DE68902411T2 - Duese fuer frischlanzen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Düse für eine Frischlanze. Sie betrifft vornehmlich eine Düse zum Einblasen in den Konverter von Sauerstoff für den Nachverbrennungsprozess in dem Raum oberhalb einem einer Frischbehandlung unterzogenen metallischen Bad.
• Man kennt Frischlanzen, welche neben den vertikalen Düsen für das Einblasen des Frischsauerstoffes mit Überschallgeschwindigkeit auch noch mehrere zusätzliche oder sekundäre Düsen aufweisen. Letztere sind um einen Winkel zwischen 25º und 60º gegenüber der vertikalen Lanzenachse geneigt (siehe beispielsweise die Patente LU 78 906 und LU 83 814) und sie liefern den für die Nachverbrennung dienenden Sauerstoff in Form von Blasstrahlen. Da diese Sauerstoffstrahlen eine Geschwindigkeit aufweisen die geringer ist als die Schallgeschwindigkeit, werden die Sekundardüsen über einen unabhängigen Strang, der eine Regulierung der Durchflussmenge gestattet, mit Sauerstoff gespeist. Es ist ebenfalls bekannt (siehe das Patent LU 82 846), die den Sauerstoff für die Nachverbrennung transportierenden Rohrleitungen mit Hilfsmitteln auszustatten, sodass das Ausmass der Turbulenz der Strahlen vergrössert wird. Diese Hilfsmittel können aus Blechen bestehen, welche im Innern der Sekundardüsen so angeordnet sind, dass sie Spiralen bilden. Bei einer anderen Ausführungsform versieht man die Wände der Leitungen mit Nuten, welche entweder kreisförmig sind und in einem zu der Achse der Leitung senkrechten Plan liegen, oder welche auch spiralförmig verlaufen können. Die Neigungswinkel der Strahlen des Nachverbrennungssauerstoffes ergeben sich von selbst aus denjenigen der Düsen. Wenn diese Winkel einmal durch Versuche oder durch andere empirische Methoden festgelegt sind, wobei solchen Parametern wie den Neigungen der Strahlen des Primärsauerstoffes, der Anordnung derselben, den Dimensionen des Konverters, der Höhe des Lanzenkopfes über dem Bad, usw Rechnung getragen wird, so bleiben diese Winkel konstant. Diese Düsen erlauben es weder den Raum über dem Bad mit Sauerstoffstrahlen zu durchfegen, noch Sauerstoff für die Nachverbrennung unter einem ganz bestimmten Winkel, der auf eine in einem gegebenen Moment ablaufende Phase des Frischvorganges eingestellt ist, in den Konverter zu blasen.
• Das Patent LU 86 329 beschreibt eine bei Überschallgeschwindigkeit arbeitende Düse, welche Sauerstoff für die Nachverbrennung unter einem verstellbaren Neigungswinkel in den Raum oberhalb dem metallischen Bad hineinführt. Sie weist eine Wand auf, entlang welcher das Gas gradlinig abfliesst, bevor es auf eine scharfe, einen Teil der Mündung bildende Kante stösst. Es ist auf der Höhe des Scheitels dieser scharfen Kante wo sich der Strahl entspannt und wo er abgeleitet wird. Der Ablenkungswinkel ändert in Abhängigkeit von dem Druck des Gases auf der Höhe der Kante, das heisst, je höher der Druck des Gases ist, umso ausgeprägter ist der Ablenkungswinkel. Dagegen ist der Effekt der Ablenkung durch die Kante aber fast inexistent, wenn das Gas dort eine subsonische Geschwindigkeit aufweist. Wenn man den Druck des die Düse speisenden Gases zwischen vorausbestimmten Grenzen verändert, so gelingt es einen Winkel zu überstreichen der sich in etwa den 30º nähert. Die sich daraus im Konverter ergebenden Turbulenzen begünstigen die Ausbildung einer ausgedehnten, permanent mit Sauerstoff gespeisten Zone. Obschon diese Düse bereits einen über demjenigen der herkömmlichen Düsen liegenden Grad an Nachverbrennung gestattet, so bleibt diese Düse dennoch verbesserbar. In der Tat, infolge der konstruktiven Zwänge, wie etwa des in dem Kopf der Lanze verfügbaren Platzes, ist es nicht möglich solche Düsen um den ganzen Umfang des Lanzenkopfes herum zu verteilen. Lediglich an einigen ganz bestimmten Stellen kann eine solche Düse Platz finden, sodass der Raum im Konverter nur auf eine unvollständige Art und Weise mit Sauerstoff gespeist wird.
• Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung eine Düse zu schaffen, welche es erlaubt eine weitgehendst homogene Schicht Sauerstoff über dem Metallbad in dem Konverter zu bilden.
• Dieses Ziel wird voll erreicht mit Hilfe der erfindungsgemässen Düse wie sie in dem Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Vorziehbare Ausführungsvarianten sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
• Die Erfindung wird nachfolgend bis in die Einzelheiten erklärt. Dabei helfen die Zeichnungen, welche mehrere mögliche Ausführungsformen veranschaulichen. Im einzelnen zeigen:
• - Figur 1, eine schematische Darstellung einer mit den erfindungsgemässen Düsen ausgerüsteten Frischlanze;
• - Figur 2, eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemässen Frischlanze;
• - Figur 3, einen Schnitt entlang der Linie III-III der Figur 2;
• - Figur 4, einen Schnitt durch zwei benachbarte Düsen, welche entsprechend einer anderen Variante ausgeführt sind.
• In der Figur 1 erkennt man den Lanzenkörper 1, sowie drei aus dem Kopf der Lanze austretende Strahlen 2 des zum Frischen dienenden Sauerstoffes. Etwas gegenüber der Frontseite des Lanzenkopfes nach hinten versetzt, etwa auf einen Abstand von einigen Dezimetern, befinden sich die Mündungen 3 von mehreren Düsen. Letztere sind um den ganzen Umfang des Lanzenkörpers herum verteilt und sie liefern den für die Nachverbrennung dienenden Sauerstoff. Diese Düsen besitzen, von der Mündung aus stromaufwärts gesehen, einen Hals - der fakultativ ist - und einen dem Hals vorgelagerten konvergierenden Teil. Die seitlichen vertikalen Wände der Mündung besitzen scharfe bis geschärfte Kanten, wohingegen die horizontal verlaufenden Seiten vorzugsweise abgerundet sind. Alle diese Düsen können gleichzeitig gespeist werden und zwar ausgehend von einer einzigen Sauerstoffquelle über einen einzelnen (nicht dargestellten) den Druck reduzierenden Schieber. Es ist allerdings darauf zu achten, dass die Zufuhrleitungen so bemessen sind, dass Druckgefälle (infolge von unterschiedlichen Druckverlusten) zwischen den verschiedenen Düsen und gleichfalls zwischen einzelnen Stellen einer Mündung vermieden werden. Ein (nicht dargestellter Druckermittler) misst den wirklichen Druck P am Eingang einer der Düsen. Dieser Druck P wird mit einem vorgegebenen Druck Po verglichen, und, falls ein Unterschied festgestellt wird, wirkt ein Regelkreis auf den Grad der Öffnung des Schiebers ein.
• Der Druck Po wird durch routinemässige Versuche festgelegt, und zwar will man eine solche Umlenkung haben, dass der in der Nähe der Mündung liegende Raum gleichmässig mit Sauerstoff versorgt wird. Bei der Speisung einer Düse 3 unter einem sich, ausgehend von einem Druck null, vergrössernden Druck, tritt der gasförmige Strahl unter einer entsprechend wachsenden Geschwindigkeit aus der Düsenmündung aus. Ab einem Grenzwertdruck, welcher von konstruktiven Einzelheiten der Düse abhängt, nimmt die Geschwindigkeit des Gases am Ausgang der Düse Schallgeschwindigkeit an. Zusätzliche Erhöhungen des Zufuhrdruckes des Gases wirken sich nicht mehr auf seine Geschwindigkeit am Ausgang der Düse aus; diese bleibt auf dem Niveau der Schallgeschwindigkeit, aber der innere Druck nimmt zu. Auf der Höhe der Mündung, entspannt sich der Strahl, wobei er gleichzeitig Sitz einer Menge von Schockwellen ist, welche an der Basis einer Geschwindigkeitsvergrösserung des Strahles und seiner zweiseitigen Ablenkung stehen. Der Ablenkungswinkel wechselt in Funktion des Druckes des Gases auf der Höhe der Mündung, das heisst, je höher der Druck des Gases dort ist, umso wesentlicher ist die Ablenkung und das Volumen des abgelenkten Gases. Infolgedessen nimmt das Verhältnis zwischen den Mengen des in grader Linie aus der Düse austretenden Gases und den Mengen des in die beiden seitlichen Richtungen abgelenkten Gases auch ab. Es ergibt sich, dass ein Druckbereich besteht, innerhalb dessen Grenzen die gleichmässigste Versorgung mit Gas des Raumes vor der Düse erzielt wird. Es besteht natürlich auch eine Ablenkung des Strahles an der oberen und unteren Seite der Mündung. Da diese Seiten aber von geringer Breite sind und eine leichte Abrundung aufweisen, ist dieser Effekt aber nur wenig ausgeprägt. Angesichts der hohen Geschwindigkeit mit welcher die Gasstrahlen aus den Düsen in Richtung auf das feuerfeste Mauerwerk des metallurgischen Gefässes zu austreten, könnte man eine rasche Abnutzung des besagten Mauerwerkes erwarten. Nun wurde aber nichts dergleichen festgestellt. Auch scheint es so zu sein, dass ein Strahl die feuerfeste Wand nicht erreicht, da er - infolge einer Wechselwirkung zwischen der Entspannung des Gases und den Schockwellen - abgebremst wird. Die so entstehenden Turbulenzen sind von Vorteil für die Verbrennung des Kohlenstoffmonoxydes.
• Infolge konstruktiver Zwänge ist es in vielen Fällen nicht möglich die Düsen für die Nachverbrennung so anzuordnen wie dies in Fig 1 gezeigt ist. Es ist aber möglich einen herkömmlichen Lanzenkopf 20 (siehe Fig 2) mit runden Nachverbrennungsdüsen - so wie sie für ein Blasen mit einer unter der Schallgrenze liegenden Geschwindigkeit bestimmt sind - zu ändern und zu erreichen, dass die Düsen eine Schicht Sauerstoff erzeugen, welche dem entspricht was von der vorliegenden Erfindung angestrebt wird. Zu diesem Zweck fügt man von aussen in das Innere der Löcher Einsätze 31 ein, welche einen konvergierenden Teil und einen Hals bilden und welche die Mündung so ändern, dass vertikale, parallele und scharfe Kanten 33 entstehen. Diese Kanten, welche beispielsweise einen Abstand von einem Centimeter aufweisen, sind oben und unten durch gekrümmte Verbindungsteile miteinander verbunden; letztere sind an das Profil der ursprünglichen Löcher angepasst. Obwohl die Querschnittsfläche der Blaslöcher durch das Einsetzen der Teile 31 stark verringert ist, wird der Anteil des in den Raum über dem Bad eingeblasenen Sauerstoffes trotzdem vergrössert, denn das Blasen läuft ja mit Überschallgeschwindigkeit ab.
• Wenn man die herkömmlichen Düsen für die Nachverbrennung unter einem solchen Druck speist, dass der Sauerstoffstrahl bei seinem Austritt aus der Düse Überschallgeschwindigkeit annimmt, so ist es selbstverständlich, dass ebenfalls eine Umlenkung um die Mündungen stattfindet. Diese Umlenkung ist aber in keiner Weise gelenkt und orientiert. Der Strahl weicht lediglich von der Achse der Blasrichtung ab - wobei der Ablenkungswinkel proportional zu dem Druck ist - ohne aber mit den benachbarten Strahlen eine zusammenhängende oder sogar homogene gasförmige Schicht zu ergeben.
• Es sei bemerkt, dass es sich durchwegs nicht störend auswirkt wenn die Nachverbrennungsdüsen einen Neigungswinkel von einigen Zehner Graden in Bezug auf die vertikale Achse der Lanze aufweisen und wenn sie im Grenzfalle auf einem die Frischlanze umgebenden Kreis, in dem unteren Teil der Lanze, angeordnet sind. Anstatt dass sich die Sauerstoffschicht, wie in dem Fall der Fig 1, horizontal ausdehnt, ist sie in Richtung auf die Oberfläche des metallischen Bades zu geneigt und sie nimmt einen Verlauf an der vergleichbar ist mit einem zu drei Viertel geöffneten Regenschirm. Bei der im Zusammenhang mit Fig 1 beschriebenen Anordnung der Düsen, muss alles aus dem Bad austretende Kohlenmonoxyd die zusammenhängende Sauerstoffschicht durchqueren bevor es zu dem Kamin gelangt. Da in der vorliegenden Ausführungsvariante die Strahlen auf das Bad zielen, wird der Teil des Kohlenmonoxydes, der ausserhalb der durch die schräge Schicht Sauerstoff begrenzten Fläche aus dem Bad austritt, nicht verbrannt werden. Es ist aber so, dass diese Menge nur einen kleinen Teil der ganzen Menge darstellt. Wesentlich ist, dass sich in diesem Fall die Verbrennung in einer schwächeren Entfernung vom Bad abspielt, woraus sich eine bessere thermische Ausnutzung ergibt.
• In dem Falle wo die Nachverbrennungsdüsen nicht gleichmässig um den Umfang des Lanzenkopfes verteilt sind, aber zu zwei und zwei gruppiert sind, wird empfohlen die Achse der Blasrichtung der Düsen so zu ändern, dass eine bessere Verteilung des Sauerstoffes in dem Raum zwischen zwei Düsenpaaren erhalten wird. In Fig 4 ist ein solches Paar Düsen dargestellt. Die Einsatzstücke 41 weisen lediglich einen konvergierenden Teil ohne Hals auf und sie lenken die Blasrichtung 42 der Düse in Richtung auf die benachbarten Düsenpaare um. Zusätzlich zu dieser Massnahme ist es möglich die Kanten auf den Seiten der Mündungen, welche mit anderen Düsenpaaren benachbart sind, in Richtung auf das Innere des Düsenkörpers ( wie bei 44 gezeigt ) so zu versetzen, dass auf diesen Seiten bereits eine Ablenkung der Strahlen hervorgerufen wird bevor die Strahlen aus dem Kopf der Lanze ausgetreten sind.

Claims (8)

1. Düse für Frischlanzen, vornehmlich Düse für das Zuführen von Sauerstoff für die Nachverbrennung in den Raum über dem metallischen Bad, das sich im Verlaufe der Frischbehandlung befindet, wobei diese Düse in dem Körper des Lanzenkopfes angeordnet ist und zwar in der Verlängerung einer Gaszufuhrleitung, über welche die Düse und ein zwischen beiden angeordnetes Druckreduzierventil mit einer Sauerstoffquelle in Verbindung stehen, und wobei die Düse eine Mündung (3) aufweist, welche über einen konvergierenden Leitungsteil (32) und gegebenenfalls einen Hals mit der besagten Gaszufuhrleitung verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Mündung (3) der Düse ausgestattet ist mit zwei scharfen, gradlinigen und zueinander parallel stehenden Kanten (33), welche in dem Körper des Lanzenkopfes in zwei im wesentlichen durch die Längsachse der Frischdüse hindurchgehenden Ebenen angeordnet sind, sowie mit zwei ebenfalls in dem Körper des Lanzenkopfes so angeordneten Kanten, dass sie die besagten scharfen Kanten (33) an ihren Enden zu jeweils zwei und zwei miteinander verbinden um so die besagte Nachverbrennungsdüse zu bilden.

2. Düse gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Querkanten, welche die zwei besagten scharfen Kanten (33) miteinander verbinden, leicht abgerundet sind.

3. Düse gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Länge einer jeden der länglichen scharfen Kanten (33) und der Länge einer jeden der die besagten länglichen scharfen Kanten miteinander verbindenden Querkanten wenigstens gleich drei ist.

4. Düse gemäss den Ansprüchen 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei den zwei länglichen scharfen Kanten (33) die eine höchstens um einen Abstand von 15 mm von der anderen entfernt ist.

5. Düse gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine jede der zwei länglichen scharfen Kanten (33) mit der Wand des Körpers des Lanzenkopfes einen Winkel von 90º bildet.

6. Düse gemäss einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden länglichen scharfen Kanten (33) mit der Wand des Körpers des Lanzenkopfes einen scharfen Winkel bildet, während die andere der länglichen scharfen Kanten (33) einen stumpfen Winkel bildet.

7. Düse gemäss Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden länglichen scharfen Kanten (33) in dem Körpers des Lanzenkopfes gegenüber der anderen scharfen Kante (33) nach hinten versetzt ist.

8. Düse gemäss einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass deren Achse bis zu 50º gegenüber der Längsachse der Lanze geneigt ist.