DE4335643C1

DE4335643C1 - Verfahren und Vorrichtung zum Einleiten von Gasen in Metallschmelzen

Info

Publication number: DE4335643C1
Application number: DE4335643A
Authority: DE
Inventors: Anatoly Sizov; Horst-Dieter Dr Ing Schoeler; Ulrich Dipl Ing Meyer
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1993-10-15
Filing date: 1993-10-15
Publication date: 1994-10-27
Anticipated expiration: 2013-10-16
Also published as: AU7806594A; CN1135240A; WO1995010634A1; DE59407192D1; CN1038046C; EP0730667A1; EP0730667B1; US5803948A; ATE172752T1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Einleiten von Gasen in eine in metallurgischen Gefäßen sich befindende Metallschmelze über in der Feuerfestauskleidung des Gefäßes angeordnete Kanäle und eine Vorrichtung dazu.

Es sind verschiedene Gasspülsysteme in Stahlwerken zum Einleiten von Gasen in metallurgische Schmelzen bekannt, die im wesentlichen zum Homogenisieren und Reinigen der Schmelzen dienen. Im allgemeinen wird als Gas Argon oder Stickstoff eingesetzt. Ein weiteres Einsatzfeld ist das Bodenblasverfahren mit Sauerstoff in Metallbehandlungsgefäßen, wie Ofenpfannen, Entschwefelungspfannen u.ä. Hierbei erfolgt das Einblasen von Gasen in das Metallbad durch den Gefäßboden und die Auskleidung der Gefäßwände.

Das Gas wird üblicherweise durch Gasspülsteine geführt, bei denen man zwischen permeablen und dichten Spülsteinen unterscheidet. Bei den permeablen Spülsteinen strömt das Gas direkt durch das Steingefüge, welches ein Kapillarsystem aufweist in der Größenordnung von 10 bis 20 Nperm. Bei dieser Kapillargröße kann ausreichend Gas der Schmelze zugeführt werden, während die Flüssigschmelze selbst nicht in die Kapillaren eindringt. Die dichten Spülsteine sind entweder mit gerichteten Spülkanälen oder mit Spülröhrchen bzw. Schlitzen versehen.

So ist aus der Schrift DE 41 01 833 C2 eine Vorrichtung zum Einleiten von Gas in beliebige metallurgische Gefäße, insbesondere von Liftgas in den Rüssel eine Vakuumanlage bekannt, bei der die Liftgasdüsen aus einem oder mehreren Schlitzen bestehen, die eine Breite von 0,2 bis 0,8 mm haben. Die Liftgasdüsen sind dabei rückseitig direkt an eine Gasleitung angeschlossen.

Aus der Schrift EP 0 146 079 A2 ist ein gasdurchlässiger Baukörper aus feuerfestem Material zum Einblasen von Gasen in Metallbehandlungsgefäße durch deren Auskleidung hindurch bekannt, bei dem ein Gasverteilungsraum gegen das feuerfeste Material durch eine Blechplatte abgeschlossen ist, in der Kanäle dicht befestigt sind. Diese Kanäle sind als Düsenrohre ausgebildet, die durch Zusammendrücken enge Spalten bilden mit einer Innenbreite von etwa 0,3 bis 1 mm.

Bei den bekannten Vorrichtungen wird das Gas durch ein Kapillarsystem des permeablen Gasspülsteines oder durch Spülkanäle bzw. -schlitze des dichten Gasspülsteins geführt. In den bekannten Gaseinleitvorrichtungen ist die durchzusetzende Gasmenge begrenzt. Außerdem wird das Gas kontinuierlich als eine spontane und damit nicht steuerbare Strömung aufgegeben. Die Bedingungen des Spülvorgangs sind dabei so gewählt, daß sie auf die Hydrodynamik der Metallschmelze, nur gering Einwirkung nehmen. Die Gasauströmungsart entspricht in den meisten Fällen dem Blasverfahren. Der ausströmende Gasstrahl entfaltet seine kinetische Wirkung auf die Schmelze nur in der Nähe des Gasspülsteins.

Das Kapillar- bzw. das Kanalsystem der Gasspülsteine weist einen großen Strömungswiderstand auf. Beim Gasauströmen aus den bekannten Gasspülsteinen können, insbesondere bei hohem Gasdurchsatz, infolge des Vermischens kleiner Bläschen großvolumige Blasen gebildet werden.

Außerdem weisen die vorhandenen Ausführungen von permeablen Gasspülsteinen eine geringe Intensität beim Vermischen der Metallschmelze und einen geringen Nutzfaktor der Strömungsenergie auf.

Beim Einsatz von Schlitzkanälen treten während des Durchströmens der Gase durch die Kanäle Längswirbelgeflechte auf mit der Folge, daß der Gasstrahl behindert wird und keine ausreichende Intensität beim Vermischen der Metallschmelze aufweist. Dies hat selbst beim Einsatz mehrerer Kanäle nebeneinander zur Folge, daß sich die Strahlen in einer Reihe von dünnen instabilen Strahlen trennen, was wiederum die Durchmischung der Schmelze mindert.

Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, die vorgenannten Nachteile zu meiden und ein Verfahren anzugeben und eine dazu entsprechende Vorrichtung zu schaffen, bei der mit geringen Energieverlusten ein tieferes Eindringen des Gasstrahls in die und bessere Vermischung mit der Flüssigschmelze ermöglicht wird, sowie die Homogenisierung- und Reinigungszeit der Schmelze verkürzt wird.

Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruchs 1 und des Vorrichtungsanspruchs 5.

Beim vorgeschlagenen Verfahren wird das Gas vor Eintritt in die Metallschmelze in einen Gasverteiler geführt, in dem Schallgeneratoren zur Anregung der Gasschwingungen vorgesehen sind. Je nach den Kenndaten des Spülgases in der Gasleitung und der Ausführung der Schallgeneratoren können das Verhalten der Gasschwingungen und deren Frequenz in Bereichen geändert werden. Beim Anregen des Gases durch die Schallgeneratoren entstehen Stoßwellen, die sich durch den Gasverteiler fortpflanzen und in die Kanäle gelangen.

Die Schwingungen des Gasstrahls, die Wechselwirkung der Strömungen und die Bildung der Stoßwellen innerhalb des Schallgenerators werden in Abhängigkeit der Kenndaten des Spülvorgangs sowie von der Umgebung, in die das Gas mündet, in einer vorgebbaren Frequenz und Amplitude gesteuert.

Das angeregte Gas wird durch in einem Bündel vereinigte Kanäle der Schmelze zugeführt. Die aus dem Kanalbündel ausströmenden dünnen Strahlen ziehen sich hinter der Düsenmündung einander an und stabilisieren somit den ausströmenden Gesamtgasstrahl. Dieses stabile Gassystem ruft in der Metallschmelze ein Wirbelsystem von hoher Intensität hervor und beeinflußt positiv den Vermischungsvorgang der Metallschmelze in dem metallurgischen Gefäß in hohem Maße. Das Wirbelsystem beeinflußt dabei die Metallschmelze nicht nur kinetisch, sondern auch schwingungsmäßig. Die Wechselwirkung zwischen der Gasströmung und der Metallschmelze weist einen Strahlencharakter auf. Es entsteht im metallurgischen Gefäß ein Wirbelsystem mit Längs- und Querwellen.

Die Kanäle des Gasspülsteins besitzen eine dreieckige Querschnittsfläche, durch die der Gasstrahl durch Zerstörung des Längswirbelsystems resonanzfrei, da eine Resonanz der Gasstrahlschwingung durch Reflektion an der Kanalwandung nicht auftritt, und somit ohne Behinderungen zur Schmelze gelangt.

Die von der Mündung der Dreieckskanäle ausströmenden Strahlen mit Ultraschallschwingungen weisen eine hohe Saugfähigkeit auf. Die Schmelze wird zwischen die Strahlen eingesaugt, im System der kohärenten Querwirbel im Ultraschallfeld zerkleinert bzw. gebrochen. Es bildet sich u. a. durch Minderung des Partialdruckes der aufgelösten Gase aus der Schmelze eine Zweiphasenströmung. Der Strahlkern verbreitet sich in dieser Zweiphasenströmung, was eine hohe Reichweite des Strahls ermöglicht. Ein negativer Einfluß von sonst üblichen kleinen und großen Blasen und die hierbei auftretende Blasenschwingung wird beseitigt. In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist unter Beibehaltung aller Vorteile des aufgezeigten Verfahrens eine Form der Vorrichtung aufgezeigt, die ein Ausströmen der Metallschmelze aus dem metallurgischen Gefäß über den Gasverteiler verhindert. Hierzu sind metallische Bauteile vorgesehen, die bei einem Nachlassen des Druckes des Spülgases die eindringende Metallschmelze so stark abkühlen, daß sie einfriert.

Ein Beispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargestellt.

Dabei zeigen die:

Fig. 1 einen Schnitt durch ein metallurgisches Gefäß,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Gasverteiler und einen Gasspülstein,

Fig. 3 Draufsicht auf die Kanäle.

Die Fig. 1 zeigt ein metallurgisches Gefäß 10 mit dem metallischen Mantel 11 und der Feuerfestauskleidung 12. Im Boden 13 des Gefäßes 10 ist als Gasspülstein ein feuerfester Baukörper 40 vorgesehen. Unterhalb des Bodens 13 ist ein Gasverteiler 20 angeordnet, der über eine Gaszuführleitung 31 an eine nicht weiter dargestellte Gasversorgungsstation 30 angeschlossen ist.

Im Gefäß 10 befindet sich die Schmelze S. Mit den Pfeilen ist die Strömungsrichtung der Schmelze um die Zentralachse I aufgezeigt.

Die Fig. 2 zeigt im Detail den feuerfesten Baukörper 40 sowie den Gasverteiler 20, der über die Zuführleitung 31 an die Gasversorgungsstation 30 angeschlossen ist.

Der Gasverteiler 20 weist einen Vorraum 21 und einen Hauptraum 22 auf. Im Bereich der Mündung 26 des Vorraums 21 ist eine Ringnut 23 vorgesehen, die koaxial zur Hauptachse I geführt ist. Senkrecht zur Ringnut 23 ist eine Scheibennut 24 vorgesehen. Beide Nuten sind als Schallgeneratoren ausgebildet und versetzen das Gas in Schwingungen im Ultraschallbereich.

Zwischen dem Vorraum 21 und dem Hauptraum 22 befindet sich an der Innenwand des Gasverteilers 20 ein Tragring 25. Dieser Tragring ist so ausgebildet, daß sowohl der als Ringnut ausgeführte Schallgenerator wie auch der als Scheibennut ausgeführte Schallgenerator umfassend Einfluß auf das Gas nehmen können.

Im linken Teil der Skizze ist im Hauptraum 22 eine Platte 52 vorgesehen, die sich über Stützelemente 53 abstützt. Diese Platte 52 weist eine kreisförmige Form auf und ist aus Metall, welches möglicherweise entgegen der Strömungsrichtung des Gases eintretende Schmelze einfriert und einen Austritt aus dem Gefäß bzw. dem Gasverteiler verhindert. Das Gehäuse des Gasverteilers 20 ist an dem Mantel 11 des metallurgischen Gefäßes 10 befestigt.

In der Feuerfestauskleidung 12 ist der Baukörper 40, in einer Ausführungsform wie in der linken Seite der Skizze dargestellt, in einem Gehäuse 14, angeordnet. In dem aus keramischem Material bestehenden Trägerkörper 44 sind Kanäle 41, 42, 43 eingebracht.

Auf der Linken Seite der Skizze ist ein Teil des Kanals 41 in Form eines metallischen Rohres 51 ausgebildet und die Rohrlänge L1 ist etwa halb so groß wie die Länge L2 des Trägerkörpers 44.

Zwischen dem Ausgang 27 der Hauptkammer 22 und dem Trägerkörper 44 ist eine Dichtung 47 eingebracht.

Die Fig. 3 zeigt eine Draufsicht der Kanäle 41 bis 43. Diese Kanäle besitzen eine Querschnittsfläche in Form eines gleichschenkligen Dreiecks.

Im oberen Teil der Fig. 3 sind die einzelnen Kanäle 41, 42, 43 parallel zueinander angeordnet. Dabei bedeutet der Buchstabe a die Kanalbreite, der Buchstabe b der Abstand zweier Kanalachsen, wenn die Kanäle parallel zueinander angeordnet sind und der Buchstabe e die Länge eines dreieckigen Kanals.

Im unteren Teil der Fig. 3 sind die einzelnen Kanäle zueinander geneigt, und zwar in einem Neigungswinkel α bzw. β.

Bezugszeichenliste

10 metallurgisches Gefäß
11 Mantel
12 Feuerfestauskleidung
13 Böden
14 Gehäuse für Spülstein
20 Gasverteiler
21 Vorraum
22 Hauptraum
23 Ringnut
24 Scheibennut
25 Tragring
26 Mündung Vorraum
27 Ausgang Hauptraum
30 Gasversorgungsstation
31 Gaszufuhrleitung
40 feuerfester Baukörper
41, 42, 43 Kanal
44 Trägerkörper
45 metallisches Rohr
46 metallische Platte
47 Dichtung
50 Kühlelement
51 Rohr
52 Platte
53 Stützelement
S Schmelze
I Zentralachse
α, β Neigungswinkel

Claims

1. Verfahren zum Einleiten von Gasen in eine in metallurgischen Gefäßen sich befindende Metallschmelze über in der Feuerfestauskleidung des Gefäßes angeordnete Kanäle, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

a) das Gas umströmt nach Eintritt in einen Gasverteilungsvorraum einen ersten Schallgenerator,
b) danach wird der schwingende Gasstrahl mindestens einem zweiten Schallgenerator zugeführt und zum periodisch stoßweisen Schwingen angeregt,
c) anschließend wird der mehrfach zum Schwingen angeregte Gasstrahl in einen Gasverteilungshauptraum geleitet und
d) über Kanäle der im Gefäß sich befindenden Schmelze zugeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zum Schwingen angeregte Gasstrahl über eine Gruppe von mindestens drei Kanälen in Form eines Strahlenbündels der Schmelze zugeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasstrahl resonanzfrei die Kanäle durchströmt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stoßfrequenz des Gases beim einem Druck von 2 bis 10 bar auf 20 bis 500 Hz eingestellt wird.

5. Einrichtung zum Einleiten von Gasen in eine in einem metallurgischen Gefäß sich befindende Metallschmelze mit einer an eine Gasversorgungsstation angeschlossenen Gaszuführleitung, die in einen Gasverteiler mündet, an den ein schlitzförmige Kanäle aufweisender, im feuerfesten Material des Gefäßes angeordneter Baukörper angeschlossen ist, zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Gasverteiler (20) gaseintrittsseitig einen Vorraum (21) aufweist,
daß im Bereich der Mündung (26) des Vorraumes (21) eine koaxial zur Zentralachse (I) angeordnete, als erster Schallgenerator ausgebildete Ringnut (23) angeordnet ist, daß sich radial nach außen erstreckend, an die Mündung der Ringnut (23) anschließend, eine als zweiter Schallgenerator ausgebildete Scheibennut (24) vorgesehen ist,
daß in Gasströmungsrichtung hinter der Scheibennut (24) ein Tragring (25) in den Gasverteilerinnenraum hineinragt und den Vorraum (21) von einem Hauptraum (22) trennt, und
daß am Ausgang (27) des Hauptraumes (22) mindestens drei achsparallel zueinander angeordnete schlitzförmige an der Innenseite des Gefäßbodens (13) mündende Kanäle (41, 42, 43) vorgesehen sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die schlitzförmigen Kanäle (41, 42, 43) eine als gleichschenkliges Dreieck ausgebildete Querschnittsfläche aufweisen.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Kanalachsen b zu der Kanalbreite a bei paralleler Anordnung der Kanäle sich verhält wie
b/a = 1,06/2,08
bei einer Länge der Kanaldüse e, die sich in ihrem Verhältnis zur Breite a verhält wie
e/a = 13,1/14,6

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Dreieckskanäle untereinander in einem Winkel geneigt sind, wobei die Neigungswinkel α und β im Bereich von 0 bis 90 Grad einstellbar sind.

9. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Hauptraum (22) zugewandte Teil der schlitzförmigen Kanäle (41, 42, 43) aus einem metallischen Rohr (51) aufgebaut ist.

10. Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß im Hauptraum (22) in einer Ebene senkrecht zur Zentralachse (I) eine metallische Platte (52) vorgesehen ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Platte (52) kreisförmig ausgebildet ist und sich über Elemente (53) an der Wandung des Vorraums (21) abstützt.