DE2450196C3 - 14.12.73 Japan 48-141074 28.01.74 Japan 49-12037 Lanze mit Lavaldfise zum Vakuumfrischen von Stahl - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lanze mit Lavaldüse zum Vakuumfrischen von Stahl, mit der Sauerstoff auf die Oberfläche des geschmolzenen Stahls unter herabgesetztem Druck geblasen wird, wobei das Aufblasen von Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit zur Erzielung eines gewünschten dynamischen Druckes und einer gewünschten Tiefe der Eindrückung auf der Oberfläche des geschmolzenen Stahls erfolgt.

Aus der DE-OS 19 04 442 ist eine Lanze solcher Art zum Vakuumfriscnen von Stahl bekannt. Der genannten Schrift gemäß ist die Lanze in der Wand eines Vakuumgefäßes verschiebbar angeordnet. Im Innenraum des Vakuumgefäßes befindet sich eine die zu behandelnde Schmelze enthaltende Pfanne. Die Austrittsöffnung der Lanze ist als Lavaldüse ausgebildet. Der Sauerstoffstrahl wird auf die zu behandelnde Schmelze gerichtet. Das Problem der Kühlung der Lanze wird in der DE-OS 19 04 442 nicht angesprochen.

Wenn sie nicht gekühlt wird, verbraucht sich die Lanze von selbst, so daß die Austrittsöffnung der Lanze verschleißt. Dies führt zwangsläufig dazu, daß das Vakuumfrischen ungleichmäßig erfolgt. Ferner muß die Lanze oft erneuert werden. Eine Wasserkühlung der Lanze bringt das Risiko einer Explosionsgefahr im Falle eines Durchbruchs des Kühlmittels mit sich.

Aus den »Technischen Mitteilungen Krupp« (1961), Nr. 1, Seiten 17 bis 31, sind Formeln bekannt, die die hydrodynamischen Beziehungen zwischen der Form einer Lanzendüse und dem Sauerstoffstrahl unter atmosphärischem Druck beschreiben. Nicht bekannt ist jedoch, der Lavaldüse eine solche Divergenz zu geben, die durch die theoretische Machzahl am Ausgang bestimmt wird, welche ihrerseits durch die obere Grenze der Druckänderung im Frischgefäß während der Lanzenbehandlung und dem Druck in der Lanze bestimmt wird.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Weg zu zeigen, wie die Lanze während des Vakuumfrischens gekühlt werden kann, ohne daß dabei das Kühlmittel in das Frischgefäß gelangt, so daß keine Explosionsgefahr besteht

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Lanze eingangs "■ genannter Art dadurch gekennzeichnet, daß die Lavaldüse durch einen Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit gekühlt ist, der in sich zerstäubtes, flüssiges Wasser, enthält, wobei die Strömung des Gasstroms mit dem zerstäubten Wasser durch einen Kanal erfolgt, der ><> von einem inneren Rohr der Lanze mit der Lavaldüse und einem äußeren Rohr begrenzt ist.

Da die Lanze gekühlt ist, verbraucht sie sich nicht

mehr selbst, so daß die Strömungsbedingungen in der Lavaldüse konstant bleiben. Dies sichert ein gleichmäßi-

i^r. ges Vakuumfrischen des Stahls. Außerdem kann die Lanze fest in der Wand des Frischgefäßes befestigt werden, so daß eine Einrichtung zum Verschieben der Lanze entfällt. Auch ist die Lanze mehrfach zu verwenden, und Schutzvorrichtungen sind nicht mehr

-o nötig.

Einem wesentlichen Merkmal der Erfindung gemäß ist eine Anwendung der Lanze nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 2 vorgesehen. Demnach wird der Stauerstoffstrahl von einer bestimmten Höhe aus -5 mit einem gewünschten dynamischen Druck auf die Oberfläche des geschmolzenen Stahls geleitet. Dies hat den Vorteil, daß sich im Absauggas praktisch kein unverbrannteii Sauerstoffgas befindet, das für eine gewisse Streuung des Verhältnisses zwischen dem '° endgültigen C-Wert und dem Druck des erhaltenen Vakuums ursächlich ist. Dies bringt den weiteren Vorteil mit sich, daß man nicht mehr so lange entkohlen muß, bis man einen C-Wert erhält, der niedriger als der gewünschte Wert ist, um anschließend den Stahl auf den Vi gewünschten C-Wert mit Kohlenstoff wieder anzureichern. Somit wird auch der Verlust von Legierungselementen, wie z. B. Chrom, Mangan usw., vermindert.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 7 und anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Schnittansicht einer mit einer Wasserkühlungseinrichtung ausgerüsteten Lavaldüse der Fig. 2 längs der Linie IX-IX in F i g. 1;

F i g. 2 eine Schnittansicht der Lavaldüse;
F i g. 3 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen der theoretischen Machzahl und dem Druck in dem Vakuumgefäß veranschaulicht;

F i g. 4 eine Kurvendarstellung, welche das Verhältnis zwischen der berechneten Machzahl und der Divergenz ^so der Lavaldüse veranschaulicht;

F i g. 5 eine Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen dem dynamischen Druck im Zentrum des Sauerstoffstrahls und der Höhe der Lanze veranschaulicht;

"tf F i g. 6 eine schematische Kurvendarstellung, welche die Beziehung zwischen dem dynamischen Druck und dem Zentrum der Sauerstofflanze, die in einer Höhe von 100 mm placiert ist, sowie der berechneten Machzahl der Lavaldüse veranschaulicht; und

'"' F i g. 7 Kurvendarstellungen, welche die Tendenzen des CO-, CO₂- und O₂-Gehalts während der Lanzenbehandlung veranschaulichen.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Sauerstofflanze vorgesehen, die mit Wassernebel ''■> enthaltendem Gas gekühlt wird, das dadurch hergestellt, wird, daß man ein Gas, beispielsweise Luft, mit hoher Geschwindigkeit durc'i den Kühlmittelkanal der Sauerstofflanze bläst und Wasser in geringer Menge in den

Strom sprüht.

Um die durch geschmolzenen Stahl und den ivohlenstoffentziehungsbehälter auf eine erhöhte Temperatur erhitzte Sauerstofflanze zu kühlen, und zwar mit Wasser in einem geringen Betrag, der ausreicht, daß keine Explosion in dem Behälter durch Wasser hervorgerufen wird, welches möglicherweise infolge beschädigung des Kanals für das Kühlmedium während der Lanzenbehandlung austritt, ist zu beachten, dt3 dieses Wasser nicht wirksam ist, wenn nicht die latente Verdampfungswärme für die Kühlung benutzt wird. Darüber hinaus können sich, sofern Wasser im Kühlmittelkanal verbleibt, Dampfbiasen auf den Wärmeübertragungsflächen entwickeln, und zwar aufgrund einer begrenzten, zugeführten Wassermenge, und diese können die Wärmeübertragung schnell herabsetzen, was zu einem Schmelzen der Lanze führen kann. Da die vorliegende Erfindung eine Einrichtung zum Zuführen von mikrofeinverteiltem Wasser in den mit hoher Geschwindigkeit strömenden Gasstrom anwendet, können Wassertropfen, die in diesem Gasstrom eingeschlossen sind, eine Oberfläche bilden, welche längs der Wand des Kühlmittelkanals strömt, um die Wandoberfläche zu kühlen, und da entstehende Blasen durch den darin befindlichen Gasstrom schnell zum Zerfall gebracht werden, wird die Lanze wirksam durch Wasser gekühlt, ungeachtet der Verwendung desselben in einer extrem geringen Menge.

Darüber hinaus werden gemäß der vorliegenden Erfindung zwei Drittel bis drei Viertel des in einer solchen Weise zugeführten Kühlwassers verdampft unJ aus der Lanze abgesaugt. Selbst wenn die Lanze während der Lanzenbehandlung beschädigt wird, besteht keine Gefahr einer Explosion, die durch Ausspritzen von Wasser in den Behälter hervorgerufen werden könnte, und zwar aufgrund der Tatsache, daß Wasser nicht in der Lanze verbleibt.

Gemäß einem Anwendungsbeispiel der Erfindung wird eine Gußpfanne mit geschmolzenem Stahl in dem geschlossenen Vakuumgefäß angeordnet. Die Schmelze kann durch Einblasen von Argongas gerührt werden. Der zur Lanzenbehandlung vorgesehene Sauerstoff wird durch eine Sauerstofflanze geblasen, an deren vorderem Ende eine Lavaldüse angebracht ist, die so ausgelegt ist, daß sie eine Geschwindigkeit einer berechneten Machzahl von 3 unter Druck von beispielsweise 100 mmHg ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Lanze wird anhand der F i g. 1 und 2 näher erläutert, wobei die Lanze eine Lavaldüse hat, die mit einer Wasserkühlungseinrichtung ausgerüstet ist. Die Lavallanze 1 weist ein Dreifachrohr auf, welches ein inneres Rohr besitzt, das einen Kanal für Sauerstoff zum Zweck der Lanzenbehandlung begrenzt und eine Eintrittsöffnung 2 hat, sowie ein äußeres Rohr 4, das mittels eines Zwischenwandrohres 3 in zwei Teile aufgeteilt ist. Die Enden des äußeren und des inneren Rohrs sind ringförmig geschlossen, und zwar mit einem kreisförmigen Kupferring od. dgl., der die Spitze 5 der Lanze bildet. Das Teilungsrohr 3 läßt an der Spitze einen Raum frei, wodurch ein äußerer Kanal 7 und ein innerer Kanal 6 gebildet werden, durch welche das Kühlmittel hindurchgeleitet wird. Das Kühlmittel tritt durch einen Einlaß 8 in den inneren Kanal 6 ein, strömt längs der Wand des inneren Rohrs 2 nach abwärts, fließt weiter von der Düsenspitze 5 zum äußeren Kanal 4, um in diesem längs der inneren Wand des äußeren Rohrs 4 aufwärts zu strömen und schließlich aus dem Auslaß 9 auszutreten.

Andererseits ist ein Rohr 10 vorgesehen, mit dem eine Kühlflüssigkeit eingespeist wird; dieses Rohr ist am oberem Teil des inneren Kanals 6 zum Zuführen von Kühlmittel (Kühlungsluft) angebracht und besitzt eine Düse 11 zum Sprühen von Kühlflüssigkeit stromaufwärts dieses Kanals. Der innere Kanal 6 ist verengt, so daß ein zusammengezogener Teil 12 um die Düse 11 herum begrenzt wird, durch den die Strömungsrate der Kühlluft vergrößert wird, um eine vollständige Versprühung der Flüssigkeit zu erreichen.

Die Wirkungen, die man durch Benutzung des Ausführungsbeispiels der Erfindung erzielt hat, werden nachstehend erläutert.

Wenn eine 10 t-Vakuumraffinierungsanlage mit einer Lanze ausgerüstet wird, die ein äußeres Rohr mit einem Durch/nesser von 101,6 mm aufweist und ein inneres Rohr, d. h. ein den Sauerstoff für die Sauerstofflanzenbehandlung führendes Rohr, welches einen Durchmesser von 38,1 mm besitzt und eine Gesamtlänge von 1600 mm, und welches mit einer Düse 11 zum Sprühen von Kühlwasser ausgerüstet ist, die einen Durchmesser von 2,5 mm hat, wobei eine Höhe von 700 mm von der Spitze 5 der Düse zur Oberfläche des geschmolzenen Stahls eingestellt ist, so daß ein Teil der Lan/.e, der im Ofen erhitzt wurde, eine Länge von 500 mm hatte, dann wurde folgender Betrieb vorgenommen.

Die Sauerstofflanzenbehandlung wurde in der Weise ausgeführt, daß Kühlluft vom Einlaß 8 in einer Rate von 150 NmVh eingespeist wurde und daß Kühlwasser vom Wasserrohr 10 in einer Rate von 180 l/h zugeführt wurde. Die Lanze konnte ohne irgendwelche Schwierigkeiten während einer Lanzenbehandlungszeit von 25 Minuten stehen. Der geschmolzene Stahl hatte eine Temperatur von 1690 bis 177O°C bei beendeter Lanzenbehandlungsdauer. Die Lanze konnte wiederholt während mehrerer Male für die Sauerstoffbehandlung benutzt werden.

Bei dieser Lanzenbehandlung trat an der Spitze der Sauerstofflanze überhaupt kein Verlust auf, und, wie in Fi g. 7 veranschaulicht ist, wurde der CO-Gasgehalt im Abfallgas auf einem höheren Niveau stabilisiert, während der CO2-Gasgehalt an einem relativ niedrigeren Niveau stabilisiert wurde, und der 0₂-Gasgehalt bei einem Niveau stabilisiert wurde, das im wesentlichen dicht bei Null lag, und zwar im Verlauf der Kohlenstoffentziehung. Infolgedessen erhärten die Kurven die Tatsache zufriedenstellenden Wirkungsgrades bei der Kohlenstoffentziehung und einer zufriedenstellenden Entziehung von Silicium sowie einer stabilisierenden Kohlenstoffentziehung, so daß der endgültige C-Wert richtig durch den Vakuumgrad ermittelt bzw. realisiert werden kann, und mit der Anwendung der erfindungsgemäßen Lanze die Kohlenstoffentziehung extrem korrekt gesteuert werden kann.

Beim Vakuumfrischen wird der Druck im Behälter während der Reaktion geändert. Zu Beginn der Entkohlung ist es vorteilhaft, nicht so hoch zu evakuieren, um Schwierigkeiten zu vermeiden, die durch übermäßiges Kochen, erhöhtes Spritzen u. dgl. hervorgerufen werden. Auch ist die Oxydation von metallischen Komponenten, wie z. B. von Chrom u. dgl., in einem Vakuum nicht zu hohen Grades gering. Deshalb wird Sauerstoff zunächst unter erhöhtem Druck von 7. B. mehreren 10 Torr eingeblasen.

In dem Wittenverfahren beginnt die Kohlenstoffentziehung bei einem C-Wert von 0,3 bis 0,5%. Wenn der C-Wert auf weniger als 0,1% herabgesetzt ist, dann ist es erforderlich, auf einen höheren Vakuumerad zu

evakuieren, um den Parlialdruck von CO noch weiter herabzusetzen, so daß man den C-Wert auf einen gewünschten Wert reduzieren kann, welcher von der Art. des Stahls abhängt und ungefähr 0,05% für einfachen Slahl und weniger als 0,02% für Stahl mit extrem niedrigem Kohlenstoffgehalt beträgt. Der Sauerstoff wird während der letzten Stufe unter niedrigem Druck, wie z.B. 10 oder mehrere Torr, eingeblasen.

Es ist auch bekannt, daß die theoretisch erhältliche Machzahl am Ausgang der Düse nur durch den Druck in der Lanze und den Druck im Behälter bestimmt ist. Diese Beziehung ist durch Fig. 3 veranschaulicht. Andererseits wird die Divergenz der Düse nur durch die Machzahl des Strahls am Düsenausgang bestimm! Diese Beziehung ist in F i g. 4 veranschaulicht.

Als Ergebnis einer ausgedehnten Untersuchung wurde gefunden, daß es wichtig ist, wie drei Variable bestimmt werden, umfassend den Durchmesser der Düseneintrittsöffnung, welcher durch die berechnete Sauerstoffströmungsrate definiert ist, den Druck in der Lanze und die Machzahl, welche durch die Druckwerte in der Lanze und in dem Behälter definiert ist, und weiterhin wurde festgestellt, daß es wichtig ist, wie man die Schwankungen der Machzahl handhabt, welche sich von dem veränderten Druck im Behälter während des Verlaufs der Kohlenstoffentziehung ergeoen.

Wie F i g. 5 zeigt, wurde gefunden, daß der dynamische Druck im Vergleich mit einer Rohrdüse in der Lavaldüse, in welcher der Eintrittsöffnungsdurchmesser auf 2 mm herabgesetzt und die Machzahl auf 3 bemessen wurde, beträchtlich verbessert wird. Da der zentrale dynamische Druck im wesentlichen exponentiell mit der zunehmenden Höhe der Lanze im Vergleich mit dem Wert des zentralen dynamischen Drucks für eine Düse bei einer Lanzenhöhe von 100 mm als Bezugswert herabgesetzt wird, wächst der dynamische Druck in anderen Düsen progressiv mit erhöhter Machzahl der Düsen, wie in F i g. 6 veranschaulicht ist. Über einer gewissen berechneten Machzahl hat der dynamische Druck die Tendenz, schnell abzusinken. Die Machzahlen, die in Fig.6 durch schwarze Balken angezeigt sind, sind theoretisch erzielbare Machzahlen am Ausgang, die aus den Druckwerten in der Lanze und im Behälter bestimmt worden sind. Es wurde gefunden, daß der maximale dynamische Druck mittels Düsen erzielt werden kann, die so ausgelegt sind, daß sie berechnete Machzahlen aufweisen, welche im wesentlichen diesen theoretisch erreichbaren Machzahlen entsprechen.

Wenn die berechnete bzw. ausgewählte Machzahl entweder kleiner oder größer als die theoretische Machzahl ist, dann nimmt der dynamische Druck ab. Es wurde gefunden, dall der Abfall im dynamischen Druck insbesondere dann eintritt, wenn die bestimmte bzw. ausgewählte Machzahl außerordentlich groß ist. Von dem Ergebnis, das bei der Höhe der Lanze erzielt worden ist, läßt sich entnehmen, daß die Sauerstofflanzcnbehandlung vorzugsweise unter Bedingungen ausgeführt werden kann, bei denen eine Lavaldüse angewandt wird, welche eine Machzahl hat, die nach der oberen Grenze der Druckvariation im Behälter während der

Saucrstofflanzcnbehandlung ausgelegt ist, sowie unter Bedingungen, bei denen die ausgewählte bzw. bestimmte Machzahl kleiner als die theoretische Machzahl am Ausgang während der Periode ist, in welcher der Druck im Behälter niedriger als die vorerwähnte obere Grenze ist.

Da der Durchmesser der Düseneintrittsöffnung aus der gewünschten Strömungsrate des Sauerstoffs und dem Druck in der Lanze bestimmt wird, ist es möglich, den Durchmesser der Düseneintrittsöffnung in einem solchen Ausmaß herabzusetzen, daß er bezüglich des Drucks in der Lanze unter strukturell annehmbaren Bedingungen aus- bzw. angeglichen ist. Wenn der D^ruck in der Lanze übermäßig hoch ist, kann er bis zu einem gewissen Maß herabgesetzt werden, und der Durchmesser der Düseneintrittsoffnung wird entsprechend erhöht.

Wenn eine Lavaldüse angewandt wird, dann kann der vertikale Abstand von der Spitze der Lanze zur Oberfläche des geschmolzenen Stahls vergrößert werden, z. B. um mehr als zweimal so hoch wie die Höhe einer konventionellen Lanze. Wenn die Lanze konstant in einer solchen Höhe gehalten wird, z. B. in einer Höhe von 1400 mm während der Lanzenbehandlung, kann der dynamische Druck oder die Tiefe der Eindrückung auf den geschmolzenen Stahl, die durch den Sauerstoffdruck hervorgerufen wird, auf Werten gehalten werden, die einer konventionellen Lanzenbehandlung des Stahls bei einer anfänglichen Höhe von 600 mm äquivalent sind. Während der Sauerstofflanzenbehandlung wird der geschlossene Kohlenstoffentziehungsbehälter evakuiert, und zwar bis zu einem gewünschten Vakuumgrad, wozu Absaugeinrichtungen verwendet werden, die Dampfstrahlpumpen, Kondensatoren u. dgl umfassen. Das Abfallgas von den Absaugeinrichtungen wird in die Atmosphäre abgegeben. Ein Teil des Abfallgases wird kontinuierlich halbwegs aus der Leitung abgezogen, so daß kontinuierlich mittels eines paramagnetischen Sauerstoffanalysators bezüglich des O₂ und durch einen Infrarotgasanalysator bezüglich des CO und CO2 analysiert werden kann.

Als Ergebnis der Tatsache, daß Sauerstoff in einer Höhe des Zweifachen der Höhe der konventionellen Lanzenbehandlung oder von einer größeren Höhe strömte, wurde festgestellt, daß überhaupt keine Verluste in der Lanze während der Vakuumkohlenstoffentziehung auftraten, und die Lanze erforderte keine Steuerung der Höhe, und eine Schwankung der Kohlenstoffentziehung, die bisher durch die Wirkung von nichtverbranntciu Sauerstoffgas auftrat, welches durch das Absaugen der Lanzen freigesetzt wurde wurde ausgeschaltet. Infolgedessen enthält das Abfallgas zu dem Zeitpunkt, in welchem die Menge dei Abfallgases bei der Endperiode der Kohlenstoffentziehung herabgesetzt wurde, im wesentlichen nur CO unc CO₂. Der Gehalt an (CO + CO₂) wird durch dk festgestellte Herabsetzung der Schwankung währenc der Erhitzung konstant gehalten. Der endgültige C-Wert entspricht gut dem erreichten Vakuumgrad, se daß es möglich ist. den endgültigen C-Wert aus den erreichten Vakuumgrad sehr früh und genau zi bestimmen.

Hierzu 6 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Lanze mit Lavaldüse zum Vakuumfrischen von Stahl, mit der Sauerstoff auf die Oberfläche des geschmolzenen Stahles unter herabgesetztem Druck geblasen wird, wobei das Aufblasen von Sauerstoff mit hoher Geschwindigkeit zur Erzielung eines gewünschten dynamischen Druckes und einer gewünschten Tiefe der Eindrückung auf der Oberfläche des geschmolzenen Stahls erfolgt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lavaldüse durch einen Gasstrom mit hoher Geschwindigkeit gekühlt ist, der in sich zerstäubtes, flüssiges Wasser enthält, wobei die Strömung des Gasstromes mit dem zerstäubten Wasser durch einen Kanal (6, 7) erfoigt, der von einem inneren Rohr (2) der Lanze mit der Lavaldüse und einem äußeren Rohr (4) begrenzt ist.

2. Anwendung der Lanze mit Lavaldüse nach Anspruch I zum Vakuumfrischen von Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß die Lavaldüse eine Divergenz besitzt, die durch die theoretische Machzahl am Ausgang bestimmt wird, welche ihrerseits durch die obere Grenze der Druckänderungen im Frischgefäß während der Lanzenbehandlung und dem Druck in der Lanze bestimmt wird.