DE19518900C1

DE19518900C1 - Verfahren zur Nachverbrennung von bei der Vakuumbehandlung von Stahl entstehenden Reaktionsgasen

Info

Publication number: DE19518900C1
Application number: DE19518900A
Authority: DE
Inventors: Karl Brotzmann; Heinz Holtermann
Original assignee: Technometal Gesellschaft fuer Metalltechnologie mbH
Current assignee: Primetals Technologies Germany GmbH
Priority date: 1995-05-26
Filing date: 1995-05-26
Publication date: 1996-08-08
Anticipated expiration: 2015-05-27
Also published as: CN1190996A; US6042633A; WO1996037633A1; EP0832301A1; EP0832301B1; CN1060526C; KR19990021996A; AU5809896A

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nachverbrennung von bei der Entkohlung von flüssigem Stahl in unter Vakuum stehenden Reaktionsgefäßen entstehenden Reaktionsgasen.

In der DE 41 30 590 C2 ist ein Entgasungsgefäß als Reaktionsgefäß für die Vakuumbehandlung von flüssigem Stahl beschrieben; wie dieser Druckschrift zu entnehmen ist, werden durch den Entgasungsstrom der Reaktionsgase Partikel mitgerissen, was dazu führt, daß es im oberen Teil des Reaktionsgefäßes und im Bereich der Anschlußleitung für die Vakuumpumpe zu einer starken Ansatzbildung von Stahlspritzern kommt, wobei derartige Ansammlungen auch als "Stahlbären" bezeichnet werden. Diese Stahlbären können ein erhebliches Gewicht aufweisen und schließlich den oberen Teil des Reaktionsgefäßes weitgehend verschließen, so daß im allgemeinen der Stahlbär in aufwendiger Weise durch Herausbrennen beseitigt werden muß.

Zur Vermeidung einer derartigen Bärenbildung ist in der insoweit zur Bildung der Gattung herangezogenen EP 0 347 884 B1 ein Verfahren vorgeschlagen, mittels dessen eine Nachverbrennung der entstehenden Reaktionsgase angestrebt wird. Im Rahmen dieses bekannten Verfahrens wird über eine in das Reaktionsgefäß bis auf einen definierten Abstand zur Oberfläche des Stahlbades des flüssigen Stahls einfahrbare Lanze Sauerstoff beziehungsweise ein sauerstoffhaltiges Gas in einer im einzelnen zu berechnenden Menge auf das Stahlbad geblasen; mit diesem bekannten Verfahren sollen drei Effekte gemeinsam erreicht werden, nämlich eine Entkohlung des Stahls über die Sauerstoffzufuhr, eine Aufheizung des Stahlbades sowie eine Nachverbrennung der bei der Vakuumbehandlung entstehenden Reaktionsgase. Dabei hat es sich in der Praxis gezeigt, daß mit dem bekannten Verfahren das Entstehen von Stahlbären insbesondere in langgestreckten beziehungsweise hohen Reaktionsgefäßen nicht ausreichend sicher verhindert werden kann.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die Gefahr der Bildung von Stahlansätzen - Bären - im Reaktionsgefäß weiter verringert ist; ferner soll eine zur Durchführung eines verbesserten Verfahrens geeignete Vorrichtung angegeben werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich einschließlich vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen aus dem Inhalt der Patentansprüche, welche dieser Beschreibung nachgestellt sind.

Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken vor, daß entgegen der Strömungsrichtung der Reaktionsgase ein Luftstrom über eine in der Feuerfestzustellung angeordnete Einblasöffnung in das Reaktionsgefäß eingebracht wird. Mit der Erfindung ist der Vorteil verbunden, daß aufgrund der Luftzufuhr eine gute Nachverbrennung der Reaktionsgase erfolgt, so daß aufgrund der dabei entstehenden Wärme die Bildung von Stahlbären verhindert ist.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die eingebrachte Luft aus Heißluft mit einer Temperatur zwischen 800°C bis 1400°C besteht. Hiermit ist der Vorteil verbunden, daß Heißluft aufgrund der ihr eigenen hohen Einblasgeschwindigkeit einen wesentlich höheren Energieimpuls aufweist und damit über die Länge/Höhe des Reaktionsgefäßes entgegen der Strömungsrichtung der Reaktionsgase sehr tief eindringt. Damit geht eine ausreichend starke Verwirbelung der Reaktionsgase mit dem Heißluftstrahl einher, was zu einer besseren Verbrennung der Reaktionsgase und zu einer besseren Wärmeübertragung an die Innenseite der Wand des Reaktionsgefäßes führt. Der Grund hierfür liegt darin, daß Luft unter den üblichen Bedingungen nur maximal mit Schallgeschwindigkeit in das Reaktionsgefäß eingeblasen werden kann; für kalte Luft liegt die Schallgeschwindigkeit nur bei 330 m/s, wohingegen die Schallgeschwindigkeit für Luft mit einer Temperatur von beispielsweise 1200°C bei ca. 800 m/s liegt. Durch die Verwendung heißer Luft ist es also möglich, die Luft mit wesentlich höherer Geschwindigkeit in das Reaktionsgefäß einzubringen.

Vereinfacht entsteht durch das Einbringen von Luft in das Reaktionsgefäß bei Zutritt der Reaktionsgase eine langgestreckte große Flamme, die über die Einblasmenge sowie die Einblasgeschwindigkeit regelbar ist; mittels dieser großen Flamme lassen sich auch gegebenenfalls bereits bestehende Stahlbären größeren Ausmaßes verhältnismäßig schnell wieder abschmelzen. Vorteilhaft ist aber, daß die Abgase der durch das Einblasen von Luft herbeigeführten Nachverbrennung der Reaktionsgase verhältnismäßig kalt sind, so daß auch die Abgasbehandlung der aus dem Reaktionsgefäß abgesaugten Gase vereinfacht ist.

Nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die eingebrachte Luftmenge so bemessen, daß die aus der zu entgasenden Stahlcharge berechnete Menge an Reaktionsgasen stöchiometrisch vollständig verbrannt wird; es versteht sich, daß zur Erreichung dieses Zieles die einzublasende Luftmenge der Menge der entstehenden Reaktionsgase anzupassen ist.

Hierbei ist nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß das Einbringen von Luft über die gesamte Zeitdauer der Vakuumentgasung des flüssigen Stahls erfolgt; diese Maßnahme dient dazu, während der gesamten Vakuumbehandlung des Stahls möglichst ein CO-freies Abgas zu erzielen.

Da bekanntlich innerhalb eines ersten Zeitabschnitts, beispielsweise innerhalb der ersten drei Minuten einer etwa zwölf Minuten dauernden Vakuumentkohlung etwa 50% der Reaktionsgase abgesaugt und während der nachfolgenden weiteren drei Minuten weitere 25% abgesaugt werden, kann es nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zweckmäßig sein, daß das Einbringen von Luft auf den ersten Zeitabschnitt der Vakuumbehandlung des flüssigen Stahls konzentriert ist, wobei dieser erste Zeitabschnitt mit der Hälfte der gesamten Behandlungsdauer bemessen sein kann.

Nach alternativen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Einbringen von Luft in das Reaktionsgefäß nur bei jeder 2. beziehungsweise 3. Charge vorgenommen wird, weil es erwünscht sein kann, daß zum Schutze der feuerfesten Auskleidung des Reaktionsgefäßes ein dünnes Stahlhemd auf der Gefäßauskleidung belassen werden soll.

In an sich bekannter Weise ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Nachverbrennung der Reaktionsgase auch zu kombinieren mit einer beschleunigten Entkohlungsbehandlung des flüssigen Stahls, bei welcher über eine einfahrbare Lanze Sauerstoff in das Stahlbad eingebracht wird.

Eine zweckmäßige Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist darauf gerichtet, einen geeigneten Generator zur Erzeugung der Heißluft vorzusehen, und erfindungsgemäß weist der Generator eine Schüttung von durch Wärmezufuhr aufheizbaren Kugeln aus einem feuerfesten Material zur Aufheizung der durch die Kugelschüttung geführten Luft auf. Zur Aufheizung der Kugelschüttung kann nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ein gesonderter Brenner vorgesehen sein, oder es kann der Generator zur Abwärmenutzung an das Reaktionsgefäß angeschlossen sein, so daß die dort nach der Behandlung anstehende heiße Luft zur Aufheizung der Kugelschüttung herangezogen werden kann.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiel der Erfindung wiedergegeben, welche nachstehend beschrieben sind; es zeigen

Fig. 1 ein Reaktionsgefäß während des Einblasens von Heißluft in einer schematischen Darstellung,

Fig. 2 in einem Diagramm das Verhältnis von entstehenden Reaktionsgasen und eingeblasener Luftmenge zur Behandlungsdauer,

Fig. 3 einen Generator zur Heißlufterzeugung in Verbindung mit dem Reaktionsgefäß in einer schematischen Darstellung,

Fig. 4 den Gegenstand der Fig. 3 in einem anderen Ausführungsbeispiel.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist das Reaktionsgefäß 10 an seinem unteren Ende zwei Tauchrohre 11 auf, mit denen das Reaktionsgefäß in Verbindung mit einer Stahlpfanne gebracht wird, in der sich flüssiger Stahl befindet; wird in dem Reaktionsgefäß über den Anschluß 16 für eine Vakuumpumpe Unterdruck angelegt, so steigt aus der nicht dargestellten Stahlpfanne das Stahlbad 12 in Richtung des Pfeiles 13 auf und tritt in das Reaktionsgefäß 10 ein und fließt nach entsprechender Behandlung beziehungsweise Entgasung in Richtung des Pfeiles 14 in die Stahlpfanne zurück; bei dieser Behandlung entstehen aus dem Stahlbad 12 aus tretende Reaktionsgase 15, die in Richtung auf die Anschlußöffnung 16 für die Vakuumpumpe strömen.

Im oberen Deckel des Reaktionsgefäßes 10 befindet sich eine Einblasöffnung 17, über die bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Heißluft in das Reaktionsgefäß 10 eingeblasen beziehungsweise über das im Reaktionsgefäß 10 anstehende Vakuum in das Reaktionsgefäß 10 eingesaugt wird, wobei sich von der Einblasöffnung 17 aus eine Flamme 19 ausbildet, die von einer Heißluftsäule 18 umgeben ist beziehungsweise sich in diese fortsetzt. Die in der Fig. 1 dargestellten Verhältnisse beruhen auf einer Geschwindigkeit der eingeblasenen Heißluft in Höhe von 600 m/s bei einer Strömungsgeschwindigkeit der Reaktionsgase von 15 m/s, wobei bei einer Gesamthöhe des Reaktionsgefäßes von 10-12 m die Heißluft tief in das Reaktionsgefäß 10 eindringt und damit eine Wärmeübertragung bis in den unteren Bereich des Reaktionsgefäßes sicherstellt.

In Fig. 2 ist die entsprechende Vakuumbehandlung beziehungsweise das Heißlufteinblasen dargestellt, wobei jeweils die Menge an Reaktionsgas beziehungsweise Heißluft über der Behandlungsdauer aufgetragen ist; dieser Darstellung liegt die Vakuumbehandlung einer 280 t-Stahl charge zugrunde, und dabei ergibt sich die Kurve 20 der abgesaugten Menge an Reaktionsgas über der Behandlungsdauer von etwa 12 Minuten; die Heißluft wird mit einer Temperatur von 1200°C in einer der Kurve 21 entsprechenden Menge über der Zeitachse eingeblasen, wobei in dem dargestellten Ausführungsbeispiel das Einblasen der Heißluft auf die Hälfte der Behandlungsdauer, also auf 6 Minuten, beschränkt ist. Die gemessene Abgastemperatur betrug dabei 1800°C, und hieraus errechnet sich eine für das Abschmelzen eines Stahlbären verfügbare Energie von 0,88 GJ, was ausreichend ist, um einen Stahlbären von ungefähr 1,5 t Gewicht abzuschmelzen.

In Fig. 3 ist eine zweckmäßige Generatoranordnung für die Erzeugung der Heißluft dargestellt, wobei der zugehörige Generator 22 über eine Anschlußleitung 23 an die Einblasöffnung 17 für die Heißluft im Reaktionsgefäß 10 angeschlossen ist; die Anschlußleitung 23 ist über ein Ventil 24 absperrbar.

Der Generator 22 weist eine Schüttung 25 von aus einem feuerfesten Material bestehenden Kugeln auf, wobei zur Aufheizung der Kugelschüttung 25 ein gesonderter, beispielsweise mit Gas betriebener Brenner 26 vorgesehen ist, der seinerseits an die Anschlußleitung 23 angeschlossen ist. In den Generator führt ferner eine Luftleitung 27, die sich in eine mittels eines Ventils 29 absperrbare Abgasleitung 28 und in eine mittels eines Ventils 31 absperrbare Einlaßleitung 30 verzweigt.

Während des Aufheizens der Kugelschüttung 25 ist das Ventil 24 geschlossen, ebenso das Ventil 31 in der Einlaßleitung 30; damit können die vom Gasbrenner 26 eingebrachten heißen Abgase die Kugelschüttung 25 durchströmen und über die Abgasleitung 28 bei geöffnetem Ventil 29 austreten; für das Einblasen von Heißluft wird das Ventil 29 geschlossen, und es werden die Ventile 31 und 24 geöffnet; aufgrund des im Reaktionsgefäß 10 herrschenden Vakuums kann die Luft nun über die Leitungen 30 und 27 in den Generator 22 eintreten und wird hier über die aufgeheizte Kugelschüttung 25 auf Temperatur gebracht; die aufgeheizte Heißluft tritt alsdann über die Anschlußleitung 23 bei geöffnetem Ventil 24 in das Reaktionsgefäß 10 über die Einblasöffnung 17 ein; dabei ist es zweckmäßig, daß die Anschlußleitung 23 zwischen Generator 22 und Reaktionsgefäß 10 möglichst kurz bemessen ist. Weiterhin ist die Einblasöffnung 17 im Reaktionsgefäß so dimensioniert, daß bei dem jeweils anzulegenden Innendruck beziehungsweise Vakuum im Reaktionsgefäß jeweils bestmögliche Strömungsbedingungen für das Eintreten der Heißluft bestehen.

Bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine Nutzung der Abwärme im Reaktionsgefäß eingerichtet, indem sich die Luftleitung 27 in die Einlaßleitung 30 und in eine Verbindungsleitung 32 zum Reaktionsgefäß 10 verzweigt, wobei die Verbindungsleitung 32 über ein Ventil 33 absperrbar ist und in diese Leitung ebenfalls ein Sauggebläse 34 eingeschaltet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ferner das Ventil 24 nicht mehr in der Anschlußleitung 23 zwischen Generator 22 und Reaktionsgefäß 10 angeordnet, sondern befindet sich in der Luftleitung 27.

Bei diesem Ausführungsbeispiel erfolgt das Aufheizen der Kugelschüttung 25 bei geöffnetem Ventil 24 sowie geöffnetem Ventil 33 und laufendem Sauggebläse 34 durch das Einleiten der im Reaktionsgefäß 10 befindlichen heißen Gase, wobei nach dem Aufheizen der Kugelschüttung 25 das Ventil 33 geschlossen und das Ventil 31 in der Einlaßleitung geöffnet wird, so daß nun die Luft über die Luftleitung 27 in die aufgeheizte Kugelschüttung 25 eintreten und von hier aus über die Anschlußleitung 23 zum Reaktionsgefäß 10 strömen kann. Über das Ventil 24 ist bei beiden Ausführungsbeispielen in Abhängigkeit von dem im Reaktionsgefäß 10 herrschenden Unterdruck eine Regelung der in das Reaktionsgefäß 10 einzulassenden Menge an Heißluft gegeben.

Claims

l. Verfahren zur Nachverbrennung von bei der Entkohlung von flüssigem Stahl in unter Vakuum stehenden Reaktionsge fäßen entstehenden Reaktionsgasen, dadurch gekennzeichnet, daß entgegen der Strömungsrichtung der Reaktionsgase (15) ein Luftstrom (18) über eine in der Feuerfestzustellung angeordnete Einblasöffnung (17) in das Reaktionsgefäß (10) eingebracht wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der eingebrachte Luftstrom (18) aus Heißluft mit einer Temperatur zwischen 800°C bis 1400°C besteht.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingebrachte Luftmenge derart bemessen ist, daß die aus der zu entgasenden Stahlcharge berechnete Menge an Reaktionsgasen stöchiometrisch vollständig verbrannt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen von Luft über die gesamte Zeitdauer der Vakuumentgasung des flüssigen Stahls erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen von Luft auf einen ersten Zeitabschnitt der Vakuumentgasung des flüssigen Stahls beschränkt ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Zeitabschnitt für das Einbringen von Luft etwa auf die Hälfte der Zeitdauer der Vakuumentkohlung des flüssigen Stahls bemessen ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen von Luft in das Reaktionsgefäß (10) bei jeder zweiten Charge vorgenommen wird.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Einbringen von Luft in das Reaktionsgefäß (10) bei jeder dritten Charge vorgenommen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur beschleunigten Entkohlung des flüssigen Stahls zusätzlich über eine in das Reaktionsgefäß (10) einfahrbare Lanze Sauerstoff in das Stahlbad eingeblasen wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Nachverbrennung von bei der Entkohlung von flüssigem Stahl in unter Vakuum stehenden Reaktionsgefäßen entstehenden Reaktionsgasen nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein der Erzeugung der Heißluft dienender Generator (22) an das Reaktionsgefäß (10) angeschlossen ist und daß der Generator (22) eine Schüttung (25) von durch Wärmezufuhr aufheizbaren Kugeln aus einem feuerfesten Material zur Aufheizung der durch die Kugelschüttung (25) geführten und anschließend in das Reaktionsgefäß (10) eingebrachten Luft aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufheizung der Kugelschüttung (25) ein gesonderter Brenner (26) vorgesehen ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufheizung der Kugelschüttung der Generator (22) zur Abwärmenutzung an das Reaktionsgefäß (10) angeschlossen ist.