagen, daß auf die Schmelze zu Beginn des Prozesses, wenn
diese noch dickflüssig ist, ein kräftiger, auf eine kleine
Reaktionsfläche
einwirkender Strahl gerichtet wird, mit zunehmender Verflüssigung der Schlacke jedoch
die Reaktionsfläche vergrößert und gegebenenfalls gegen das Ende des.Prozesses.die
Reaktionsfläche abermals verkleinert wird. Dazu muß der Strahl des Sauerstoffes
in Teilströme zerlegt werden, so daß jeder Teilstrom-e-inen Bereich des Bades trifft.
Mehr oder weniger beinhaltet diese Lösung lediglich,ein radiales Verschwenken eines
Sauerstoffteilstromea über der Badoberfläche an mehreren Stellen durchzuführen.
Wenn auch damit eine gewisse Vergleichmäßigung der Energiezufuhr hervorgerufen wird,
so sind doch noch genügend überhitzte Zonen vorhanden, weil gemäß des bekannten
Vorschlages in den einzelnen Blaszeitabschnitten ein Verharren des Sauerstoffstrahles
über der ihm zugeordneten Stelle vorausgesetzt wird. Auch hier ist also eine nahezu-vollständige
Vergleichmäßigung des Beblasens der Badoberfläche nicht gewährleistet.
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Die vorliegende Erfindung hat sich deshalb zur Aufgabe gestellt, hierzu
eine Verbesserung vorzuschlagen, die den Reaktionsablauf nicht an einzelnen Stellen
stark intensiviert, sondern von Höhepunkten der Energiezufuhr absieht, um damit
eine verteilte Energiezufuhr sowohl flächenmäßig als auch zeitlich zu gewährleisten.
Besonderes Gewicht ist dabei auf die Abstimmung der Faktoren Zeit und Fläche sowie
der pro Zeiteinheit zugeführten Menge des Blassauerstoffes gelegt.-Die Lehre der
Erfindung besteht nunmehr darin, daß mehrere, etwa mittig zwischen Badmitte und
Ofenwandung aut'tz,effende Gasstrahlen auf einer zur
Blaslanzenachse
konzentrischen Bahn in einer Drehschwingung jeweils soweit gedreht Werden,
daß
der Abstandsbogen zwischen zwei benachbarten Brennfleckzonen fortwährend überstrichen
wird. Die Einleitung des metallurgischen Prozesses läuft nunmehr an allen Stellen
derart gleichmäßig ab, daß eine Nachlieferung von Sauerstoff aus Tier Schlacke an
das Bad-in höherem Maße als bisher möglich wird und ferner daß aus der Ofenatmosphäre
an die Schlacke ein reichhaltigeres Angebot an Frischgas zur Verfügung gestellt
wird. Dadurch werden örtlich überhitzte Zonen vermieden und der Vorgang kommt keineswegs
dabei langsamer in Gang. Vielmehr erfolgt eine zeitliche Verschiebung der einzelnen
Phasen des Prozesses. Während im Anfang eine geringfügige Verzögerung eintritt,
die sich jedoch.nur vorteilhaft auswirkt, weil dadurch besonders günstige Bedingungen
für den chemischen Prozeß geschaffen werden, indem genügend Zeit für Verbindungs-
und Entmischungsvorgänge gegeben ist, kann diese Verzögerung später leicht ausgeglichen
werden, weil nunmehr der Prozeßablauf auf der ganzen Fläche gleichmäßig vonstatten
geht. Bei abnehmendem Blasstromquerschnitt verbessern sich auch die Entkohlungsbedingungen
grundlegend. Die nachteilige Überhitzung des Stahles wird vermieden und damit auch
die Menge des rotbraunen Rauches vermindert. Die Folge davon ist eine Entlastung
der Abgasverwertungsanlagen, d.h. es sind weitere günstige Auswirkungen auf
die nachfolgenden Anlagenteile eines Kontverterblasstandes zu verzeichnen.
Für
eine besonders günstige, kurze Drehschwingungsbewegung ist nach der weiteren Erfindung
vorgesehen, daß eine 3-Loch-Blasdüse um einen Drehschwingungswinkel von weniger
als 120 o bewegt wird. Dadurch entstehen vorteilhafte Bedingungen der Mechanik,
da die Anschlußteile bei derartigen Drehschwingungsteilen einem verhältnismäßig
großen Verschleiß unterworfen sein könnten. Eine ausreichende Intensität in Zonen,
die den Umwälzvorgang beginnen sollen, wird dabei dadurch erzielt, daß an den Drehschwingungsumkehrpunkten
einen kurzen Zeitraum länger verharrt wird, wie dies durch die Geschwindigkeitsänderungen
bedingt ist. Gerade dieses Prinzip eignet sich in vorliegendem Fall sehr gut, um
einesteils eine Überhitzung zu vermeiden, andernteils aber genügend Energie in einer
Anfangszone zuzuführen. _ Die Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet,daß am oberen Ende der Blaslanze ein Drehanschluß
zwischen Lanzenrohr und den Betriebsmittelschläuchen vorgesehen ist. Die Verlegung
der Dreh-Dichtfläche in eine horizontale Ebene ist günstig für die gegebene Drehschwingungsbewegung,
so daß keine Nachteile auf irgendwelche Anlagenelemente zu befürchten sind und auch
der Vorrichtung eine große Lebensdauer zugesichert werden kann.
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Während nach dem vorstehenden Vorschlag zur Ausbildung der Vorrichtung
jede an und für sich bekannte Einrichtung zum Erzeugen einer Drehschwingung benutzt
werden kann unter Hinzufügung des erfindungsgemäßen Merkmals,
liegt
eine weitere erfinderische Maßnahme als Vorschlag für eine zweckmäßige Vorrichtung
zur Durchführung des Verfahrens darin, daß im Bereich vor dem Gefäßeintritt ein
Drehschwingungsantrieb vorgesehen ist, an den die Blaslanze mit ihrem Schaft drehfest
anschließbar ist. Diese Maßnahme beinhaltet im wesentlichen also die Auswechselbarkeit
einer Blaslanze bezüglich des Drehsehwingungsantriebes, um in kurzen Zeitabständen
eine neue Blaslanze montieren zu können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der Beschreibung
zur Zeichnung hervor, die die erfindungsgemäße Vorrichtung schematisch zeigt und
wie folgt aufgegliedert ist: Fig. 1 stellt eine Draufsicht auf das Schmelzbad eines
Stahlwerkskonverters dar mit dem erfindungsgemäßen Drehauschluß der Betriebsmittelzuführung.
Das Konvertergefäß ist horizontal in aufrechter Stellung geschnitten.
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Fig. 2 zeigt einen senkrechten Schnitt durch die erfindungsgemäße
Vorrichtung des Drehschwingungsantriebs zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Fig. 3 ist ein horizontaler Schnitt III-III gemäß der Angabe aus Figur
2 durch den Drehsehwingungsantrieb.
Der Konverter 1 enthält das
Roheisenbad 2, das mittels der Sauerstoffblaslanze 3 gefrischt wird. Zu diesem Zweck
befinden sich am Düsenkopf 4- im Ausführungsbeispiel Düsen 5 im Winkelabstand von
je 12o0 (Fig. 1). Bei Stillstand der Blaslanze 3 würden demnach jeweils Brennflecke
6 bis 8 entstehen. Durch das erfindungsgemäße Drehschwingen der Blaslanze 3 überstreichen
die Düsen 5 jedoch den Bogen zwischen zwei Brennflecken, beispielsweise zwischen
6 und 8 bis etwa bei 9. Auf diese Weise erhält die gesamte Umfangslinie 10 beständig
Sauerstoff zugeführt. Das Schmelzbad wird dadurch weniger erhitzt, sondern vielmehr
besser durchmischt. Es bilden sich über die ganze Schmelzbadfläche günstige Strömungen
aus, die die unteren Teile des Bades nach oben schwemmen und somit inniger mit der
Schlacke in Berührung bringen. Die Vorrichtung sieht dafür einen Drehanschluß 11
vor, wobei das Merkmal einer horizontalen Dichtfläche benutzt wird. Der Betriebsmittelschlauch
oder auch ein Bündel von Schläuchen 12 ist über eine Kupplung 13 drehverschlußseitig
angekuppelt und an der anderen Seite über eine ähnliche Kupplung 13 und einen entsprechenden
Durchhang 14 an einer Entnahmestelle 15 angeschlossen. Diese kann aus einer gerüstfesten
Stelle bestehen oder aus einer Kupplungsstelle eines sogenannten Blaslanzenwagens,
der auf einer Schienenbahn über dem Konverter oder einer Reihe von Konvertergefäßen
verfahrbar ist.
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Fig. 2 zeigt den Drehschwingungsantrieb 16 bestehend aus dem Stützgehäuse
17, auf dem der Bock für ein Getriebe 19 mit Motor 20 und Energieleitung 21 befestigt
ist.
Vom Getriebe 19 geht eine Antriebswelle 22 zur Kupplung 23, die die Drehschwingungsbewegung
vom Getriebe 19 auf die Blaslanze 3 überträgt. Hierzu ist entweder ein Umkehrgetriebe
in mechanischer Bauart im Getriebe 19 enthalten oder aber eine elektrische Schaltung
vorgesehen, falls ein Elektromotor den Antriebsmotor 20 bildet. Auch hydraulisch
kann eine solche Umkehrschaltung ausgebildet sein. Auch ist die Kupplung 23 vorteilhafterweise
ausrückbar gestaltet. Dies kann beispielsweise elektromechanisch gesteuert erfolgen.
Das Stützgehäuse 17 birgt in sich mehrere, beispielsweise drei Rollen 24, die verteilt
auf den Umfang des Schaftes 25 der Blaslanze 3 mittels Stangen 26 und Kolben 27
in horizontaler Richtung anstellbar sind. Sie werden so unter mechanischem oder
hydraulischem Druck gehalten, daß die Blaslanze sich leicht drehen kann aber doch
geführt ist.Der Schaft 25 kann durch eine verschleißfeste Auflage geschützt sein.
Die Rollen 24 können auch kegelig geformt sein, so daß sich, was eine besonders
günstige Ausbildung darstellt, das Lanzengewicht auf dem Konus lagern läßt. Es können
auch Paare solcher Rollengruppen angeordnet sein. Es ist auch möglich, diese Rollen
anzutreiben, wobei für jede Rolle ein Antrieb oder für alle gemeinsam ein solcher
vorgesehen ist. Die Einzelantriebe können auch reversierbar sein, genau so wie der
bereits beschriebene Antriebsmotor 21 oder das Getriebe 19.
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Nach einem weiteren erfinderischen Merkmal kann auch ein Zahnkranz
(nicht gezeichnet) auf dem Schaft 25 angeordnet sein. In diesem Fall greifen die
Rollen 24 als Zahnräder ein, die zylindrisch gehalten sind. Man
kann
aber auch beide Antriebe -Rollen und Zahnräder r kombinieren.
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Das gesamte Stützgehäuse 17 mit dem Getriebe 19 und Motor 20 ist um
eine senkrechte Achse 28 drehbar über gehäusefeste Lager 29 gelagert. Letztere können
an einem hallengerüstfesten Teil 30 höhenverstellbar,wie durch den Pfeil 31 angedeutet
)geführt sein. Sie sind im vorliegenden Fall Teil eines Blaslanzenwagens 32. Die
durch den Pfeil 33 angezeigte Schwenkbarkeit des Stützgehäuses 17 läßt sich durch
eine Bremse unterbrechen. Vorteilhafterweise besteht die Brenlse@ aus einer Kombination
zwischen einem Elektromotor 35 und einer Konusbremse. Mit dem Ausschalten des Elektromotors
ist gleichzeitig der Einfall der Bremse verbunden. _ Die Schwenkbarken gestattet
(Fig. 3) nach Zurückziehen der drei Kolben 27 das Wegziehen des Drehschwingungsantriebes
16 vom Lanzenschaft 25, wonach die Blaslanze 3 mittels eines nicht dargestellten
Hebezeuges abgezogen wird und durch eine neue ersetzt werden kann. Zum Schwenken
ist ein Kolbentriebwerk 36 vorgesehen, das ebenfalls an der senkrechten Führung
37 gelenkig angebracht ist. Das Ausschwenken des Drehschwingungsantriebes 16 geschieht
in der Pfeilrichtung 38.
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Nach einem weiteren günstigen Merkmal ist ein Schlitz 39 im Stützgehäuse
17 vorgesehen, der durch die in Anschlagstellung gefahrenen Rollen oder Zahnräder
24 verengt wird.
Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung
in vielen Variationen aufgebaut werden kann. So ist es beispielsweise auch möglich,
die Blaslanze 3 nach oben völlig frei herausziehbar zu machen, also den Antriebsmotor
20 mit Getriebe 19 seitlich anzuordnen, wobei ein Winkelgetriebe angesetzt wird.