DE69720729T2

DE69720729T2 - Von oben einsetzbare einspritzlanze

Info

Publication number: DE69720729T2
Application number: DE69720729T
Authority: DE
Inventors: Peter Bates; J. Dry; M. Weber
Original assignee: Technological Resources Pty Ltd
Current assignee: Technological Resources Pty Ltd
Priority date: 1996-07-12
Filing date: 1997-07-11
Publication date: 2003-11-06
Anticipated expiration: 2017-07-12
Also published as: TW482823B; DE69720729D1; WO1998002588A1; KR100458441B1; ES2195150T3; EP0914478A1; JP2000514505A; ATE237001T1; AUPO095996A0; CA2260181C; BR9710304A; RU2203961C2; KR20000023853A; ZA976162B; ID19839A; US6245285B1; EP0914478A4; CA2260181A1; EP0914478B1; CN1067437C

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lanze.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine Lanze, die in einem metallurgischen Gefäß auf kontinuierlicher oder diskontinuierlicher Basis verwendet werden kann und dem wesentlichen Einfluß einer Metallschmelze und der Schlacke im Gefäß, die die Lanze chemisch angreifen können, und wesentlichen Temperaturschwankungen im Gefäß widerstehen kann, die zu einem vorzeitigen mechanischen Versagen der Lanze beitragen können.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine Lanze, die in einem Bereich von Arbeitspositionen verwendet werden kann, um feste Beschickungsmaterialien in ein metallurgisches Gefäß einzuspritzen, das ein Bad eines geschmolzenen Materials mit einer Metallschmelzeschicht und einer Schlackeschicht mit oder ohne einem Gemisch aus Metallschmelze und Schlacke aufweist. Der Bereich der Arbeitspositionen schließt Positionen ein, bei denen die Spitze der Lanze:
i. über dem Bad in einer sauberen oder Spritzzone ist,
ii. in die Schlackeschicht eingetaucht oder
iii. in die Metallschicht eingetaucht ist,
wobei dies jedoch nicht darauf begrenzt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, ein Verfahren zum Einspritzen fester Beschickungsmaterialien in ein metallurgisches Gefäß, das auf der Verwendung der erfindungsgemäßen Lanze basiert.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine Lanze, die für die Durchführung des HIsmelt-Prozesses verwendet werden kann, um unter Anwendung des Aufblasens fester Beschickungsmaterialien, wie Kohle, Eisenerz und Flußmittel, so daß diese in die Oberfläche des Bades aus Eisenschmelze/Schlacke in einem metallurgischen Gefäß eindringen, eine Eisenschmelze herzustellen.
Es gibt einen großen Bereich bekannter Lanzen und Düsen zum Einspritzen fester Beschickungsmaterialien in metallurgische Gefäße, um Eisen- und Nichteisenmetalle und Legierungen herzustellen. Die bekannten Lanzen und Düsen schließen z. B. ein:
1. Die SAVARD-LEE-Bodendüse zum Einspritzen von Sauerstoff durch die feuerfeste Auskleidung metallurgischer Gefäße. Die Düse umfaßt mindestens 2 konzentrische Rohre. Bei der Verwendung wird typischerweise Sauerstoff durch das innere Rohr eingespritzt, und Kohlenwasserstoffe werden (als Kühlmittel) durch den ringförmigen Raum (die ringförmigen Räume) zwischen dem Rohr (den Rohren) eingespritzt. Diese Art einer Düse wird auch dazu verwendet, anstelle von Sauerstoff Feststoffe, die in einem Trägergas mitgerissen werden, einzuspritzen (Z-Bop, KS, KMS). Die Kortec AG hat einige bestimmte konzentrische Rohrkombinationen der Düse patentiert, die bei der Verwendung durch Kohlenwasserstoffgemische mit Wasser und einem Trägergas gekühlt werden. Diese Kombinationen wurden in vielen Anwendungbereichen verwendet. Im allgemeinen ist die Düse jedoch für das Herunterbrennen und die Erosion der feuerfesten Materialien um die Düse empfindlich. Typischerweise liegt die Geschwindigkeit für das Herunterbrennen (und die damit verbundene Erosion der feuerfesten Materialien) zischen 0,5 und 1,5 mm/h. Diese Verlustrate des feuerfesten Materials schränkt die Haltbarkeit der Düse ein.
ii. Die Kortec AG hat auch eine waagerecht oder senkrecht bewegliche Düse mit ähnlichen Eigenschaften wie die im Punkt i. genannte Düse patentiert. Die konzentrischen Rohre der Düse sind in diesem Fall in einer runden feuerfesten Buchse befestigt, und der entstehende Aufbau aus Buchse und Rohren wird immer weiter in das metallurgische Gefäß gedrückt, um das Herunterbrennen zu kompensieren. Durch dieses Verfahren wird die Erosion der feuerfesten Materialien minimiert.
iii. Schräge Lanzen von oben bzw. Aufblaslanzen, insbesondere für Anwendungszwecke in einem Lichtbogenofen, um Sauerstoff, Kohle und andere Feststoffe einzuspritzen. Diese Lanzen sind wassergekühlt und bei der Arbeit in einem Ofen werden sie in die Schlackeschicht bewegt, jedoch von der Schicht der Metallschmelze entfernt gehalten, um einen minimalen Kontakt mit der Metallschmelze zu sichern. Typischerweise haben diese Lanzen eine begrenzte Haltbarkeit von 500 bis 2000 Schmelzen (200 bis 800 Betriebsstunden), bevor Reparaturen und eine Wartung erforderlich sind.
Andere bekannte Lanzen und Düsen schließen Sirosmelt-Lanzen, Ausmelt-Lanzen und Stahlrohre (und mit feuerfestem Material beschichtete Stahlrohre) ein, die in der Eisen- und Stahlindustrie zum Einspritzen von Gas- und Feststoffen verwendet werden, sind jedoch nicht darauf begrenzt.
Aus EP 0 597 270 ist eine Düse für mehrere Medien bekannt, die mindestens zwei Einlaßeinrichtungen für Medien aufweist, wobei die innere Einlaßeinrichtung in der äußeren Einlaßeinrichtung für das Medium nach innen zurückgesetzt ist.
Trotz des großen Bereichs bekannter Lanzen ist dem Anmelder jedoch keine Lanze bekannt, die dem wesentlichen Einfluß einer Eisenschmelze und wesentlich lange andauernden und kontinuierlichen Temperaturschwankungen widerstehen kann, so wie es erforderlich wäre, um sie im HIsmelt- oder einem ähnlichen Prozeß zu verwenden, bei dem mit dem Einspritzen der Beschickungsmaterialien von oben gearbeitet wird.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Bereitstellung einer Lanze, die unter diesen Bedingungen arbeiten kann.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Lanze zum Einspritzen eines Beschickungsmaterials bereitgestellt, wie sie in Anspruch 1 definiert ist.
Bei der Verwendung wirken der Mantel und das zweite Kühlfluid, das durch den Mantel strömt, als Schutzschild für den eingeschlossenen Abschnitt der Länge dieses Teils und verhindern die direkte Beschädigung dieses Abschnitts des Teils, die durch den Kontakt mit der Metallschmelze und/oder der Schlacke hervorgerufen werden könnte, und minimiert die nachteiligen Einflüsse einer hohen Temperatur und von Schwankungen der Temperatur entlang der Länge des Teils. Außerdem schützt die Verwendung des ersten Kühlfluids, das durch das Teil strömt, das Teil vor nachteiligen Einflüssen der Umgebung mit einer hohen Temperatur:
(i) das Teil von außen, einschließlich dort, wo sich das Teil am vorderen Ende der Lande über den Mantel hinaus erstreckt und
(ii) im Inneren des Teils in Fällen, in denen das Beschickungsmaterial vorgewärmt ist.
Das Teil erstreckt sich am vorderen Ende der Lanze über den Mantel hinaus.
Das Teil umfaßt Durchgänge für das erste Kühlfluid, wobei jeder Durchgang einen Einlaß zum Einführen des ersten Kühlfluids in den Durchgang für das Kühlfluid und einen Auslaß für die Abgabe des erwärmten ersten Kühlfluids aus dem Durchgang für das Kühlfluid umfaßt.
Es ist bevorzugt, daß der Auslaß des Durchgangs für das Kühlfluid im Bereich des vorderen Endes der Lanze liegt.
Der äußere Durchgang für das Kühlfluid liegt in Form eines ringförmigen Spalts zwischen der Außenwand des Teils und der Innenwand des äußeren Mantels vor.
Es ist bevorzugt, daß das erste Kühlfluid ein Gemisch aus Wasser und einem Gas, wie Stickstoff oder Kohlenmonoxid oder Argon, umfaßt.
Das erste Kühlfluid kann auch ein oder mehrere andere Gase umfassen, die bei der Verwendung in einem metallurgischen Verfahren von Vorteil sind.
Es ist bevorzugt, daß die Lanze außerdem eine Einrichtung zum Zerstäuben von Wasser im Wasser/Gasgemisch aufweist.
Es besonders bevorzugt, daß diese Zerstäubungseinrichtung am Einlaß des Durchgangs für das Kühlfluid angeordnet ist.
Bei dieser Anordnung ist es besonders bevorzugt, daß die Durchgänge für das Kühlfluid konzentrische ringförmige Kammern sind.
Es ist bevorzugt, daß das Teil eine Außenwand und eine Innenwand umfaßt und daß eine der ringförmigen Kammern für das Kühlfluid zwischen der Außenwand und der Innenwand ist.
Bei dieser Anordnung ist es bevorzugt, daß die andere oder eine der anderen ringförmigen Kammern für das Kühlfluid ein ringförmiger Spalt zwischen der Außenwand des Teils und der Innenwand des Mantels ist.
Die Lanze umfaßt außerdem eine Einrichtung zum Halten des Teils, so daß sich das Teil in Längsrichtung der Lanze im Verhältnis zum Mantel bewegen kann.
Die Lanze umfaßt außerdem eine Einrichtung zum Bewegen des Teils im Verhältnis zum Mantel, um die Erosion des Teils am vorderen Ende der Lanze zu kompensieren und dadurch die ursprünglichen relativen Positionen des Mantels und des Teils am vorderen Ende der Lanze beizubehalten.
Der Mantel definiert eine ringförmige Kammer für das zweite Kühlfluid, die am vorderen Ende der Lanze geschlossen ist:
Bei dieser Anordnung ist es bevorzugt, daß der Mäntel einen Einlaß zum Einführen des zweiten Kühlfluids in die Kammer und einen Auslaß für die Abgabe des erwärmten zweiten Kühlfluids aus der Kammer aufweist.
Es ist bevorzugt, daß die Lanze eine Einrichtung zum Regeln der Strömungsrate des zweiten Kühlfluids zum Einlaß der Kammer aufweist. Es ist besonders bevorzugt, daß die Strömungsrate bei Verwendung der Lanze so geregelt wird, daß auf der Außenseite des Mantels eine erstarrte Schicht aus Metallschmelze/Schlacke erzeugt und aufrecht erhalten wird.
Es ist bevorzugt, daß das zweite Kühlfluid Wasser ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Einspritzen von festen Beschickungsmaterialien in ein metallurgisches Gefäß bereitgestellt, das ein Bad aus einer Metallschmelze und Schlacke enthält, wie es in Anspruch 8 definiert ist.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen weiter beschrieben, wobei:
Fig. 1 eine Skizze ist, die ein metallurgisches Gefäß mit einer Aufblaslanze zeigt, die sich durch die Seitenwand des Gefäßes erstreckt, und
Fig. 2 ein senkrechter Querschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Aufblaslanze ist.
Die folgende Beschreibung steht mit dem Schmelzen von Eisenerz für die Herstellung einer Eisenschmelze in Zusammenhang, und es ist selbstverständlich, daß die vorliegende Erfindung nicht auf dieser Anwendung begrenzt ist und allgemein bei der Herstellung von Eisen- und Nichteisenmetallen und Legierungen in metallurgischen Gefäßen angewendet werden kann.
Fig. 1 zeigt, wenn auch in vereinfachter schematischer Form, eine mögliche Ausführungsform einer Vorrichtung zum Schmelzen von Eisenerz nach dem HIsmelt-Prozeß, wenn mit dem Aufblasen von festen Beschickungsmaterialien gearbeitet wird.
Die Vorrichtung umfaßt ein metallurgisches Gefäß 3 mit einem Metallmantel und einer Auskleidung aus einem feuerfesten Material, die so gestaltet ist, daß das Bad 9 des geschmolzenen Materials aufgenommen wird, das Schichten aus einer Eisenschmelze und Schlacke und Gemischen von Eisenschmelze und Schlacke umfaßt. Das Gefäß 3 umfaßt einen Boden 4, eine zylindrische Seitenwand 6, eine Abdeckung 20 und einen Gasauslaß 8.
Die Vorrichtung umfaßt auch eine Lanze 5 zum Einspritzen fester Beschickungsmaterialien, wie Eisenerz (einschließlich vorreduziertem Eisenerz), Kohle und Flußmittel, im heißen oder kalten Zustand, die in einem geeigneten Fördergas, wie Luft, Stickstoff oder Erdgas, in das Bad 9 mitgerissen werden. Die Lanze 5 ist so angeordnet; daß sie sich durch die Seitenwand 6 des Gefäßes 3 erstreckt, und kann in einem Bereich von Arbeitspositionen angeordnet werden, einschließlich der in Fig. 1 gezeigten Position, bei der sich der Teil der Spitze 13 der Lanze 5 in einem geringen Abstand über der Oberfläche des Bades 9 befindet. Es können andere Arbeitspositionen, die das Eintauchen des Abschnittes der Spitze 13 in die Schlackeschicht und in Schlacke/Metall-Schichten einschließen, gewählt werden.
Die Vorrichtung umfaßt ferner eine obere Lanze 10 zum Einsprühen von sauerstoffhaltigem Gas in das Gefäß 3. Die Lanze 10 ist so angeordnet, daß sie sich durch die Abdeckung 20 des Gefäßes hindurch erstreckt.
Bei der Verwendung enthält das Gefäß 3 typischerweise Temperaturzonen, die von 1450 bis 2000ºC variieren. Damit die Lanze 5 bei der Verwendung innerhalb eines Bereichs von Arbeitspositionen arbeiten kann, wie es vorstehend aufgeführt ist, sollte sie insbesondere Temperaturen in der Größenordnung von 1500ºC im Bad 9 und bis zu 2000ºC im Gasraum über dem Bad 9 widerstehen.
Siehe Fig. 2, die Lanze 5 umfaßt eine Einlaßseite 21 zum Einführen von festen Beschickungsmaterialien in die Lanze 5 und eine Auslaßseite 23 für die Abgabe der festen Beschickungsmaterialien aus der Lanze 5.
Die Lanze 5 umfaßt auch ein hohles längliches rohrförmiges Teil, das allgemein mit der Bezugsziffer 25 bezeichnet ist, das einen mittleren Durchgang 19 definiert, der sich zwischen der Einlaßseite 21 und der Auslaßseite 23 entlang der Länge der Lanze 5 erstreckt. Die Auslaßseite 23 bildet das vordere Ende der Lanze 5.
Bei Verwendung werden feste Beschickungsmaterialien in einem geeigneten Fördergasstrom entlang des Durchgangs 19 von der Einlaßseite 21 mitgerissen und aus dem Auslaß oder der Vorderseite 23 der Lanze 5 abgegeben.
Das rohrförmige Teil 25 umfaßt drei konzentrische Rohre mit einem inneren Rohr 27 aus einem Keramikmaterial und einem mittleren Rohr 29 und einem äußeren Rohr 31 aus rostfreiem Stahl.
Das rohrförmige Teil 25 ist so geformt, daß zwischen dem mittleren Rohr 29 und dem äußeren Rohr 31 einen ringförmigen Spalt existiert, und dieser Spalt definiert den ringförmigen Durchgang 33 für das Kühlfluid in Form eines Gemischs aus zerstäubtem Wasser und Gas, wie Stickstoff, Kohlenmonoxid oder Argon.
Die Lanze 5 weist außerdem einen wassergefüllten äußeren Mantel 35 auf, der im Bereich der Vorder- oder Auslaßseite 23 der Lanze 5 um einen Abschnitt der Länge des rohrförmigen Teils 25 herum angeordnet ist.
Der Mantel 35 ist so ausgebildet, daß es zwischen dem rohrförmigen Teil 25 und dem Mantel 35 einen ringförmigen Spalt gibt, und dieser Spalt definiert einen weiteren ringförmigen Durchgang 39 für das zerstäubte Wasser/Gas-Gemisch.
Die Lanze 5 umfaßt außerdem Verteilerkammern 41, 43, die Einlässe für das zerstäubte Wasser/Gas-Gemisch zu den Durchgängen 33, 39 für das Kühlfluid definieren. Bei Verwendung strömt das zerstäubte Gemisch von Wasser/Gas, das durch die Verteilerkammern 41, 43 eingesprüht wird, entlang der Durchgänge 33, 39 und wird an der Vorder- oder Auslaßseite 23 der Lanze 5 abgegeben.
Der Mantel 35 besteht aus rostfreiem Stahl und definiert eine ringförmige Kammer 37. Die Vorderseite der Kammer 37 ist geschlossen. Der Mantel 35 umfaßt einen Einlaß 45 für Kühlwasser und einen Auslaß 47 für das erwärmte Kühlwasser in diametral entgegengesetzten Abschnitten des Mantels 35, die sich von der Vorder- oder Auslaßseite 23 der Lanze 5 entfernt befinden. Bei Verwendung strömt Kühlwasser, das durch den Einlaß 45 eingesprüht wird, durch die Kammer 37 und wird als erwärmtes Wasser aus dem Auslaß 47 abgegeben.
Der Mantel 35 umfaßt außerdem ein ringförmiges Rohr 49, das in der Kammer 37 angeordnet ist, um die Kammer 37 in einen inneren und einen äußeren Bereich zu unterteilen. Der Zweck dieses Rohrs 49 besteht darin, die Wärmeübertragung auf das Kühlwasser zu optimieren.
Die Lanze 5 ist so ausgebildet, daß das rohrförmige Teil 25 im Verhältnis zum Mantel 35 gleiten kann. Dieses Merkmal dient dazu, daß das rohrförmige Teil 25 allmählich zur Vorder- oder Auslaßseite 23 der Lanze 5 bewegt werden kann, um die relativen Positionen des rohrförmigen Teils 25 und des Mantels 35 beizubehalten, wie es in Fig. 2 gezeigt ist. Das ist erforderlich, um den allmählichen Verschleiß des rohrförmigen Teils 25 an der Vorder- oder Auslaßseite 23 der Lanze 5 zu kompensieren, der eine unvermeidbare Folge der Verwendung der Lanze 5 in einem metallurgischen Gefäß 3 darstellt.
Bei Versuchen mit der vorstehend beschriebenen Lanze 5 in einem metallurgischen Gefäß 3, das ein Bad 9 aus einer Metallschmelze und Schlacke enthält, hat der Anmelder festgestellt, daß die Lanze 5 der Umgebung in dem Gefäß 3 wirksam widerstehen kann.

Claims

1. Lanze zum Einspritzen eines Beschickungsmaterials, vorzugsweise eines festen Beschickungsmaterials, in ein metallurgischen Gefäß, wobei die Lanze aufweist:

i. einen Einlaß zum Einführen des Beschickungsmaterials in die Lanze,

ii. einen Auslaß am vorderen Ende der Lanze für die Abgabe des Beschickungsmaterials von Lanze,

iii. einen äußeren Kühlmantel, der sich zum vorderen Ende der Lanze erstreckt, wobei der äußere Mantel am vorderen Ende der Lanze geschlossen ist und eine ringförmige Kammer für ein Kühlfluid bildet,

iv. ein hohles längliches Teil, das einen Durchgang für das Beschickungsmaterial zwischen dem Einlaß und dem Auslaß definiert und mindestens zwei Durchgänge für ein erstes Kühlfluid aufweist, wobei sich das Teil am vorderen Ende der Lanze über den äußeren Mantel erstreckt, wobei jeder Durchgang für das Kühlfluid einen Einlaß für das erste Kühlfluid und einen Auslaß für die Abgabe des erwärmten ersten Kühlfluids am vorderen Ende der Lanze aufweist und der äußerste der Durchgänge für das Kühlfluid in Form eines ringförmigen Spalts zwischen der Außenwand des Teils und der Innenwand des äußeren Mantels vorliegt, und

v. eine Einrichtung zum Halten Teils, so daß sich das Teil in Längsrichtung der Lanze im Verhältnis zum äußeren Mantel bewegen kann, um die ersten relativen Positionen des äußeren Mantels und des Teils am vorderen Ende der Lanze beizubehalten.

2. Lanze nach Anspruch 1, wobei das erste Kühlfluid ein Gemisch aus Wasser und einem Gas, wie Stickstoff oder Kohlenmonoxid oder Argon, aufweist.

3. Lanze nach Anspruch 2, die außerdem eine Einrichtung zum Zerstäuben des Wasser im Wasser/Gas-Gemisch aufweist, die am Einlaß jedes Durchgangs für das Kühlfluid angeordnet ist.

4. Lanze nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei einer der anderen Durchgänge für das Kühlfluid ein ringförmiger Spalt ist, der zwischen der Innen- und der Außenwand des Teils ausgebildet ist.

5. Lanze nach einem der vorstehenden Ansprüche, die außerdem eine Einrichtung aufweist, um das Teil im Verhältnis zum äußeren Mantel zu bewegen, um die Erosion des Teils am vorderen Ende der Lanze zu kompensieren und dadurch die ersten relativen Positionen des äußeren Mantels und des Teils am vorderen Ende der Lanze beizubehalten.

6. Lanze nach Anspruch 5, wobei der äußere Mantel einen Einlaß zum Einführen des zweiten Kühlfluids in die Kammer und einen Auslaß zum Abgeben von erwärmtem zweitem Kühlfluid aus der Kammer aufweist.

7. Lanze nach Anspruch 6, die außerdem eine Einrichtung zum Regeln der Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Kühl fluids zum Einlaß der Kammer aufweist.

8. Verfahren zum Einspritzen von festen Beschickungsmaterialien in ein metallurgisches Gefäß, das ein Bad einer Metallschmelze und Schlacke enthält, wobei das Verfahren beinhaltet:

i. Anordnung der Lanze nach einem der vorstehenden Ansprüche in einem metallurgischen Gefäß, so daß sie selektiv in einem Bereich von Arbeitspositionen arbeiten kann, die einschließen:

a) über dem Bad in einer sauberen oder Spritzzone,

b) eingetaucht in die Schlackeschicht im Bad und

c) eingetaucht in die Metallschicht im Bad;

ii. Einspritzen des Beschickungsmaterials in das Bad durch den Durchgang des Teils der Lanze;

iii. Leiten eines ersten Kühlfluids zu den Durchgängen für das Kühlfluid im Teil; und

iv. Leiten des zweiten Kühlfluids zum äußeren Mantel der Lanze, so daß der äußere Mantel und das zweite Kühlfluid eine Abschirmung für den eingeschlossenen Abschnitt der Länge des Teils bilden.

9. Verfahren nach Anspruch 8, das das Regulieren der Strömungsgeschwindigkeit des zweiten Kühlfluids beinhaltet, wodurch auf der Außenseite des Mantels eine erstarrte Schicht aus Metall/Schlacke gebildet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Temperatur des Bades bis zu 1500ºC und die Temperatur des Gasraums über dem Bad bis zum 2000ºC beträgt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Bad Eisenschmelze und Schlacke enthält und die festen Beschickungsmaterialien Kohle, Eisenerz, teilreduziertes Erz und/oder Flußmittel einschließen.