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"Verfahren und Vorrichtung zur Schrottsatzerhöhung bei der Stahlherstellung
im OBM-Konverter" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung des
Schrottsat zes bei der Stahlherstellung aus flüssigen Roheisen und Schrott in einem
OBM-Konverter durch die Verbrennung von Öl und eine Vorrichtung zur Durchführung
des Verfallrerls. Bei dem Konverter sind unterhalb der Stahlbadoberfläche Düsen
zum Einleiten von Sauerstoff mit Kohlenwasserstoffummantelung angeordnet.
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Da Schrott.im allgemeinen wesentlich billiger ist als flussiges Roheisen,
ist man daran interessiert, möglichst viel Schrott bei den Frischverfahren mit einzuschmelzen.
Eine Steigerung des Schrottsatzes über die durch die Roheisenzusammensetzung und
-temperatur bestimmte Schrottmenge ist nur möglich, wenn dem Frischprozeß zusätzlich
Energie zugeführt wird.
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Es sind bereits mehrere Verfahren bekannt, den Schrottsatz, definiert
als Gewichtsverhältnis zwischen Kühlschrott und flüssigem Stahl, bei der Stahlerzeugung
im Konverter zu erhöhen. Beispielsweise wird in einem Saj.erstoff-Aufbiaskonverter
durch das Vorheizen mit Öl-Sauerstoff-Drennern von oben der Schrott vorgeheizt.
Dabei konnte der Schrottsatz von 0.3 t auf 0.38 t pro Tonne lertigstahl mit einem
wärmetechn ischen Wirkungsgrad von 20 °ó bis 30 %, bezogen auf den Heizwert der
zugeführten Ölmenge, heraufgesetzt werden. Der Nachteil dieer
Arbeitsweise
besteht, n<:ben dem schlechten wärmetechnischen Wirkungsgrad, in einer relativ
3 angen Vorheizzeit von ca. 12 min, zuzüglich einer Ulnriistzeit von der Brenner-Einrichtung
auf die Sauerstoff-Blaslanze.
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In der bislang nicht veröffen+ lichten 1 deutschen Patentanmeldung
P 27 29 982.7 wird ein Verfahren zum Schrottvorwärmen im OBM-Konverter beschrieben,
d gegenuber der genannten Vorwärmniethode mit Öl-Sauerstoff-Aufblasbrennern deutliche
Vorteile aufweist Nach dieser Erfindung chargiert man in den Konverter ca. 10 bis
100 kg Koks pro Tonne Schrott und leitet über die Sauerstoffeinleitungsdüsen zusätzlich
Brennstoff, der mit einer Blasrate von 2 bis 10 Nm3 Sauerstoff pro Tonne Schrott
verbrannt wird. Dieses neue Verfahren hatte das Ziel, den Schrottsatz wesentlich,
d.h. um mindestens 10 Prozentpunkte (z. B, von 30 % auf 40 %), zu steigern. Es wird
angeführt, daß beispielsweise durch Vorheizen von 8 min nach dem neuen Verfahren
in einem 60 t-OBM-Konverter der Schrottsatz von 28 0% auf 50 % erhöht werden konnte.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die Wirtschaftlichkeit
der bekannten Erfindung nach der deutschen Patentanmeldung P 27 29 982.7 zu steigern,
d. h. den wärmetechnischen Wirkungsgrad der zugeführten Heizmittel zu verbessern,
ohne daß es zu einer wesentlichen Oxidation des Schrottes kommt.
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Die Lösung dieser Aufgabe basiert auf der überraschenden Erkenntnis,
daß es zu keiner wesentlichen Schrottoxidation kommt und der wärmetechnische Wirkungsgrad
bei der Verbrennung von Öl beim Schrottvorheizen verbessert wird, sobald während
der Schrottvorheizzeit, d. h. bevor flüssiges Roheisen in den Konverter chargiert
wird, mindestens 2 1 Öl pro
Minute und je Tonne eingesetzten Schrottes
durch die Sauerstoffeinleitungsdüsen und gleichzeitig Sauerstoff durch dieselben
Düsen in einer Mindestmenge, die zur stöchiometrischen Öiverbrennung erforderlich
ist, in den Konverter eingeführt werden.
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Überraschenderweise hat sich bei der Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zur Stahlerzeugung in einem OBM-Konverter herausgestellt, daß beim Einleiten
von Öl durch die üblichen Sauerstoffeinleitungsdüsen Schrott mit einem hohen wärmetechnischen
Wirkungsgrad vorgeheizt werden kann, ohne daß dabei, wie zunächst erwartet, große
Eisenoxidationsverluste auftreten. Mit dem Verfahren nach der Erfindung ist es demzufolge
gelungen, ähnlich wie nach dem Verfahren der Patentanmeldung P 27 29 982.7, den
Schrottsatz durch Vorheizen um ca. 10 Prozentpunkte zu steigern, ohne jedoch die
Nachteile der bekannten Erfindung, nämlich die Zugabe von Koks zum Schrott, in Kauf
zu nehmen.
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So konnte beispielsweise in einem Konverter, bei dem das Abstichgewicht
der fertigen Stahlschmelze 60 t beträgt, der Schrottsatz bei konstanter Roheisenzusammensetzung
von üblicherweise 24 % auf 36 %, entsprechend von 16 t auf 22 t, gesteigert werden.
Um diese Schrottmenge vorzuheizen, sind in 5 min 500 1 Öl durch die Ringspaite der
10 Sauerstoffeinleitungsdüsen zusammen mit 1100 Nm3 Sauerstoff in den Konverter
geblasen worden. Es errechnet sich aus diesen Zahlen ein wärmetechnischer Wirkungsgrad
für das Öl von ca. 70 %. Somit war es möglich, pro Tonne Schrott etwa 160 000 kcal
zu übertragen. Es ergibt sich daraus eine effektive mittlere Vorheiztemperatur für
die Schrottmenge von ca. 9000C.
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Die optische Temperaturmessung der vorgeheizten Schrottmenge beim
Umlegen des Konverters für das Roheisenchargieren, hat Werte zwischen 1000 bis 1200°C
ergeben. Diese etwas höheren, gemessenen Temperaturen stehen im guten Einklang mit
den Rechenwerten, da sich ein geringer Oxidationsgrad des Schrottes einstellt, der
beim Frischvorgang zur Reduktion Wärme verbraucht, und somit liegt die effekte Temperatur
des Schrottes, d.h. der Temperaturgewinn durch das Ölvorheizen, der sich ih der
Gesamtwärmebilanz der Charge bemerkbar macht, dementsprechend niedriger.
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Bei der Stahl erzeugung ohne Schrottvorwärmen betreibt man die Sauerstoffeinleitungsisen
in diesem Konverter mit einem gasförmigen Kohlenwasserstoff als Düsenschutzmedium;
beispielsweise mit 300 Nm3/h Propan bei einer Sauerstoffblasrate von 15 000 bis
18 000 Nm3/h. Daraus errechnet sich ein Düsenschutzmediumsatz von 2 bis 3 Vol-%.
Im Fall der Schrottvorwärmung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Sauerstoffeinleitungsdüsen
als Brenner betrieben, wobei durch den äußeren Ringspalt anstelle von Propan Öl
eingeführt wird. Die gesamte erforderliche Ölmenge wird durch diese Düsenringspalte
geleitet. Während des Frischvorganges, nachdem das Roheisen in den Konverter chargiert
ist, verwendet man dann bevorzugt wieder Propan, d.h. einen gasförmigen Kohlenwasserstoff,
als Düsenschutzmedium. Die Durchflußrate für das Düsenschutzmedium ist dann selbstverständlich
wieder relativ gering, d.h. beim Einsatz von Propan ca. 2 bis 3 Vol-%.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht in der Anwendung
der üblichen Sauerstoffeinleitungsdüsen, die vorzugsweise aus zwei konzentrischen
Rohren aufgebaut sind, zum Einleiten von Öl für das Schrottvorheizen und anschließend
von gasförmigen Kohlenwasserstoffen als Düsenschutzmedium.
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Das Öl1 es kann sich beispielsweise um leichtes oder schweres
Heizöl
und andere Erdölbestandteile bzw. Mischungen davon handeln, wird in den gewünschten
Mengen durch den üblichen Düsenringspalt in den Konverter geleitet. Der Düsenringspalt
ist demzufolge normalerweise nicht neu zu gestalten, um die erforderliche Ölmenge
durchströmen zu lassen. Der Ringspalt ist ca.
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1 mm breit oder besteht aus Einzelkanälen mit ungefähr quadratischem
Querschnitt von 2 bis 3 mm Kantenlänge.
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Während der Stahlfrischphase, d. h. nach dem Schrottvorwärmen, sobald
das Roheisen chargiert ist, erweist sich ein gasförmiger Kohlenwasserstoff als Düsenschutzmedium
gegenüber der grundsätzlichen Möglichkeit, mit reduzierter Ölmenge zu arbeiten,
besonders vorteilhaft. Die gasförmigen Düsenschutzmedien, beispielsweise Erdgas,
Methan, Propan, Butan und Mischungen davon, haben sich in der Betriebspraxis als
sehr zuverlässig herausgestellt.
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Sie sind insbesondere unproblematisch hinsichtlich ihrer Gleichverteilung
auf eine größere Anzahl von Sauerstoffeinleitungsdüsen und füllen die Ringräume
der Düsen vollständig aus. Gasförmige Kohlenwasserstoffe erlauben daher größere
Toleranzen in der Ringspaltbreite der Düsen, ohne die Funktion der Düse zu gefährden.
Beispielsweise kann beim Schrottvorwärmen mit Öl, d.h. wenn die Düsen als Brenner
betrieben werden, in besonderen Fällen die Düsenringspaltbreite der erhöhten Ölmenge
angepaßt sein, ohne irgendwelche Nachteile bei der Verwendung von gasförmigen Schutzmedien,
z.B. Propan, während der Stahlfrischphase zu befürchten.
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Nach dieser Erfindung ist es gemäß der vorangestellten Ausführungen
günstig, während der Schrottvorheizphase durch den Ringspalt der Sauerstoffeinleitungsdüsen
die erforderliche Ölmenge strömen zu lassen und anschließend beim Stahlfrischen
auf gasförmige Kohlenwasserstoffe für den Düsenschutz umzuschalten. Erfindungsgemäß
erfolgt dieses Umschalten von flüssigen auf gasförmige Medien im Düsenringspalt
und umgekehrt zu Jeder beliebigen Zeit ohne Unterbrechung für den Konverterprozeß.
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Bei eiiizelnon Chargen ist jedoch auch mit flüssigen Kohlenwasserstoffen
als Düsenschutzmedium, nämlich Heizöl, in einer Menge von ca. 1000 l/h gearbeitet
worden. In jedem Fall hat man aber die,Düsen beim Umlegen und Aufrichten des Konverters
mit Stickstoff im Sauerstoffeinleitungsrohr und im Ringspalt betrieben, d.h. der
Wechsel von einem gasförmigen Medium auf Flüssigkeiten im Düsenringspalt und umgekehrt,
ist auch bei der Verwendung ven Öl als Schutzmedium durchgeführt worden und bereitete
beim Einsatz der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Medienversorgung des Düsenringspaltes
keinerlei Probleme.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht in wesentlichen aus je einer
Leitung für gasförmiges - und flüssiges Medium zur Versorgung des Ringspaltes an
jeder einzelnen Düse. Diese beiden individuellen Medienversorgungsleitungen für
jede Düse werden in Düsennähe, vorzugsweise direkt am Düsenmontageflansch, in ein
Umschaltventil zusammengeführt. Dieses Umschaltventil, beispielsweise ein sogenanites
T-Relais, ist ein Dreiwege-Ventil, dessen in Strömungsrichtung liegende Ausgangsöffnung
mit dem Düsenringspalt verbunden ist. Die beiden Eingaiigsöffnungen stehen jeweils
mit der individuellen Versorgungsleitung für flüssiges bzw. gasförmiges Medium in
Verbindung. Das Ventil gibt dem Medium den Weg zum.Düsenringspalt frei, dessen Druck
gegenüber dem anderen Medium höher liegt. Die Medienumschaltung erfolgt nur in Auf/Zu-Stellung,
d. h. wenn ein Medium Durchlaß hat, ist der Weg für das andere Medium verschlossen.
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Die beschriebene erfindungsgemäße Medienumschaltung direkt an der
Düse und die individuellen Versorgungsleitungen für jede Düse sind wichtige Vorrichtungen,
um die Gleichverteilung sehr unterschiedlich hoher Mediummengen auf mehrere Düsen
einzuhalten. Beispielsweise ist der Öl-Durchsatz während der Schrottheizphase relativ
hoch im Vergleich zu dem geringen Schutzmediumdurchsatz während der Frischphase.
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Die Mediummengen-Gleichverteilung auf die individuellen Versorgungsleitungen
für jede Düse wird durch ein Mehrfach-Regelventil gewährleistet. Dieses Mehrfach-Regelventil
variiert gleichzeitig für jede Düse einen Mediumdurchlaßquerschnitt und stellt so
die gewünschte Mediumdurchlaufmenge ein. Dieser relativ kleine, steuerbare Mediumdurchlaßquerschnitt
führt zu einem hohen Druckverlust zwischen der Versorgungsleitung des Mehrfach-Regelventiles
und den individuellen Düsenleitungen. Durch diesen Druckverlust wird die Gleichverteilung
der gesamten Mediummenge auf die einzelnen Düsen bewirkt. Für das Öl beträgt beispielsweise
der Druck in der Versorgungsleitung 30 bar und in den Düsenleitungen ca. 2 bis 5
bar.
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Um die Funktion des Mehrfach-Regelventiles nicht zu gefährden, ist
ein Installationsraum mit Umgebungstemperaturen < 500 C nötig. Zum Beispiel kar.n
es sich um einen entsprechenden Raum neben dem eigentlichen Konverter handeln. Diese
Anordnung erfordert allerdings für jede Einzelleitung eine entsprechende Drehdurchführung
am Konverterzapfen.
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Eine weitere Installationsmöglichkeit für das Mehrfach-Regelventil
besteht in einem entsprechend gekühlten Kasten am Konverter. Es hat sich bewährt,
die Kühlung dieses Kastens an die Konvertertragring-Wasserkühlung anzuschließen.
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Die Installation des genannten Mehrfach-Regelventiles für die individuelle
Düsenversorgung bei üblichen Raumtemperaturen ist erforderlich, um sicher die Ablagerung
von Crackprodukten in den relativ engen Querschnitten dieses Regelventiles zu vermeiden.
Es hat sich gezeigt, daß sich bei den in unmittelbarer Konverternähe üblichen Temperaturen
von > 1000C Crackprodukte, vorzugsweise feste Kohlenstoffpartikelchen in den
Kohlenwasserstoffleitungen, bilden. Hauptsächlich am Konverterboden, in dessen Nähe
Temperaturen bis ca. 4000C vorkommen, können sich
derartiye Crackprodukte
in den Kohlenwasserstoffleitungen leicht bilden. Beispielsweise beim Einsatz von
Blenden zur Gleichverteilung der Kohlenwasserstoffe auf die Konverter-Bodendüsen,
falls keine individuelle Dusenschutzmediumversorgung vorhanden ist, geben die genannten
Crackprodukte oft Anlaß zu Störungen.
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Die Erfindung wird nunmehr anhand nichteinschränkender Beispiele und
Darstellungen bevorzugter Ausführungsformen der Vorrichtung näher veranschaulicht.
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Figur 1 zeigt den Schnitt durch einen OBM-Konverter mit den Sauerstoffeinleitungsdüsen.
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Figur 2 zeigt de Schnitt durch den unteren Teil der Sauerstoffeinleitu;1gsdüsen
mit dem Umschaltventil und den angeschlossenen Versorgungsleitungen für gasförmige
und flüssige Düsenringspaltmedien.
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Gemäß Figur 1 ist in einem Konverter [1] mit der feuerfesten Ausmauerung
[2] ein auswechselbarer Boden [3] mit den Sauerstoffeinleitungsdüsen [4] angebracht.
Die Sauerstoffeinleitungsdüsen [4] werden über eine Zuleitung [5] mit Sauerstoff
bzw. einer Suspension aus Sauerstoff und Staubkalk versorgt. Die Gleichverteilung
dieser Suspension auf die einzelnen Düsen [4] bewirkt der sogenannte Kalkverteiler
[12]. Die Ringspalte [6] der Sauerstoffeinleitungsdüsen [4] sind über das Düsenmontagestück
[7] mit je einer individuellen 7uführungsleitung für gasförmiges Medium [8] und
Flüssigkeiten [9] verbunden. Jeder Ringspalt 6] der Düsen [4] wird mit gleichen
Mediummengen über die Leitungen [8] bzw.
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[9] versorgt. Die Zuführung der Medlummengen erfolgt durch ein nicht
dargestelltes Mehrfach-Regelventil und die Mehrfach-Drehdurchführung [10], die im
Konverterdrehzapfen [111 eingebaut ist.
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Beispielsweise werden in einen Konverter der dargestellten Art, mit
einer Kapazität von 60 t, zunächst 22 t Schrott chargiert.
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Der Schrott setzt sich zusammen aus 2 t Blechpaketen, 10 t WalzwerksrücylaufschFott
und 10 t handelsüblichem Mischschrott. Nach dem Charier-Vorgang dreht der Konverter
in die Blasstellung.
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Beim Aufstellen des Konverters strömt durch die 10 Düsen [4] im Konverterboden
[3] Stickstoff. Die Durchflußmenge liegt bei 8000 Nm3/h für das Zentralrohr und
600 Nm3/h für die Düsenringspalte. Sofort nach Erreichen der Konverter-Blasstellung
schaltet man auf 13 000 Nm3/h Sauerstoff und 6000 l/h Öl um. Nach einer Vorheizzeit
von 5 min dreht der Konverter wieder in Chargierstellung, und man füllt 40 t Roheisen
mit der Zusammensetzung 3.6 % Kohlenstoff, 0.7 % Silizium, 1.1 % Mangan, 1.6 % Phosphor
in den Konverter. Nach einer Chargierzeit von 3 min befiiidet sich der Konverter
wieder in Blasstellung, und die Charge wird mit 18 000 Nm3/h Sauerstoff und 350
Nm3/h Propan als Düsenschutzmedium gefrischt. Anschließend an die Hauptfrischzeit
von 10 min und 3 min Wartezeit für die Stahlanalyse, erfolgt ein Nachblasen mit
den gleichen Sauerstoff- und Propanraten von 2 min. Anschließend sticht man die
Stahlschmelze ab. Der Gesamt-Sauerstoffverbrauch liegt bei 4200 Nm3, die mit dem
Sauerstoff eingeblasene Kalkmenge beträgt 5 t. Der Fertigstahl hat eine Analyse
von 0.02 % Kohlenstoff, 0.2 % Mangan.
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Die abgestochene Stahlmenge wiegt 60 t.
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Bei Vergleichschargen ohne Schrottvorwärmen, wird mit einer Schrottmenge
von 16 t und bei konstanter Roheisenzusammensetzung und -menge gearbeitet. Daraus
ergibt sich für dieses Beispiel ein Zusatzschrottanteil für das Schrottvorheizen
nach der Erfindung von 6 t, die dafür erforderliche Wärmemenge ergibt sich zu 2.8
Gcal, die eingebrachte Wärmemenge gemäß der Ölzugabe zu 4.35 Gcal. Die Menge deckt
selbstverständlich auch
den fehlenden Wärmeüberschuß aus der Roheisenoxidation,
um deii die Roheisenmenge aufgrund des höheren Schrottsatzes bei gleichem Chargen-Endgewicht
ermäßigt wird. Aus diesem Unterschied der Wärmemengen errechnet sich ein wärmetechnischer
Wirkungsgrad für das eingesetzte Öl mit einem Heizwert von 8700 kcal/h von 64 %.
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Bei einer Serie von ca. 100 Chargen, die in dem als Beispicl genannten
60 t-Konverter mit einer erhöhten Schrottmenge von 6 t, entsprechend einem Schrottsatz
von 36 %, erzeugt wurden, lagen die Vorheizzeiten bei 5 min und der wärmetechnische
Wirkungsgrad für das eingesetzte Öl bei 65 %.
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Die bisher genannten Zahlenangaben hinsichtlich der Schrottsatzerhöhung
beziehen sich in der Erfindungsbeschreibung und den Beispielen auf die Anwendung
der sogenannten Zweischlackenpraxis, die bevorzugt beim Frischen von phosphorreichem
Roheisen zur Anwendung kommt. Bei der Zweischlackenpraxis verbleibt die zweite Schlacke
der vorangegangenen Schmelze, bei dem genannten 60 t-Konverter sind das etwa 10
t Schlacke, im Konverter. In diese sogenannte Umlaufschlacke wird der Schrott chargiert
und anschließend wie beschrieben aufgeheizt. Durch den Wärmeinhalt der heißen Umlaufschlacke,
in die man den Schrott mit etwa Raumtemperatur chargiert, stellt sich im Konverter
für das Gemisch aus Schrott und Schlacke eine mittlere Temperatur von ca. 7000C
ein. Dieses Gemisch aus Schrott und Umlaufschlacke wird dann nach den Lehren der
Erfindung auf ca.
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11000C vorgeheizt. Bei dieser Arbeitsweise ist es erfindungsgemäß
möglich, den Schrottsatz um ca. 10 Prozentpunkte, beispielsweise im 60 t-Konverter
von 26 % auf 36 %, heraufzusetzen.
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Es liegt im Sinne der Erfindung, Schrott in einem Konverter ohne Umlaufschlacke
vorzuheizen. Da in diesem Fall das Aufheizen des Schrottes mit einer niedrigen Ausgangstemperatur
beginnt, bei der es einfacher möglich ist, mit hohem wärmetechnischem Wirkungsgrad
des Brennstoffs, d.h. der zugeführten Ölmenge, zu arbeiten, läßt sich der Schrottsatz
unter dieser Voraussetzung weiter steigern. In dem 60 t-Konverter werden ohne Umlaufschlacke
statt 6 t jetzt 9 t Schrott zusätzlich gesetzt. Der Schrottsatz von ursprünglich
16 t ohne Vorheizen erhöht sich damit auf 25 t. Dies entspricht einer Schrottsatzsteigerung
von 26 % auf 41 %, d.h. die Steigerungsrate beträgt 15 Prozentpunkte.
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In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemäße Vorrichtung
dargestellt.
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An der Konverterbodenplatte [151 ist das Führungsstück [16] an-Seschweißt.
Durch die Bohrung [17] in der Bodenplatte [15] wird die Düse [4] in die Bohrung
[18] der Bodenausmauerung [19] eingeführt. Mit dem Düsenflansch [20] und dem Gegenflansch
[21] am Düsenführungsstück [16j wird die Sauerstoffeinleitungsdüse [4] mit entsprechenden
Verbindungsmitteln, beispielsweise Bolzen [22] und Dichtungen [23], an der Bodenplatte
befestigt.
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Die Medienversorgung, insbesondere Sauerstoff mit und ohne Kalkbeladung,
erfolgt für das Zentralrohr [24] durch die Versorgungsleitung [25]. Zwischen den
beiden Flanschen [20] und [21] befindet sich das Düsenkontaktstück [7], in dem das
Umschaltventil [26] eingebaut ist. Über das Umschaltventil [26] wird der Ringspalt
[6] der Sauerstoffeinleitungsdüse [4] mit dem gewünschten Medium versorgt. Dazu
strömt durch die Zuleitung [8] das gasförmige Ringspaltmedium zum Umschaltventil
[26] und durch die entsprechende individuelle Versorgungsleitung [9] die Flüssigkeit.
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Das Umschaltventil [26] gibt durch den beweglichen Ventilkegel [27]
über die Austrittsöffnung [28] entweder den Durchlaß für die Medienversorgungsleitung
[8] und [9] zum Ringspalt L 6] frei.
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L e e r s e i t e