DE3204331A1 - Verfahren zur metallraffination durch einblasen eines von einem kuehlgas umgebenen raffinationsgases in die zu raffinierende metallschmelze - Google Patents

Verfahren zur metallraffination durch einblasen eines von einem kuehlgas umgebenen raffinationsgases in die zu raffinierende metallschmelze

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DE3204331A1
DE3204331A1 DE19823204331 DE3204331A DE3204331A1 DE 3204331 A1 DE3204331 A1 DE 3204331A1 DE 19823204331 DE19823204331 DE 19823204331 DE 3204331 A DE3204331 A DE 3204331A DE 3204331 A1 DE3204331 A1 DE 3204331A1
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Yasuyuki Nakao
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Description

BERG · STAPF · SCHWABE"^ TSftfcfefei&l&:..: .:*.
PATENTANWÄLTE MÜNCHEN
Berg. Stapl. Schwabe, Sandmair P.O. Box 86 02 45 8000 München DIPL. CHEM. DR. RER. NAT. WILHELM BERG DIPL.-ING. OTTO F. STAPF DIPL.-ING. HANS GEORG SCHWABE DIPU-CHEM. DR. JUR. DR. RER. NAT. K. SANDMAIR
ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT EUROPEAN PATENT ATTORNEYS MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEENS
Ihr Zeichen Your ret. Volre ref.
Unser Zeichen Our ref. Notre rel.
32 MAUERKIRCHFRS TRASSE 45
8000 München so 9„Februar 1982
Anwaltsakte-Nr.: 32
NIPPON STEEL CORPORATION Tokyo / Japan
Verfahren zur Metallraffination durch Einblasen eines
von einem Kühlgas umgebenen Raffinationsgases
in die zu raffinierende Metallschmelze
V/X
Γ (089) 9882 72
. Telex: 05 24 560 BERG d Bankkonten: Bayer. Vereinsbank München 453100 (BLZ 700202 70)
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Metallraffination durch Einblasen eines von einem Kühlgas umgebenen Raffinationsgases in die zu raffinierende Metallschmelze unter Verwendung einer unterhalb der Oberfläche der Schmelze in einem Raffinationsgefäß angeordneten konzentrischen Düse mit mehreren Rohren, z.B. einer konzentrischen Doppelrohr-Düse, und insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Schutz der konzentrischen Düse mit mehreren Rohren.
Bei einer herkömmlichen konzentrischen Doppelrohr-Düse (nachfolgend einfach als Doppelrohr-Düse bezeichnet) eines Metallraffinationsgefäßes wird hauptsächlich durch das Innenrohr in die zu raffinierende Schmelze gasförmiger Sauerstoff und durch das äußere Rohr der Doppelrohr-Düse ein Kühlgas in die Schmelze eingeblasen. Hauptsächlich wird als Kühlgas ein gasförmiger Kohlenwasserstoff, wie Methan oder Propan für das Metallraffinationssystem angewandt, und es wurde bereits zur Verbesserung eines solchen Verfahrens vorgeschlagen, CO„ oder Dampf als Kühlgas einzusetzen, die eine bessere Kühlwirkung erzielen lassen. Bei diesem verbesserten Verfahren wird gasförmiger Kohlenwasserstoff in einer Menge eingesetzt, die geringfügig niedriger als 10 Gewichtsprozent der Menge an eingeblasenem gasförmigen Sauerstoff ist, wie dies beispielsweise in der US-PS 3 706 549 offenbart wurde. Der technische Kernpunkt des vorgeschlagenen Verfahrens besteht daher darin, die Menge des Kühlgases gemäß der Menge des eingeblasenen Sauerstoffs zu regeln.
Jedoch ist bei diesem Verfahren das verwendete Kühlgas auf einen gasförmigen Kohlenwasserstoff beschränkt, und es hat sich bestätigt, daß, falls die Art des Kühlgases oder die Dimensionen der Düse geändert werden, die gewünschte Kühlwirkung nicht immer erreicht werden kann, und zwar auch dann,
wenn die Menge des verwendeten Kühlgases auf eine Menge von weniger als 10 Gewichtsprozent der Menge des eingeblasenen gasförmigen Sauerstoffs eingestellt wird.
Eine Aufgabe der'vorliegenden Erfindung besteht daher darin, ein verbessertes Verfahren zur Metallraffination unter Verwendung einer konzentrischen Düse mit mehreren Rohren zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Schutz der Düse vorzuschlagen, bei welchem während der Raffination eines Metalls unter Verwendung einer konzentrischen Düse mit mehreren Rohren eine ausgezeichnete Kühlwirkung der Düse erzielt wird, ungeachtet der Art des Kühlgases und der Dimensionen der verwendeten Düse.
Als Kühlgase können in der vorliegenden Erfindung Gase wie Kohlenwasserstoff-Gase (Propan, Propylen, etc.), Kohlendioxid und Argon, wie sie ±n den Beispielen weiter unten erwähnt werden, eingesetzt werden, und ebenso auch Stickstoff (Kühlkapazität: 0,36 bis 0,43 kcal/NÄ.) , Kohlenmonoxid (Kühlkapazität: 0,38 bis 0,45 kcal/NÜ,) , Ammoniak (Kühlkapazität: 0,6 bis 0,65 kcal/N«,) , Dampf (Kühlkapazität: 0,47 bis 0,57 kcal/NÄ,) , .und Mischungen dieser Gase. Es ist auch möglich, ein betriebliches Ofenabgas, wie Konverterabgas, Gichtgas, Kokereigas, etc., oder ein Verbrennungsabgas aus einem Betriebsofen, wie beispielsweise einem Glühofen, einem Sinterofen, etc., zu verwenden.
Im Rahmen von Untersuchungen über die Wirkungen der Änderung der Art des Kühlgases oder der Dimensionen der Doppelrohr-Düse auf die Kühlwirkung der Düse wurde bestätigt gefunden, daß die gewünschte Kühlwirkung erzielt werden kann, indem man die
Pließgeschwindigkeit pro Minute des durch den zwischen dem äußersten Rohr und dem benachbarten inneren Rohr der Düse gebildeten Durchgang hindurchströmenden Kühlgases gemäß der nachstehenden Gleichung I
A[kcal/N£] x B[NÄ/min] ,nn * λ^τλ -. / 2 . -, /TX - 6OO-14OO[kcal/cm .mn] (I)
in welcher A die Kühlkapazität des Kühlgases, B die Fließgeschwindigkeit des Kühlgases, irü. der innere Kreisumfang des äußersten Rohres und ΔΤ die Wanddicke des äußersten Rohres ist, regelt.
Fig. 1 ist eine schematische Schnittansicht, die eine Ausführungsform einer in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzten Düse zeigt;
Fig. 2 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen den Dimensionen der Düse und dem Ausmaß des Düsenabbrands zeigt, wenn die eingeblasene Menge eines Kohlenwasserstoff-Gases übereinstimmend mit der eingeblasenen Menge an Sauerstoff bestimmt wird;
Fig. 3 ist ein Diagramm, welches das Ausmaß des Düsenabbrands zeigt, wenn die Art und die Fließgeschwindigkeit des Kühlgases geändert werden, während die Dimensionen der Düse konstant gehalten werden;
Fig. 4 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Kühlgasmenge und dem Ausmaß des Düsenabbrands in dem Fall zeigt, wo Propan als Kühlgas verwendet wurde;
Fig. 5 ist ein Diagramm, welches die Beziehung zwischen der Kühlgasmenge und dem Ausmaß des Düsenabbrands in dem Fall zeigt, wo CO ~ als Kühlgas verwendet wurde; und
Fig. 6 ist ein Diagramm, welches die Bereiche der Kühlgas-Fließgeschwindigkeiten zeigt, die gemäß der vorliegenden Erfindung im Falle verschiedener Kühlgasarten, welche die angegebenen Kühlkapazitäten besitzen, brauchbar sind.
Die Erfindung wird nun im Detail erläutert.
Im Rahmen von Untersuchungen, die zu der vorliegenden Erfindung führten, wurde die Wirkung von vielen verschiedenartigen Dimensionen von Doppelrohr-Düsen und vielen verschiedenartigen Kühlgasen auf die Kühlwirkung der Doppelrohr-Düse erforscht und die folgenden Befunde erhalten.
Zunächst wurde bezüglich der Dimensionen der Düse bestätigt gefunden, daß, wenn die Wanddicke des äußeren Rohres, welches die Düse bildet, dicker wird und/oder der innere Kreisumfang des äußeren Rohres größer wird, es schwieriger wird, eine ausreichende Kühlwirkung bei Verwendung der gleichen Kühlgasmenge zu erzielen. Wenn daher die Wanddicke des äußeren Rohres erhöht oder der innere Kreisumfang des äußeren Rohres länger gemacht wird, muß eine größere Kühlgasmenge eingesetzt werden, um die gewünschte Kühlwirkung zu erzielen.
Weiterhin wurde bezüglich des Kühlgases gefunden, daß auch dann, wenn die Wanddicke und der innere Kreisumfang des äußeren Rohres die gleichen sind, die Fließgeschwindigkeit des Kühlgases geändert werden muß, um die gleiche Kühlwirkung zu erzielen, wenn die Art des Kühlgases verschieden ist.
Als Ergebnis von mehreren Versuchen wurde bestätigt gefunden, daß man eine ausreichende Kühlwirkung erzielen kann, wobei das Auftreten eines Abbrandes einer unterhalb der Oberfläche der Schmelze angeordneten konzentrischen Düse mit mehreren Rohren verhindert wird, indem man ein Kühlgas durch den Kühlgas-Durchgang in einer solchen Weise hindurchleitet, daß, falls der Kreisumfang des Durchgangs für das Kühlgas durch den inneren Kreisumfang des äußersten Rohres der Düse repräsentiert wird, die wärmeentziehende Menge des Kühlgases in
dem Kühlgas-Durchgang (die Eigenwärme und latente Wärme des Kühlgases)
600[UD^Cm] x ΔΤ[αη] ]kcal/min bis 14001^D1[Cm] χ AT[cm]]kcal/ min pro Minute entspricht (wobei πϋ. und ΔΤ die gleiche Bedeutung wie in Gleichung I aufweisen).
Der Grund für diese Beschränkung der Kühlgasmenge in dem erfindungsgemäßen Verfahren wird weiter unten mehr im Detail erläutert.
Fig. 1 ist eine Schnittansicht, welche den Aufbau einer Doppelrohr-Düse für das Einblasen am Boden eines Metallraffinationsgefäßes (10 t) zeigt, die zur Erzielung der Versuchsdaten, auf welchen diese Erfindung basiert, verwendet wurde. Die Doppelrohr-Düse besteht aus einem inneren Rohr 1 zum Einblasen eines Raffinationsgases, das hauptsächlich aus Sauerstoff besteht, und einem äußeren Rohr 2. In den ringförmigen Raum zwischen dem äußeren Rohr 2 und dem inneren Rohr 1 wird durch eine Leitung 3, die mit einer Kühlgasquelle verbunden ist, ein Kühlgas eingeführt. Das äußere Rohr 2 ist von einem feuerfesten Futter 4 umgeben.
Die Abmessungen der in dem Versuch eingesetzten Doppelrohr-Düsen sind in der nachfolgenden Tabelle I angegeben.
Tabelle I Düs enabme s s ungen
Düsen-Nr,
Inneres (b)
(mm)		 Rohr Äußeres (b)
(mm)		 Rohr
(a)
(nun)		 21 (c)
(mm)		 (a)
(mm)		 29 (c)
(mm)
15 21 3,0 23 27 3,0
15 21 3,0 23 27 2,0
15 • 21 3,0 24 29 1,5
15 29 3,0 25 35 2,0
23 29 3,0 31 37 2,0
23 29 3,0 31 37 3,0
23 10 3,0 33 iö 2,0
6 9 2,0 12 14 2,0
6 9 1,5 11 17 1,5
6 1,5 13 2,0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(a): Innendurchmesser j (b): Außendurchmesser; und (c): Wanddicke
Fig. 2 zeigt den Düsenabbrand für verschiedene Verhältnisse des Kühlgases (Propan) zur Menge des vom Boden des Raffinationsgefäßes eingeblasenen Sauerstoff-Gases für den Fall, daß man die Metallraffination unter Verwendung der in der Tabelle I gezeigten Düsen durchführt. Die Ziffern in den Kreisen der Figur sind die in Tabelle I gezeigten Düsennummern.
Wie eindeutig aus den gezeigten Ergebnissen entnommen werden kann, ist es nicht immer möglich, in Abhängigkeit von den Abmessungen der Düse, optimale Ergebnisse zu erzielen, wenn man ein Kohlenwasserstoff-Gas (Propan) als Kühlgas verwendet,
- /10 -
und die eingeblasene Menge des Kühlgases auf weniger als 10 Gewichtsprozent der eingeblasenen Sauerstoffmenge einregelt. Ferner wird im Falle der Verwendung der in der Tabelle I angegebenen Düsen-Nr. 1 und 9 das beste Ergebnis erzielt, wenn die eingeblasene Menge an gasförmigem Kohlenwasserstoff (Propan) größer als 10 Gewichtsprozent der eingeblasenen Sauerstoffmenge beträgt. Diese Ergebnisse zeigen, daß eine einfache Regelung der eingeblasenen Menge eines Kühlgases auf eine Menge von weniger als 10 Gewichtsprozent der eingeblasenen Menge an Sauerstoff nicht immer der beste Weg zum Schutz der Düse ist.
Andererseits wurde der Abbrand der Düse für verschiedene Kühlgase, einschließlich Kohlendioxid und Argon, bei verschiedenen Flxeßgeschwindxgkeiten untersucht. Die erhaltenen Ergebnisse werden in Fig. 3 gezeigt. Aus dieser Figur ist eindeutig zu ersehen, daß der Abbrand der Düse sich je nach den verschiedenen Arten und/oder Fließgeschwindigkeiten des Kühlgases erheblich unterscheidet.
Aus diesen Ergebnissen kann eindeutig entnommen werden, daß eine ausreichende Düsenkühlwirkung bei der Metallraffination durch einfache Regelung der eingeblasenen Menge eines Kühlgases in Übereinstimmung mit der eingeblasenen Menge an Sauerstoff nicht sichergestellt werden kann. Die Art des Kühlgases und die Abmessungen der eingesetzten Düse muß ebenfalls, berücksichtigt werden, um eine ausreichende Düsenkühlwirkung zu erzielen.
Daher wurden die durch verschiedenartige Änderungen (1) der Fließgeschwindigkeit des Kühlgases, und (2) der Abmessungen der Düse unter Verwendung von Propan und Kohlendioxid-Gas als Kühlgas erhaltenen Versuchsergebnisse zur Ermittlung des Ver-
- /11 -
32G4331
- 11 -
hältnisses von Düsenabbrand und den Abmessungen der Düse, bewertet. Die erhaltenen Ergebnisse wurden mit Bezug auf den folgenden Wert berechnet, und es wurde gefunden, daß ein ausreichender Schutz der Düse verwirklicht werden kann, indem man die eingeblasene Menge des Kühlgases derart regelt, um diesen Wert innerhalb eines gewissen Bereiches zu halten:
(IX)
wobei in dieser Formel B die Fließgeschwindigkeit des Kühlgases pro Minute ist, irD. den inneren Kreisumfang des äußeren Rohres (den äußeren Kreisumfang des Kühlgas-Durchgangs) bedeutet, ΔΤ die Wanddicke des äußeren Rohres und C die Menge des Kühlgases ist, das dem Kühlgas-Durchgang zugeführt wird.
Darüber hinaus wurde gefunden, daß der oben beschriebene Bereich gemäß der Art des Kühlgases differiert, wie dies in Fig. 4 und Fig. 5 gezeigt wird. Insbesondere beträgt der Be-
reich 200 bis 400 NÄ/cm .min für Propan, während er für CO9
2
700 bis 1300 Ni/cm .min ist.
Es wird angenommen, daß die Differenz durch Unterschiede in den Eigenschaften des Kühlgases verursacht wird, d.h. durch Unterschiede im konstanten Druck, der spezifischen Wärme und der Zersetzungswärme der Gase. Mit anderen Worten gesagt, es wird angenommen, daß es im Falle der Verwendung eines Kühlgases mit einer geringeren Änderung der Wärmemenge (Änderung in der Menge der Eigenwärme und der latenten Wärme) pro NA des Kühlgases (z-,B. C0„) erforderlich ist, die Fließgeschwindigkeit des Kühlgases im Vergleich zu dem Fall der Verwendung eines Kühlgases, das eine große Änderung in der Wärmemenge aufweist (z.B. Propan), zu erhöhen.
Es wurden daher verschiedene Gase untersucht und die Änderung
- /12 -
in der Wärmemenge pro Nil derselben wurde als "die Kühlkapazität des Kühlgases" definiert. Das Verhältnis zwischen der Kühlkapazität eines jeden Kühlgases und der Menge des Kühlgases wird in Fig. 6 für alle in der vorerwähnten Untersuchung verwendeten Kühlgase gezeigt. Als Ergebnis wurde gefunden, daß (1) für ein gegebenes Kühlgas ein festbegrenzter Bereich von Werten des vorstehenden Verhältnisses vorhanden ist, innerhalb dessen das Auftreten des Düsenabbrands verhindert werden kann, und (2) diese Werte umgekehrt proportional der Kühlkapazität des Kühlgases sind. Das heißt, daß in Fig. 6 das Zeichen "O" anzeigt, daß der Düsenabbrand sehr gering war, das Zeichen "%?' den Bereich anzeigt, in welchem der Düsenabbrand durch ungenügende Kühlung induziert wurde, und das Zeichen "X" einen abnormen Düsenabbrand anzeigt, der durch die Instabilität des KühlgasStroms infolge übermäßiger Kühlung verursacht wurde.
Unter Verwendung der in Fig. 6 angegebenen Informationen kann die Düse in wirksamer Weise ohne Rücksicht auf die Art des verwendeten Kühlgases oder der Abmessungen der Düse geschützt werden, indem man die Fließgeschwindigkeit des Kühlgases gemäß der nachfolgenden Formel
A[kcal/N£] x B[N£/min] = 600-1400[kcal/cm2 min] TrD[Cm] χ AT[cm] &O° I400IKCaJVCm -minJ
in welcher A, B, πϋ. und ΔΤ die gleiche Bedeutung wie in der obigen Gleichung I besitzen, einregelt.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele näher erläutert.
Beispiel 1
Eine Stahlschmelze wurde unter Verwendung eines 100 t-Konverters, der mit 4 Doppelrohr-Düsen mit den nachfolgend angege-
- /13 -
benen Abmessungen versehen war, durch Einblasen unter den nachfolgenden Bedingungen raffiniert: Abmessungen der Düsen:
Innendurchmesser des inneren Rohrs: 15 mm Außendurchmesser des inneren Rohrs: 23 mm Innendurchmesser des äußeren Rohrs: 25 mm Außendurchmesser des äußeren Rohrs: 31 mm. Menge an O2 aus den 4 inneren Rohren:
350 Nm /h, pro Rohr.
Fließgeschwindigkeit des durch 4 Rohre eingeblasenen Kühlgases (LPG): .
33 Nm3/h, pro Rohr.
Verhältnis von Kühlgas zu gasförmigem O2:
13 Gewichtsprozent.
Menge des dem Kühlgas-Durchgang gemäß der Gleichung II zugeführten Kühlgases:
233 NÄ/cm2.min.
Wie aus Fig. 4 eindeutig zu ersehen ist, liegen die Arbeits-
2 bedingungen innerhalb des Bereiches von 1400-600 kcal/cm .mir und der Abbrand der Düsen betrug 1 mm/Ansatz.
Vergleichsbeispiel 1
Eine Stahlschmelze wurde unter Verwendung eines 100 t-Konverters, der mit 4 Doppelrohr-Düsen mit den nachfolgend angegebenen Abmessungen versehen war, durch Einblasen unter den nachfolgenden Bedingungen raffiniert: Abmessungen der Düsen:
Innendurchmesser des inneren Rohrs: 16 mm Außendurchmesser des inneren Rohrs: 19 mm Innendurchmesser des äußeren Rohrs: 20,8 mm Außendurchmesser des äußeren Rohrs: 25,4 mm.
- /14 -
Menge an O- aus den 4 inneren Rohren:
567 Nm /h, pro Rohr.
Fließgeschwindigkeit des durch 4 Rohre eingeblasenen Kühlgases (LPG):
40 Nm /h, pro Rohr.
Verhältnis von Kühlgas zu gasförmigem 0?!
9,7 Gewichtsprozent:
Menge des dem Kühlgas-Durchgang zugeführten Kühlgases: 444 NÄ/cm .min.
Wie aus Fig. 4 eindeutig zu ersehen ist, liegen die Arbeits-
2 bedingungen außerhalb des Bereiches von 1400-600 kcal/cm .min und der Abbrand der Düsen betrug 12 mm/Ansatz.
Beispiel
Es wurde das gleiche Verfahren wie in Beispiel 1 unter Verwendung der nachfolgenden 4 Doppelrohr-Düsen und unter den folgenden Bedingungen durchgeführt: Abmessungen der Düsen:
Innendurchmesser des inneren Rohrs: 15 mm Außendurchmesser des inneren Rohrs: 19 mm Innendurchmesser des äußeren Rohrs: 25 mm Außendurchmesser des äußeren Rohrs: 31 mm. Menge an O2 aus den 4 inneren Rohren:
350 Nm /h, pro Rohr.
Fließgeschwindigkeit des durch 4 Rohre eingeblasenen Kühlgases (CO«):
88 Nm3/h, pro Rohr.
Verhältnis von Kühlgas zu gasförmigem 0„: 25 Gewichtsprozent.
- /15 -
Menge des dem Kühlgas-Durchgang zugeführten Kühlgases: 1000 Ni,/cm2.min-
In diesem Beispiel betrug der Abbrand der Düsen 0,8 mm/Ansatz.
- /16 -

Claims (5)

Patentansprüche
1. Verfahren zur Metallraffination durch Einblasen eines von einem Kühlgas umgebenen Raffinationsgases in die zu raffinierende Metallschmelze unter Verwendung einer unterhalb der Oberfläche der Schmelze in einem Raffinationsgefäß angeordneten konzentrischen Düse mit mehreren Rohren, dadurch gekenn ze ichne t, daß man die Fließgeschwindigkeit des durch den zwischen dem äußersten Rohr und dem benachbarten inneren Röhr der Düse gebildeten Durchgang hindurchströmenden Kühlgases gemäß der nachstehenden Gleichung A[kcal/NU χ B[N£/min] c ,...,·, . . 2 . Ί = 600-1400[kcal/cm .mm]
in welcher A die Kühlkapazität des Kühlgases, B die Fließgeschwindigkeit des Kühlgases, ttD . der innere Kreisumfang des äußersten Rohres und ΔΤ die Wanddicke des äußersten Rohres ist, regelt.
2. Verfahren zur Metallraffination nach. Anspruch 1, d a -
V/X
((089)9882 72-74
Telex: 0524 560 BERGd
Bankkonten: Bayer. Vereinsbank München 453100 (BLZ 700 202 70)
204331
durch gekennzeichnet, daß die konzentrische Düse mit mehreren Rohren eine konzentrische Doppelrohr-Düse ist.
3. Verfahren zur Metallraffination nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man als Kühlgas einen gasförmigen Kohlenwasserstoff, Kohlendioxid-Gas, Kohlen monoxid-Gas oder Argon-Gas verwendet.
4. Verfahren zur Metallraffination nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Kohlenwasserstoff Propan oder Propylen ist.
5. Verfahren zur Metallraffination nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß das Raffinationsgas Sauerstoff ist.
DE19823204331 1981-10-26 1982-02-09 Verfahren zur metallraffination durch einblasen eines von einem kuehlgas umgebenen raffinationsgases in die zu raffinierende metallschmelze Withdrawn DE3204331A1 (de)

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