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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine metallurgische Lanze zum Einbringen
von Teilchenmaterial in eine Flüssigkeit.
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Es
ist in metallurgischen Prozessen gut bekannt, Gas und Feststoffe
in ein Volumen aus geschlossenem Metall einzubringen. Beispielsweise kann
teilchenförmiger
Kohlenstoff in einen Ofen injiziert werden, um so an der Vergütung von
Eisen und Stahl oder eines Nichteisenmetalls teilzunehmen. Typischerweise
wird das Teilchenmaterial in einem Trägergas in den Ofen injiziert.
Das Trägergas
kann im Ofen nicht reaktiv oder kann ein reaktives Gas wie beispielsweise
Sauerstoff sein.
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Um
eine ausreichende Durchdringung des Teilchenmaterials in dem geschmolzenen
Metall zu erreichen, ist es wünschenswert,
es mit hoher Geschwindigkeit zu injizieren. Die Dämpfungsrate
eines Gasstrahls mit hoher Geschwindigkeit, während er durch eine ruhige
Atmosphäre
wandert, ist jedoch sehr hoch. Es ist daher wünschenswert, den Auslaß einer
Lanze, durch welche das Teilchenmaterial injiziert wird, an einer
Stelle ganz nahe an der Oberfläche
des geschmolzenen Metalls anzuordnen. Alternativ ist es wünschenswert,
eine Lanzenkonfiguration zu benutzen, die sicherstellt, daß die Dämpfungsrate
des Trägergases
relativ niedrig ist. Das Wählen einer
geeigneten Konfiguration für
die Lanze ist oft mals besonders wichtig in einer metallurgischen
Umgebung, in welcher, wenn das distale Ende der Lanze zu nahe an
der Oberfläche
des geschmolzenen Metalls angeordnet ist, die Gefahr besteht, daß sie erodiert
oder auf andere Weise beschädigt
wird, beispielsweise durch spritzendes geschmolzenen Metall. Die
US 6 254 379 B bezieht
sich auf ein Verfahren zum Bereitstellen eines Reagens in eine Reaktionszone.
Das Reagens kann ein Teilchenmaterial sein, und die Reaktionszone
kann in einem Ofen gebildet sein. Das Verfahren umfasst:
- (A) Bereitstellen eines Reagens in ein Trägergas und
Leiten des reagenshaltigen Trägergases
als Gasstrahl in einen Injektionsraum aus einem Injektor über eine
Distanz (d),
- (B) Umgeben des Gasstrahls mit einer Flammenhülle aus
dem Injektor über
die Distanz (d), um so den Gasstrahl über die Distanz (d) kohärent zu halten,
- (C) Leiten des reagenshaltigen Trägergases weiter in den Injektionsraum
jenseits der Distanz (d) in eine Reaktionszone, vorbei am vorderen
Rand der Flammenhülle
als nichtkohärenten
Gasstrom, und
- (D) Bereitstellen des Reagens aus dem nichtkohärenten Gasstrom
in die Reaktionszone.
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Im
Schritt A des obigen Verfahrens ist der Injektor eine Laval-Düse. Eine
Laval-Düse
ermöglicht die
Bildung eines Gasstrahls mit Überschallgeschwindigkeit.
Eine Laval-Düse
hat in Richtung der Strömung
einen konvergenten Abschnitt, eine Einschnürung, und einen divergenten
Abschnitt. Das Reagens wird in die Düse stromauf der Einschnürung eingeleitet.
Dies hat den Nachteil, daß an
der Düse Schaden
verursacht werden kann.
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Gemäß der
US 6 254 379 B ist
ein kohärenter
Gasstrahl ein Gasstrahl, dessen Durchmesser keiner wesentlichen
Vergrößerung entlang
der Strömungslänge unterliegt,
und die Einsaugrate des umgebenden Gases in dem Gasstrom ist beträchtlich kleiner
als diejenige in einen nicht reagierenden turbulenten Strahl. Die
Flammenhülle,
die zur Erzielung eines Maßes
an Kohärenz
des Gasstrahls angewendet wird, wird durch Zufuhr von Brennstoff
und Oxidationsmittel zur Spitze des Injektors und durch Ermöglichen
des Mischens des Brennstoffs und des Oxidationsmittels in einer
Flammenzone stromab der Spitze gebildet. Obwohl ein Überschallgasstrahl
zur Führung
des Reagenz eingesetzt werden kann, wird die Flamme subionisch gebildet.
Als Ergebnis der Ungleichheit zwischen der Geschwindigkeit des Gasstrahl
und der Geschwindigkeit der Flamme ist die Effektivität der letzteren
bei der Verringerung der Dämpfungsrate
der Strahlgeschwindigkeit vermindert.
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Die
GB-A-1 015 581 beschreibt eine Lanze mit einem mittigen sauerstoffausblasenden
Rotor, einem das Sauerstoffrohr konzentrisch umgebenden Brennstoffzufuhrrohr,
und einem äußeren Sauerstoffrohr,
das das Brennstoffzufuhrrohr konzentrisch umgibt, wobei das innere
Rohr eine Laval-Düse
aufweist. Das äußere Rohr
divergiert jenseits des inneren Rohrs zur Bildung einer Mischkammer.
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Die
obigen Probleme werden durch die metallurgische Lanze nach der Erfindung
bewältigt.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine metallurgische Lanze zum Einbringen von Teilchenmaterial
in eine Flüssigkeit
vorgesehen, wobei die Lanze einen axialen Hauptgaskanal, der mit
seinem Auslassende in einer ersten Laval-Düse endigt, einem Mantelgaskanal
um den Hauptgaskanal herum, der mit seinem Auslassende in einer
zweiten Laval-Düse endigt,
und einem Teilchenmaterial-Transportkanal mit einem axialen Auslaß aufweist,
der in der ersten Laval-Düse
stromab von deren Einschnürung
endigt, wobei die erste Laval-Düse
mindestens einen Kühlkanal
für die
Strömung
eines externen Kühlmittels
aufweist.
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Durch
Einführen
des Teilchenmaterials in den Hauptgasstrahl ist es möglich, es
mit einer hohen Geschwindigkeit in die Flüssigkeit einzubringen, obwohl
das Teilchenmaterial typischerweise mit subionischer Geschwindigkeit
in seinem Transportkanal befördert
wird. Des weiteren, da das Teilchenmaterial in den divergenten Teil
der ersten Laval-Düse
eingeführt
wird, können
Kollisionen der Teilchen mit hoher Geschwindigkeit mit den Wänden der
ersten Laval-Düse
auf einem Minimum gehalten werden, wodurch die Gefahr des Auftretens
schneller Erosion der Düse
minimiert wird.
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Jede
Laval-Düse
hat im wesentlichen einen stromaufwärtigen Teil, der zu einer Einschnürung hin konvergiert,
und einen stromabwärtigen
Teil, der von der Einschnürung
aus divergiert. Gegebenenfalls kann die Laval-Düse einen weiteren Teil stromab
des divergenten Teils haben. Der weitere Teil kann gerade zylindrisch
sein oder kann wieder in Strömungsrichtung
konvergieren. Der axiale Auslaß des
Transportkanals kann in den divergenten Teil oder in dem weiteren
Teil endigen.
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Da
das Hüllgas
in der Lage ist, die Lanze mit Überschallgeschwindigkeit
zu verlassen, können
Geschwindigkeitsdifferenzen zwischen dem Hüllgas und dem Hauptgasstrahl
niedrig gehalten werden, mit dem Ergebnis, daß die Rate, mit welcher die
Geschwindigkeit des Hauptgasstrahls abnimmt, ebenfalls gering gehalten
wird.
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Ein
weiterer Vorteil der metallurgischen Lanze nach der Erfindung liegt
darin, daß sie
eine Anordnung konzentrischer Rohre anwenden kann, um seine verschiedenen
Kanäle
zu bilden. Diese Anordnung erleichtert die Herstellung der Lanze.
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Vorzugsweise
sind der Hüllgaskanal
und der Teilchenmaterial-Transportkanal koaxial mit dem Hauptgaskanal.
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Vorzugsweise
weist der Hüllgaskanal
eine Brennkammer auf. Die Brennkammer weist vorzugsweise an ihrem
distalen Ende einen Einlaß für Oxidationsmittel
und einen Einlaß für Brennstoff
auf. Der Brennstoff und das Oxidationsmittel werden vorzugsweise
durch koaxiale Oxidationsmittel- und Brennstoffkanäle zugeführt.
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Die
zweite Laval-Düse
wird vorzugsweise mittels eines externen Kühlmittels gekühlt und
weist mindestens einen Kanal für
die Strömung
des externen Kühlmittels
auf. Das externe Kühlmittel
für beide Laval-Düsen ist
typischerweise Wasser. Eine Kühlung
der ersten Laval-Düse
im besonderen steigert die Betriebsstandzeit der metallurgischen
Lanze.
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Die
erste Laval-Düse
ist vorzugsweise relativ zur zweiten Laval-Düse zurückgesetzt, in dem das Auslassende
der ersten Laval-Düse
in dem divergenten Teil der zweiten Laval-Düse
endigt. Eine solche Anordnung trägt
dazu bei, die erste Düse
vor Beschädigung
durch spritzendes geschmolzenes Metall zu schützen.
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Der
Hauptgasstrahl verlässt
die metallurgische Lanze nach der Erfindung mit einer Geschwindigkeit
im Bereich von Mach 1,5 bis Mach 4. Das Hüllgas, vorzugsweise ein Brenngasgemisch,
verlässt
die Lanze mit einer Geschwindigkeit im Bereich von 100 bis 110%
der Geschwindigkeit des Hauptgasstrahls.
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Typischerweise
ist der Hauptgasstrahl kommerziell reiner Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte
Luft. Das Teilchenmaterial kann beispielsweise Kohlenstoff sein.
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Eine
metallurgische Lanze nach der Erfindung wird nunmehr beispielshalber
unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen 1 eine
Seitenansicht, teilweise geschnitten, der Lanze, und 2 eine
Ansicht der Lanze, vom proximalen Ende in 1 her gesehen,
zeigt.
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Gemäß den Zeichnungen
weist die metallurgische Lanze 2 eine Anordnung von sechs
koaxialen Rohren auf. Der Reihe nach vom innersten Rohr zum äußersten
Rohr ist eine Teilchenmaterial-Transportrohr 4, ein Hauptgasrohr 6,
eine inneres Rohr 8 für Wasser,
ein Rohr 10 für
Brenngas, ein Rohr 12 für Oxidationsmittel,
und ein äußeres Rohr 14 für Wasser
vorgesehen. Jedes der Rohre 4, 6, 8, 10, 12 und 14 weist
ein Einlassende an oder nahe dem proximalen Ende der Lanze 2 auf.
Des weiteren sind Auslässe
aus dem inneren Wasserrohr 8 und dem äußeren Wasserrohr 14 vorhanden.
Folglich ist ein axialer Einlaß 16 am
proximalen Ende der Lanze 2 für ein Trägergas, typischerweise Luft,
vorgesehen, das zum Transport des Teilchenmaterials zum distalen
Ende der Lanze 2 dient. Der Einlaß 16 kann Kanäle (nicht dargestellt)
zum Einleiten des Teilchenmaterials in das Trägergas umfassen. Das Trägergas kann
mit einem relativ niedrigen Druck zugeführt werden, so daß seine
Geschwindigkeit entlang des Teilchenmaterials-Transportrohrs nicht
mehr als 100 m/s beträgt, und
das Teilchenmaterial wird darin als verdünnte Phase befördert. Alternativ
kann das Teilchenmaterial als dichte Phase in einem Hochdruck-Trägergas transportiert
werden. Die letztere Transportart wird für abrasive Teilchen, die erste
für weichere
Teilchen bevorzugt.
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Das
Hauptgasrohr 6 hat einen Einlaß 18. Typischerweise
ist das Hauptgas Sauerstoff oder sauerstoffangereicherte Luft, und
der Einlaß 18 steht
mit einer Quelle (nicht dargestellt) von solchem Sauerstoff oder
sauerstoffangereicherter Luft in Verbindung. Das innere Wasserrohr 8 hat
einen Einlaß 20 und
einen Auslaß 22 für das Wasser.
Das Rohr 8 ist mit einem rohrförmigen Leitblech 24 versehen.
Im Betrieb gelangt Kühlwasser über die
Außenfläche des
Leitblechs 24, während
es vom proximalen zum distalen Ende der Lanze 2 strömt, und
kehrt in der entgegengesetzten Richtung zum Auslaß 22 über die Innenfläche des
Leitblechs 24 zurück.
Das Vorsehen der inneren Wasserkühlung
schützt
die inneren Teile der Lanze 2 vor den Wirkungen der Hochtemperaturumgebung,
in welcher sie arbeitet.
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Das
Brenngasrohr 10 steht mit seinem proximalen Ende durch
einen Einlaß 26 mit
einer Quelle (nicht dargestellt) eines Brenngases (typischerweise Erdgas)
in Verbindung. In ähnlicher
Weise setzt ein Einlaß 28 das
Oxidationsmittelrohr 12 in Verbindung mit einer Quelle
(nicht dargestellt) eines Oxidationsmittels, typischerweise Sauerstoff
oder sauerstoffangereicherte Luft. Das äußere Wasserrohr 14 steht
mit seinem distalen Ende mit einem weiteren Einlaß 30 für Kühlwasser
in Verbindung. Das äußere Rohr 14 enthält ein rohrförmiges Leitblech 32.
Die Anordnung ist so getroffen, daß Kühlwasser durch den Einlaß 30 strömt und über die
Außenfläche des
Leitblechs 32 gelangt, während es vom proximalen zum
distalen Ende der Lanze 2 strömt. Das Kühlwasser kehrt in der entgegengesetzten
Richtung zurück
und strömt durch
einen Auslaß 34 am
proximalen Ende der Lanze 2 ab. Das äußere Wasserrohr 14 ermöglicht eine Kühlung der äußeren Teile
der Lanze 2 während
ihres Betriebs in einer Hochtemperaturumgebung. Das Brenngasrohr 10 und
das Oxidationsmittelrohr 12 endigen weiter weg vom distalen
Ende der Lanze 2 als die anderen Rohre. Die Rohre 10 und 12 endigen
in einer Düse 35 am
proximalen Ende einer ringförmigen
Brennkammer 36. Im Betrieb werden das Oxidationsmittel
und das Brenngas mit erhöhtem
Druck zugeführt,
typischerweise im Bereich von 5 bar für das Erdgas und 11 bar für den Sauerstoff,
und sie gelangen durch die Düse 35 und
vermischen sich und verbrennen in der Brennkammer 36. Typischerweise werden
das Oxidationsmittel (Sauerstoff) und das Brenngas mit solchen Raten
zugeführt,
daß sich
eine stöchiometrische
Verbrennung ergibt, obwohl gewünschtenfalls
das Brenngas und das Oxidationsmittel mit solchen Raten zugeführt werden
können,
daß sich
ein Überschuß an Brenngas
oder ein Überschuß an Sauerstoff
in der Flamme ergibt.
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Das
Hauptgasrohr 6 bildet den Kanal für die Hauptgasströmung durch
die Lanze 2. Das Hauptgasrohr 6 endigt in einer
ersten oder inneren Laval-Düse 38.
Die erste Laval-Düse 38 weist
einen darin gebildeten ringförmigen
Kühlkanal 40 auf.
Der Kühlkanal 40 erstreckt
sich über
einen inneren Wasserkanal, der zwischen der Innenfläche des
Rohrs 8 und der Außenfläche des
Hauptgasrohrs 6 gebildet ist. Das Leitblech 24 ragt
in den Kanal 40 hinein, um so die Strömung des Wasserkühlmittels
zu leiten. Die Brennkammer 36 endigt an ihrem distalen
Ende in einer zweiten oder äußeren Laval-Düse 42.
Die Anordnung der Brennkammer 36 und der Laval-Düse 42 bewirkt,
daß die
in der Brennkammer gebildete Flamme im Betrieb der Lanze 2 auf Überschallgeschwindigkeit
beschleunigt wird. Die zweite Laval-Düse 42 ist als doppelwandiges
Bauteil ausgebildet. Die äußere Wand
der zweiten Laval-Düse 42 erstreckt
sich bis zum distalen Ende des äußersten
Rohrs 14. Das äußerste Rohr 14 ist
so in der Lage, eine Kühlung
für die
zweite Laval-Düse 42 im
Betrieb der Lanze 2 zu schaffen, wobei das Leitblech 32 sich
in den zwischen der inneren und der äußeren Wand der Laval-Düse 42 gebildeten
Ringraum erstreckt. Die erste oder innere Laval-Düse 38 ist
relativ zur zweiten oder äußeren Laval-Düse 42 zurückgesetzt.
Der Auslaß des
innersten Rohrs 4 ist ebenfalls relativ zur Spitze der
ersten Laval-Düse 38 zurückgesetzt
und endigt in dem divergenten Teil der Laval-Düse 38.
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Im
Betrieb verlässt
das Hauptgas die Laval-Düse 38 typischerweise
mit einer Geschwindigkeit im Bereich von Mach 2 bis Mach 3.
Teilchenmaterial enthaltendes Trägergas
gelangt aus dem distalen Ende des Rohrs 4 in den sich beschleunigenden Hauptgasstrahl
in einem Bereich im divergenten Teil oder (wie dargestellt) in einem
weiteren konvergenten Teil der inneren Laval-Düse 38. Das Teilchenmaterial
wird daher mit Überschallgeschwindigkeit
aus der Laval-Düse 38 ausgetragen.
Die Position des distalen Endes des Rohrs 4 ist derart,
dass, obwohl das Teilchenmaterial in den Hauptgasstrahl eingeführt wird,
während
der letztere sich beschleunigt, nur ein minimales Auftreffen der
Teilchen gegen die Wände der
inneren Laval-Düse 38 erfolgt.
Der Hauptgasstrahl ist durch eine ringförmige Überschallströmung von
brennendem Kohlenwasserstoffgas ummantelt, der aus der Brennkammer 36 austritt.
Die Austrittsgeschwindigkeit der brennenden Kohlenwasserstoffgasflamme
aus der Laval-Düse
beträgt
typischerweise 100 bis 110% der Austrittsgeschwindigkeit des Hauptgasstrahls.
Durch Annehmen ähnlicher
Austrittsgeschwindigkeiten wird ein Vermischen des Hauptgasstrahls
und der Flammenhülle
gering gehalten.
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Die
in den Zeichnungen gezeigte metallurgische Lanze 2 ist
einfach herzustellen und kann hauptsächlich aus rostfreiem Stahl
gebildet sein. Die Laval-Düsen 38 und 42 können mittels
geeigneter Schweißungen
an der Lanze 2 befestigt sein. Die Düse 35 am Einlaß zur Brennkammer 36 kann
ebenfalls an ihrer Position angeschweißt werden.
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Im
Gebrauch wird die metallurgische Lanze typischerweise mit vertikaler
Achse in einer Position mit geeignetem Vertikalabstand über der
Oberfläche einer
metallurgischen Flüssigkeit
(z.B. geschmolzenem Metall) positioniert, in welches ein gewähltes Teilchenmate rial
(z.B. Kohlenstoff) eingeführt
werden soll. Die Vertikaldistanz ist typischerweise so gewählt, daß das Teilchenmaterial
mit Überschallgeschwindigkeit
in das geschmolzene Metall eingetragen wird. Auf diese Weise kann
es tief in die Flüssigkeit
eindringen, was seine chemische oder metallurgische Reaktion mit
der Flüssigkeit
erleichtert.