EP1062370B1 - Blaslanze mit gas/flüssigkeit-mischkammer und verfahren zu deren expansionskühlung - Google Patents

Blaslanze mit gas/flüssigkeit-mischkammer und verfahren zu deren expansionskühlung Download PDF

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EP1062370B1
EP1062370B1 EP99907572A EP99907572A EP1062370B1 EP 1062370 B1 EP1062370 B1 EP 1062370B1 EP 99907572 A EP99907572 A EP 99907572A EP 99907572 A EP99907572 A EP 99907572A EP 1062370 B1 EP1062370 B1 EP 1062370B1
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EP
European Patent Office
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lance
gas
melted mass
liquid
cooling
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EP99907572A
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EP1062370A1 (de
Inventor
Volkwin Köster
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Techint Compagnia Tecnica Internazionale SpA
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Techint Compagnia Tecnica Internazionale SpA
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F27—FURNACES; KILNS; OVENS; RETORTS
    • F27D—DETAILS OR ACCESSORIES OF FURNACES, KILNS, OVENS, OR RETORTS, IN SO FAR AS THEY ARE OF KINDS OCCURRING IN MORE THAN ONE KIND OF FURNACE
    • F27D9/00—Cooling of furnaces or of charges therein
    • 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
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/4606—Lances or injectors
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B9/00—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals
    • C22B9/10—General processes of refining or remelting of metals; Apparatus for electroslag or arc remelting of metals with refining or fluxing agents; Use of materials therefor, e.g. slagging or scorifying agents
    • C22B9/103—Methods of introduction of solid or liquid refining or fluxing agents
    • 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
    • C21C5/00—Manufacture of carbon-steel, e.g. plain mild steel, medium carbon steel or cast steel or stainless steel
    • C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
    • C21C5/42—Constructional features of converters
    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/4606—Lances or injectors
    • C21C2005/4626—Means for cooling, e.g. by gases, fluids or liquids

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling a Introducing a medium into a melt and / or for measuring lance provided by properties of the melt as well as a lance suitable for performing this method according to Preambles of claims 1 and 3.
  • Lances for blowing media in the interior of metallurgical vessels such as Furnaces or converters and as a support for instruments for Measuring properties of the melt are known. you will be For example, to oxygenate a pig iron melt, for Blowing in media during steel treatment (e.g. coal for Foaming of the slag) and for measuring the temperature of the melt used.
  • the invention has for its object a method and to create a lance of the type mentioned in the introduction, the or that enable effective and safe lance cooling.
  • the method according to the invention is characterized in that that the gas / liquid mixture or its components under Pressure up to the area of the melt-side lance end is led and left to relax there.
  • the melt-side lance end denotes that end of the Lance that faces the melt during operation or, if applicable, in this dips. It is the thermally highly stressed Lance end.
  • the cooling circuit is for the melt side Lance end closed. There is none in this area Coolant leakage takes place, the coolant is in instead returned to a region of the lance spaced from the melt and exits the lance there.
  • the coolant circuit overall can either be completely closed but you can also use an open cooling circuit which is spaced from the melt-side end the heated cooling medium emerging from the lance is not reused becomes.
  • the gas content of the mixture used according to the invention is preferably air or an inert gas (for example nitrogen or argon), the liquid portion prefers water.
  • the gas / liquid mixture is under pressure to the area of the melt-side lance end.
  • region of the melt-side lance end denotes one near the corresponding lance end lying area, which is already highly stressed during operation is.
  • the conceptual pair of “leadership under pressure up to let area of this end and then relax " is to be understood that in the area mentioned sudden drop in pressure of the gas / liquid mixture takes place.
  • the invention is therefore only implemented to a corresponding pressure difference, not to the absolute Heights of the respective pressures. Let it relax (preferably by leaving a corresponding one Nozzle into a room of lower pressure) causes the liquid phase of the mixture torn into fine droplets and / or is evaporated.
  • the two-phase mixture of gas and liquid can be spaced apart manufactured from the melt side lance end and as finished mixture under pressure fed to this end and there be relaxed. It is also possible to gas and Liquid separated under pressure up to the range of to lead the melt-side lance end and either to mix only shortly before the relaxation process or let it relax through separate jets, which are arranged so that the gas / liquid mixture during of the relaxation process arises in situ.
  • gas and Liquid separated under pressure up to the range of to lead the melt-side lance end and either to mix only shortly before the relaxation process or let it relax through separate jets, which are arranged so that the gas / liquid mixture during of the relaxation process arises in situ.
  • the method according to the invention requires considerably for cooling smaller amounts of liquid than that known in the prior art Water cooling.
  • this has two advantages. On the one hand, you don't just use it for cooling the heat capacity of the liquid (water), but also the much greater heat of vaporization for the phase transition Liquid vapor and maintains even at proportionate low liquid flows a high cooling capacity.
  • the liquid portion of the invention used cooling medium water. If you choose operating conditions, where the water content in the area of the melt side Part of the lance is largely or completely evaporated the cooling circuit is preferably fed with deionized water, for limescale deposits in the corresponding area of the Avoid cold room. Demineralized water is not available Available and must the cooling circuit with ordinary pipe or raw water are fed, you put the Gas / liquid flow is preferably such that a lower one Share of water in the area of the melt-side lance end evaporates, the rest remains as a finely divided aerosol. Unwanted limescale will be largely avoided.
  • the high flow rate due to the relaxation process of the two-phase mixture does not tear evaporated water with, so that there is no stationary in the area of the lance tip Water can accumulate in the event of a melt collapse could lead to an explosion hazard.
  • the gas / liquid mixture can be produced outside the lance and are already supplied as a mixture to the lance.
  • the lance has a mixing chamber connected to the cooling circuit, has the connections for a gas and liquid supply and designed to produce a gas / liquid mixture is.
  • the mixing chamber is spaced from the melt side Lance end arranged. It is preferably located in the part of the lance protruding from the furnace or converter.
  • the gas / liquid mixture is preferred by the mixing chamber with a pressure of 2 to 6 bar, more preferably about 3 bar, through a pressure line to the melt end of the lance led out.
  • a pressure line to the melt end of the lance led out.
  • a two-component nozzle arranged, from which the mixture into one in the area the cooling chamber arranged at the tip of the lance relaxes.
  • the term "Two-component nozzle” means any within the scope of the invention Devices that allow passage of a liquid / gas mixture allowed and a pressure difference between the supply and can maintain exit side so that a nozzle effect, d. H. a division of the fed Mixture in the area behind the nozzle lower pressure. When it comes out of the nozzle the liquid portion of the mixture is torn into fine droplets.
  • the relaxed and heated mixture is replaced by a second line led away from the melt-side lance end and occurs at a preferably arranged outside the converter Connection out of the lance again.
  • the pressure of the mixture after exiting the two-component nozzle (s) preferably slightly above atmospheric pressure.
  • the lance used in diving operations it should be larger than the back pressure of the liquid surrounding the lance tip Melt. If there is a problem due to malfunctions Melting of the lance tip and a breakthrough of melt into the cold room is prevented by the excess pressure inside the further penetration of melt or slag if necessary.
  • the mixing chamber advantageously has two concentric, the lance tube surrounding ring chambers in their radial partition connecting holes or openings are arranged.
  • lance tube means that for the introduction of gas and / or solid into the melt provided inner tube of the entire lance assembly.
  • the inner one The annular chamber can, for example, with water from its end face are applied, the outer annular chamber becomes circumferential pressurized with compressed air. Through the holes in the radial partition, compressed air is mixed into the water. The resulting mixture is on the melt side end removed and removed from the mixing chamber.
  • the pressure line for connecting the mixing chambers and the two-fluid nozzle the lance tube is preferably concentric surrounding ring line.
  • the return of the relaxed mixture preferably takes place from the melt-side lance end also through a ring line, which as a the pressure line concentrically surrounding second ring line is formed can be.
  • a second embodiment of a lance according to the invention has separate pressure lines for the supply of gas on the one hand and liquid on the other hand towards the melt-side lance end on. These pressure lines can be concentric as the lance tube surrounding ring lines can be formed. In the area the pressure lines end at the melt-side lance end in nozzle arrangements, from which gas on the one hand and liquid on the other hand, exit and in situ, d. H. while of the relaxation process, into a finely divided aerosol mix. The suction effect of the relaxing gas pulls out leaking liquid and divides it into fine droplets. The flow rate of the in situ The aerosol produced is so high that it is not worth mentioning Amounts of water in the area of the melt-side lance end remain.
  • the Operating pressures of this lance can be well below 3 bar lie.
  • the necessary pressure in the gas line is, for example, 1 to 2 bar, preferably about 1.5 bar.
  • the liquid (water) only needs one slight excess pressure of less than 1 bar, preferably about 0.5 bar to be supplied because they are in the aerosol formation of the relaxing compressed air is entrained and divided.
  • a preferred field of application of the invention is treatment of or performing measurements on metallurgical Melting, e.g. pig iron or steel melting.
  • metallurgical Melting e.g. pig iron or steel melting.
  • the invention is not for use in molten metals limited, but can be used for further melt flows high temperature (e.g. glass melting) can be used.
  • the lance according to FIGS. 1 and 2 has a inner lance tube 1, through which solids and / or gases be fed to the melt.
  • the exit of this media in the melt takes place at the lance end 2 on the melt side Lance tube 1 is from one described in more detail below Cooling device surrounded.
  • connection piece 3 cooling water is the lance tube 1 surrounding annular chamber 4 supplied.
  • the inner annular chamber 5 is from an outer one Annular chamber 6 surrounded by a connector 7 with Compressed air is fed. Form the two annular chambers 5,6 together the mixing chamber.
  • the radial partition 8 between the annular chambers 5 and 6 have connection holes indicated at 9 on. Compressed air and water mix together, the mixture is drawn axially into the interior Annular chamber 5 connecting ring line (pressure line) 10 to Lance end on the melt side.
  • the pressure of the mixture in the pressure line 10 is approximately 3 bar.
  • the ring line 10 is in the region of the melt-side end 2 of the lance to six evenly over the lance circumference distributed two-component nozzles 11 formed.
  • the water / air mixture relaxes when exiting the two-component nozzles into the annular cooling space 12.
  • the water is through this relaxation process torn into very fine droplets.
  • the high surface of the water supplied favors one rapid heat absorption and thus a high cooling capacity.
  • the Forming the ring line 10 to six two-component nozzles 11 allowed the operation of the lance with tap or process water as part of the cooling medium.
  • the clear width of the two-substance nozzles 11 enables the passage of, if necessary, in the process water contained impurities or particles.
  • the lance should only be operated with deionized water can, the ring line 10 in the area of the cooling chamber the cooling chamber 12 to an annular gap with a clear Width of about 0.5 mm can be narrowed, making the lance tube 1 rotationally symmetrical surrounds.
  • This annular gap forms a single one Dual-substance nozzle.
  • the formation of several discrete two-component nozzles 11 is not required in this case.
  • the mixture emerging from the two-substance nozzles 11 hits on opposite (melt-side) end of the cooling chamber 12 on a curved cooling surface 13 through which it is in its Direction of movement deflected and the second ring line 14 trained coolant discharge line is supplied.
  • the water content of the supplied mixture evaporates in the Cooling chamber 12 preferably completely. It comes with special Operating conditions at exceptionally high temperatures in the cooling chamber 12, the cooling effect may supported are caused by the strongly endothermic decay of part of the Water in molecular hydrogen and oxygen.
  • the cooling chamber 12 to Melt opens out due to the use of the fine Aerosols as a cooling medium practically no danger that yet liquid water is enclosed by the melt and then evaporated explosively.
  • the cold room 12 preferably set an overpressure sufficient to Diving operation of the lance possibly into the cooling chamber 12 to push back through molten metal or slag and prevent further intrusion.
  • the cooling medium flowing back through the ring line 14 becomes via an annular chamber 15 and a connecting piece 16 from the Lance removed. It can either be rejected (more open Cooling circuit) or returned to the cooling circuit again become.
  • the annular chamber 15 has a second connection 17 which with a safety pressure relief valve, not shown in the drawing connected is.
  • the lance can also be used to introduce media into the melt also used to measure properties of the melt become.
  • the melt side End 2 measuring instruments not shown in the drawing to be ordered.
  • a radiation pyrometer can For example, the temperature of the melt can be measured.
  • a Steel melt can, for example, by means of laser-induced emission spectroscopy a multi-element analysis can be carried out. In this way, for example, a steel finishing process can be measured be followed and ended at the desired stage.
  • the lance with the attached measuring instrument in the area of the surface of the steel bath.
  • Blown compressed air or an inert gas such as nitrogen Blown compressed air or an inert gas such as nitrogen, which on the one hand keeps the lance opening free and on the other hand removes slag from the steel bath surface.
  • the lance according to the invention is through an opening in the wall or cover inserted into the converter or furnace.
  • the connections for supply and discharge of the cooling media and the mixing chamber are preferably located outside of the converter in a correspondingly cooler area.
  • 3 and 4 show a second embodiment of the invention, with the gas and liquid separated to the melt side Lance end 2 and the gas / liquid mixture only in situ during the relaxation process arises.
  • the same reference numbers designate functionally here identical components in comparison with the embodiment 1 and 2.
  • the main difference compared to the embodiment according to 1 and 2 is that around the inner lance tube 1 arranged around three concentric ring lines are.
  • the inner ring line 18 leads to cooling water Lance end 2 on the melt side, it stands for this purpose the annular chamber 4 in connection.
  • the middle ring line 19 is via the connection 7 and 9 with the connecting holes provided annular chamber 6 fed with compressed air.
  • the outer Ring line 14 is used as in the first embodiment Return of the heated cooling medium to the annular chamber 15 and the associated connection 16.
  • the operating pressure of this embodiment compared to the lance according to FIGS. 1 and 2 clearly can be reduced. So it is enough to achieve a finely divided Aerosols that flow through at high speed the annular chamber 12 passes through and is subsequently discharged will, from that water in the ring line 18 with an overpressure of 0.5 bar and the compressed air in the ring line 19 with a pressure of 1.5 bar.

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen einer zum Einbringen eines Mediums in eine Schmelze und/oder zum Messen von Eigenschaften der Schmelze vorgesehenen Lanze sowie eine zum Durchführen dieses Verfahrens geeignete Lanze gemäß den Oberbegriffen der Ansprüche 1 und 3.
Lanzen zum Einblasen von Medien (insbesondere Feststoffen und/oder Gasen) in den Innenraum metallurgischer Gefäße wie Öfen oder Konverter sowie als Träger von Instrumenten zum Messen von Eigenschaften der Schmelze sind bekannt. Sie werden bspw. zum Sauerstofffrischen einer Roheisenschmelze, zum Einblasen von Medien bei der Stahlbehandlung (bspw. Kohle zum Schäumen der Schlacke) und zur Temperaturmessung der Schmelze verwendet.
Der der Schmelze zugewandte Endbereich einer solchen Lanze unterliegt einer hohen thermischen Beanspruchung. Aus offenkundiger Vorbenutzung ist es bekannt, Stahlrohrlanzen zu verwenden, deren schmelzeseitiges Ende im Betrieb kontinuierlich abbrennt, die Lanze muß entsprechend nachgefahren werden. Bekannt sind ferner gekühlte Lanzen mit geschlossenen Wasserkühlkreisläufen. Der Betrieb dieser Lanzen ist gefährlich, da bei einem Leck im Kühlkreislauf ein Kontakt der Schmelze mit Kühlwasser zu explosionsartigen Reaktionen führen kann. Sofern Wasser von der Schmelze eingeschlossen wird, kann die dann erfolgende Verdampfung und Expansion des Wassers die Schmelze explosionsartig auseinander reißen. Auch die chemische Zersetzung des Wassers und eine anschließende Knallgasreaktion sind nicht auszuschließen.
Es ist daher bereits vorgeschlagen worden (DE 35 43 836 C2), zwei Lanzen zu verwenden, die wechselweise in die Betriebsstellung gefahren werden. Die in der Betriebsstellung befindliche Lanze wird mit einem Gas gekühlt. Da eine ausreichende Kühlwirkung so nicht erzielt wird, wird die Lanze nach einer gewissen Betriebszeit aus dem Ofen herausgefahren und in dieser von der Schmelze weit beabstandeten Stellung mit Wasser rückgekühlt. Während dieser Zeit führt die zweite Lanze den Betrieb weiter. Ein solcher wechselweiser Betrieb mit zwei Lanzen ist aufwendig.
Aus WO-A-92/07965 ist eine Lanze bekannt, die einen mit einem zweiphasen Gemisch gespeisten geschlossenen Kühlkreislauf aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Lanze der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die eine wirksame und sichere Lanzenkühlung ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gas/Flüssigkeitsgemisch oder dessen Bestandteile unter Druck bis in den Bereich des schmelzeseitigen Lanzenendes geführt und dort entspannen gelassen wird bzw. werden.
Das schmelzeseitige Lanzenende bezeichnet dasjenige Ende der Lanze, das im Betrieb der Schmelze zugewandt ist bzw. ggf. in diese eintaucht. Es handelt sich um das thermisch hochbelastete Lanzenende. Der Kühlkreislauf ist zum schmelzeseitigen Lanzenende hin geschlossen. Es findet in diesem Bereich kein Kühlmittelaustritt statt, das Kühlmittel wird statt dessen in einem von der Schmelze beabstandeten Bereich der Lanze zurückgeführt und tritt dort aus der Lanze aus. Der Kühlmittelkreislauf insgesamt kann entweder vollständig geschlossen sein, man kann jedoch auch einen offenen Kühlkreislauf verwenden, bei dem das beabstandet vom schmelzeseitigen Ende aus der Lanze austretende erwärmte Kühlmedium nicht wiederverwendet wird.
Der Gasanteil des erfindungsgemäß verwendeten Gemisches ist bevorzugt Luft oder ein Inertgas (bspw. Stickstoff oder Argon), der Flüssigkeitsanteil bevorzugt Wasser.
Das Gas/Flüssigkeitsgemisch wird erfindungsgemäß unter Druck bis in den Bereich des schmelzeseitigen Lanzenendes geführt. Der Begriff "Bereich des schmelzeseitigen Lanzenendes" bezeichnet einen in der Nähe des entsprechenden Lanzenendes liegenden Bereich, der thermisch in Betrieb bereits hoch belastet ist. Das Begriffspaar der "Führung unter Druck bis in de Bereich dieses Endes und das anschließende Entspannen lassen" ist so zu verstehen, daß in dem genannten Bereich ein plötzlicher Druckabfall des Gas/Flüssigkeitgemisches stattfindet. Zur Verwirklichung der Erfindung kommt es demnach nur auf einen entsprechenden Druckunterschied, nicht auf die absoluten Höhen der jeweiligen Drücke an. Das Entspannen lassen (bevorzugt durch Austreten lassen aus einer entsprechenden Düse in einen Raum geringeren Druckes) bewirkt, daß die Flüssigphase des Gemisches zu feinen Tröpfchen zerrissen und/oder verdampft wird. Beide Effekte erhöhen wesentlich die Kühlleistung, da einerseits das Verdampfen erhebliche Wärmemengen benötigt und andererseits fein zerrissene Tröpfchen aufgrund ihrer großen Oberfläche schnell und wirkungsvoll (unter Verdampfung) weitere Wärme abführen können. Die erfindungsgemäß vorgesehene Entspannung des Kühlmittelgemisches im Bereich des schmelzeseitigen Lanzenendes bewirkt somit eine deutliche Erhöhung der Kühlleistung gegenüber dem Stand der Technik. Zum anderen sorgt sie für eine deutliche Erhöhung der Sicherheit, da aufgrund des Entspannungsvorgangs im Bereich dieses Lanzenendes wenig oder keine Flüssigphase vorhanden ist. Bei Betriebsstörungen in diesen Bereich durchbrechende Schmelze kann also nicht größere Wassermengen einschließen und damit thermische Explosionen verursachen. Im Rahmen der Erfindung kann das Zweiphasengemisch aus Gas und Flüssigkeit beabstandet von dem schmelzeseitigen Lanzenende hergestellt und als fertiges Gemisch unter Druck diesem Ende zugeführt und dort entspannen gelassen werden. Es ist ebenfalls möglich, Gas und Flüssigkeit getrennt unter Druck bis in den Bereich des schmelzeseitigen Lanzenendes zu führen und diese entweder erst kurz vor dem Entspannungsvorgang miteinander zu vermischen oder aber durch getrennte Düsen entspannen zu lassen, die so angeordnet sind, daß das Gas/Flüs-sigkeitsgemisch während des Entspannungsvorgangs in situ entsteht. Man kann bspw. getrennte Düsen so anordnen, daß austretende Flüssigkeit durch das sich entspannende Gas angesaugt und zu einem feinen Aerosol zerrissen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren benötigt zum Kühlen erheblich geringere Flüssigkeitsmengen als die im Stand der Technik bekannte Wasserkühlung. Man stellt den Gas/Flüssigkeitsstrom so ein, daß der Flüssigkeitsanteil im Bereich des thermisch besonders belasteten schmelzeseitigen Lanzenendes infolge der Entspannung großenteils oder vollständig verdampft. Dies hat zwei Vorteile. Zum einen nutzt man zur Kühlung so nicht nur die Wärmekapazität der Flüssigkeit (des Wassers), sondern auch die wesentlich größere Verdampfungswärme für den Phasenübergang Flüssigkeit-Dampf und erhält selbst bei verhältnismäßig geringen Flüssigkeitsströmen eine hohe Kühlleistung. Sofern es bei Betriebsstörungen im Bereich des schmelzeseitigen Endes zu einem Leck in der Kühlmittelleitung kommt, bewirkt die große Oberfläche des als Aerosol zugeführten Gas/Flüssigkeitsgemisches, daß es in jedem Fall zu einer sehr schnellen Verdampfung des Flüssigkeitsanteils kommt, noch bevor die Schmelze Flüssigkeitstropfen einschließen kann.
In der Regel ist der Flüssigkeitsanteil des erfindungsgemäß verwendeten Kühlmediums Wasser. Wählt man Betriebsbedingungen, bei denen der Wasseranteil im Bereich des schmelzeseitigen Lanzenteils großenteils oder vollständig verdampft, wird der Kühlkreislauf vorzugsweise mit vollentsalztem Wasser gespeist, um Kalkablagerungen in dem entsprechenden Bereich des Kühlraums zu vermeiden. Steht vollentsalztes Wasser nicht zur Verfügung und muß der Kühlkreislauf mit gewöhnlichem Leitungs- oder Rohwasser gespeist werden, stellt man den Gas/Flüssigkeitsstrom vorzugsweise so ein, daß ein geringerer Anteil des Wassers im Bereich des schmelzeseitigen Lanzenendes verdampft, der Rest bleibt als feinverteiltes Aerosol erhalten. Unerwünschte Kalkablagerungen werden so weitgehend vermieden.
Die aufgrund des Entspannungsvorgangs hohe Strömungsgeschwindigkeit des Zweiphasengemisches reißt nicht verdampftes Wasser mit, so daß im Bereich der Lanzenspitze sich kein stationäres Wasser ansammeln kann, das bei einem Schmelzeeinbruch zu einer Explosionsgefahr führen könnte.
Das Gas/Flüssigkeitsgemisch kann außerhalb der Lanze hergestellt und bereits als Gemisch der Lanze zugeführt werden. Bevorzugt ist im Rahmen der Erfindung jedoch, daß die Lanze eine mit dem Kühlkreislauf verbundene Mischkammer aufweist, die Anschlüsse für eine Gas- und Flüssigkeitszufuhr besitzt und zum Herstellen eines Gas/Flüssigkeitsgemisches ausgebildet ist. Die Mischkammer ist beabstandet vom schmelzeseitigen Lanzenende angeordnet. Sie befindet sich bevorzugt in dem aus dem Ofen bzw. Konverter herausragenden Teil der Lanze.
Das Gas/Flüssigkeitsgemisch wird von der Mischkammer bevorzugt mit einem Druck von 2 bis 6 bar, weiter vorzugsweise etwa 3 bar, durch eine Druckleitung zum schmelzeseitigen Lanzenende hin geführt. Im Bereich dieses Endes ist eine Zweistoffdüse angeordnet, aus der das Gemisch in einen im Bereich der Lanzenspitze angeordneten Kühlraum entspannt. Der Begriff "Zweistoffdüse" bezeichnet im Rahmen der Erfindung jegliche Einrichtungen, die einen Durchtritt eines Flüssigkeits/Gasgemisches erlaubt und dabei eine Druckdifferenz zwischen Zufuhr- und Austrittsseite dergestalt aufrechterhalten kann, daß sich eine Düsenwirkung, d. h. eine Zerteilung des zugeführten Gemisches in dem hinter der Düse liegenden Bereich niedrigeren Drucks, ergibt. Bei Austritt aus der Düse wird der Flüssigkeitsanteil des Gemisches in feine Tröpfchen zerrissen. Das entspannte und erwärmte Gemisch wird durch eine zweite Leitung vom schmelzeseitigen Lanzenende weggeführt und tritt an einem bevorzugt außerhalb des Konverters angeordneten Anschluß aus der Lanze wieder aus. Der Druck des Gemisches nach dem Austritt aus der bzw. den Zweistoffdüsen liegt bevorzugt etwas über dem Atmosphärendruck. Sofern die Lanze im Tauchbetrieb eingesetzt wird, sollte er größer sein, als der Gegendruck der die Lanzenspitze umgebenden flüssigen Schmelze. Kommt es aufgrund von Betriebsstörungen zu einem Abschmelzen der Lanzenspitze und einem Durchbruch von Schmelze in den Kühlraum, verhindert der darin herrschende Überdruck das weitere Eindringen von Schmelze bzw. ggf. Schlacke.
Die Mischkammer weist vorteilhafterweise zwei zueinander konzentrische, das Lanzenrohr umgebende Ringkammern auf, in deren radialer Trennwand Verbindungsbohrungen bzw. -öffnungen angeordnet sind. Der Begriff Lanzenrohr bezeichnet das für die Einleitung von Gas und/oder Feststoff in die Schmelze vorgesehene innere Rohr der gesamten Lanzenanordnung. Die innere Ringkammer kann bspw. von ihrer Stirnseite her mit Wasser beaufschlagt werden, die äußere Ringkammer wird umfangsseitig mit Druckluft beaufschlagt. Durch die Bohrungen in der radialen Trennwand wird Druckluft in das Wasser eingemischt. Das entstandene Gemisch wird an der schmelzeseitigen Stirnseite der Mischkammer entnommen und abgeführt.
Die Druckleitung zur Verbindung von Mischkammern und Zweistoffdüse ist vorzugsweise eine das Lanzenrohr konzentrisch umgebende Ringleitung. Die Rückführung des entspannten Gemisches vom schmelzeseitigen Lanzenende erfolgt vorzugsweise ebenfalls durch eine Ringleitung, die als eine die Druckleitung konzentrisch umgebende zweite Ringleitung ausgebildet sein kann.
Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lanze weist getrennte Druckleitungen zur Zufuhr von Gas einerseits und Flüssigkeit andererseits hin zum schmelzeseitigen Lanzenende auf. Diese Druckleitungen können als das Lanzenrohr konzentrisch umgebende Ringleitungen ausgebildet sein. Im Bereich des schmelzeseitigen Lanzenendes enden die Druckleitungen in Düsenanordnungen, aus denen Gas einerseits und Flüssigkeit andererseits austreten und dabei in situ, d. h. während des Entspannungsvorgangs, sich zu einem feinteiligen Aerosol vermischen. Die Sogwirkung des sich entspannenden Gases reißt austretende Flüssigkeit mit sich und zerteilt diese in feine Tröpfchen. Die Strömungsgeschwindigkeit des in situ hergestellten Aerosols ist so hoch, daß keinerlei nennenswerte Wassermengen im Bereich des schmelzeseitigen Lanzenendes verbleiben. Es besteht daher kein oder nur ein geringes Sicherheitsrisiko im Falle des Durchbruchs von Schmelze. Die Betriebsdrucke dieser Lanze können deutlich unterhalb 3 bar liegen. Der notwendige Überdruck in der Gasleitung (Druckluftleitung) beträgt bspw. 1 bis 2 bar, bevorzugt etwa 1,5 bar. Die Flüssigkeit (Wasser) braucht lediglich mit einem geringen Überdruck von unter 1 bar, bevorzugt etwa 0,5 bar zugeführt zu werden, da sie bei der Aerosolbildung von der sich entspannenden Druckluft mitgerissen und zerteilt wird.
Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Behandlung von bzw. die Durchführung von Messungen an metallurgischen Schmelzen, bspw. Roheisen oder Stahlschmelzen. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung bei Metallschmelzen beschränkt, sondern kann für weitere Schmelzflüsse hoher Temperatur (bspw. Glasschmelzen) verwendet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1
einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Lanze;
Fig. 2
einen Querschnitt entlang der Ebene A-A der Fig. 1
Fig. 3
einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Lanze;
Fig. 4
einen Querschnitt entlang der Ebene A-A der Fig. 3.
Die erfindungsgemäße Lanze gemäß den Fig. 1 und 2 weist ein inneres Lanzenrohr 1 auf, durch das Feststoffe und/oder Gase der Schmelze zugeführt werden. Der Austritt dieser Medien in die Schmelze erfolgt am schmelzeseitigen Lanzenende 2. Das Lanzenrohr 1 ist von einer nachfolgend näher beschriebenen Kühleinrichtung umgeben.
Durch einen Anschlußstutzen 3 wird Kühlwasser einer das Lanzenrohr 1 umgebenden Ringkammer 4 zugeführt. Die Stirnseiten der Ringkammer 4 und der inneren Kammer 5 der sich axial anschließenden Mischkammer sind miteinander verbunden, so daß diese innere Ringkammer 5 aus der Ringkammer 4 mit Wasser gespeist wird. Die innere Ringkammer 5 ist von einer äußeren Ringkammer 6 umgeben, die durch einen Anschlußstutzen 7 mit Druckluft gespeist wird. Die beiden Ringkammern 5,6 bilden zusammen die Mischkammer. Die radiale Trennwand 8 zwischen den Ringkammern 5 und 6 weist bei 9 angedeutete Verbindungsbohrungen auf. Druckluft und Wasser vermischen sich miteinander, das Gemisch wird durch die sich axial in die innere Ringkammer 5 anschließende Ringleitung (Druckleitung) 10 zum schmelzeseitigen Lanzenende hin geführt. Der Druck des Gemisches in der Druckleitung 10 beträgt etwa 3 bar.
Die Ringleitung 10 ist im Bereich des schmelzeseitigen Endes 2 der Lanze zu sechs gleichmäßig über den Lanzenumfang verteilten Zweistoffdüsen 11 ausgeformt. Das Wasser/Luftgemisch entspannt sich beim Austritt aus den Zweistoffdüsen in den ringförmigen Kühlraum 12 hinein. Das Wasser wird durch diesen Entspannungsvorgang in sehr feine Tröpfchen zerrissen. Die hohe Oberfläche des zugeführten Wassers begünstigt eine schnelle Wärmeaufnahme und damit eine hohe Kühlleistung. Die Ausformung der Ringleitung 10 zu sechs Zweistoffdüsen 11 erlaubt den Betrieb der Lanze mit Leitungs- bzw. Betriebswasser als Bestandteil des Kühlmediums. Die lichte Weite der Zweistoffdüsen 11 ermöglicht den Durchtritt von ggf. in dem Betriebswasser enthaltenen Verunreinigungen bzw. Partikeln. Soll die Lanze ausschließlich mit vollentsalztem Wasser betrieben werden, kann die Ringleitung 10 im Bereich der Kühlkammer des Kühlraums 12 zu einem Ringspalt mit einer lichten Weite von etwa 0,5 mm verengt sein, der das Lanzenrohr 1 rotationssymmetrisch umgibt. Dieser Ringspalt bildet eine einzige Zweistoffdüse. Die Ausformung mehrerer diskreter Zweistoffdüsen 11 ist in diesem Fall nicht erforderlich.
Das aus den Zweistoffdüsen 11 austretende Gemisch trifft am gegenüberliegenden (schmelzeseitigen) Stirnende der Kühlkammer 12 auf eine gekrümmte Kühlfläche 13, durch die es in seiner Bewegungsrichtung umgelenkt und der als zweite Ringleitung 14 ausgebildeten Kühlmittelabfuhrleitung zugeführt wird. Der Wasseranteil des zugeführten Gemisches verdampft in der Kühlkammer 12 vorzugsweise vollständig. Kommt es bei besonderen Betriebsbedingungen zu außergewöhnlich hohen Temperaturen in der Kühlkammer 12, kann die Kühlwirkung u.U. unterstützt werden durch den stark endothermen Zerfall eines Teils des Wassers in molekularen Wasserstoff und Sauerstoff.
Sofern bei Betriebsstörungen die Lanze im Bereich des schmelzeseitigen Endes 2 abbrennt und sich die Kühlkammer 12 zur Schmelze hin öffnet, besteht aufgrund der Verwendung des feinen Aerosols als Kühlmedium praktisch keine Gefahr, daß noch flüssiges Wasser von der Schmelze eingeschlossen wird und anschließend explosionsartig verdampft. Im Kühlraum 12 wird vorzugsweise ein Überdruck eingestellt, der ausreicht, um bei Tauchbetrieb der Lanze möglicherweise in die Kühlkammer 12 durchbrechende Metallschmelze oder Schlacke zurückzudrängen und ein weiteres Eindringen zu verhindern.
Das durch die Ringleitung 14 zurückströmende Kühlmedium wird über eine Ringkammer 15 und einen Anschlußstutzen 16 aus der Lanze abgeführt. Es kann entweder verworfen werden (offener Kühlkreislauf) oder aber von neuem in den Kühlkreislauf zurückgeführt werden.
Die Ringkammer 15 weist einen zweiten Anschluß 17 auf, der mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Sicherheits-Überdruckventil verbunden ist.
Die Lanze kann außer zum Einbringen von Medien in die Schmelze auch zum Messen von Eigenschaften der Schmelze verwendet werden. Zu diesem Zweck können im Bereich des schmelzeseitigen Endes 2 in der Zeichnung nicht dargestellte Meßinstrumente angeordnet werden. Mit einem Strahlungspyrometer kann bspw. die Temperatur der Schmelze gemessen werden. Bei einer Stahlschmelze kann bspw. mittels laserinduzierter Emissionsspektroskopie eine Multielementanalyse durchgeführt werden. Auf diese Weise kann bspw. ein Stahlveredelungsprozeß meßtechnisch verfolgt und im gewünschten Stadium beendet werden.
Zur Durchführung solcher Messungen wird die Lanze mit dem daran angeordneten Meßinstrument in den Bereich der Oberfläche des Stahlbads geführt. Durch das Lanzenrohr 1 wird vorzugsweise Druckluft oder ein Inertgas wie Stickstoff geblasen, das zum einen die Lanzenöffnung freihält und zum anderen die Stahlbadoberfläche von Schlacke befreit.
Die erfindungsgemäße Lanze wird durch eine Öffnung in Wand oder Deckel in den Konverter bzw. Ofen eingeführt. Die Anschlüsse für Zu- und Abfuhr der Kühlmedien sowie die Mischkammer befinden sich vorzugsweise außerhalb des Konverters in einem entsprechend kühleren Bereich.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, bei der Gas und Flüssigkeit getrennt bis zum schmelzeseitigen Lanzenende 2 geführt werden und das Gas/Flüssigkeitsgemisch erst in situ während des Entspannungsvorgangs entsteht. Gleiche Bezugsziffern bezeichnen hier funktionell identische Bestandteile im Vergleich mit der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2.
Der wesentliche Unterschied gegenüber der Ausführungsform gemäß den Fig. 1 und 2 besteht darin, daß um das innere Lanzenrohr 1 herum drei zueinander konzentrische Ringleitungen angeordnet sind. Die innere Ringleitung 18 führt Kühlwasser zum schmelzeseitigen Lanzenende 2, sie steht zu diesem Zweck mit der Ringkammer 4 in Verbindung. Die mittlere Ringleitung 19 wird über den Anschluß 7 und die mit Verbindungsbohrungen 9 versehende Ringkammer 6 mit Druckluft gespeist. Die äußere Ringleitung 14 dient wie bei der ersten Ausführungsform zur Rückführung des erwärmten Kühlmediums zur Ringkammer 15 und dem zugehörigen Anschluß 16.
Durch die Ringleitungen 18, 19 strömen Wasser und gasförmiges Medium (Druckluft) getrennt zum schmelzeseitigen Lanzenende 2. Beim Austritt der Druckluft in die Ringkammer 12 und der damit einhergehenden Entspannung reißt diese ebenfalls austretendes Kühlwasser mit sich und zerteilt es zu einem feinen Aersol. Das erfindungsgemäß eingesetzte Zweiphasengemisch entsteht in situ.
Überraschenderweise kann der Betriebsdruck dieser Ausführungsform gegenüber der Lanze gemäß den Fig. 1 und 2 deutlich vermindert werden. So reicht es zur Erzielung eines feinteiligen Aerosols, das mit großer Strömungsgeschwindigkeit durch die Ringkammer 12 hindurchtritt und anschließend abgeführt wird, aus, daß Wasser in der Ringleitung 18 mit einem Überdruck von 0,5 bar und die Druckluft in der Ringleitung 19 mit einem Überdruck von 1,5 bar zuzuführen.

Claims (10)

  1. Verfahren zum Kühlen einer zum Einbringen eines Mediums in eine Schmelze und/oder zum Messen von Eigenschaften der Schmelze vorgesehenen Lanze, bei der in einem zum schmelzeseitigen Lanzenende (2) hin geschlossenen Kühlkreislauf ein Gas/Flüssigkeitsgemisch als Kühlmedium geführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas/Flüssigkeitsgemisch oder dessen Bestandteile unter Druck bis in den Bereich des schmelzeseitigen Lanzenendes (2) geführt und dort entspannen gelassen wird bzw. werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas/Flüssigkeitsgemisch in einer vom schmelzeseitigen Lanzenende (2) beabstandet angeordneten Mischkammer (5,6) der Lanze hergestellt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas/Flüssigkeitsgemisch unter einem Druck von 2 bis 6 bar, vorzugsweise etwa 3 bar zum schmelzeseitigen Lanzenende (2) geführt wird.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gas und Flüssigkeit getrennt zum schmelzeseitigen Lanzenende (2) geführt und dort entspannen gelassen werden, wobei während des Entspannungsvorgangs ein Gas/Flüssigkeitsgemisch in situ entsteht.
  5. Lanze zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 2 oder 3, mit einem zum schmelzeseitigen Lanzenende (2) hin geschlossenen Kühlkreislauf, gekennzeichnet durch eine beabstandet vom schmelzeseitigen Lanzenende (2) angeordnete, mit dem Kühlkreislauf verbundene Mischkammer (5,6), die Anschlüsse (3,7) für eine Gas- und Flüssigkeitszufuhr aufweist und zum Herstellen eines Gas/Flüssigkeitsgemisches ausgebildet ist, wobei die Mischkammer (5,6) über eine Druckleitung (10) mit wenigstens einer im Bereich des schmelzeseitigen Endes (2) der Lanze angeordneten Zweistoffdüse (11) verbunden ist.
  6. Lanze nach Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (5,6) zwei zueinander konzentrische, das Lanzenrohr umgebende Ringkammern (5,6) aufweist, in deren radialer Trennwand (8) Verbindungsbohrungen (9) angeordnet sind.
  7. Lanze nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung eine das Lanzenrohr (1) konzentrisch umgebende Ringleitung (10) ist.
  8. Lanze nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückführung des entspannten Gas/Flüssigkeitsgemisches vom schmelzeseitigen Lanzenende (2) zum Auslaß (16) des Gemisches aus der Lanze eine die Druckleitung (10) konzentrisch umgebende zweite Ringleitung (14) vorgesehen ist.
  9. Lanze zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 4, mit einem zum schmelzeseitigen Lanzenende (2) hin geschlossenen Kühlkreislauf, gekennzeichnet durch zwei mit Anschlüssen (3,7) für eine Gas- und Flüssigkeitszufuhr verbundenen Druckleitungen (18,19), die zum getrennten Zuführen von Gas einerseits und Flüssigkeit andererseits zum schmelzeseitigen Lanzenende (2) hin ausgebildet sind und die im Bereich des schmelzeseitigen Lanzenendes (2) in Düsenanordnungen enden, durch die ein Gas/Flüssigkeitsgemisch in situ entsteht.
  10. Lanze nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitungen das Lanzenrohr (1) konzentrisch umgebende Ringleitungen (18,19) sind.
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