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Uberwachunc des Verschleißes von Biasdüsen
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bei metallurciscnen Verfahren Die Erfindung betrifft ein Verfahren
zum Abschätzen des Verscnleißes oei einer Blasdüse wänrend oes Eintragens von Gasen
und/oder Feststoffen und/oder Flüssigkeiten in eine Schmelze, sowie Blasdüsen zum
Einbringen von Gasen und/ooer Feststoffen und/oder Flüssigkeiten in eine Schmelze.
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Bei pyrometallurgischen Verfahren müssen Gase una/oder Feststoffe
uno/oder Flüssigkeiten mittels Blasdüsen in eine Schmelze eingebracht werden. wegen
aer hohen Temperaturen unterliegen sie ebenso wie die feuerfeste Zustellung des
Reaktors oder Konverters einem erheblichen Verschleiß. Im Gegensatz zur Ausmauerung
kommt es in der Recel nicht zu einem direkten Kontakt des Bades mit der Blasdüse;
der Schmelzpunkt des Düsenwerkstoffes liegt häufig sogar unter der Ba@temperatur.
Die Temperatur an der Düsenaustrittsöffnung ist schwer a@zuschätzen. Der Düsenwerkstoff
wird durch eingeblasenes Gas ung/oder eingeblasenen Feststoff und/oder Flüssigkeiten
gekühlt - vor der Düse bildet sich ein plasenartiger Gasraum. In der Düsenmitte
ist meist die Temperatur niepriger als an der Düseraußenseite und der Apprand der
Düse erfolgt z@hächst von außer ner. Andererseits kann im Laufe des Betriebes @ilzartig
Senlacke vom Rang der auf die A@@erseite der Düse aufwe@nser. sie wird dadurch von
der
Schmelze isoliert und die so "geschützte" Düse verschleißt vorwiegend
in dem mittleren Bereich der Düse zuerst.
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Die Düsen sind in die feuerfeste Auskleidung eingestampft; bei Unregelmäßigkeiten
in der Auskleidung und/oder bei ungleichmäßigem, Einbau kann auch die Düse radial
unterscniealich thermisch Belastet sein, una es kommt nicht zu einem gleichmäßigen
Aborand in der Strömungsrichtung der einzutragenden Medien, sondern die Düsenöffnung
franst aus, was den Verschleiß der Düse stark beschleunigen kann.
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Viele pyrometallurgische Reaktionen erfolgen im Chargenbetrieb, das
heißt bei einem diskontinuierlichen Betrieb ist die Zeit, in der Gas und/oder Feststoffe
und/oder Flüssigkeiten in eine Schmelze eingetragen werden, uno aie Auskieldung
und die Düsen dem Angriff aer heißen Schmelze standhalten müssen, relativ kurz.
Da die Auskleidung uno die Düsen nach jeder Charge nesichtigt werden, Können beschädigte
Düsen rechtzeitig erneuert werden. Bei einem kontinuierlicnen Verfahren wie zum
Beispiel sei der Kohlevergasung im Eisenbad, das üner Stunden oder gar Tage bei
Schmelztemperaturen um 1400 OC sicher arbeiten soll, besteht die Möglich keit, die
Düsen zu inspizieren und sie erforderlichenfalls rechtzeitig auszuwechseln, nicht;
die Lebensdauer aer Düsen scnwankt aufgruno unvermeidlicher Fertigungs- unc Materialschwankungen
und ein zu starker Düsenabbrand führt unvermittelt zu Störungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, Verfahren unc Vorrichtungen zu entwickeln,
@m den Verschleiß von Blasdüsen während des Prozesses a@schätzen zu können.
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Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch ge@öst, das am oder im Düsenwer@stoff
im Sereich der verschleißzone der Temperaturverlauf @@erwacht wird. vorrichtungsmäßig
wird die Aufgade dadurch @elöst, daß im Bereich der Austrittsöffnung der
Düse
ein oder mehrere Thermoelemente zur Messung der Wanatemperatur am oder im Düsenwerkstoff
befestigt sind.
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Ein pyrometallurgisches Verfahren ist allgemein ein aiskontinuierlicher
oder kontinuierlicher Prozeß, bei dem mindestens ein Gas und/oder Flüssigkeiten
und/ocer Feststoffe als Reaktionspartner in eine Schmelze eingebracht werden müssen,
und bei dem die badtemperaturen auch Werte von 1400 tC und mehr erreichen können.
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Unter Blasdüsen werden sowohl Düsen verstancen, die oberhalb der Badoberfläche
angeordnet sind (Aufblas@üse) als auch solche unterhalb (Boden-, Seitenblasdüsen).
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Die Austrittsöffnung einer Blasdüse ist gewöhnlich zyiinoerförmig.
Man dimensIoniert sie häufig von vornherein so, daß der voraere Teil verschleißen
("abbrennen") kann, ohne daß sie deswegen schon unbrauchbar wird. Außerdem nützt
man so weit wie möglich die kühlende Wirkung des eingeblasenen Mediums im Bereich
der Austrittsöffnung aus.
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Häufig weroen Mehrstoffdüsen eingesetzt; im. rereicn oes Düsenaustritts
sind sie gewöhnlich koaxial. Eine typische Kombination verschiedener einzutragenoer
Mecien ist beispielsweise ein schiackebildenoer Feststoff, Sauerstoff ooer Luft
und Wasserdampf. Der Außenourchmesser solcher größerer Düsen kann 50 mm oder mehr
betrage.
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Der tragenoe Gedanke der Erfinoung ist, daß sich im stationären Zustanc
ein Abbrand der Düsenöffnuc oaourch bemerkbar macht, daß die Temperatur im Laufe
er Zeit ourch den Abbrand an der Düsenspitze auch weiter hinten ansteigt. Zur Ermittlung
ses Verschleißes ist es nich t wesentlicn, die wan@e Temperatur sondern den Temperaturverlauf
zu messen,
daraus läßt sich ableiten, ob im Bereich der Temperaturmeßstelle
oder davor der Düsenwerkstoff noch intakt ist oder ob schon zuviel weggebrannt ist.
Je nach Schmelze, Düsenwerkstoff oder Thermoelementart uno -zahl kommt es zu verschiedenen
Temperaturverläufen.
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Das Meßprinzip ist zunächst an einem Fall erläutert, bei dem mehrere
Thermoelemente in einer Reihe hintereinander in Strömungsrichtuns der einzutragensen
Medien, bevorzugt äquidistant, angeordnet sind. Auch im stationären Zustana steigen
Im Laufe der Zeit die Temperaturen an jeder Lötstelle an. Dieser Temperaturanstieg
kann auch so beschrieben werden, daß sich aie Werte konstanter Temperatur entgegen
der Strömungsrichtung der Medien "aufwärts" verschieben. Mit einigen wenigen Thermoelementen
läßt sich so relativ einfach die zeitlicne Verschiebung des Temperaturprofiles ermitteln
und aDgesenen von den Anfangswerten ist diese Verschienung ziemlich identisch mit
dem Abbrand. Zur Eichung steht der Anfangswert der Länge der Düse und aer Endwert
0er Düse bei jeder Unterbrechung zur Verfügung. Daraus läßt sich relativ präzise
der laufende Verschleiß ermitteln.
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Um das Fortschreiten des Abbrandes durch Verschieben des TempEraturprofils
belegen zu können, sollten mindestens 5 Meßstellen in einer Länge von 40G mm vorhanden
sein. Wenn man aWer einmal die "Eichung" einer Düse vorgenommen nat, genügen wenige,
oft sogar nur eine Meßstelle, relativ weit hinter, um cas Erreichen einer kritischen
Abbrandlänge seststellen zu können.
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So kann mit relativ geringem Aufwand, im Idealfall ourch aie Temperaturöberwa@@ung
eines einzigen Tnermoelementes, der Versceiß einer Blasdüse abgeschätzt werden.
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Bevorzugt sind mehrere Temperaturmeßstellen. Sind Meßstellen in gleichem
Abstand von der Düsenaustrittsöffnung angeordnet, kann man erkennen, wenn die Düse
in Umfangsrichtung ungleichmäßig verschleißt. Sind die Meßstellen linear in Strömungsrichtung
der Medien angeordnet, ist zu verfolgen, wie die Düse abbrennt.
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Es hängt vom Material des Thermoelementes, der Düsenkonstruktion und
der Temperatur ab, was an der Meßstelle passiert, wenn oer Düsenwerkstoff dis zu
dieser Stelle weitgehend weggebrannt ist. Ist das Thermoelement genügend hochtemperaturbeständig,
kann es auch von der Düse abstehen und immer noch eine Temperatur anzeigen. Der
Zeitpunkt, wo der Düsenwerkstoff weggebrannt ist, kann bei einiger Erfahrung an
eine Knick Im zeitlicnen Temperaturverlauf erkannt werden. In vielen Fälien wird
oas Thermoelement annähernd dann zerstört, wenn es freiliegt. Damit konnte man aber
bereits den vollen Temperaturverlauf aufnehmen und oer Ausfall dieses Thermoelementes
ist nicht weiter nachteilig. Es hat sich sogar gezeigt, daS sich mit weniger teueren
Tnermoelementen, deren Funktionstüchtigkeit bei der Badtemperatur bereits erheblich
überschritten ist, das oben beschriebene Verschieben des Temperaturprofils an der
Düsenöffnung aufnehmen läßt, denn es ist nicht erforderlich, die wahre Temperatur
zu kennen, um eine Aussage über die noch nicht abgebrannte Düsen länge machen zu
können.
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Thermoelemente slno preiswert, einfach zu verlegen und zu verarbeiten,
druckfest und gasdicht im Arbeitsbereich unc reagleren nicht mit den Eintragsmedien.
Die Registrierung der Signale gehört zum Stand der Technik.
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Wie oben dargelegt, sind recht unterschiebliche Blasdüsen hinsichtlich
Material, wand@icke und Durenmesser bekannt.
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Es sind immer mehrere Gesichts@unkte pei der Auslegung der
erfindungsgemäßen
Blasdüse zu berücksichtigen. Ideal ist es, die Temperatur im Düsenwerkstoff zu messen,
was ein Ausbohren bedingt. Es sino Mantelthermoelemente mit einem Außendurchmesser
von 0,5 mm bekannt; der Einbau mehrerer soicher Thermoelemente im Bereich der Verschleißzone
ist technisch möglich aber aufwendig. Die Strömungsverhältnisse in oer Düse werden
dadurch nicht verändert.
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Statt der "wahren" Wandtemperatur genügt es in vielen Fällen eine
"Oberflächentemperatur" des Düsenwerkstoffes zu bestimmen. Die Tnermoelemente werden
einfach an der das Fluio leitenden Wand angeschweißt oder hartgelötet. Um den Düsenquerschnitt
nicht zu verengen, wird das Thermoelement in eine Nut verlegt. Bei Mehrstoffdüsen
gibt es mehrere, meist konzentrische Wände und damit verschiedene Möglichkeiten,
Wandtemperaturen zu messen. Am einfachsten ist es, die Temperatur der Wand an oer
Düsenaußenseite zu messen. Es kann jedoch auch erforderlich sein, speziell am Zentralrohr
den thermischen Verschleiß zu bestimmen.
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Die Erfindung ist in aer Zeicnnung dargestellt uno im folgenden weiter
beispielhaft Deschrieben, Es zeigen: Fio. 1 einen Querschnitt durch eine Dreistoffdüse;
Fig. 2 einen zeitlichen Temperaturverlauf bei vier hintereinander angeordneten Meßstellen.
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Die zentrale Düse 1 hat einen Durchmesser von 1G mm; sie wird von
Konle, Kalk und Stickstoff mit hoher Geschwindigkeit durchströmt. Das Zentralrohr
2 besten ebenso wie das mittlere Rohr 3 und der Außenmantel 4 aus Edelstahl mit
einer wanddicke von 2 bis 4 mm. Durch ce Schlitz 5 zwischen Zentralrohr @nd mittlerem
Rohr strömt Sauerstoff. Durch den
Schlitz 6 zwischen dem mittleren
Rohr 3 und dem Mantelrohr 4 strömt Wasserdampf. Die Mehrstoffdüse ist als Bodendüse
für ein Eisenbad (1400 °C) geeignet. Bei einer neuen Düse sind im Abstand von 70,
170, 270 und 370 mm vom Düsenaustrittsende her vier Thermoelemente 7 in Nuten am
mittleren Rohr 3 gleichmäßig über den Umfang verteilt befestigt. Der Außendurchmesser
der Thermoelemente beträgt 0,5 mm. Da auch die ZuleItungen in einer Nut am Rohr
3 geführt sinc, wird die Strömung im äußersten Schlitz der Düse aurcn die Temperaturmeßstellen
nicht behindert.
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Verwendet werden Mantelthermoelemente mit einem Mantel aus rostfreiem
Stahl (Inconel 800) mit einem Schmelzpunkt von ca. 1200 O. Das Thermopaar besteht
aus NiCr-Ni.
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In oen Nuten werden die Mantelthermoelemente durch eine hartlötung
fixiert. Gelötet wird auf der gesamten Nutlänge.
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Diese Art aer Fixierung ist zwar nur bis zu einer Temperatur von ca.
750 °C wirksam, verhindert aber bei sorgfältiger Verarbeitung Uberhitzungsschäaen
am Thermoelement.
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Der niedrigere Schmelzpunkt des Lotes wirkt sich nicht nachteilig
auf den Betrieb der Düse aus, da geschmolzenes Lot aufgrund der hohen Strömungsgeschwindigkeiten
in den Reaktionsraum geblasen wird.
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Nach der Lötung wird die Naht mechanisch überarbeitet, um Querschnittsveränderungen
in oer büse zu vermeioen.
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Die Fixierung auf der gesamten Nutlänge ist besonders zu empfehlen,
wenn die Mantelthermoelemente sich im Sauerstoffstrom erfinden. Die Entstehung von
Funken aurch Vibration des @antelthermoelements und der damit verbundenen Gefahr
des Ausbrennens der Düse wird damit vermieden.
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Figur 2 zeigt den Temperaturverlauf von vier Thermoelementen, die
bei einer neuen Düse einen Abstand von 70, 170, 270 und 370 mm vom Düsenaustrittsende
haben.
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Die Temperatur a Düsenaustritt beträgt unter Betriebsbedingungen ca.
1200 °C. Sie wird durch Strahlung des schmeizflüssigen Bades hervorgerufen. Mit
zunehmende, Entfernung vom Düsenaustritt sinkt die Temperatur auf die des strömenden
Mediums ab. Es ist ersichtlich, daß nur in einem recht begrenzten Teil oer Düsenspitze
ein durch die Strahlung oes Bades hervorgerufener Temperaturanstieg auftritt. Dieser
Temperaturanstieg tritt jedoch sehr deutlich auf, so daß eine Beurteilung des Düsenzustanoes
hinsicntlich der Verschleißfront leicht möglich ist.
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Die Kurven zeigen, daß die Temperatur an der Meß-Stelle solange auf
relativ niedrigen Werten Bleibt, solange der Abstand zur Düsenspitze groß ist. Sie
entspricht oer Temperatur des durchströmenden Mediums. Erst wanr oas Düsenende durch
Abbrano in die Nähe der Thermoelementspitze wandert (t1), steigt die Temperatur
an der Maß-Stelle ceutlich an und erreicht mit fortschreitendem Verschleiß des Düsenwerkstoffes
den Scnmalzpunkt des Thermoelements. Die Zerstörung des Elements ist durch den Punkt
t2 gekennzeichnet.
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Dieser Meßwertverlauf ist bei allen vier Meß-Stellen ähnlich. Aus
dem örtlichen und zeitlichen Abstand der t2-Punkte zwischen den einzelnen Meß-Stellen
lSt sich oie Abbrandgeschwindigkeit des Düsenwerkstoffes ermitteln. Mit Erreichung
der Schmelztemperatur wird das Mantelthermoelement zerstört.