Hintergrund der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Verschleißlanze zur
Injektion eines Gases in ein Metallschmelzebad, mit einer
längsverlaufenden strukturellen Trageanordnung, die
innerhalb einer schützenden, feuerfesten Abdeckung
eingeschlossen ist, mehreren längsverlaufenden Gasleitungen
innerhalb der feuerfesten Abdeckung, die radial um die
strukturelle Trageanordnung beabstandet sind, einem unteren
Endabschnitt, welcher derart angepasst ist, daß er in das
Metallschmelzebad eingetaucht und verbraucht wird, und
einem oberen Endabschnitt mit einem Verteilersystem, um das
Gas durch die Leitungen in das Metallschmelzebad zu
verausgaben, wobei die längsverlaufende strukturelle
Trageanordnung ein geschlossenes innerstes längsverlaufendes
strukturelles Teil aufweist, das sich zwischen dem unteren
Endabschnitt und dem oberen Endabschnitt erstreckt, eine Serie
von kreisförmigen Abstandsteilen, die entlang des
geschlossenen, innersten längsverlaufenden strukturellen
Teils beabstandet sind, und mehrere längsverlaufende
stabartige Teile.
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In metallurgischen Verfahren, bei denen
Stranggießmaschienen verwendet werden ist es notwendig geworden, die
Schmelzgänge 'heiß' aus den Brennöfen abzulassen, um dem
Gießer bei der Anlieferung eine ausreichende Temperatur
sicherzustellen. Verpasste Gießfolgen erfordern es entweder,
(a) die Metallgüsse in Blöcke abzuleiten, mit der Folge
eines minderwertigen Stahls und höherer Produktionskosten,
(b) einen Gußpfannen-Rückheizofen zur Verfügung zu stellen,
um die Temperatur des flüssigen Stahls in der Gußpfanne zu
erhöhen oder, (c) über eine Sauerstofflanze Sauerstoff in
den flüssigen Stahl zu blasen, um die Temperatur des
flüssigen Stahls auf die erforderliche Gießtemperatur
anzuheben. Früher ist es üblich gewesen, entweder wassergekühlte,
nicht verschleißbare Lanzen oder feuerschutzbewerte
verschleißbare Lanzen während solcher Sauerstoff einblasender
Rückheizprozesse zu verwenden.
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Für verschleißbare Lanzen wurden in der Vergangenheit
zahlreiche Ausgestaltungen verwendet. Eine erste Ausgestaltung
injiziert Sauerstoff in das Metallschmelzebad durch ein
zentral angeordnetes, längsverlaufendes röhrenförmiges
Stahlteil, das innerhalb einer schützenden feuerfesten
Abdeckung eingeschlossen ist.
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Eine andere, wie in dem U.S. Patent No. 3,645,520
offenbarte Ausgestaltung, injiziert Sauerstoff in das
Stahlschmelzebad durch eine Viehlzahl spiralförmig gewundener,
rohrförmiger Kupferteile, die innerhalb einer schützenden
feuerfesten Abdeckung eingeschlossen sind. Solche
spiralförmig gewundene Kanäle wurden entwickelt, um Spratzen zu
reduzieren oder zu verhindern, während der Sauerstoff in
hoch kohlenstoffhaltigen, flüssigen Stahl injiziert wird.
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Wenn Sauerstoff in das Flüssigstahlbad injiziert wird,
bedingt die Kombination von hohen Temperaturen und der
schnelle Fluß von Sauerstoff durch und um die rohrförmigen
Kanäle und die Tragestrukturen der vorher erwähnten
verschleißbaren Lanzen die Erosion der Lanzenspitze mit einer
Rate von bis zu 30,48 cm/min. Derartig hohe Erosionsraten
machen es notwendig, Rückheizlanzen mit übermäßig langen,
verschleißbaren Spitzenanteilen zu fertigen. Zum Beispiel
kann es zum Aufheizen einer Gußpfanne notwendig sein, die
Temperatur des flüssigen Stahls um bis zu 10 ºC zu erhöhen.
Mit einer Rückheizrate von 1 ºC bis 3,7 ºC pro Minute und
einem Lanzenverschleiß von bis zu 30,48 cm/ min. ist es
möglich, 3,048 m der Rückheizlanze während eines einzigen
Rückheizvorganges zu verbrauchen.
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Aus der US-A-4 084 800 ist eine einzigartig thermisch
stabile Lanze zur Injektion partikulärer Materialien in
Metallschmelze bekannt, die ein Injektionsrohr umfasst, das
in einem isolierenden Teil axial angeordnet ist. Weiterhin
ist ein verstärkender Stab in dem isolierenden Teil axial
angeordnet und das Injektionsrohr, das entweder eine oder
eine Viehlzahl von Öffnungen haben kann, die sich durch es
hindurch erstrecken, und das von entweder einem oder
mehreren hohlen Rohren aus beschickt werden kann, kann an einer
Seite des Verstärkungsstabes angeordnet sein.
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Die US-A-4 399 985 offenbart eine metallurgische Lanze mit
einem Metallrohr für den Durchgang von Gas, das in einer
Hülse aus feuerfestem Metall eingeschlossen ist.
Verstärkende Teile in der Form von Stäben, Stangen oder Rohren mit
kreisförmigem Querschnitt sind ebenfalls in die feuerfeste
Hulse eingebettet und umgeben das Metallrohr. Diese
verstärkenden Teile umgeben das Metallrohr und werden zu
diesem im Abstandsverhältnis gehalten.
Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist daher ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine
Verschleißlanze vorzusehen, mit einer verbesserten
Abnutzungsbeständigkeit, wodurch die Lebensdauer der Lanze
verlängert wird.
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Es ist weiterhin ein Ziel dieser Erfindung, eine
Ausgestaltung für eine Verschleißlanze bereitzustellen, in der
feuerfeste Durchgänge, die als rohrförmige Teile
ausgebildet sind, geopfert werden, wenn sie den hohen Temperaturen
des Schmelzebads ausgesetzt werden.
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Weiterhin ist es noch ein Ziel dieser Erfindung, eine
Ausgestaltung für eine Verschleißlanze oder eine ähnliche
Vorrichtung bereitzustellen, in der die innere strukturelle
Trageanordnung einer geringstmöglichen Exposition des
Sauerstoffs unterworfen wird, der in das flüssige
Stahlschmelzebad injiziert wird.
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Diese Ziele werden mit einer Verschleißlanze gemäß dem
ersten Teil des Anspruch 1 dadurch erzielt, daß die
längsverlaufenden Gasleitungen innerhalb der feuerfesten
Abdekkung umschlossen sind und daß sie umfangsmäßig um das
geschlossene, innerste längsverlaufende strukturelle Teil
voneinander beabstandet sind und daß die längsverlaufenden
stabartige Teile umfangsmäßig zwischen den angrenzenden
Gasleitungen beabstandet und an der Peripherie der
kreisförmigen Abstandteile befestigt sind.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den
Ansprüchen 2-6 definiert.
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Ich habe entdeckt, daß die vorstehenden Ziele mit einer
Verschleißlanze erzielt werden können, die mehrere
längsverlaufende Gasleitungen umfasst, welche radial um eine
längsverlaufende strukturelle Trageanordnung beabstandet
und innerhalb einer schützenden, feuerfesten Abdeckung
eingeschlossen sind, sowie einen oberen Endabschnitt mit
einem Verteilersystem, um Gas in ein Metallschmelzebad zu
verausgaben, und einen unteren Endabschnitt der in dieses
Metallschmelzebad eingetaucht und von diesem aufgebraucht
wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Fig. 1 ist eine Querschnittsansicht einer Lanze im Stand
der Technik, welche die Erosion darstellt, der
man an der Lanzenspitze begegnet, wenn
eisenhaltige, rohrförmige Teile als Sauerstoffdurchgänge
verwendet werden.
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Fig. 2 ist eine ähnliche Querschnittsansicht durch eine
Lanze im Stand der Technik, welche die Erosion
darstellt, der man an der Lanzenspitze begegnet,
wenn spiralförmig gewundene, rohrförmige Teile
als Sauerstoffdurchgänge verwendet werden.
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Fig. 3 ist die Aufrißansicht der bevorzugten
Ausführungsform dieser Erfindung im Querschnitt.
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Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der vorliegenden
Erfindung, die entlang der Linie 4-4 der Fig. 3
vorgenommen wurde.
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Fig. 5 ist eine Querschnittsansicht, die den der Figuren
1 und 2 ähnlich ist und die verbesserten
Erosionscharakteristiken an der Lanzenspitze der
vorliegenden Erfindung darstellt.
Ausführliche Beschreibung des bevorzugten
Ausführungsbeispiels
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Vor der Beschreibung der einzigartigen Ausgestaltung
der verschleißfähigen Rückheizlanze dieser Erfindung ist es
hilfreich, die Probleme des Stands der Technik zu
besprechen.
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Bezieht man sich auf die Abbildung 1 der Zeichnungen,
so sieht man die Spitze 10 einer verschleißfähigen
Rückheizlanze, die einen oder mehrere langgestreckte,
rohrförmige Stahlteile 11 innerhalb einer schützenden, feuerfesten
Abdeckung 12 umfasst. Die rohrförmigen Teile 11 sind mit
einer nicht dargestellten Sauerstoffquelle verbunden und
stellen die Durchgänge bzw. Kanäle bereit, durch die
Sauerstoff in das Stahlschmelzebad injiziert wird. Während des
eigentlichen Gebrauches im Rückheizbetrieb wurde entdeckt,
daß die Reaktion zwischen dem Sauerstoff 13 und den
rohrförmigen Stahlteilen 11 in Kombination mit den hohen
Temperaturen des Rückheizvorgangs eine übermäßige konkave
Erosion
14 an der Lanzenspitze verursachte und zu einer
Lanzenverschleißrate von 13,97 cm/min. bis 39,12 cm/min.
führte. Es wurde ebenso entdeckt, daß "Gerade-Durch-Lanzen",
wie sie in der Abbildung 1 gezeigt werden,
zufriedenstellend zum Aufwärmen von Stahl mit niedrigem
Kohlenstoffgehalt (kleiner als ungefähr 0.50 %C) funktionierten, aber
starkes Spratzen erzeugten, wenn Sorten mit höherem
Kohlenstoffgehalt aufgewärmt wurden.
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Im Bemühen, das Problem des starken Spratzens zu
bewältigen, das während des Aufwärmens bzw. Rückheizens
hochkohlenstoffhaltiger Stähle (größer ungefähr 0.50%C)
entstand, wurde eine zweite Ausgestaltung ausprobiert, wie
sie im U.S. Patent Nr. 3,645,520 beschrieben ist. Diese
zweite Ausgestaltung, dargestellt in Fig. 2, umfasst eine
verschleißfähige Lanzenspitze 10a mit einem oder mehreren
spiralenförmigen rohrförmigen Teil(en) 11a, die innerhalb
der schützenden, feuerfesten Abdeckung 12a eingeschlossen
sind. Der Winkel der spiralförmigen, rohrförmigen Teile 11a
ist so eingestellt bzw. gesteuert, daß der Sauerstoff 13a
in die Stahlschmelze unter einem vorbestimmten ausgewählten
Winkel injiziert wird, während die Lanze verbraucht wird.
Die U.S. Patent Nr. 3,645,520 lehrt, daß ein
Gasinjektionswinkel von 15 bis 90º gegenüber der Vertikalen die
geringste Spratzwirkung hervorruft. Es wurde jedoch entdeckt, daß
während das Gas in das Schmelzebad unter den oben gewählten
Winkeln injiziert wird, es den ungleichmäßigen Abtrag der
schützenden, feuerfesten Abdeckung verursacht, wie es bei
14a in Fig. 2 gezeigt ist. Diese Erosion setzt die
rohrförmigen Teile 11a dem Schmelzebad aus und führt zu
höhergelegenen Druchbränden 15 rohrförmiger Teile 11a, wodurch
die Erosion der schützenden Abdeckung verstärkt wird.
Solche Lanzen wurden mit Raten von ungefähr 23,88 cm/min.
verschlissen.
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Unter Bezugnahme auf Figuren 3 und 4, welche die
Rückheizlanzen dieser Erfindung darstellen, umfaßt eine
Verschleißlanze
16 eine längsverlaufende strukturelle
Trageanordnung 17, die von einer schützenden, feuerfesten
Abdekkung 18 eingeschlossen ist, einen verschleißfähigen unteren
Endabschnitt 19 und einen oberen Verteilerendabschnitt 20.
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Die längsverlaufende strukturelle Trageanordnung 17
besteht aus einem innersten längsverlaufenden Teil 21, das
sich von dem unteren Endabschnitt 19 bis zur Unterseite
einer ersten Verteilerabdeckplatte 25 erstreckt. Das
innerste längsverlaufende Teil 21, das entweder rohrförmig oder
fest sein kann, ist an der Unterseite der Platte 25 durch
Schweißen oder andere Maßnahmen befestigt und ist wirksam
gegen die Verteilerkammer 26 abgedichtet, um seinen
Gebrauch als Gasleitung oder Durchgang zwischen dem
Verteilersystem des oberen Endabschnitts 20 und dem unteren
Endabschnitts 19 zu verhindern. Eine Reihe kreisförmiger
Abstandsteile 22, die eine im Zentrum angebrachte Öffnung von
ausreichender Größe aufweisen, um das innerste
längsverlaufende Teil 21 einzuschließen, sind radial um das
innerste längsverlaufende Teil 21 beabstandet angeschweißt oder
mittels einer anderen Methode befestigt. Mehrere
längsverlaufende stab- oder stangenartige Teile 24, die
sich zwischen dem unteren Endabschnitt 19 und dem oberen
Endschnitt 20 erstrecken, sind radial um das innerste
längsverlaufende Teil 21 beabstandet und an den
Abstandteilen 22 mittels Schweißen oder anderer Maßnahmen
befestigt.
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Mehrere langgestreckte rohrförmige Opfer- bzw.
Verschleißteile (sacrificial members) 23 sind radial um die
längsverlaufende strukturelle Trageanordnung 17 beabstandet
und an dem Umfang des kreisförmigen Abstandsteiles 22
befestigt. Die rohrförmigen Opferteile 23 und die stabähnlichen
Teile 24 sind abwechselnd um das innerste längsverlaufende
Teil 21 beabstandet und die rohrförmigen Teile 23
erstrekken sich von dem unteren Endabschnitt 19 durch die erste
Verteilerabdeckplatte 25 hindurch bis in die
Verteilerkammer
26, wodurch Gasleitungen oder Durchgänge zwischen dem
Verteilersystem des oberen Endabschnitts 20 und dem unteren
Endabschnitt 19 bereitgestellt werden.
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Die langgestreckten, rohrförmigen Opferteile 23 des
bevorzugten Ausführungsbeispieles sind aus Kupfer
gefertigt. Jedoch können die rohrförmigen Opferteile 23 aus
jedem ähnlichen Material mit einem Schmelzpunkt von weniger
als etwa 1.093ºC gefertigt werden.
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Eine zweite Verteilerabdeckplatte 27, die mit einem
Gewindeanschluß 28 zur Befestigung am Stab 29, einer nicht
dargestellten Vorrichtung zum Heben und Senken der Lanze
vorgesehen ist, dichtet die obere Seite des
Verteilersystems des oberen Endabschnitts 20 ab. Sauerstoff wird der
Verteilerkammer 26 durch eine Zuleitung 30 zugeführt, die
mit einer nicht dargestellten Sauerstoffzufuhrquelle
verbunden ist, und der Sauerstoff wird an den unteren
Endabschnitt 19 durch die langestreckten, rohrförmigen
Opferteile 23 verteilt.
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Mit Bezug auf Fig. 5, wird Sauerstoff 34 in das
Metallbad durch die langgestreckten, rohrförmigen Opferteile
23 eingeführt, wenn der untere Endabschnitt 19 in das
Metallschmelzebad 31 eingetaucht ist. Der untere Abschnitt
der rohrförmigen Opferteile 23, die den hohen Temperaturen
des Rückheizvorgangs ausgesetzt sind, schmelzen von dem
Bereich der hohen Temperatur weg, und feuerfeste Durchgänge
33 werden innerhalb des unteren Endabschnitts 19
geschaffen. Es ist entdeckt worden, daß ein solches
Zurückschmelzen der rohrförmigen Opferteile 23 und die Bildung von
feuerfesten Durchgängen 33 in Kombination mit der Anordnung
der feuerfesten Durchgänge 33, soweit wie möglich entfernt
von der längsverlaufenden strukturellen Trageanordnung 17,
ein gleichmäßiges Erosionsmuster am unteren Endabschnitts
19 der Verschleißlanze 16 ergibt und die
Lanzenverschleißrate auf ungefähr 8,28 cm/min. reduziert.
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Unter Verwendung der gleichen Rückheizparameter, wie
sie in der Beschreibung des Stands der Technik dargelegt
wurden, würde der erforderliche Anstieg der Temperatur des
Bades von 10ºC lediglich 45,72 bis 91,44 cm einer Lanze
verbrauchen, wie sie durch diese Erfindung beschrieben ist.
Eine solche Verschleißsrate verlängert die Lebensdauer der
erfindungsgemäßen Lanze beträchtlich.
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Obwohl das innerste längsverlaufende Teil 21 und die
längsverlaufenden stangen- oder stabähnlichen Teile 24 des
bevorzugten Ausführungsbeispieles mit kreisförmigen
Querschnitten dargestellt sind, sollte es so verstanden werden,
daß jeder geeignete Querschnitt für derartige Teile
verwendet werden kann. Und obwohl die längsverlaufenden
stangen- oder stabähnlichen Teile 24 des bevorzugten
Ausführungsbeispieles an dem Umfang der kreisförmigen
Abstandsteile 22 angebracht dargestellt sind, sollte dies so
verstanden werden, daß die längsverlaufenden stangen- oder
stabähnlichen Teile 24 an die kreisförmigen Abstandsteile
22 an jedem Punkt entlang dem Radius solcher kreisförmiger
Abstandsteile angebracht sein könnten.