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Die Erfindung betrifft eine Lanze zum Einleiten von Gasen in geschmolzenes
Material bei hohen Temperaturen, beispielsweise zur Verwendung im Stahlkonverter,
deren Kühlung durch Zerstäuben einer Kühlflüssigkeit mittels des Behandlungsgases
innerhalb der Lanze erfolgt, mit einem die Anschlüsse für das Behandlungsgas und
die Kühlflüssigkeit aufweisenden Kopf und einem daran angeschlossenen Lanzenrohr.
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Das bei der Einführung von Gasen in Bäder aus geschmolzenem Metall
zu Zwecken der Raffination oder Konvertierung auftretende Hauptproblem besteht darin,
daß unabhängig von der Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch die Lanze der Wärmeübergang
vom Metallbad zur Lanze den möglichen Wärmeübergang von der Lanze zu dem Gasstrom
in ihrem Inneren weit übersteigt. Beispielsweise kann die einer Ofenatmosphäre von
13160 C ausgesetzte Lanze an der exponierten Oberfläche maximal 271 300 kcal/m2
aufnehmen, während die gleiche Lanze beim Eintauchen in ein Bad aus geschmolzenem
Kupfer bei 12040 C etwa 1 085200 bis 2 170400 kcal/m2 absorbieren kann. Diese enorme
Wärmeübergangsgeschwindigkeit in dem Metallbad ist auf die Tatsache zurückzuführen,
daß die Leitfähigkeit des geschmolzenen (flüssigen) Materials außerordentlich hoch
ist, und auch darauf, daß das Bad aus dem geschmolzenen Material um mindestens 55
bis 1100 C über seinen Schmelzpunkt erhitzt ist und daher eine beachtliche Wärmequelle
infolge der innerhalb des Bades vorliegenden starken Konvektionsströme darstellt.
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Andererseits liegen die bisher erzielbaren maximalen Wärmeübergangsgeschwindigkeiten
für die Konvektion zwischen der Lanzenwand und dem durch die Lanze strömenden Gas
bei Schall- oder sogar Überschallgeschwindigkeit des Gasstromes in der Größenordnung
von 71 390 bis 142780 kcal/m2.
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Es ist daher außerordentlich schwierig, selbst bei der größtmöglichen
Strömungsgeschwindigkeit des Gases durch die Lanze zu verhindern, daß die Lanzenwand
die Badtemperatur erreicht wegen der Begrenzung des Wärmeübergangskoeffizienten
durch Konvektion zwischen der Wand der Lanze und dem Gas. Demzufolge erreicht die
Lanze sehr schnell nach dem Einführen in das Bad aus dem geschmolzenen Material
die Temperatur des letzteren, und wegen der dabei auftretenden, durch das in das
Bad eingeführte Gas bewirkten starken Vibration bricht die Lanze sehr bald ab.
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Dieses Problem schien zunächst unlösbar zu sein, da bei Verwendung
einer Lanze mit nur einem durchströmenden Gas selbst die besten zur Verfügung stehenden
Qualitäten an rostfreien Stählen und Lanzenlegierungen bei der Temperatur der Bäder
der geschmolzenen Materialien (z. B. geschmolzener Stahl oder geschmolzenes Kupfer)
nur eine sehr geringe bzw. iiberhaupt keine Festigkeit aufwiesen.
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Man ging daraufhin dazu über, bei der Stahlraffination nach dem Sauerstofflanzenverfahren
für die Stahlraffinierung das Eintauchen der Lanze in das flüssige Stahlbad zu vermeiden
und die Lanze außerdem mit einem wassergekühlten Mantel zu versehen. Um die Wirksamkeit
dieser Methode sicherzustellen, war es jedoch erforderlich, den Sauerstoff mit einer
sehr hohen Geschwindigkeit aus der Lanze austreten zu lassen und die Lanze in einem
Sicherheitsabstand über dem geschmolzenen Bad zu halten.
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Diese Faktoren führten aber zu Nachteilen, die die Wirksamkeit dieses
Verfahrens bei Verwendung von Sauerstoffgas sehr stark einschränken. So versagte
dieses Verfahren bei der Kupferverarbeitung, bei der das Gas unter die Oberfläche
eingeführt werden muß, vollständig, wodurch die Anwendung des Gaseinblasverfahrens
in stationären Öfen, die nicht mit feuerfesten Blasdüsen versehen sind, verhindert
wurde.
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Bei der Des oxydation von Anodenkupfer versagte diese Art von Lanzen
vollständig.
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Aus der USA.-Patentschrift 3 078 084 ist eine Lanze zur Einführung
von Wasserdampf und Sauerstoff in ein Bad aus geschmolzenem Metall bekannt, bei
der die getrennte Einführung von Kühlwasser nicht erforderlich ist Diese Lanze besteht
aus einem länglichen Körper mit einem Haupffließdurchgang mit einem Auslaß, einer
Flüssigkeitsfließleitung und einer Gasfließleitung mit jeweils einem Flüssigkeits-und
Gasauslaß, die mit dem Haupffiießdurchgang in Verbindung stehen, wobei die Flüssigkeits-
und Gasauslässe so angeordnet sind, daß die Flüssigkeit (Wasser) versprüht und entlang
dem Hauptfließdurchgang gegen das Auslaßende durch die Gasströmung (Sauerstoff)
aus dem Gasauslaß getragen wird.
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Diese Lanze besteht also im Prinzip aus einem ersten inneren Rohr,
das innerhalb eines zweiten Rohres angebracht ist, wobei entlang der Länge des konzentrisch
innerhalb des zweiten Rohres angebrachten ersten Rohres Löcher vorgesehen sind.
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Diese Lanze hat jedoch den Nachteil, daß sie technisch schwierig herstellbar
ist und bei einer eventuellen Beschädigung vollständig (auch die nicht beschädigten
Teile) ausgewechselt werden muß.
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Aufgabe der Erfindung war es, eine Lanze zum Einblasen von Gasen
in geschmolzenes Material bei hohen Temperaturen anzugeben, welche bei gleichbleibender
Kühlwirkung einen einfacheren technischen Aufbau besitzt, der ein Auswechseln des
Lanzenrohres ermöglicht.
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Es wurde nun gefunden, daß diese Aufgabe durch eine Lanzenkonstruktion
gelöst werden kann, bei welcher der Kopf der Lanze eine gegenüber dem Lanzenrohr
abnehmbare, eine Einheit bildende Kammer darstellt, wobei diese Kammer gegen das
Lanzenrohr durch eine Düsenplatte abgeschlossen ist, die mit dem die Kammer konzentrisch
durchsetzenden Flüssigkeitseinleitungsrohr an dessen Ende verbunden ist und mindestens
einen gegen die Lanzenachse geneigten Durchgang für das Behandlungsgas aufweist.
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Trotz der Tatsache, daß die erfindungsgemäße Lanze Auslaßöffnungen
für die Kühlflüssigkeit nur in dem Kopf der Lanze aufweist, besitzt sie keine geringere
Kühlwirkung als die aus der USA.-Patentschrift 3 269 829 bekannte Lanze. Der Vorteil
einer solchen Lanze besteht darin, daß sie technisch einfach herstellbar ist, daß
das Lanzenrohr abnehmbar an dem Lanzenkopf befestigt ist und daß darüber hinaus
das zum Kühlen verwendete Wasser an einer Stelle außerhalb des Bades des geschmolzenen
Materials versprüht bzw. atomisiert wird, so daß eventuelle Mängel in dem Aufbau
der Lanze nicht gleich zu einer Explosion durch Austreten von unzerstäubtem Wasser
in das flüssige Schmelzbad führen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß diese
Lanze in das flüssige Bad eingetaucht werden kann, ohne dabei zerstört zu werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Lanze der Erfindung
so ausgebildet, daß das Kühlflüssigkeitseinleitungsrohr und die Düsenplatte der
Kammer eine Einheit bilden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Lanze der Erfindung T-förmig
ausgebildet.
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Das von der Düsenplatte entfernte Ende des Einleitungsrohres ist
also so ausgebildet, daß es mit einer Zufuhrquelle für die Kühlflüssigkeit in Verbindung
gebracht werden kann und das andere Ende des Einleitungsrohres in der Düsenplatte
endet und der Durchgang für das Behandlungsgas, der mit einer Zufuhrquelle für das
Behandlungsgas in Verbindung gebracht werden kann, in der Düsenplatte der T-förmigen
Kammer angeordnet ist, wobei das den horizontalen Abschnitt der T-förmigen Kammer
durchquerende Flüssigkeitseinleitungsrohr mit der Düsenplatte zu einer Einheit zusammengefaßt
ist.
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Als Behandlungsgas kann ein reformierbarer Kohlenwasserstoff, z.
B. Methan, Äthan, Propan und Butan verwendet werden. Vorzugsweise wird Propan verwendet.
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Als Kühlflüssigkeit kann Wasser oder ein flüssiger Kohlenwasserstoff
verwendet werden, vorzugsweise wird Wasser verwendet. Die während des Betriebs der
Lanze entstehenden Flüssigkeitströpfchen weisen eine Größe von weniger als 100 Mikron
auf.
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Die Lanze der Erfindung ist zur Verwendung bei der Raffination von
Stahl und Kupfer geeignet, sowohl zu Oxydations- als auch zu Reduktionszwecken und
bei allen sonstigen Verfahren, bei denen ein Gas in ein Bad aus einem geschmolzenen
Material, z. B.
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Metall, Stein (z. B. Kupferstein) oder Schlacke eingeblasen werden
soll.
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Die Kühlwirkung wird bei der Lanze der Erfindung dadurch erzielt,
daß ein sehr feiner Sprühnebel von Wasser oder einer anderen geeigneten Kühlflüssigkeit
in den Strom des Behandlungsgases an der Düsenplatte, die außerhalb des Ofens sitzt,
eingeführt wird. Dabei wird eine solche Düsenanordnung verwendet, daß ein verhältnismäßig
geringer Flüssigkeitsstrom (z.B. etwa 115 bis 1351/Std.) in dem Strom des Behandlungsgases
in Form sehr feiner Tröpfchen verteilt wird, die beim Zusammentreffen mit der Wand
des Lanzenrohres eine große Wärmemenge durch Verdampfen absorbieren und dann in
den Strom des Behandlungsgases auf die gleiche Art und Weise reflektiert werden
wie ein auf eine heiße Platte fallender Wassertropfen, der darauf hüpft, bis er
vollständig verdampft ist. Die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit
hängt von den Wärmeübergangseigenschaften vom flüssigen Bad zum Lanzenrohr ab, z.
B. von der Badtemperatur, dem Durchmesser des Lanzenrohres, der Wärmeleitfähigkeit,
der Viskosität, der spezifischen Wärme und der Dichte des Bades aus dem geschmolzenen
Material. Auf diese Weise ist es möglich, den Wärmeübergang zwischen dem Strom des
Behandlungsgases und dem Lanzenrohr stark zu erhöhen, da nun nicht mehr der Wärmeübergangskoeffizient
zwischen Behandlungsgas und Rohrwand, sondern der zwischen Kühlflüssigkeitströpfchen
und Rohrwand eine Rolle spielt.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und
2 der Zeichnung näher erläutert.
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F i g. 1 stellt einen Schnitt durch einen Frischofen mit einer erfindungsgemäßen
Lanze dar, die sich
durch eine seitliche Öffnung desselben in das Bad des geschmolzenen
Materials hinein erstreckt, während Fig. 2 einen Schnitt durch die erfindungsgemäße
Lanze darstellt und die Strömungsrichtung des Kühlflüssigkeits-Behandlungsgas-Gemisches
innerhalb des Lanzenrohres erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt eine einzige erfindungsgemäße Lanze, die in die
Seitenöffnung 18 eines Ofens eingesetzt ist. Durch das Einleitungsrohr 4 wird als
Kühlflüssigkeit Wasser bei konstantem Druck eingeführt, wobei die Wasserzufuhr durch
ein Einzelventil 3 gesteuert wird, das mit der Lanze 6, 13, 14 durch einen biegsamen
Schlauch 5 verbunden ist.
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Die Zufuhr des Behandlungsgases erfolgt durch das EinleitungsrohrlO,
wobei der Gas strom durch das Einzelventil 9 steuerbar ist, das mit dem Kopf 6 der
Lanze durch einen flexiblen Schlauch 11 verbunden ist. Die Lanze selbst besteht
aus dem T-förmigen Lanzenkopf 6, durch den das Behandlungsgas und die Kühlflüssigkeit
geführt werden, dem Lanzenanschlußring 13 und dem Lanzenrohr 14. Die Lanzengleitmuffe
12 der Lanzenaufhängung 15 gestattet es, die Lanze manuell oder mechanisch periodisch
um 1800 um die Lanzenachse zu drehen. Die Lanzenaufhängung 15 ist so ausgelegt,
daß die Lanze im richtigen Winkel für die maximale Eintauchtiefe der Spitze 17 des
Lanzenrohres 14 unter der Oberfläche 19 der Schmelze 20 aufgehängt ist. Die ganze
Anordnung ist an einer geeigneten Stütze mit einem Haken 16 und einem Kabel oder
Seil 24 aufgehängt.
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Die Fig.2 der Zeichnung zeigt einen Abschnitt der Lanze der Erfindung,
die in die Metallschmelze 20 eintaucht, wobei Einzelheiten des oberen Endes der
in Fig. 1 dargestellten Lanze, jedoch ohne zusätzlichen Lanzenanschlußring 13 (s.
Fig. 1), angegeben sind. Wasser als Kühlflüssigkeit oder Naphtha wird durch eine
an den (nicht dargestellten) Schlauch angeschlossene Einlaßleitung 34 und ein Endpaßstück
35 zu einem zentral angeordneten Auslaß einer Düsenplatte 36, die ein Stück mit
der Leitung 34 bildet, geführt. Das in das geschmolzene Bad einzuführende Behandlungsgas
wird durch eine an den (nicht dargestellten) Schlauch angeschlossene Öffnung 33
in die Kammer 6 eingeführt und gelangt durch Durchgänge 38 in der Düsenplatte 36
in das Lanzenrohr 14. Die Durchgänge 38 sind um den zentralen Flüssigkeitsauslaß
37 der Düsenplatte 36 so angeordnet, daß das daraus ausströmende Gas gegen den aus
dem Auslaß 37 austretenden Flüssigkeitsstrom gerichtet ist, wodurch das Wasser durch
den Gas strom zerstäubt wird und in das Lanzenrohr in Form eines feinen Sprühnebels
eintritt. Die Ausrichtung der Durchgänge 38 bewirkt auch, daß der Sprühnebel gegen
die Innenfläche des Lanzenrohres 14 gerichtet ist. Die Kammer 6 ist von dem Lanzenrohr
14 abnehmbar, so daß das Lanzenrohr 14 ersetzt werden kann.
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Bei der Kupferdesoxydation strömt das Gemisch aus Wassertröpfchen
und Kohlenwasserstoffgasen durch das Lanzenrohr 14. Dabei wird das Wasser verdampft
und reagiert mit den Kohlenwasserstoffgasen im unteren heißen Abschnitt des Lanzenrohres.
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Das Behandlungsgas und das Gas-Wasserdampf-Gemisch treten durch das
untere Ende 17 des Lanzenrohres 14 in das geschmolzene Metall ein, und sie steigen
durch die Schmelze 20 zur Oberfläche 19 des flüssigen Metalls in Form von Blasen
empor. Die
Behandlung der Schmelze 20 kann entweder in einer Umsetzung
zwischen einem Gas, einigen Gasen oder allen Gasen, die in die Schmelze eintreten,
und einigen Verunreinigungen des Metalls selbst bestehen (z. B. bei der Entfernung
von Sauerstoff aus geschmolzenem Kupfer), oder die eingeführten Gase können nur
zur Entfernung anderer gelöster Gase in der Schmelze dienen (z. B. bei üblichen
Entgasungsprozessen).
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Die ertindungsgemäße Lanze wurde in der Gasatmosphäre eines Anodenofens
bei einer Temperatur von etwa 12600 C getestet, wobei sich eine Fließgeschwindigkeit
der Kühlflüssigkeit (Wasser) von 20 1/Std. als ausreichend erwies, um die Lanze
unterhalb 9820 C an der Spitze des Lanzenrohres zu halten. Bei Propan betrug die
entsprechende Gasströmungsgeschwindigkeit 0,85 Nm3/Min. Die erfindungsgemäße Lanze
wurde auch unter extremen Bedingungen getestet, wie sie vorherrschen, wenn die Lanze
bis auf eine Tiefe von etwa 1,2 m in ein Bad aus geschmolzenem Kupfer eingetaucht
wird, wobei die erforderliche Strömungsgeschwindigkeit des Wassers etwa 80 1/Std.
bei einer Propangasgeschwindigkeit von 0,85 Nms/Min. betrug.
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Es sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Lanze in ihrer
Wirkung sehr vielseitig ist, da es durch Einführung von mehr oder weniger fein versprühter
Flüssigkeit möglich ist, die Temperatur an der Lanzenspitze je nach Wunsch zu erhöhen
oder zu verringern. Dadurch ist es möglich, das Material des Lanzenrohres auf einer
verhältnismäßig niedrigen und sicheren Temperatur zu halten, so daß keine teuren
und extrem temperaturfesten rostfreien Stähle für die Herstellung des Lanzenrohres
verwendet werden müssen. Es ist möglich, das Lanzen-
rohr aus einem Weichstahl oder
aus einem Flußstahl herzustellen, das bis zu einer Tiefe von 60 cm eingetaucht und
durch Einleiten von 3,4 Nm5/Min. Gas einer intensiven Vibration unterworfen werden
kann.
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Dabei bleibt das Lanzenrohr auch nach 2stündigem Betrieb unverändert.