-
Technisches
Gebiet
-
Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf das Metallraffinieren, wobei
dem schmelzflüssigen Metall
von einer Stelle über
der Oberfläche
des schmelzflüssigen
Metalls Sauerstoff zugeführt
wird, und sie ist bei einer Verwendung mit Stahlraffinierverfahren
wie z. B. dem Sauerstoffaufblasverfahren besonders nützlich.
-
Stand der
Technik
-
Bei
dem Raffinieren von Metallen wie z. B. der Herstellung von Stahl
unter Verwendung des Sauerstoffaufblasverfahrens (BOP) wird Sauerstoff
in das schmelzflüssige
Metallbad eingeleitet, um mit Bestandteilen des schmelzflüssigen Metalls
zu reagieren, von denen einige in einer schmelzflüssigen Schlacke
enthalten sind, die zusammen mit dem schmelzflüssigen Metall das schmelzflüssige Bad ausbildet.
Diese Reaktionen dienen zur Zufuhr von Wärme zu dem schmelzflüssigen Metall,
um einerseits dazu beizutragen, das Metall in einem schmelzflüssigen Zustand
zu halten, und andererseits dazu zu dienen, unerwünschte Bestandteile
zu entfernen, um die für
das Endprodukt erwünschte
chemische Zusammensetzung der Schmelze zu erreichen.
-
Der
Sauerstoff kann dem schmelzflüssigen Bad
von einer Stelle über
der Badoberfläche
wie z. B. in der BOP-Praxis oder von einer Stelle unter der Oberfläche des
schmelzflüssigen
Bades wie z. B. in der Praxis des Schnellsauerstoffaufblasverfahrens (Q-BOP)
und in der Praxis der Argon-Sauerstoff-Entkohlung (AOD) zugeführt werden.
-
Die
Zufuhr von Sauerstoff zu dem schmelzflüssigen Bad von einer Stelle über der
schmelzflüssigen
Badoberfläche
ist weniger kompliziert und weniger kostspielig als eine Sauerstoffzufuhr
zu dem schmelzflüssigen
Bad von einer Stelle unterhalb der schmelzflüssigen Badoberfläche, da
das letztere Verfahren den Verschleiß der feuerfesten Materialen
erhöht,
eine häufige
Ersetzung der untergetauchten Einblasvorrichtungen wie z. B. der
Blasformen aufgrund der durch die untergetauchte Sauerstoffeinblasung
erzeugten rauen Umgebung erfordert und die Verwendung eines inerten
oder Kohlenwasserstoff-Umhüllungsgases
zum Schutz der Blasformen notwendig macht. Die hohen Kosten kommen
zustande durch den höheren
Verbrauch an feuerfesten Materialen, durch die Kosten der Umhüllungsgase und
Ersatzblasformen, und die durch die erforderliche Blasformenersetzung
auftretende Stillstandszeit. Allerdings ist ein Sauerstoffeinblasen
von oben bei dem Metallraffinieren weniger effektiv als ein Einblasen
von unten her, da mit Einblaspraktiken von oben her ein geringeres
Vermischen des schmelzflüssigen Metallbades
bewerkstelligt wird. Dies führt
im allgemeinen zu niedrigeren Erträgen für Metallraffinier-Einblasverfahren
von oben gegenüber
vergleichbaren Einblasverfahren von unten her. Zum Beispiel ist
der Eisen- und Manganertrag bei Konverterverfahren eines Sauerstoffeinblasens
von oben wie z. B. dem BOP niedriger als die jeweiligen Erträge bei Konverterverfahren
eines Sauerstoffeinblasens von unten wie z. B. dem Q- BOP, da für ein adäquates Vermischen
des Metalls und der Schlacke eine nur ungenügende Gasumrührenergie
zur Verfügung
steht. Weiterhin ist der Verbrauch von Aluminium für die Stahldesoxidation
bei dem BOP im Vergleich zu dem Q-BOP aufgrund eines höheren Gehalts
von gelöstem
Sauerstoff an dem Ende des Raffinierverfahrens höher.
-
Eine
Möglichkeit
zur Adressierung dieses Problems besteht in einem Einblasen des
Sauerstoffs von sowohl ober- wie unterhalb der Oberfläche des
schmelzflüssigen
Metalls. Dies verringert zwar etwas die Kosten, die mit einer Sauerstoffeinblasung von
unterhalb der Oberfläche
des schmelzflüssigen Metalls
und der Häufigkeit
der Blasformenersetzung verbunden sind, jedoch wäre nun der Betrieb von zwei
separaten Sauerstoffzufuhrsystemen erforderlich. Eine weitere Möglichkeit
zur Adressierung dieses Problems besteht in einem Einblasen des
Sauerstoffs in den Ofenkopfraum von einem nur kurzen Abstand von
der Oberfläche
des schmelzflüssigen
Metalls aus, um eine zusätzliche
Vermischung des Metalls und der Schlacke mindestens über einen
Teil des Sauerstoffeinblaszeitraums hinweg bereitzustellen. Jedoch
ist diese Praxis aufgrund des erhöhten Verschleißes der
Sauerstoffeinblaslanze immer noch unbefriedigend.
-
Insofern
das BOP bei etwa 60% der weltweiten Stahlherstellung benutzt wird,
wäre jede
Verbesserung bezüglich
Verfahren eines Sauerstoffeinblasens von oben wie z. B. dem BOP
hoch erwünscht.
-
Dementsprechend
besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines
verbesserten Verfahrens zum Raffinieren von Metall, das eine Sauerstoffzufuhr
zu dem schmelzflüssigen
Metall von oberhalb der Oberfläche
des schmelzflüssigen
Metalls verwendet und welches dem schmelzflüssigen Metallbad auf effektive
Weise eine Gasrührenergie zuführen kann,
ohne die Integrität
der Sauerstoffeinblaslanze zu beeinträchtigen.
-
Zusammenfassung
der Erfindung
-
Die
obigen und weitere Aufgaben, die dem Fachmann anhand dieser Beschreibung
deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die
ein Verfahren gemäß Anspruch
1 zum Raffinieren eines schmelzflüssigen Metallbades ist, das Eisen,
Silizium und Kohlenstoff enthält.
-
Wie
hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kopfraum" denjenigen Raum, der über der
ruhenden schmelzflüssigen
Badoberfläche
und unter derjenigen Ebene liegt, die durch die oberste Öffnung des Metallraffinierofens
ausgebildet wird.
-
Wie
hier verwendet bezeichnet der Begriff "kohärenter
Strahl" einen Gasstrom,
der seiner Länge
entlang einen im wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist.
-
Wie
hier verwendet bezeichnet der Begriff "Entkohlen" die Kohlenstoffentfernung von schmelzflüssigem Metall,
indem Kohlenstoff mit Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, damit
Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid ausgebildet wird.
-
Wie
hier verwendet bezeichnet der Begriff "Überschall-Strahllänge" die Länge eines
Strahls aus einer Düse,
dessen Axialgeschwindigkeit, gemessen bei Umgebungsatmosphärenbedingungen, Überschallgeschwindigkeit
beträgt.
-
Wie
hier verwendet bezeichnet der Begriff "Axialgeschwindigkeit" die Geschwindigkeit eines Gasstroms
an seiner axialen Mittellinie entlang.
-
Wie
hier verwendet bezeichnet "Strahlkraft" die berechnete Eindringkraft
des Strahls, die proportional ist zu dem Produkt der Gasdichte und
des Quadrats der Gasgeschwindigkeit, integriert innerhalb der durch
die ursprüngliche
Düsenfläche definierten Fläche des
Gasstroms, die gleich πd2/4 ist.
-
Wie
hier verwendet bezeichnen "Umgebungsatmosphärenbedingungen" das Vorliegen von Umgebungsluft
bei einer Temperatur in dem Bereich von –17,8°C bis 37,8°C (0 bis 100° Fahrenheit). Für die Zwecke
dieser Erfindung sind die hier nützlichen Gasstrahlen 23 und 30 solche
Strahlen, die die im folgenden festgelegten Kriterien bezüglich der
Axialgeschwindigkeit und der Aufrechterhaltung der Strahlkraft bei
einer Strahllänge
von 30 d erfüllen,
wenn sie unter Modelltestbedingungen und Umgebungsatmosphärenbedingungen
getestet werden. Gasstrahlen mit einer Axialgeschwindigkeit von
weniger als Mach 1 und einer Strahlkraft von weniger als 20% der
ursprünglichen
Strahlkraft bei einer Strahllänge
von 30 d werden im folgenden dadurch gekennzeichnet, dass sie eine "breite Kontaktfläche mit
dem schmelzflüssigen
Metall" aufweisen.
Gasstrahlen mit einer Axialgeschwindigkeit von größer als
Mach 1 und einer Strahlkraft von größer als 50% der ursprünglichen
Strahlkraft bei einer Strahllänge
von 30 d werden im folgenden dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine "kleinere Kontaktfläche mit
dem schmelzflüssigen
Metall" verfügen.
-
Wie
hier verwendet bezeichnen "Modelltestbedingungen" die folgenden Bedingungen.
Die Strahlen werden in einer Freiluft-Testeinrichtung Himmel charakterisiert.
Die Strahlen werden ausgebildet und in die Umgebungsluft eingeblasen,
wobei die Struktur des Strahls unter Verwendung eines Pitot-Rohrs
abgetastet wird. Das Pitot-Rohr misst den dynamischen Druck des
strömenden
Gases, aus dem verschiedene Strahleigenschaften bestimmt werden
können.
Diese Abtastung kann sich im dreidimensionalen Raum bewegen, sodass
eine vollständige
räumliche
Bestimmung möglich
wird. Typischerweise wird nur einer der Strahlen abgetastet und
es wird davon ausgegangen, dass die nicht abgetasteten Strahlen
identisch zu dem abgetasteten Strahl ausfallen. Die erstellten Messungen
betreffen 1) das axiale dynamische Druckprofil (Mittellinie) und
2) das radiale dynamische Druckprofil (entnommen an verschiedenen
axialen Positionen). Die Machzahl, Geschwindigkeit und Kraftprofile
werden aus den Pitot-Rohr-Messungen unter Verwendung wohlbekannter
gasdynamischer Beziehungen berechnet.
-
Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
-
1 ist
eine repräsentative
Illustration und stellt die erste Phase bzw. weiche Einblasperiode
des Metallraffinierverfahrens dieser Erfindung dar.
-
2 ist
eine repräsentative
Illustration und zeigt die zweite Phase bzw. harte Einblasperiode
des Metallraffinierverfahrens dieser Erfindung.
-
3 ist
eine frontale Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer für die Praxis
dieser Erfindung nützlichen
Lanze.
-
Die
Bezugsziffern in den Zeichnungen sind für die allgemeinen Elemente
die Gleichen.
-
Ausführliche
Beschreibung
-
Die
Erfindung wird nun ausführlich
mit Bezug auf die Zeichnungen sowie mit Bezug auf ihre Verwendung
in einem BOP beschrieben werden.
-
1 illustriert
einen Sauerstoffaufblasofen 20, in dem eine Charge 21 raffiniert
wird, um Stahl zu erzeugen.
-
Die
Charge weist typischerweise schmelzflüssiges Eisen wie z. B. heißes Metall
aus einem Hochofen, Stahlschrott, und Schlacke ausbildende Mittel
wie z. B. Kalk, dolomitischen Kalk oder Fluorit auf. Die Charge
hat typischerweise eine Siliziumkonzentration von etwa 0,05 bis
2,0 Gew.-% und eine Kohlenstoffkonzentration von etwa 4 bis 4,5
Gew.-%.
-
Während der
ersten Phase bzw. weichen Einblasperiode des gesamten Sauerstoffeinblaszeitraums
wird Raffiniersauerstoff von einer Sauerstofflanze 22 in
einem oder mehreren Gasströmen 23 in den
Kopfraum 24 des Ofens 20 eingeblasen. In der in 1 illustrierten
Ausführungsform
wird eine Mehrzahl von Gasströmen 23 verwendet.
In dieser ersten Phase des gesamten Sauerstoffeinblaszeitraums wird
ein sauerstoffhaltiger Gasstrom, der mindestens etwa 80% Sauerstoff
und vorzugsweise reinen Sauerstoff aufweist, in der Form von Sauerstoffstrahlen 23 ausgestoßen, die
eine breite Kontaktfläche
mit der Oberfläche
des schmelzflüssigen
Metallbades bereitstellen. Wie noch ausführlicher beschrieben werden wird,
ist in dieser ersten Phase des Sauerstoffraffinierverfahrens eine
relativ breite Kontaktfläche
mit der Oberfläche
des schmelzflüssigen
Metallbades und jeglichem nicht geschmolzenen Schrott erwünscht, um
die Ausbildung von FeO und SiO2 zu unterstützen, die
den Schmelzpunkt der Schlacke absenken, und um die mit diesen Reaktionen
verbundene Wärme
freizusetzen, damit ein schnelles Schmelzen und eine Ausbildung
des schmelzflüssigen Schlacketeils
des schmelzflüssigen
Bades unterstützt
wird. Die Reaktion eines Teils des eingeblasenen Sauerstoffgases
mit CO in dem Kopfraum des Behälters
stellt zusätzliche
Wärme bereit,
damit die schmelzflüssige
Schlacke rasch ausgebildet und der Schrott zusätzlich geschmolzen wird. Die
Gasstrahlen 23 treten durch Lavaldüsen aus, die einen konvergierenden
Abschnitt, einen sich verengenden Abschnitt und einen divergierenden
Austrittsabschnitt mit einem Auslassdurchmesser d und einer Austrittsgeschwindigkeit
aufweisen, welche Mach 1 übersteigt
und typischerweise in dem Bereich von Mach 1,5 bis Mach 2,5 liegt.
Für ein
gesteigertes Mitreißen der
Umgebungsatmosphäre
in die Sauerstoffstrahlen 23 und eine dadurch stattfindende
Verbreiterung der Kontaktfläche
dieser Strahlen werden die Gasstrahlen 23 durch eine Gashülle 25 umgeben,
die ein sekundäres
sauerstoffhaltiges Gas und mindestens ein inertes Gas aufweist.
Das bevorzugte inerte Gas ist Stickstoff. Weitere in der Praxis
dieser Erfindung anwendbare inerte Gase beinhalten Argon, Kohlendioxid
und Helium. Die Durchflussraten des sekundären sauerstoffhaltigen Gases
und des inerten Gases liegen jeweils typischerweise in dem Bereich
von zwei (2) bis zehn (10) Prozent des gesamten Stroms aller Gasstrahlen 23.
Die Sauerstoffstrahlen 23 interagieren mit der Umgebungsatmosphäre, um ein
Gebiet mit turbulentem Vermischen zu erzeugen, welches die Umgebungsatmosphäre mitreißt und bewirkt, dass
die Sauerstoffstrahlen 23 ihre Strahlgeschwindigkeit und
-kraft verlieren, sodass bei einem Abstand von 30 d von dem Düsenaustritt
bei Umgebungsatmosphärenbedingungen
die Axialgeschwindigkeit der Gasstrahlen 23 weniger als
Mach 1 und die Strahlkraft weniger als 20%, vorzugsweise jedoch weniger
als 10% der ursprünglichen
Strahlkraft an dem Düsenaustritt
beträgt.
Dieser Verlust an Strahlkraft ist ein Maß dafür, wie weit die Gasstrahlen 23 ausgebreitet
werden, damit sie weniger weit eindringen, einen größeren Oberflächenkontakt
und eine höhere
chemische Reaktion mit der Umgebungsatmosphäre, mit nicht geschmolzenem
Schrott und mit der Oberfläche
des schmelzflüssigen
Bades bereitstellen.
-
Die
Sauerstoffgasströme 23 weisen
bei ihrer Injektion in den Kopfraum 24 von der Lanze 22 aus eine Überschallgeschwindigkeit
auf, aber aufgrund des inerten Gases in der Gashülle, die den/die Raffinier sauerstoff-Gasstrom/ströme von der
Atmosphäre innerhalb
des Ofenkopfraums abschirmt, fällt
die Geschwindigkeit der Gasströme 23 rasch
und signifikant auf Unterschallgeschwindigkeit ab, bevor die Ströme 23 die
Oberfläche
der Metallcharge 21 erreichen. Die Überschall-Strahllänge jeder
der Gasströme 23 beträgt weniger
als 30 d. Wenn die Geschwindigkeit der Gasströme 23 die Schallgeschwindigkeit
unterschreitet, breitet sich jeder der Gasströme 23 mit einem Halbwinkel
von etwa 10° aus,
wodurch ihre Durchmesser erhöht
werden und ein weicher, d. h. weniger stark eindringender Strom
sowie ein großes
Ausmaß an
Oberflächenkontakt
mit der Umgebungsatmosphäre
und mit der Oberfläche
des schmelzflüssigen Bades
bewerkstelligt wird. Da der Kopfraum oxidierbare Spezies wie z.
B. Kohlenmonoxid enthält,
würde,
wenn die Strömung
des inerten Gases nicht in der Nähe
des/der Raffiniersauerstoffstroms/ströme vorhanden wäre, die
Raffiniersauerstoffströme
einer begrenzten Verbrennungsreaktion unterzogen werden, die ein
Ausbreiten verhindern würde.
-
Während oder
vor dieser ersten Phase bzw. weichen Einblasperiode des Sauerstoffeinblaszeitraums
werden Flussmittel wie z. B. Kalk und Dolomit zu der Charge hinzugefügt, um die
erwünschten
chemischen Eigenschaften der Schlacke zu bewerkstelligen und um
ausgebildetes Siliziumdioxid zu neutralisieren. Die weich eingeblasenen
Sauerstoffströme treten
mit einem größeren Teil
der Chargenoberfläche
in Kontakt, um rascher und gleichförmiger mit Kohlenstoff, Silizium
und anderen metallischen Komponenten in der Charge zu reagieren,
damit die Flussmittel geschmolzen werden und eine schmelzflüssige Schlacke 26 innerhalb
des Kopfraums über der
Oberfläche
des schmelzflüssigen
Metalls ausgebildet wird, welche die erwünschten chemischen Eigenschaften
aufweist, um die Ofenauskleidung zu schützen und die Entfernung von
Verunreinigungen wie z. B. Phosphor und Schwefel zu erleichtern.
Weiterhin werden die weich eingeblasenen Sauerstoffströme weniger
wahrscheinlich durch nicht geschmolzenen Schrott reflektiert, der
zu Beginn des Sauerstoffblaszeitraums vorliegen kann, was andernfalls
zu einer Beschädigung
der Lanze oder der Ofenauskleidung führen könnte. Darüber hinaus dient die sich ausbreitende
Beschaffenheit der weich eingeblasenen Sauerstoffströme dazu,
eine signifikante Menge an Kopfraumatmosphäre in den Strömen 23 mitzureißen. Die
Kopfraumatmosphäre
enthält
einen hohen Prozentsatz an Kohlenmonoxid und ein Teil des mitgerissenen
Kohlenmonoxids wird mit dem Sauerstoff in den Gasströmen 23 zur
Ausbildung von Kohlendioxid verbrannt. Die sich ergebende Wärme, die
durch diese Verbrennung freigesetzt wird, erhöht die Menge an Schrott, der
geschmolzen werden kann, was die Kosten verringert und die Produktivität erhöht. Der
in der Gashülle 25 enthaltene zusätzliche
Sauerstoff reagiert auch mit Kohlenmonoxid, was das Ausmaß an während dieser
anfänglichen
bzw. weichen Einblasperiode erzeugter Wärme zusätzlich erhöht. Die erste Phase bzw. weiche
Einblasperiode wird fortgeführt,
solange mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 75% des Siliziums
in dem schmelzflüssigen
Metall oxidiert und zu Siliziumdioxid umgewandelt worden ist.
-
Auf
die erste Phase bzw. weiche Einblasperiode des Sauerstoffeinblaszeitraums
folgt eine zweite Phase bzw. harte Einblasperiode. Im allgemeinen macht
die weiche Einblasperiode einen Anfangsanteil von 10 bis 90% und
vorzugsweise von 20 bis 80% des gesamten Zeitraums aus, der aus
der anfänglichen
weichen Einblasperiode und der nachfolgenden harten Einblasperiode
ausgebildet wird. Die Übergangsperiode
von weichem zu hartem Einblasen hängt von der Ansprechzeit des
Gassteuerungssystems ab und liegt typischerweise in dem Bereich
von 5 bis 90 s.
-
2 illustriert
den Betrieb des Verfahrens dieser Erfindung während der zweiten Phase bzw. Der
harten Einblasperiode. Ein wichtiger Vorteil dieser Erfindung besteht
darin, dass die Lanze 22 während der harten Einblasperiode
nicht so nahe an die Oberfläche
der schmelzflüssigen
Bades wie bei der konventionellen BOF-Praxis gebracht werden muss und
zugleich immer noch Vorteile durch eine hohe Vermischungsenergie
ermöglicht
werden.
-
Nun
auf 2 Bezug nehmend wird während der zweiten Phase bzw.
harten Einblasperiode Raffiniersauerstoff in einem oder mehreren
Gasströmen 30 von
der Lanze 22 in den Kopfraum 24 eingeblasen. In
der in 2 illustrierten Ausführungsform wird eine Mehrzahl
von Gasstrahlen 30 verwendet. Die Gasstrahlen 30 treten
durch Lavaldüsen
aus, die mit einem konvergierenden Abschnitt, einem sich verengenden
Abschnitt und einem divergierenden Austrittsabschnitt versehen sind
und eine Austrittsgeschwindigkeit aufweisen, die Mach 1 übersteigt
und typischerweise in dem Bereich von Mach 1,5 bis Mach 2,5 liegt.
Im Unterschied zu der ersten Phase, in der Sauerstoff und inertes
Gas in einer Hülle
um die Gasstrahlen herum bereitgestellt wurden, werden in der zweiten
Phase Sauerstoff und ein brennbares Fluid um die Gasstrahlen 30 herum
zugeführt.
Dieser Sauerstoff und das brennbare Fluid verbrennen, um eine Flammenhülle 31 um
die Gasstrahlen 30 herum auszubilden. Die Durchflussrate
des Sauerstoffs und des brennbaren Gases werden so gewählt, dass
eine Flammenhülle
erzeugt wird, die ein Mitreißen
der Umgebungsatmosphäre
in den Gasstrahlen 30 minimiert und die Aufrechterhaltung
hinsichtlich der Axialgeschwindigkeit, der Bewegungs- und der Vermischungsenergie
der Strahlen maximiert. Typischerweise liegt jeder dieser Gasströme in dem
Bereich von zwei (2) bis zehn (10) Prozent des gesamten Stroms aller
Gasstrahlen 30. Die Flammenhülle 31 dient dazu,
eine Barriere zwischen den Gasstrahlen 30 und der Atmosphäre des Kopfraums 24 auszubilden,
wodurch die Kopfraumatmosphäre
davon abgehalten wird, in den Gasstrahlen 30 mitgerissen
zu werden. Infolgedessen ist die Axialgeschwindigkeit der Gasstrahlen 30 bei
einem Abstand von 30 d zu dem Düsenaustritt,
wenn sie unter Umgebungsatmosphärenbedingungen
getestet wird, durch eine Axialgeschwindigkeit charakterisiert,
die größer als
Mach 1 und in der bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen
gleich wie die Entwurfsaustrittsgeschwindigkeit der Gasstrahlen 30 ist,
und die Strahlkraft ist größer als
50% und vorzugsweise größer als
70% der ursprünglichen
Strahlkraft an dem Düsenaustritt. Diese
größere Aufrechterhaltung
der Strahlaxialgeschwindigkeit und der Strahlkraft während der
zweiten Phase ist eine Maßangabe
für den
Grad, mit dem die Gasstrahlen 30 ihr Vermögen zu einem
Auftreffen auf die Badoberfläche
mit einer sehr hohen Bewegungsenergie über eine relativ kleinere Fläche hinweg
beibehalten, wodurch dem schmelzflüssigen Bad mehr Vermischungsenergie
zugeführt
wird. Diese größere Vermischungsenergie
der Gasstrahlen 30 verbessert die Entkohlung des schmelzflüssigen Metallbades
und dadurch die Effizienz des Raffinierverfahrens.
-
Jeder
Gasstrahl 30 wird in den Kopfraum von einer Düse aus injiziert,
die typischerweise eine konvergierende/divergierende Düse mit einem
Auslassdurchmesser (d) ist. Jeder Gasstrahl 30 weist eine Überschall-Strahllänge von
mindestens 30 d und bis zu 50 d oder mehr auf. Darüber hinaus
ist jeder Gasstrahl 30 kohärent und behält seine
Kohärenz über mindestens
einen Teil des Abstands innerhalb des Kopfraums von der Einblasstelle
der Lanze 22 zu der Oberfläche der Charge 21 hinweg
bei. Im allgemeinen ist jeder Gasstrahl 30 kohärent und
behält
seine Kohärenz über einen
Abstand von mindestens 30 d und bis zu 50 d oder mehr von seiner
Injektion in den Kopfraum aus seiner Einblasdüse an der Lanze 22 aus
bei. Der/die Gasstrahlen) 30 kann können eine Überschall-Strahllänge aufweisen
und kann können über im wesentlichen
den gesamten Abstand innerhalb des Kopfraums von der Lanze zu der
Oberfläche des
schmelzflüssigen
Bades hin kohärent
bleiben.
-
Die
axiale Überschallgeschwindigkeit
und die kohärente
Natur des/der Sauerstoffstrahls/en während der harten Einblasperiode
ermöglichen
es, dass der/die Sauerstoffstrahlen mit einer sehr hohen Bewegungsenergie
auf die Oberfläche
des schmelzflüssigen
Metalls über
eine relativ kleine Fläche
hinweg auftreffen, die kleiner als die Kontaktfläche während der ersten Phase ist,
wodurch die verfügbare Vermischungsenergie,
die durch den/die Gasstrahlen) zu dem schmelzflüssigen Metall geführt wird, maximiert
und konzentriert wird. Dies wird in 2 durch
die tiefe Eindringung 32 der Sauerstoffstrahlen in das
schmelzflüssige
Metall dargestellt, was zu einem verbesserten Vermischen von Schlacke
und Metall mit einem geringeren Eisenoxidgehalt in der Schlacke
und/oder gelöstem
Sauerstoff in dem raffinierten Metall, einem höheren Ertrag, geringeren Spritzern
und Funken, einer höheren
Produktivität und
einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt des raffinierten Metalls führt. Die
zweite Phase des gesamten Raffinierens oder die Sauerstoffkontaktdauer
wird fortgeführt,
bis das schmelzflüssige
Metallbad entkohlt worden ist, um im wesentlichen einen angestrebten
Kohlenstoffpegel aufzuweisen, der typischerweise von etwa 0,03 bis
0,15 Gew.-% beträgt.
-
An
dem Ende der zweiten Phase bzw. harten Einblasperiode wird die Lanze
aus dem Ofen herausgezogen und der/die Raffiniersauerstoffstrahl/strahlen
sowie das Oxidationsmittel und das brennbare Fluid für die Flammenhülle werden
abgeschaltet. Anschließend
wird der Ofen geneigt, um den raffinierten Stahl in eine Gießpfanne
zu gießen.
Zum Erhalt der erwünschten
chemischen Endeigenschaften des Stahls und zum Entfernen von unerwünschtem
Sauerstoff, der in dem Stahl gelöst
ist, werden Legierungen und Desoxidationsmittel wie z. B. Aluminium
und Silizium hinzugefügt.
-
3 illustriert
eine bevorzugte Anordnung eines Lanzenkopfes, der zur Durchführung des
Verfahrens dieser Erfindung benutzt werden kann. Nun auf 3 Bezug
nehmend sind vier Sauerstoffdüsen 5 gezeigt,
die an einer Stirnseite 7 einer Lanze 22 angeordnet
sind. In der Praxis dieser Erfindung werden vorzugsweise von 1 bis
6 und am bevorzugtesten von 3 bis 5 Sauerstoffdüsen verwendet, wobei jede Sauerstoffdüse einen
weich eingeblasenen Gasstrom und anschließend einen hart eingeblasenen
kohärenten Überschall-Gasstrahl
bereitstellt. Die Sauerstoffdüsen 5 werden
vorzugsweise unter einem von der Mittellinie der Lanze aus nach
außen
weisenden Winkel angeordnet, der in dem Bereich von etwa 6 bis 20° liegen kann.
Wie in 3 dargestellt sind die Sauerstoffdüsen 5 vorzugsweise
in einem Kreis an der Stirnseite 7 der Lanze 22 angeordnet.
Sauerstoffströme
werden aus den Düsen 5 sowohl
während
der anfänglichen
weich eingeblasenen wie während
den nachfolgenden harten Einblasperioden des Verfahrens der Erfindung
ausgestoßen.
-
An
der Stirnseite 7 der Lanze 22 befinden sich ebenfalls
ein innerer Ring von Löchern 8 und
ein äußerer Ring
von Löchern 9.
Vorzugsweise und wie in 3 dargestellt sind die äußeren Löcher 9 zu
den inneren Löchern
an jeweiligen Radien an der Lanzenstirnseite ausgerichtet. Sowohl
der innere Ring von Löchern
wie der äußere Ring
von Löchern
liegen in einer kreisförmigen
Anordnung um die Sauerstoffdüse(n)
herum vor. Während
der anfänglichen
weichen Einblasperiode wird Sauerstoff aus dem äußeren Ring von Löchern 9 und
inertes Gas wie z. B. Stickstoff wird aus dem inneren Ring von Löchern 8 herausgeleitet,
um die Gashülle
auszubilden, welche den/die weich eingeblasenen Gasstrom/ströme umgibt
und die Expansion des/der weich eingeblasenen Gasstroms/ströme ermöglicht.
Der durch den äußeren Ring
von Löchern 9 ausgeleitete
Sauerstoff ist ein mindestens 80 Molprozent Sauerstoff aufweisendes Fluid.
An dem Ende der weichen Einblasperiode wird die Inertgasströmung durch
die Löcher 8 angehalten und
durch den Strom von brennbarem Fluid, d. h. Brennstoff ersetzt.
Der bevorzugte Brennstoff ist Methan oder Erdgas. Weitere in der
Praxis dieser Erfindung verwendbare Brennstoffe beinhalten Propan, Butan,
Butylen, Wasserstoff, Koksofengas und Öl. Der Brennstoff vermischt
sich mit dem durch die äußeren Löcher 9 zugeführten Sauerstoff
und verbrennt mit diesem, um die Flammenhülle auszubilden. Diese umgibt
den/die hart eingeblasenen Sauerstoffstrahl/en und dient dazu, letztere
kohärent
und über
mindestens einen Teil des Abstands hinweg bei einer Überschallgeschwindigkeit
zu halten, wenn der/die Strahl/en von der Lanze zu der Oberfläche des
schmelzflüssigen
Metalls laufen.
-
Obgleich
die Erfindung ausführlich
mit Bezug auf eine bestimmte bevorzugte Ausführungsform im Zusammenhang
mit der BOP-Praxis beschrieben worden ist, verstehen sich für den Fachmann
weitere Ausführungsformen
der Erfindung, die in den Rahmen der Ansprüche fallen. Zum Beispiel kann
die Erfindung mit unter der Oberfläche stattfindenden Einblasverfahren
wie z. B. dem Q-BOP und dem AOD-Verfahren
angewendet werden. Weiterhin könnte
dort, wo das inerte Gas oder das brennbare Fluid und der Sauerstoff
durch alternierende Löcher der
Zufuhranordnung strömen,
diese Zufuhranordnung einen einzelnen Ring von Löchern um die Raffiniersauerstoffdüse(n) herum
aufweisen. Anstelle von Ringen von Löchern 8 und 9 wie
in 3 dargestellt könnte zudem auch eine andere
Zufuhranordnung wie z. B. ringförmige Öffnungen
um die Raffiniersauerstoffdüse(n)
herum verwendet werden.