DE19638148A1 - Sauerstofflanze und Verfahren zum Verblasen von flüssigem Metall - Google Patents
Sauerstofflanze und Verfahren zum Verblasen von flüssigem MetallInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sauerstofflanze zum Verblasen eines flüssigen Metalls in
einem Konverter mit zwei konzentrischen Rohren, welche eine innere Zuleitung für ein
sauerstoffhaltiges Gas und eine äußere Zuleitung für ein Inertgas bilden. Ferner
bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Verblasen eines flüssigen Metalls in
einem Konverter, wobei ein sauerstoffhaltiges Gas und ein Inertgas in den Konverter
eingeleitet werden.
Die Rohkupfergewinnung erfolgt nach dem Standardverfahren in mehreren Schriften.
Kupfer kommt in der Natur meist in Verbindung mit Eisen in Form von schwefelhaltigen
Erzen, wie beispielsweise Kupferkies, vor. Mittels einer Teilabröstung der vom
Bergbau geförderten Kupfererze wird durch eine partielle Oxidation des Schwefels in
den Erzen das richtige Mengenverhältnis zwischen Kupfer, Eisen und Schwefel
eingestellt, so daß beim nachfolgenden Schmelzen der Erze ein Kupferstein der
gewünschten Zusammensetzung entsteht. Beim Schmelzen wird der im wesentlichen
aus CuS₂ und FeS bestehende Kupferstein von der dabei entstehenden Schlacke
getrennt.
Die Weiterverarbeitung des Kupfersteins erfolgt durch Verblasen in einem Konverter.
Hierbei wird nach dem Stand der Technik durch Einblasen von Luft in oder auf den
flüssigen Kupferstein zuerst das Schwefeleisen oxidiert und durch Quarzzugaben in
eine Schlacke überführt. Die gebildete Schlacke wird von der Badoberfläche
abgezogen und man erhält sogenannten Spurstein CuS₂. Beim weiteren Verblasen
scheidet sich aus der Spursteinschmelze das flüssige Rohkupfer ab.
In der Nickelmetallurgie wird in ähnlicher Weise Eisen aus dem Nickelstein durch
Verblasen in einem Konverter entfernt.
Durch das Anreichern der eingeblasenen Luft mit Sauerstoff läßt sich eine
beträchtliche Leistungssteigerung und Verkürzung der Blasezeit erreichen. Von
Nachteil ist jedoch, daß die Lanzen, durch die mit Sauerstoff hochangereicherte Luft
eingeblasen wird, sehr schnell abbrennen.
In der WO 95/09250 wird vorgeschlagen, zur Leistungssteigerung eines Konverters
auf mehr als 30 Volumenprozent Sauerstoff angereicherte Luft in die Schmelze
einzublasen. Die Lanzen zur Zuführung des sauerstoffhaltigen Gases sind als zwei
konzentrische Rohre ausgebildet, wobei durch das innere Rohr das sauerstoffhaltige
Gas und durch das äußere Rohr ein Inertgas geleitet wird. Das Inertgas soll zwischen
5% und 25% der bei der exothermen Reaktion vom Sauerstoff mit dem Kupferstein
entstehenden Wärme aufnehmen, wodurch ein zu schnelles Abbrennen der Lanzen
verhindert werden soll. Vorzugsweise soll der Sauerstoffgehalt des eingeblasenen
Gases zwischen 40 Vol.-% und 60 Vol.-% liegen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sauerstofflanze zum
Einblasen eines Sauerstoff enthaltendes Gases in einen Konverter zu entwickeln, so
daß die Verblasezeit verkürzt und das Einblasen hochangereicherter Luft oder reinen
Sauerstoffs ermöglicht wird. Die Standzeit sowohl der Lanzen als auch der
Konverterwand, in die die Lanzen eingebaut sind, soll auch bei Verwendung
hochangereichterter Luft oder reinen Sauerstoffs nicht kürzer sein als bei dem
bisherigen Einblasen von Luft. Ferner soll die Erfindung ein Verfahren zur Verfügung
stellen, welches zum Verblasen von schmelzflüssigem Metall, das mindestens einen
oxidierbaren Bestandteil enthält, insbesondere zum Verblasen von Kupfer- oder
Nickelstein, geeignet ist.
Vorrichtungsseitig wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Sauerstofflanze
der eingangs genannten Art gelöst, wobei der Abstand zwischen dem inneren und dem
äußeren Rohr mindestens 1,5 mm und die Wandstärke des äußeren Rohres
mindestens 2,5 mm beträgt.
Selbstverständlich können die Sauerstofflanzen auch aus Rohrstücken bestehen, an
denen auswechselbare Düsen mit den obigen Dimensionierungen befestigt sind.
Wesentlich ist, daß zumindest der in den Konverter hineinragende Teil der
Sauerstofflanze die erfindungsgemäßen Maße aufweist.
Durch die erfindungsgemäße Sauerstofflanze wird das Einblasen von
sauerstoffhaltigen Gasen mit gegenüber dem Stand der Technik deutlich erhöhtem
Sauerstoffanteil bis hin zur Verwendung von im wesentlichen nur aus Sauerstoff
bestehendem Gas ermöglicht. Durch die große Wandstärke des Außenrohres wird die
Wärmeleitkapazität des Außenrohres deutlich erhöht. Ein Teil der bei der Reaktion
zwischen dem Sauerstoff und der Schmelze frei werdenden thermischen Energie wird
dadurch über das Außenrohr abgeleitet, ohne daß dieses beschädigt wird. Das
zwischen dem Innen- und dem Außenrohr ausströmende Inertgas kompensiert einen
weiteren Teil der Wärmeenergie, so daß insgesamt das Abbrennen der Lanze auch bei
der Verwendung von reinem Sauerstoff stark verlangsamt wird.
Unter Rohren sollen in diesem Zusammenhang nicht nur solche mit einem runden
Querschnitt verstanden werden, sondern ebenso Rohrprofile mit einem viereckigen
oder allgemein vieleckigen Querschnitt.
Dennoch ist ein Zurückbrennen der Lanze, wie dies auch bei der bisherigen
Verwendung von Luft auftritt, nicht völlig zu verhindern. Dabei besteht die Gefahr, daß
sich während des Zurückbrennens das Innen- und das Außenrohr verbinden können,
wodurch zum einen der Wärmeübergang vom Außen- zum Innenrohr verstärkt wird,
was eine Beschädigung des Innenrohres zur Folge haben kann. Zum anderen wird
durch die Verbindung der beiden Rohre der im Zwischenraum geführte Inertgasstrom
behindert oder sogar unterbrochen, wodurch dessen Kühlwirkung verringert wird.
Beide Effekte führen zu einer Beschädigung oder sogar einem Ausfall der
Sauerstofflanze. Gemäß der Erfindung besitzt daher der Ringspalt zwischen den
beiden Rohren eine Breite von mindestens 1,5 mm. Es hat sich herausgestellt, daß
dadurch die Verbindung von Innen- und Außenrohr vermieden werden kann, so daß
die oben beschriebenen Nachteile nicht auftreten.
Durch den Inertgasstrom wird zwar das Innenrohr bereits gekühlt, eine gewisse
Wärmemenge wird aber dennoch aus der Schmelze durch Wärmeleitung über dieses
Rohr abgeführt. Von Vorteil ist daher die Verwendung eines Innenrohres mit einer
Wandstärke von mindestens 2 mm. Diese Wanddicke gewährleistet, daß das
Innenrohr der auftretenden thermischen Belastung standhält.
Die konzentrische Anordnung von Außenrohr und Innenrohr wird vorteilhaft dadurch
sichergestellt, daß das innere und das äußere Rohr durch punktförmige
Abstandshalter verbunden sind. Unter punktförmig ist in diesem Zusammenhang
gemeint, daß die Abstandshalter eine möglichst geringe Ausdehnung auf der
Rohroberfläche besitzen. Die Größe dieser Ausdehnung richtet sich nach dem Material
und der Art der Abstandshalter. Die Zentrierung des Innenrohres im Außenrohr kann
beispielsweise durch Stifte oder Schweißpunkte erreicht werden. Eine derartige
Zentrierung hat den Vorteil, daß einerseits die durch den Zwischenraum zwischen den
beiden Rohren gebildete Zuführung für das Inertgas über die gesamte Rohrlänge
einen konstanten Querschnitt besitzt, wodurch ein gleichmäßiger Inertgasstrom, und
damit eine konstante Kühlwirkung, erzielt werden. Andererseits wird durch die nur
punktförmigen Abstandshalter der Wärmeübergang vom Außen- auf das Innenrohr
minimiert.
Aus diesem Grund wird auch die Anzahl der Abstandshalter zweckmäßigerweise
möglichst niedrig gehalten, wobei jedoch darauf zu achten ist, daß auch nach dem
Abbrennen eines Teils der Sauerstofflanze stets eine stabile und gleichbleibende
Anordnung von Innen- und Außenrohr gewährleistet bleibt.
Es hat sich gezeigt, daß eine Anordnung der Abstandshalter ausreichend ist, bei der
der gegenseitige Winkelabstand der Abstandshalter mindestens 90° beträgt, um eine
konzentrische Anordnung der Rohre zu erreichen und diese auch nach einem
Teilabbrennen der Lanze beizubehalten. Vorzugsweise werden sogar nur 3
punktförmige Abstandshalter gleichmäßig auf dem Umfang des Innenrohres verteilt,
d. h. der Winkelabstand zwischen den Abstandshaltern beträgt 120°, wodurch der
Wärmeübergang zwischen den beiden Rohren besonders gering gehalten wird.
Die Stabilität der Rohranordnung, unter Berücksichtigung des Zurückbrennens der
Lanze, wird selbstverständlich durch eine möglichst große Zahl von Abstandshaltern in
Rohrlängsrichtung erhöht. Andererseits wird dadurch wieder der Wärmeübergang
zwischen den Rohren erhöht. Es hat sich herausgestellt, daß ein Abstand in
Rohrlängsrichtung von einem Abstandshalter zum nächsten im Bereich von 3 cm bis
8 cm in dieser Hinsicht optimal ist.
Die Sauerstofflanze kann beispielsweise aus Stahl, auch VA-Stahl, oder Kupfer
gefertigt sein. Vorzugsweise besteht die Lanze aus Stahl.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Verblasen eines flüssigen
Metalls in einem Konverter, wobei ein sauerstoffhaltiges Gas und ein Inertgas in den
Konverter eingeleitet werden.
Erfindungsgemäß enthält das sauerstoffhaltige Gas zu mindestens 60 Volumenprozent
Sauerstoff. Das Verfahren ist insbesondere zum Verblasen von Kupfer- oder
Nickelstein, aber auch allgemein zum Raffinieren von Metallschmelzen, welche
mindestens einen oxidierbaren Bestandteil enthalten, einsetzbar. Durch den hohen
Sauerstoffgehalt wird eine besonders effiziente Reaktion zwischen der Schmelze und
dem sauerstoffhaltigen Gas erzielt. Die erfindungsgemäßen Lanzen sind zur
Durchführung dieses Verfahrens besonders gut geeignet.
Die gewünschten Reaktionen zwischen den Bestandteilen der Metallschmelze und
dem sauerstoffhaltigen Gas werden durch die Verwendung von mindestens 90
Volumenprozent Sauerstoff aufweisendem Gas besonders vorteilhaft beschleunigt. Als
zweckmäßig hat sich das Einleiten von im wesentlichen reinem Sauerstoff in den
Konverter erwiesen.
Die bei der Reaktion des Sauerstoffs mit dem schmelzflüssigen Metall entstehende
Wärme wird zum Teil durch das zugeführte Inertgas kompensiert. Das Inertgas bildet
um den Austriftsbereich des sauerstoffhaltigen Gases, in dem die größte Erwärmung
stattfindet, einen kühlenden Gasschutzmantel. Von Vorteil hat sich der Einsatz von
Stickstoff oder Argon als Kühlmittel herausgestellt. Auch die Verwendung von Luft
kann sich aus Kostengründen als günstig erweisen, jedoch ist deren Kühlwirkung
aufgrund des Sauerstoffanteils geringer als die von Stickstoff oder Argon. Es kann
auch Fälle geben, in denen der Einsatz von CO₂ als Kühlgas günstig ist. Auch jede
Mischung der genannten Gase, insbesondere die Mischung von Stickstoff und Luft, ist
erfindungsgemäß zur Kühlung geeignet.
Das Einblasen des sauerstoffhaltigen Gases und des Inertgases in den Konverter
erfolgt vorzugsweise seitlich oder von oben. Insbesondere Kupferstein wird in einem
seitlich blasenden Konverter oder einem Aufblaskonverter verblasen, da bei einem
Verblasen von unten das sich am Boden des Konverters sammelnde Rohkupfer zu
stark abkühlen würde. Sollen jedoch Verunreinigungen in anderen Metallschmelzen
oxidiert werden, so kann es auch sinnvoll sein, das sauerstoffhaltige Gas und das
Inertgas von unten in die Schmelze einzublasen.
Es hat sich gezeigt, daß das sauerstoffhaltige Gas vorzugsweise mit einem Druck von
mindestens 2 bar, besonders vorteilhaft mindestens 5 bar, in die Metallschmelze
eingeleitet wird, da sich dadurch ein besonders günstiges Strömungsprofil des
eingeleiteten Gases ausbildet.
Ebenso hat sich herausgestellt, daß beim Einleiten des Inertgases mit einem Druck
von mindestens 2 bar eine günstige Kühlwirkung erreicht wird.
Die Lebensdauer der Sauerstofflanzen wird vorteilhaft dadurch verlängert, daß das
sauerstoffhaltige Gas und/oder das Inertgas auch nach dem Verblasen des flüssigen
Metalls in den Konverter geblasen werden. Durch ein derartiges Nachblasen von
sauerstoffhaltigem Gas und/oder Inertgas für eine bestimmte Zeit wird die Lanze
schonend abgekühlt und von Verunreinigungen freigespült.
Beim Einstellen der zuzuführenden Mengen von sauerstoffhaltigem Gas und Inertgas
muß berücksichtigt werden, daß bei hoher Sauerstoffzufuhr und geringer
Inertgaszufuhr zwar die Reaktionsgeschwindigkeit zwischen dem Sauerstoff und der
Schmelze groß, aber die Kühlwirkung nur gering ist. Im umgekehrten Fall, bei großen
Mengen Inertgas und geringen Mengen Sauerstoff, ist dagegen die Kühlleistung
ausreichend, aber die Reaktionsgeschwindigkeit zu klein. Es hat sich herausgestellt,
daß von Vorteil mehr sauerstoffhaltiges Gas als Inertgas in den Konverter geleitet wird.
Besonders vorteilhaft beträgt die Menge des eingeleiteten sauerstoffhaltigen Gases
mindestens das 1,5 fache der Menge des eingeleiteten Inertgases.
Vorzugsweise wird der Konverter nur mit den erfindungsgemäßen Sauerstofflanzen
ausgerüstet. Es ist aber auch möglich, nur einen Teil der Lanzen in der
erfindungsgemäßen Ausführung vorzusehen.
Die Erfindung weist wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf. Die
erfindungsgemäßen Sauerstofflanzen erlauben eine Erhöhung des Sauerstoffgehaltes
des eingeleiteten sauerstoffhaltigen Gases bis hin zur Zufuhr reinen Sauerstoffs. Die
Geschwindigkeit der gewünschten Reaktion zwischen dem Sauerstoff und dem Metall
kann dadurch beträchtlich gesteigert werden. Aufgrund der mit der
erfindungsgemäßen Lanze erzielten höheren Umsetzung kann die Gesamtanzahl der
Lanzen in einem Konverter geringer ausfallen, wodurch Kosten gespart werden
können. Die großen Rohrwandstärken sichern eine gute Wärmeableitung ohne dabei
die Lanze zu beschädigen. Durch die effektive Kühlung, einerseits durch die
Rohrwandungen, andererseits durch die Stickstoffzufuhr, wird die Haltbarkeit der
Lanzen auch bei der Zufuhr von reinem Sauerstoff durch das innere Rohr wesentlich
erhöht. Das entwickelte Verfahren eignet sich zum Verblasen von Metallschmelzen,
insbesondere zum Verblasen von Kupfer- und Nickelstein.
Die Erfindung soll im folgenden anhand der schematischen Zeichnungen beispielhaft
näher erläutert werden.
Es zeigen dabei
Fig. 1 einen seitlich blasenden Konverter, wie er beispielsweise beim Verblasen von
Kupferstein eingesetzt wird, und
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Sauerstofflanze, die in der Wand des Konverters
angeordnet ist.
Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch die in Fig. 2 dargestellte Sauerstofflanze entlang der
Linie A-A.
In Fig. 1 ist ein liegender Trommelkonverter 1 gezeigt, in dem sich der flüssige
Kupferstein 2 befindet. In der Seitenwand sind mehrere Sauerstofflanzen 3
angebracht, durch die Sauerstoff und Stickstoff mit einem Druck von jeweils 6 bar in
die Schmelze eingeblasen werden. Dabei wird zuerst das schwefelhaltige Eisen
oxidiert und durch Zugabe von Kieselsäure in eine Schlacke überführt, die von der
Badoberfläche abgezogen werden kann. Aus der verbleibenden sogenannten
Spursteinschmelze setzt sich beim weiteren Verblasen das flüssige Rohkupfer im
unteren Teil des Konverters 1 ab. Die Länge der Sauerstofflanzen 3 ist an die
Wandstärke des Konverters 1 angepaßt und beträgt etwa 80 cm.
In Fig. 2 und Fig. 3 ist eine Sauerstofflanze 3 im Detail dargestellt. Die Lanze 3
besteht aus einem Innenrohr 4, welches eine Wandstärke von 3 mm besitzt. Dieses
Rohr 4 ist an einem Ende 5 verschlossen und weist in der Nähe dieses Rohrendes 5
eine seitliche Zuleitung 6 zur Zuführung von Sauerstoff auf. Ein äußeres Rohr 7 ist
konzentrisch mit dem Innenrohr 4 angeordnet und besitzt ebenfalls eine seitliche
Zuleitung 8. Durch diese kann Stickstoff in den Ringspalt 11 zwischen den beiden
Rohren 4 und 7 eingeleitet werden. Das äußere Rohr 7 ist an dem der Zuleitung 8
näheren Rohrende 9 gasdicht mit dem Innenrohr 4 verbunden. Die Wandstärke des
Außenrohres 7 beträgt 4 mm. Zwischen den beiden Rohren befinden sich auf das
Innenrohr 4 aufgebrachte Schweißpunkte 10, die die konzentrische Lage der beiden
Rohre 4, 7 sicherstellen. Die Schweißpunkte 10 sind in einem Abstand von 5 cm in
Richtung der Rohrlängsachsen aufgebracht. Über dem Rohrumfang befinden sich
jeweils 4 Schweißpunkte 10. Der zwischen den Rohren 4, 7 gebildete Spalt 11 besitzt
eine Breite von 1,7 mm. Die Durchmesser der Rohre 4 und 7, die Spaltbreite 11 sowie
der Sauerstoff- und der Stickstoffdruck sind an die Größe und Beladung des
Konverters angepaßt. Die Menge an eingeleitetem Sauerstoff ist etwa 1,6 mal so groß
wie die Stickstoffzufuhr.
Claims (15)
1. Sauerstofflanze zum Verblasen eines flüssigen Metalls in einem Konverter mit
zwei konzentrischen Rohren, welche eine innere Zuleitung für ein
sauerstoffhaltiges Gas und eine äußere Zuleitung für ein Inertgas bilden, dadurch
gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr
mindestens 1,5 mm und die Wandstärke des äußeren Rohres mindestens 2,5 mm
beträgt.
2. Sauerstofflanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke
des inneren Rohres mindestens 2 mm beträgt.
3. Sauerstofflanze nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das innere und das äußere Rohr durch Abstandshalter miteinander
verbunden sind.
4. Sauerstofflanze nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gegenseitige
Winkeiabstand der Abstandshalter mindestens 90° beträgt.
5. Sauerstofflanze nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand der Abstandshalter voneinander in Rohrlängsrichtung zwischen
3 cm und 8 cm beträgt.
6. Sauerstofflanze nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß
das Innen- und/oder das Außenrohr aus Stahl bestehen.
7. Verfahren zum Verblasen eines flüssigen Metalls in einem Konverter, wobei ein
sauerstoffhaltiges Gas und ein Inertgas in den Konverter eingeleitet werden,
dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige Gas zu mindestens 60
Volumenprozent Sauerstoff enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige
Gas zu mindestens 90 Volumenprozent Sauerstoff enthält.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das
Inertgas Stickstoff, Argon und/oder Luft als Bestandteil aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das
sauerstoffhaltige Gas mit einem Druck von mindestens 2 bar in das Metall
eingeleitet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffhaltige
Gas mit einem Druck von mindestens 5 bar in das Metall eingeleitet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das
Inertgas mit einem Druck von mindestens 2 bar in das Metall eingeleitet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das
sauerstoffhaltige Gas und/oder das Inertgas auch nach dem Verblasen des
flüssigen Metalls in den Konverter geblasen werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß
mehr sauerstoffhaltiges Gas als Inertgas in den Konverter eingeleitet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Menge des
eingeleiteten sauerstoffhaltigen Gases mindestens das 1,5 fache der Menge des
eingeleiteten Inertgases beträgt.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: LINDE GAS AG, 82049 HOELLRIEGELSKREUTH, DE |
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8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: LINDE AG, 65189 WIESBADEN, DE |
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |