EP0258326B1 - Vorrichtung zum entgasen von geschmolzenen metallen - Google Patents

Vorrichtung zum entgasen von geschmolzenen metallen Download PDF

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EP0258326B1
EP0258326B1 EP87901324A EP87901324A EP0258326B1 EP 0258326 B1 EP0258326 B1 EP 0258326B1 EP 87901324 A EP87901324 A EP 87901324A EP 87901324 A EP87901324 A EP 87901324A EP 0258326 B1 EP0258326 B1 EP 0258326B1
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EP
European Patent Office
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nozzle
gas
reactor
hollow
nozzle tip
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Howard A. Mcdonald
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3A Composites International AG
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Alusuisse Lonza Services Ltd
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21C—PROCESSING OF PIG-IRON, e.g. REFINING, MANUFACTURE OF WROUGHT-IRON OR STEEL; TREATMENT IN MOLTEN STATE OF FERROUS ALLOYS
    • C21C7/00—Treating molten ferrous alloys, e.g. steel, not covered by groups C21C1/00 - C21C5/00
    • C21C7/10—Handling in a vacuum

Definitions

  • the present invention relates to a nozzle device according to the preamble of patent claim 1.
  • a method and apparatus for degassing molten metal is disclosed in U.S. Patent No. 4,177,066.
  • the invention of this cited patent teaches degassing molten metal using a device consisting of a vortex tank reactor, the molten metal being introduced tangentially into the reactor and the molten metal being fed in a vortex motion from the reactor inlet to the reactor outlet.
  • the metal inlet be arranged with respect to the reactor wall in such a way that the molten metal is fed tangentially into the reactor.
  • the vortex tank reactor comprises a first part which is essentially equipped with a cylindrical side wall, and underneath, under the first, essentially cylindrical side wall part, a second side wall part which narrows downwards.
  • the gas injection nozzles for the purge gas are arranged in the walls of the narrowing side wall part in different positions in order to optimize the bubble distribution of the purge gas through the entire melt during the passage from the reactor inlet to the reactor outlet. Due to the arrangement of the spray nozzles at different heights of the narrowing wall part, these are at different distances from the central axis of the vortex tank reactor, thus achieving a maximum gas bubble distribution.
  • the details of the various parts of the vortex tank reactor and the spray nozzle arrangements as disclosed in U.S. Patent No. 4,177,066 can also be used with the improved gas injector system of the present invention.
  • EP-A-70 799 describes a nozzle device as a purge gas inlet for use in a vortex tank reactor according to the aforementioned US Pat. No. 4,177,066.
  • the gas introduction system comprises a nozzle insert which is securely inserted in the wall of the vortex tank reactor and is flush with the inner reactor wall.
  • the nozzle insert is equipped with a seat surface, which in turn is shaped to match a nozzle tip cone made of ceramic material or the like.
  • the gas inlet nozzle is spring-loaded against this nozzle tip cone and the nozzle tip cone accordingly against the nozzle insert, so that metal penetration from the reactor in the area of the gas inlet nozzle is avoided.
  • the gas inlet nozzle is secured against the purge gas supply by a screw device, using a seal between the nozzle screw part and the purge gas nozzle. It has been found that the rotating movement of the nozzle screw part on the seal between the nozzle screw part and the purge gas nozzle has an adverse effect on their sealing effect. In view of the fact that the vortex tank reactor is intended for the removal of hydrogen and alkaline earth metals from molten aluminum and for this purpose active gases such as chlorine gas or the like are used, it was imperative that a leak-free design of the purge gas supply system was developed.
  • EP-A-169 290 also describes a nozzle device for use in a vortex tank reactor of the type described above.
  • the gas nozzle system comprises a nozzle insert which is attached to the reactor wall of the vortex tank reactor and is flush with the inner wall boundary.
  • the nozzle insert is provided with a receiving surface which is designed to accommodate a nozzle tip cone made of ceramic or similar material.
  • the purging gas nozzle is pressed against the nozzle tip cone with a corresponding force in order to avoid a seal between the tip and the tip cone and thus a metal passage from the reactor in the region of the purging gas nozzles.
  • the purging gas nozzle is secured to the purging gas supply line by a nozzle screw connection which contains a nozzle tip screw which receives the nozzle body.
  • the nozzle tip screw non-rotatably holds a mounting plate that presses against a seal located between the mounting plate and the rear end of the nozzle body.
  • a thread is screwed into the nozzle tip screw and supports the mounting plate against the seal and further against the nozzle body in order to achieve a leak-free seal.
  • a spring washer can be placed between the mounting plate and the thread to help support the mounting plate.
  • the object is achieved by a nozzle device which is characterized by the wording of claim 1.
  • Advantageous further developments of the device according to the invention are characterized by the features of claims 2 and 3.
  • the nozzle device is shown in a preferred arrangement on a vortex tank reactor 10, comprising a first substantially cylindrical side wall part 12 and a second downwardly tapering side wall 14, below the cylindrical side wall part 12.
  • nozzle devices according to the present invention are inserted into each of the vortex tank reactors described in US Pat. No. 4,177,066 and the various embodiments of the vortex tank reactor are also encompassed thereby.
  • a number of nozzle devices are each secured in the tapered side wall part 14 by means of a holding frame 16.
  • the tapered sidewall portion 14 of the vortex tank reactor which has a first inner wall 18 made of suitable refractory material and a second outer wall 20, preferably made of steel, and a distance from the inner wall 18 exhibits.
  • An insulation filling 22 is placed between the space between the inner wall 18 and the outer wall 20.
  • the inner wall 18 is provided with a number of openings 24 which are each intended to receive a nozzle device according to the present invention.
  • a hollow nozzle seat 26 the bore of which has a first narrowing section 28 and a second narrowing section 30, both of which are connected by a shoulder 32.
  • the nozzle seat 26 can be made from any suitable ceramic material.
  • a hollow nozzle tip cone 34 made of a suitable ceramic material is sealingly fitted in the region of the second tapered section 30 of the hollow nozzle seat 26.
  • a nozzle tip seal 36 made of a suitable ceramic material rests and seals against the shoulder 32 of the hollow nozzle seat 26.
  • a shouldered nozzle tip 38 with the cylindrical shoulder part 40 and a tapered tip part 42 is inserted within the hollow nozzle seat 26 such that the tapered one Tip portion 42 fits into the hollow nozzle tip cone 34 to form a first seal against a metal passage.
  • the shoulder portion 40 of the hollow nozzle tip 38 presses the nozzle tip seal 36 against the shoulder in part 32 of the nozzle seat 26 to form a second seal against a metal passage.
  • a gas supply line 44 is pressed into a recess 46 in the hollow, shouldered gas nozzle tip 38, bonded with ceramics or the like in order to form a gas-tight connection.
  • the gas supply line 44 is surrounded in the region of the hollow nozzle seat 26 by an insulation made of ceramic fibers 48 and the conically shaped fiber covering 50.
  • the ceramic fiber insulation 48 is held by a plate 52 which surrounds the gas supply line 44.
  • the plate 52 is fastened by a spacer tube 54 which surrounds the line 44.
  • the conically shaped fiber covering 50 is made of heat-swellable sealing material which swells during heating and forms a third seal against metal penetration.
  • Suitable material is known under the name "Sureseal”, a trademark, registered by Consolidated Aluminum Corporation, for heat-swellable ceramic fiber material.
  • FIG. 4 Particularly visible in FIG. 4 is a connecting piece 56 which is inserted into the gas supply line 44 in order to connect gas-tight to a gas line 58 through which the purge gas is supplied.
  • a restraining bar 60 is fastened over the connecting piece 46 and secured by means of the screw 62.
  • the nozzle device is attached to the reactor 10 by means of a cross-shaped arm 64 which is fastened to the outer wall 20 of the reactor with bolts and nuts.
  • the cross-shaped arm is held in place by the shield 68 and the spring 70, which in turn is supported on the restraint bar 60 via the restraint plate 72 and screws 74.

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Description

    Stand der Technik
  • Vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Düsenvorrichtung gemäss Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Entgasen von geschmolzenem Metall ist in der US-PS 4 177 066 offenbart. Die Erfindung dieses genannten Patentes lehrt das Entgasen von geschmolzenem Metall unter Verwendung einer Vorrichtung, bestehend aus einem Wirbeltankreaktor, wobei das geschmolzene Metall tangential in den Reaktor eingeleitet wird und das geschmolzene Metall in einer Wirbelbewegung vom Reaktoreinlass zum Reaktorauslass geführt wird. Um den gewünschten Strom des Metalles in einer Wirbelbewegung vom Metalleinlass zum Metallauslass zu erreichen ist es notwendig, dass der Metalleinlass in bezug auf die Reaktorwand derart angeordnet ist, dass das geschmolzene Metall tangential in den Reaktor geleitet wird.
  • In einer vorzugsweisen Ausführungsform umfasst der Wirbeltankreaktor einen ersten, im wesentlichen mit einer zylindrischen Seitenwand ausgestatteten Teil und darunter, unter dem ersten, im wesentlichen zylindrischen Seitenwandteil einen zweiten, sich nach unten verengenden Seitenwandteil. Die Gaseinspritzdüsen für das Spülgas sind in den Wänden des sich verengenden Seitenwandteiles in verschieden hohen Positionen angeordnet, um die Blasenverteilung des Spülgases durch die ganze Schmelze hindurch während des Durchtrittes vom Reaktoreinlass zum Reaktorauslass zu optimieren. Durch die Anordnung der Sprühdüsen in verschiedenen Höhen des sich verengenden Wandteiles sind diese in verschiedenen Abständen von der zentralen Achse des Wirbeltankreaktors, womit eine maximale Gasblasenverteilung erreicht wird. Die Einzelheiten der verschiedenen Vorrichtungsteile des Wirbeltankreaktors und die Sprühdüsenanordnungen, wie in der US-PS 4 177 066 offenbart, können ebenso mit dem verbesserten Gaseinspritzdüsensystem nach vorliegender Erfindung zur Anwendung gelangen.
  • Während der obenerwähnte Wirbeltankreaktor wie in der US-PS 4 177 066 beschrieben, gegenüber bekannten, zum Stande der Technik gehörenden Vorrichtungen, erhebliche Vorteile aufweist, ergaben sich doch noch eine Anzahl von Problemen mit dem Gaseinspritzdüsensystem. Im besonderen sind zu erwähnen, der beobachtete unerwünschte Durchtritt von Metall aus dem Reaktor im Bereich der Düsenspitze. Zusätzlich war man mit dem Problem konfrontiert, dass das Spülgas seinerseits aus dem Gasführungssystem selbst austrat. Schliesslich wurde gefunden, dass die Gaseinspritzdüsen die Tendenz aufwiesen, zu brechen, wenn sie durch die Reaktorwand in den Tank eingesetzt wurden.
  • Die EP-A-70 799 beschreibt eine Düsenvorrichtung als Spülgaseinlass für die Anwendung in einem Wirbeltankreaktor gemäss genannter US-PS 4 177 066. Das Gaseinleitungssystem umfasst einen Düseneinsatz, der in der Wand des Wirbeltankreaktors gesichert eingesetzt ist und bündig mit der inneren Reaktorwand ist. Der Düseneinsatz ist mit einer Sitzoberfläche ausgerüstet, die ihrerseits zu einem Düsenspitzenkegel aus keramischem Material oder ähnlichem, passend geformt ist. Die Gaseinleitungsdüse stützt sich federbelastet gegen diesen Düsenspitzenkegel und der Düsenspitzenkegel entsprechend gegen den Düseneinsatz, so dass ein Metalldurchtritt aus dem Reaktor im Bereich der Gaseinleitungsdüse vermieden wird. Die Gaseinleitungsdüse ist gegenüber der Spülgaszuführung durch eine Schraubvorrichtung gesichert, unter Verwendung einer Dichtung zwischen dem Düsenschraubteil und der Spülgasdüse. Es wurde gefunden, dass die drehende Bewegung des Düsenschraubteils auf die Dichtung zwischen dem Düsenschraubteil und der Spülgasdüse sich ungünstig auf deren dichtende Wirkung auswirkt. In Anbetracht dessen, dass der Wirbeltankreaktor für die Entfernung von Wasserstoff und Erdalkalimetallen aus geschmolzenem Aluminium vorgesehen ist und dazu aktive Gase wie Chlorgas oder ähnliches verwendet werden, war es zwingend, dass eine leckfreie Auslegung des Spülgaszuführungssystems entwickelt wurde.
  • Die EP-A-169 290 beschreibt ebenfalls eine Düsenvorrichtung für die Anwendung in einem Wirbeltankreaktor der oben beschriebenen Art. Das Gasdüsensystem umfasst einen Düseneinsatz der an der Reaktorwand des Wirbeltankreaktors befestigt ist und bündig mit der inneren Wandbegrenzung ist. Der Düseneinsatz ist mit einer Aufnahmefläche versehen, die passend zur Aufnahme eines Düsenspitzenkonus aus keramischem oder ähnlichem Material, ausgestaltet ist. Die Spülgasdüse wird mit einer entsprechenden Kraft gegen den Düsenspitzenkonus gedrückt, um eine Dichtung der Spitze gegenüber dem Spitzenkonus und somit einem Metalldurchtritt aus dem Reaktor im Bereich der Spülgasdüsen zu vermeiden. Die Spülgasdüse ist gegenüber der Spülgaszuführungsleitung durch eine Düsenschraubverbindung gesichert, welche eine Düsenspitzenschraube enthält, die den Düsenkörper aufnimmt. Die Düsenspitzenschraube hält in nicht drehender Weise eine Befestigungsplatte, die gegen eine Dichtung presst, die zwischen der Befestigungsplatte und dem hinteren Ende des Düsenkörpers angeordnet ist. Ein Gewinde ist in der Düsenspitzenschraube eingeschraubt und stützt die Befestigungsplatte gegen die Dichtung und weiter gegen den Düsenkörper, um eine leckfreie Dichtung zu erzielen. Eine Federscheibe kann zwischen der Befestigungsplatte und dem Gewinde angeordnet sein um die Befestigungsplatte stützen zu helfen. Die Düsenanordnung nach dem EP-A-169 290 vermag anfänglich ohne Leckprobleme zu arbeiten, mit der Zeit ist jedoch ein Metalldurchtritt zu beobachten, da das Düsenspitzenkonusmaterial sich zersetzt. Dementsprechend ist ein erster Gegenstand vorliegender Erfindung eine verbesserte Gaseinspritzdüse zur Zuführung von gasförmigem Material, die frei ist von Leckproblemen in der Gaszuführungsleitung.
  • Es ist ein besonderer Gegenstand vorliegender Erfindung, eine verbesserte Düsenvorrichtung für die Anwendung in einem Wirbeltankreaktor für die Entgasung von geschmolzenem Metall zur Verfügung zu stellen.
  • Erfindungsgemäss wird die gestellte Aufgabe durch eine Düsenvorrichtung gelöst, welche sich durch den Wortlaut des Anspruchs 1 auszeichnet. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemässen Vorrichtung sind durch die Merkmale der Ansprüche 2 und 3 gekennzeichnet.
  • Vorliegende Erfindung eliminiert Metalldurchtritte aus dem Reaktor im Bereich der Düsenvorrichtung, verhütet Gasdurchbrüche in der Gaszuleitung und erlaubt ein leichtes Austauschen der Düsenspitze bei einer Verstopfung.
    • Figur 1 ist eine schematische Ansicht einer vorzugsweisen Ausführungsform eines Wirbeltankreaktors wie beschrieben in US-PS 4 177 066 mit der verbesserten Düsenvorrichtung nach vorliegender Erfindung.
    • Figur 2 ist eine schematische Teilansicht der Düsenvorrichtung vorliegender Erfindung, entlang der Linie 2-2 der Figur 3.
    • Figur 3 ist eine Frontansicht der Haltevorrichtung der Düsenvorrichtung, angebracht am Wirbeltankreaktor.
    • Figur 4 ist eine Explosionszeichnung der Teile der Gaseinspritzdüsenvorrichtung in Uebereinstimmung mit vorliegender Erfindung.
  • Bezugnehmend auf Figur 1 ist die Düsenvorrichtung in einer vorzugsweisen Anordnung am einen Wirbeltankreaktor 10 gezeigt, umfassend einen ersten im wesentlichen zylindrischen Seitenwandteil 12 und einem zweiten nach unten sich verjüngenden Seitenwand 14, unterhalb des zylindrischen Seitenwandteils 12. Wie vorher erwähnt, können Düsenvorrichtungen gemäss vorliegender Erfindung in jeden der in der US-PS 4 177 066 beschriebenen Wirbeltankreaktor eingefügt werden und auch die verschiedenen Ausführungsformen des Wirbeltankreaktors werden hiermit umfasst.
  • Eine Anzahl von Düsenvorrichtungen sind im sich verjüngenden Seitenwandteil 14 jeweils mittels eines Halterahmens 16 befestigt. Mit speziellem Bezug auf Figuren 2 bis 4 wird die Düsenvorrichtung und der Halterahmen im Detail beschrieben. Insbesondere aus Figur 2 wird der sich verjüngende Seitenwandteil 14 des Wirbeltankreaktors, welcher eine erste innere Wand 18, die aus geeignetem feuerfesten Material hergestellt wird, und eine zweite äussere Wand 20, die vorzugsweise aus Stahl hergestellt wird, und von der inneren Wand 18 einen Abstand aufweist, ersichtlich. Eine Isolationsfüllung 22 ist zwischen dem Raum zwischen der inneren Wand 18 und der äusseren Wand 20 angebracht. Die innere Wand 18 ist mit einer Anzahl von Oeffnungen 24 versehen, die dafür vorgesehen sind, jeweils eine Düsenvorrichtung nach vorliegender Erfindung aufzunehmen. In jeder der Oeffnungen 24 ist ein hohler Düsensitz 26 angebracht, dessen Bohrung einen ersten sich verengenden Abschnitt 28 und einen zweiten sich verengenden Abschnitt 30 aufweist, die beide durch einen Absatz 32 verbunden sind. Der Düsensitz 26 kann aus jedem geeigneten keramischen Material hergestellt werden.
  • Ein hohler Düsenspitzenkonus 34 aus geeignetem keramischen Material ist dichtend im Bereich des zweiten sich verjüngenden Abschnitts 30 des hohlen Düsensitzes 26 eingepasst. Eine Düsenspitzendichtung 36 aus geeignetem keramischen Material liegt an und dichtet gegen die Schulter 32 des hohlen Düsensitzes 26. Eine mit einer Schulter versehene Düsenspitze 38 mit dem zylindrischen Schulterteil 40 und einem sich verjüngenden Spitzenteil 42 ist innerhalb des hohlen Düsensitzes 26 derart eingesetzt, dass der verjüngende Spitzenteil 42 in den hohlen Düsenspitzenkonus 34 passt, um eine erste Dichtung gegen einen Metalldurchtritt zu bilden. Der Schulterteil 40 der hohlen Düsenspitze 38 presst die Düsenspitzendichtung 36 gegen den Absatz in Teil 32 des Düsensitzes 26 unter Ausbildung einer zweiten Dichtung gegen einen Metalldurchtritt.
  • Eine Gaszuführungsleitung 44 ist in einer Vertiefung 46 im hohlen, mit einer Schulter versehenen Gasdüsenspitze 38 eingepresst, keramisch gebunden oder dergleichen, um eine gasdichte Verbindung zu bilden. Die Gaszuführungsleitung 44 ist im Bereich des hohlen Düsensitzes 26 von einer Isolation aus keramischen Fasern 48 und der konisch geformten Faserumhüllung 50 umgeben.
  • Die keramische Faserisolation 48 wird durch eine Platte 52, welche die Gaszuführungsleitung 44 umgibt, gehalten. Die Platte 52 ist durch ein Distanzrohr 54, welches die Leitung 44 umgibt, befestigt.
  • Vorzugsweise ist die konisch geformte Faserumhüllung 50 aus wärmequellbarem Dichtungsmaterial hergestellt, das während des Aufheizens anquillt und eine dritte Dichtung gegen Metalldurchtritt bildet. Geeignetes Material ist bekannt unter dem Namen "Sureseal", ein Warenzeichen, eingetragen auf Consolidated Aluminium Corporation, für wärmequellbares keramisches Fasermaterial.
  • Insbesondere sichtbar in Figur 4 ist ein Verbindungsstück 56, welches in die Gaszuführungsleitung 44 eingefügt ist, um gasdicht an eine Gasleitung 58, durch welche das Spülgas zugeführt wird, anzuschliessen. Ein Rückhaltebügel 60 ist über dem Verbindungsstück 46 befestigt und mittels der Schraube 62 gesichert. Die Düsenvorrichtung ist am Reaktor 10 mittels eines kreuzförmigen Armes 64, welcher an der äusseren Wand 20 des Reaktors mit Bolzen und Muttern befestigt ist, angebracht. Der kreuzförmige Arm wird vom Schild 68 und der Feder 70 an Ort gehalten, die sich ihrerseits am Rückhaltebügel 60 über die Rückhalteplatte 72 und Schrauben 74 abstützt.
  • Es ist selbstverständlich, dass die Erfindung nicht durch die Zeichnungen limitiert ist. Diese dienen der näheren Erläuterung und bestmöglichem Verständnis der Erfindung und lassen eine Modifikation der Form, der Grösse, der Anordnung der Teile und Funktionsweisen zu. Die Erfindung umfasst auch alle diese Modifikationen.

Claims (3)

1. Düsenvorrichtung als Spülgaseinlass für einen Metallentgasungswirbeltankreaktor mit einem hohlen Düsensitz (26) mit einem ersten sich verjüngenden Abschnitt (28) und einem zweiten sich verjüngenden Abschnitt (30), einem hohlen Düsenspitzenkonus (34) mit einer hohlen Düsenspitze (38) der in den ersten sich verjüngenden Abschnitt (28) des Düsensitzes (26) ragt, und einer Gaszuführungsleitung (44),
dadurch gekennzeichnet, dass
der zweite sich verjüngende Abschnitt (30) des Düsensitzes (26) mit dem ersten (28) über einen Absatz (32) verbunden ist, die Düsenspitze (38) einen hinteren zylindrischen Schulterteil (40) aufweist, welcher teilweise den Hohlraum des ersten Abschnitts (28) des Düsensitzes (26) ausfüllt und über eine Düsenspitzendichtung (36) gegen den Absatz (32) gedrückt ist, die Gaszuführungsleitung (44) in dem Schulterteil (40) endet und im Bereich des hohlen Düsensitzes (26) mit einer (Wärme-) Isolation (48, 50) umgeben ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolation (48, 50) eine erste (48) und eine zweite (50) wärmequellbare keramische Faserumhüllung enthält.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gaszuführungsleitung (44) von einer sich im oberen Teil des ersten Absatzes (28) des Düsensitzes (26) befindlichen Platte (52) geführt ist.
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ES (1) ES2003688A6 (de)
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