EP1560937B1 - Verfahren und vorrichtung zur kühlung von blaslanzen - Google Patents

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EP1560937B1
EP1560937B1 EP03779686A EP03779686A EP1560937B1 EP 1560937 B1 EP1560937 B1 EP 1560937B1 EP 03779686 A EP03779686 A EP 03779686A EP 03779686 A EP03779686 A EP 03779686A EP 1560937 B1 EP1560937 B1 EP 1560937B1
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EP
European Patent Office
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cooling
lance
vessel
blowing
cooling medium
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP03779686A
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English (en)
French (fr)
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EP1560937A1 (de
Inventor
Arno Luven
Andrzej Sakowicz
Werner Kircher
Revold Adamov
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Primetals Technologies Germany GmbH
Original Assignee
VAI Fuchs GmbH
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Publication date
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    • 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
    • F27D19/00—Arrangements of controlling devices
    • 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
    • C21C5/462—Means for handling, e.g. adjusting, changing, coupling
    • 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
    • C21C5/4673—Measuring and sampling devices
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/16—Introducing a fluid jet or current into the charge
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/16—Introducing a fluid jet or current into the charge
    • F27D2003/168—Introducing a fluid jet or current into the charge through a lance
    • F27D2003/169—Construction of the lance, e.g. lances for injecting particles

Definitions

  • the invention relates to a method for cooling of blow lances, which for treating located in metallurgical vessels molten metal, in particular of a possibly exposed to vacuum steel in RH vessels and / or for heating molten metal (optionally under vacuum) by means of a lifting device in the inside of the vessel is in and out and at least one inner guide tube for guiding gases, in particular oxygen, having a head end lance mouth for inflating the gas to the molten metal and has a extending over its length cooling jacket for carrying a cooling medium, as double-walled, an inner and an outer cooling channel exhibiting jacket tube is formed with a deflection tube in the region of the head end, wherein the metallurgical vessel is connected to the pressure reduction with a vacuum pump.
  • the invention further relates to a device for carrying out the aforementioned method, with a metallurgical vessel into which by means of a lifting device into the vessel interior and a lance can be brought out, which has at least one inner guide tube with a headendenden Lanzenmündung and a cooling jacket, which consists of a inner cooling channel and an outer cooling channel, which communicate via a deflection tube, and with a pump, by means of a vacuum connection, the metallurgical vessel is evacuated.
  • Blow lances of the aforementioned type are known in principle according to the prior art.
  • a cooling medium during the inflation of gases or solids on the molten steel water is used regularly, which is purged in a large volume flow under pressure to the lance head.
  • extremely high temperatures occur, leading to a gradual wear and / or Cracking at the lance head cause due to the wall thickness of the lance head cooling chambers is thinner until the walls soften with the result that it can lead to breakthroughs.
  • Escaping water then evaporates, exceeds the suction power of the vacuum pump and leads explosively to an overpressure in the recipient.
  • DE 199 48 187 C2 has proposed that the temperature detected by the temperature sensor arranged in the heat-conducting contact with the wall of the lance head should be via the water cooling and / or the oxygen supply and / or the addition of additives and / or the distance of the lance head is controlled by the molten bath.
  • Immersion tubes a siphon-like closure, which, since the introduction of pressure relief openings (expansion flaps) is not possible, may serve as the only pressure equalization holes.
  • pressure relief openings expansion flaps
  • a water ingress due to a defective oxygen lance in an RH vessel with subsequent expansion is likely to result in an expansion end pressure of approximately 14 ⁇ 10 5 Pa.
  • an explosion speed of 2 ⁇ 10 7 Pa / s and a pressure relief through the existing immersion tubes inevitably large amounts of liquid steel would be thrown into the plant environment.
  • It is an object of the present invention further develop the method of the type mentioned in that in the case of a cooling jacket leakage of the lance prevents the disadvantages described above and accordingly increases the safety of the operator and the entire system are protected. The same applies with regard to the device to be further developed.
  • the above object is achieved by the method according to claim 1.
  • the first measure is to use a gas as the cooling medium, which drastically reduces the amount of cooling medium released in the event of a lance defect.
  • Performed calculations show that in oxygen blowing processes under a pressure of 1 to 2 ⁇ 10 4 Pa in a RH vessel, a cooling steam flow rate of 1000 kg / h and a VCD operation under a pressure of 70 Pa to 4 ⁇ 10 3 Pa, a cooling steam flow of 360 kg / h are sufficient. This small amount of steam compared to water cooling can easily be sucked off the vacuum pump in the event of a lance crack or lance fracture without this being a dangerous one Expansion within the vessel arises.
  • the ratio of the suction power of the (vacuum) pump to the existing amount of steam is about 2: 1 to 6: 1, whereby a pressure development with expansion through the dip tubes is effectively avoided.
  • a further measure according to the invention consists in that the currently available suction power of the pump regulates the flow rate of the gas used as cooling medium. If the suction power of the pump drops or is low or lower for other reasons, the cooling gas flow is correspondingly minimized in order to design a sufficient ratio of the suction power of the pump to the amount of cooling gas ⁇ 1 to be extracted in the event of damage.
  • the momentarily available pump suction power additionally controls the lance feed, wherein the lance feed and the gas supply are preferably stopped immediately at a measured difference between the amount of gas supplied to the lance cooling and the discharged gas.
  • the first measure is used to prevent further damage to the lance by strong increase in temperature when approaching the BadLiteober Design.
  • the other measure ensures that only the currently located in the cooling jacket of the lance gas can flow out.
  • Superheated steam in particular water vapor overheated by 20 ° C. to 50 ° C.
  • the cooling gas used with steam is equivalent to any other cooling gas known in the prior art, here in particular nitrogen or argon. Due to the smaller volume required for cooling, the width of the cooling channels can be minimized.
  • the cooling medium is introduced into the inner cooling channel during the oxygen blowing and discharged via the outer cooling channel. This ensures that immediately following the greatest heat absorption of the superheated steam introduced as a cooling medium in the region of the outer cooling channel of the steam is led out again directly from the lance. Furthermore, there is the advantage that the oxygen fed in via the inner guide tube is heated due to the amount of steam passing along the inner guide tube and, to that extent, is already blown onto the molten steel in the vessel in the already heated state. This results in a lower temperature loss of the liquid steel, a more intense carbon reaction to be carried out by the oxygen blowing decarburization, a more intense aluminum reaction during chemical heating and improved oxygen efficiency and finally a lower oxygen consumption.
  • the water vapor is fed into the outer cooling channel of the cooling jacket and discharged after Kopfendiger deflection over the inner cooling channel. If, in this case, the ambient temperature of the lance is lower in comparison with the oxygen blowing, is ensured by this Wasserdampf arrangement in the cooling jacket that the water vapor first heats the region of the outer cooling channel, so that the cooling of the water vapor and concomitant condensation in the region of the cooling channels is avoided ,
  • the amount of to be introduced into the cooling jacket cooling medium, in particular water vapor, measured as a function of the outer jacket of the lance Temperature and / or the instantaneous lance position is regulated.
  • the lance is initially preheated in the starting mode without cooling, preferably by moving the lance into the already heated metallurgical vessel and only then the steam cooling is switched on.
  • the object is further achieved by the device according to claim 7, which controls the flow rate of the cooling medium according to the invention by a control unit for adjusting the flow rate of the gas used as the cooling medium as a function of the instantaneous lance position, the available suction power of the vacuum pump and the lance outer wall temperatures is marked.
  • the lance feed is adjusted via the control unit.
  • sensors are arranged on the lance head and on Blaslanzenmantel in longitudinal axial different distances, which are connected to the control unit. According to the measured temperatures, the flow rate of the cooling medium via the control unit can be increased or decreased.
  • a condensate separator is preferably provided, through which the cooling medium is guided before entry into the cooling duct of the lance.
  • the lance orifice is formed as a Laval nozzle.
  • the lance 10 known in principle according to the state of the art, has an inner guide tube 11 which terminates at the head end in a nozzle 20, preferably a Laval nozzle, as lance orifice 12. About this guide tube 11 is a gas, in particular oxygen supplied.
  • the guide tube 11 is surrounded by a cooling jacket 13 with an outer tubular cooling jacket tube 13 a, whose interior is divided by an inserted deflecting tube 14 in an inner guide tube 11 enclosing the inner cooling channel 15 and an outer cooling channel 16.
  • the deflection tube 14 does not extend in the head region of the lance 10 as far as the nozzle 20, so that here a deflection region 17 results as a connection between the inner cooling channel 15 and the outer cooling channel 16.
  • Each of the two cooling channels 15 and 16 is connected at the foot end of the lance to an associated opening 18, which is connected as an inlet or outlet depending on the desired cooling medium flow direction.
  • the inner surface of outer cooling jacket tube 13a facing cooling channel 16 is formed with ribs 19 projecting radially into cooling channel 16.
  • a cooling gas preferably supplied to 20 ° C to 50 ° C superheated steam.
  • a cross-circuit can be provided with regard to the admission of the inner cooling channel 15 and the outer cooling channel 16 for the supply and removal of the water vapor.
  • the supply of cooling steam via the connected to the inner cooling passage 15 opening 18, so that the water vapor long ago the inner guide tube 11 to the deflection region 17 of the cooling jacket 13 flows and from here via the outer cooling channel 16, which is above the tubular cooling jacket 13 in contact with the reaction chamber surrounding the lance of the vessel is discharged.
  • the lance is located between the treatment phases of individual batches in the upper parking position, then a significantly lower effect of heat on the outer cooling jacket 13 is given.
  • the steam is first blown into the outer cooling channel 16.
  • the water vapor is removed via the inner cooling channel 15 and its head-side outlet opening 18. The same applies in the case of a VCD operation.
  • start-up mode d. H. that at a cold lance, the lance 10 is first driven into the vessel 200 without steam cooling to preheat the lance.
  • the steam cooling is thus switched on only after preheating the lance.
  • the metallurgical vessel 200 is introduced with its dip tubes 21 in the poured into a pan 23 molten metal 29th
  • the treatment vessel 200 can be evacuated via a connecting piece 22 by means of a pump 30.
  • the lance drive 24 is connected to a control unit 27.
  • an encoder 25 is provided to determine the instantaneous lance position.
  • temperature sensors are provided on the lance casing in different longitudinal axial distances and at the lance mouth, of which in Fig. 3, only the temperature sensor 26 is located.
  • the temperatures measured by this sensor and the other temperature sensors are also transmitted to the control unit 27.
  • the control unit 27 regulates the introduced amount of cooling gas as a function of the suction power of the pump 30 and the temperatures measured via the existing temperature sensor via the controller 28.
  • flowmeters which determine the introduced and the executed cooling steam amount and send a signal to the control unit 27 in case of any deviations that are indicative of existing leaks. In the event of leakage, the further introduction of cooling gas and the lance feed are stopped or the lance is moved out of the vessel 200.
  • FIG. 4 shows a lance introduced into the vessel 200.
  • normal pressure prevails inside the vessel, ie the pump 30 is not in operation.
  • the guide tube 11 nor the cooling channels 15 and 16 are acted upon at the beginning with gas.
  • the vessel interior temperature T i is 1500 ° C.
  • the temperatures T 1 , T 2 , T 3 and T 4 measured at the lance within the first two minutes are shown in FIG. 8.
  • a temperature rise of up to 1060 ° C is measured on the head side of the lance.
  • the steam cooling is switched on by introducing steam at a temperature of 160 ° C. under 7 ⁇ 10 5 PA, the temperatures T 1 and T 2 measured at the lance head drop to 260 or 215 ° C.
  • the amount of steam delivered through the cooling channels 15 and 16 is then about 179 kg / h.
  • FIG. 5 shows the lance 10 in the oxygen blowing mode. Inside the vessel is a pressure of 2 ⁇ 10 4 Pa and a temperature T i of 1800 ° C. Through the guide tube 11 is oxygen in an amount of z. B. 1000 Nm 3 / h inflated. For lance cooling, steam is introduced under a pressure of 7 ⁇ 10 5 PA at a temperature of 160 ° C. The corresponding temperature curves T 1 , T 2 , T 3 , T 4 and the steam outlet temperature are shown in FIG. 9.
  • FIG. 6 shows a lance introduced into the vessel 200 in a VCD process, ie without oxygen supply via the guide tube 11.
  • the set pressure inside the vessel is between 70 Pa and 4 ⁇ 10 3 Pa.
  • the lance is cooled with steam (7x10 5 Pa, 160 ° C).
  • the inner vessel temperature T i is 1200 ° C
  • the amount of steam delivered through the cooling channels 15 and 16 is 360 kg / h.
  • the course of the temperatures T 1 to T 4 and the steam outlet temperature T Da is shown in FIG. 10.
  • the delivered amount of steam was 360 kg / h.
  • FIG. 7 shows the lance in an upper parking position.
  • the vessel 200 is immersed with its dip tube in the molten metal.
  • the measured lance temperatures rise within a short time from 20.degree. C. to 160.degree. C. or 200.degree. C., even though the admitted water vapor flow rate amounts to 1464 kg / h.
  • a difference measurement of the introduced amounts of steam and the exiting amounts of steam, in particular concerning flow and pressure measurements in the supply and discharge lines indicate immediately incurred lance leaks.
  • the vapor flow direction is reversed with a corresponding valve circuit.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Blaslanzen, die zum Behandeln von in metallurgischen Gefäßen befindlichen flüssigen Metallschmelzen, insbesondere von einem, gegebenenfalls im Vakuum ausgesetzten Stahl in RH-Gefäßen und/oder zum Heizen von Metallschmelzen (gegebenenfalls unter Vakuum) mittels einer Hubeinrichtung in das Gefäßinnere hinein- und herausführbar ist und die wenigstens ein inneres Leitrohr zum Führen von Gasen, insbesondere von Sauerstoff, mit einer kopfendigen Lanzenmündung zum Aufblasen des Gases auf die Metallschmelze besitzt und einen sich über ihre Länge erstreckenden Kühlmantel zur Durchführung eines Kühlmedium aufweist, der als doppelwandiges, einen inneren und einen äußeren Kühlkanal aufweisendes Mantelrohr mit einem Umlenkrohr im Bereich des Kopfendes ausgebildet ist, wobei das metallurgische Gefäß zur Druckabsenkung mit einer Vakuum-Pumpe verbunden ist.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, mit einem metallurgischen Gefäß, in das mittels einer Hubeinrichtung in das Gefäßinnere eine Blaslanze hinein- und herausführbar ist, die wenigstens ein inneres Leitrohr mit einer kopfendigen Lanzenmündung und einen Kühlmantel aufweist, der aus einem inneren Kühlkanal und einem äußeren Kühlkanal besteht, die über ein Umlenkrohr in Verbindung stehen, und mit einer Pumpe, mittels der über einen Vakuumanschluss das metallurgische Gefäß evakuierbar ist.
  • Blaslanzen der vorgenannten Art sind prinzipiell nach dem Stand der Technik bekannt. Als Kühlmedium während des Aufblasens von Gasen oder Feststoffen auf die Stahlschmelze wird regelmäßig Wasser verwendet, das in einem großen Volumenstrom unter Druck bis in den Lanzenkopf gespült wird. Insbesondere in dem auf die Stirnseite des Lanzenkopfes strahlenden Brennfleck auf der Badoberfläche treten extrem hohe Temperaturen auf, die zu einem allmählichen Verschleiß und/oder Rissbildung am Lanzenkopf führen, aufgrund dessen die Wandstärke der im Lanzenkopf befindlichen Kühlkammern dünner wird bis die Wände mit der Folge erweichen, dass es zu Durchbrüchen kommen kann. Austretendes Wasser verdampft dann, übersteigt die Saugleistung der Vakuum-Pumpe und führt explosionsartig zu einem Überdruck im Rezipienten.
  • Um einerseits die Gefahr eines Wasserdurchbruches einer in Betriebsstellung befindlichen Blaslanze zu vermeiden und andererseits die Lanze intensiv zu kühlen, ist bei einem anderen Verfahren, bei dem die Blaslanze in die Schmelze eingetaucht wird, in der DE 35 43 836 C2 vorgeschlagen worden, mit zwei im Wechsel zum Einsatz kommenden Blaslanzen zu arbeiten, die sowohl mit Kühlung als auch mit Kühlwasser gekühlt werden können. Von den beiden Blaslanzen wird nur die gerade in Blasstellung befindliche und in die Schmelze eintauchende Blaslanze mit Kühlluft gekühlt, während die sich gerade außerhalb der Schmelze befindende Blaslanze intensiv mit Kühlwasser gekühlt wird. Die abwechselnde Benutzung zweier Blaslanzen ist jedoch relativ aufwendig. Für eine wassergekühlte Blaslanze ist daher in der DE 199 48 187 C2 vorgeschlagen worden, dass die von dem im wärmeleitenden Kontakt mit der Wandung des Lanzenkopfes angeordneten Temperaturfühlers erfasste Temperatur über die Wasserkühlung und/oder die Sauerstoffzufuhr und/oder die Zugabe von Zuschlagstoffen und/oder den Abstand des Lanzenkopfes von dem Schmelzbad geregelt wird.
  • Der mit der Wasserkühlung von Blaslanzen verbundene Nachteil, dass es im Falle eines im Bereich des Kühlmantels der Lanze auftretenden Defektes (Bruch oder Riss) und eines damit verbundenen Eintritts von Wasser in den über der heißen Metallschmelze im Gefäß anstehenden Reaktionsraum zu einer schlagartigen und starken Expansion des freigesetzten Wassers als Wasserdampf kommt und einer möglichen Abspaltung von Wasserstoffgas (H2), ist damit jedoch nicht behoben. Insbesondere bei RH-Gefäßen, die nur ein geringes freies Gefäßvolumen besitzen, drohen bei Gefäßinnentemperaturen von bis zum 1800°C große Gefahren. Das durch die Lanze zirkulierende Kühlwasser mit einer Durchflussmenge von 30m3/h bis 50m3/h ist nämlich mit den nach dem Stand der Technik verfügbaren Vakuumpumpen nur zu einem geringen Teil absaugbar, wobei sich unter Zugrundelegung der vorstehend genannten Kühlwassermengen ein Verhältnis der Saugleitung zur im Durchbruchfall vorhandenen Dampfmenge zwischen 1:20 bis 1:100 beträgt. Apparativ bedingt bewirken in RH-Gefäßen die beiden in den Flüssigstahl eingetauchten
  • Tauchrohre einen siphonartigen Verschluss, die, da das Einbringen von Druckentlastungsöffnungen (Expansionsklappen) nicht möglich ist, unter Umständen als einzige Druckausgleichöffnungen dienen. Bei Verkettung unglücklicher Umstände ist bei einem Wassereinbruch durch eine defekte Sauerstofflanze in einem RH-Gefäß mit anschließender Expansion mit einem Expansionsenddruck von ca. 14×105 Pa zu rechnen. Bei einer Explosionsgeschwindigkeit von 2×107 Pa/s und einer Druckentlastung durch die vorhandenen Tauchrohre würden zwangsläufig große Flüssigstahlmengen in die Anlagenumgebung geschleudert.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass im Falle einer Kühlmantelleckage der Lanze die vorstehend beschriebenen Nachteile verhindert und demgemäß die Sicherheit des Bedienungspersonals erhöht und die gesamte Anlage geschützt sind. Entsprechendes gilt auch hinsichtlich der weiterzuentwickelnden Vorrichtung.
  • Die vorstehende Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die erste Maßnahme besteht darin, als Kühlmedium ein Gas zu verwenden, womit die bei einem Lanzendefekt freiwerdende Menge des Kühlmediums drastisch reduziert wird. Durchgeführte Berechnungen zeigen, dass bei Sauerstoffblasprozessen unter einem Druck von 1 bis 2×104 Pa in einem RH-Gefäß ein Kühldampfdurchfluss von 1000 kg/h und bei einem VCD-Betrieb unter einem Druck von 70 Pa bis 4×103 Pa ein Kühldampfdurchfluss von 360 kg/h ausreichen. Diese im Vergleich zur Wasserkühlung geringe Dampfmenge kann ohne weiteres bei einem Lanzenriss oder Lanzenbruch von der Vakuumpumpe abgesaugt werden ohne dass hierbei eine gefährliche Expansion innerhalb des Gefäßes entsteht. Das Verhältnis der Saugleistung der (Vakuum-) Pumpe zu der vorhandenen Dampfmenge beträgt ca. 2:1 bis 6:1, womit eine Druckentwicklung mit Expansion durch die Tauchrohre wirksam vermieden wird. Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme besteht darin, dass die momentan zur Verfügung stehende Saugleistung der Pumpe die Durchflussmenge des als Kühlmedium verwendeten Gases regelt. Fällt die Saugleistung der Pumpe ab oder ist sie aus anderen Gründen gering bzw. geringer, so wird der Kühlgasdurchfluss entsprechend minimiert, um ein ausreichendes Verhältnis der Saugleistung der Pumpe zu der im Schadensfall abzusaugenden Kühlgasmenge ≥ 1 zu gestalten.
  • Weiterentwicklungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben.
  • Nach einer Weiterentwicklung dieses Verfahrens regelt die momentan zur Verfügung gestehende Pumpensaugleistung zusätzlich den Lanzenvorschub, wobei vorzugsweise bei einer gemessenen Differenz zwischen der Menge des zur Lanzenkühlung zugeführten und des abgeführten Gases der Lanzenvorschub und die Gaszufuhr unmittelbar gestoppt werden. Die erste Maßnahme dient dazu, eine weitere Schädigung der Lanze durch starke Temperaturerhöhung beim Annähern an die Badspiegeloberfläche zu verhindern. Die andere Maßnahme bewirkt, dass nur die derzeit im Kühlmantel der Lanze befindliche Gasmenge ausströmen kann.
  • Vorzugsweise wird als Kühlmedium überhitzter Wasserdampf, insbesondere um 20°C bis 50°C überhitzter Wasserdampf verwendet. Für die Kühlung mit Wasserdampf gilt hinsichtlich der zu fördernden Volumenmenge entsprechendes wie für jedes andere nach dem Stand der Technik bekannte Kühlgas, hier insbesondere Stickstoff oder Argon. Aufgrund der geringeren Volumenmenge, die zur Kühlung erforderlich ist, kann auch die Breite der Kühlkanäle minimiert werden.
  • Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während des Sauerstoffaufblasens das Kühlmedium in den inneren Kühlkanal eingeleitet und über den äußeren Kühlkanal abgeführt. Hierdurch ist gewährleistet, dass unmittelbar im Anschluss an die größte Wärmeaufnahme des als Kühlmedium eingeleiteten überhitzten Wasserdampfes im Bereich des äußeren Kühlkanals der Wasserdampf unmittelbar aus der Lanze wieder herausgeführt wird. Ferner ergibt sich der Vorteil, dass der über das innere Leitrohr eingespeiste Sauerstoff aufgrund der am inneren Leitrohr entlangstreichenden Wasserdampfmenge aufgeheizt und insoweit in bereits aufgeheiztem Zustand auf die im Gefäß befindliche Stahlschmelze geblasen wird. Damit ergibt sich ein geringerer Temperaturverlust des flüssigen Stahls, eine intensivere Kohlenstoff-Reaktion bei durch das Sauerstoffaufblasen vorzunehmenden Entkohlungen, eine intensivere Aluminium-Reaktion beim chemischen Heizen sowie ein verbesserter Sauerstoff-Wirkungsgrad und schließlich ein geringerer Sauerstoffverbrauch.
  • Für den Fall, dass die Lanze zwischen den Behandlungsphasen im VCD-Betrieb sich in der oberen Parkstellung befindet, ist weiterhin vorgesehen, dass der Wasserdampf in den äußeren Kühlkanal des Kühlmantels eingespeist und nach kopfendiger Umlenkung über den inneren Kühlkanal abgeführt wird. Sofern dabei die Umgebungstemperatur der Lanze im Vergleich mit dem Sauerstoffblasbetrieb geringer ist, wird durch diese Wasserdampfführung im Kühlmantel sichergestellt, dass der Wasserdampf zunächst den Bereich des äußeren Kühlkanals aufheizt, so dass die Abkühlung des Wasserdampfes und eine damit einhergehende Kondensatbildung im Bereich der Kühlkanäle vermieden wird.
  • Zur Vermeidung einer Überhitzung des Kühlmantels und zur Optimierung der benötigten Kühlmedium-Menge bei den unterschiedlichen Lanzenstellungen und Betriebsbedingungen ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Menge des in den Kühlmantel einzuleitenden Kühlmediums, insbesondere Wasserdampfes, in Abhängigkeit der am Außenmantel der Lanze gemessenen Temperatur und/oder der momentanen Lanzenstellung geregelt wird.
  • Um zu vermeiden, dass im Kopfbereich der Lanze eine Kondensatbildung auftritt, wird die Lanze im Anfahrbetrieb zunächst ohne Kühlung vorgewärmt, vorzugsweise indem die Lanze in das bereits aufgeheizte metallurgische Gefäß gefahren wird und erst hiernach die Dampfkühlung eingeschaltet wird.
  • Bei der Verwendung von Wasserdampf wird dieser vorzugsweise unter einem Druck von mindestens 7×105 Pa unter einer Temperatur von 160°C bis 210°C als Kühlmittel zugeführt.
  • Die Aufgabe wird ferner durch die Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst, die erfindungsgemäß durch eine Regeleinheit zur Einstellung der Durchflussmenge des als Kühlmedium verwendeten Gases in Abhängigkeit der momentanen Lanzenstellung, der zur Verfügung stehenden Saugleistung der Vakuum-Pumpe und der Lanzenaußenwandtemperaturen die Durchflussmenge des Kühlmediums regelt, gekennzeichnet ist. Vorzugsweise wird über die Regeleinheit auch der Lanzenvorschub eingestellt.
  • Um die Temperaturbelastung der Lanze und damit die wesentlichen Verschleißeinflüsse besser erfassen zu können, sind am Blaslanzenkopf und am Blaslanzenmantel in längsaxial unterschiedlichen Abständen Messfühler angeordnet, die mit der Regeleinheit verbunden sind. Entsprechend der gemessenen Temperaturen kann die Durchflussmenge des Kühlmediums über die Regeleinheit vergrößert oder verkleinert werden. Um eine Kondensatbildung in den Kühlkanälen im Bereich des Lanzenkopfes zu vermeiden, ist vorzugsweise ein Kondensatabscheider vorgesehen, durch den das Kühlmedium vor Eintritt in den Kühlkanal der Blaslanze geführt wird.
  • Eine verbesserte Wärmeabfuhr kann gewährleistet werden, wenn die zum Kühlkanal gerichtete innere Oberfläche des äußeren Kühlmantelrohres radial in den Kühlkanal vorstehende Rippen aufweist.
  • Vorzugsweise wird die Lanzenmündung als Laval-Düse ausgebildet.
  • Weitere Vorteile der Erfindung sowie Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Querschnittsansicht einer Blaslanze,
    Fig. 2
    die Lanze gemäß Fig. 1 in einem Schnitt nach Linie II-II in Fig. 1,
    Fig. 3
    eine Querschnittsansicht eines RH-Gefäßes mit eingefahrener Lanze einschließlich Steuereinheit in einer schematischen Darstellung,
    Fig. 4 bis 7
    jeweils Querschnitte von RH-Gefäßen mit unterschiedlichen Lanzenstellungen bzw. in unterschiedlichen Betriebszuständen und
    Fig. 8 bis 11
    jeweils Zeit-Temperatur-Diagramme der unter Prozessbedingungen gemäß Fig. 4-7 errechneten Temperaturen.
  • Die prinzipiell nach dem Stand der Technik bekannte Lanze 10 besitzt ein inneres Leitrohr 11, das kopfendig in einer Düse 20, vorzugsweise einer Laval-Düse, als Lanzenmündung 12 endet. Über dieses Leitrohr 11 ist ein Gas, insbesondere Sauerstoff zuführbar. Das Leitrohr 11 ist von einem Kühlmantel 13 mit einem äußeren rohrförmigen Kühlmantelrohr 13a umgeben, dessen Innenraum durch ein eingesetztes Umlenkrohr 14 in einen das innere Leitrohr 11 umschließenden inneren Kühlkanal 15 und in einen äußeren Kühlkanal 16 unterteilt ist. Das Umlenkrohr 14 reicht im Kopfbereich der Lanze 10 nicht bis an die Düse 20 heran, so dass sich hier ein Umlenkbereich 17 als Verbindung zwischen dem inneren Kühlkanal 15 und dem äußeren Kühlkanal 16 ergibt. Jeder der beiden Kühlkanäle 15 und 16 ist an dem Fußende der Lanze an eine zugeordnete Öffnung 18 angeschlossen, die je nach gewünschter Kühlmediumflussrichtung als Einlass oder Auslass geschaltet wird.
  • Wie in Figur 2 dargestellt, wird zur Verbesserung der Wärmeübertragung auf das den Kühlmantel durchströmende Kühlmedium die zum Kühlkanal 16 gerichtete innere Oberfläche des äußere Kühlmantelrohres 13a mit radial in den Kühlkanal 16 vorstehenden Rippen 19 ausgebildet.
  • Zur Kühlung der Lanze in deren möglichen Betriebszuständen, auf die später noch eingegangen wird, wird über die Kühlkanäle 15 und 16 des Kühlmantels 13 ein Kühlgas, vorzugsweise um 20°C bis 50°C überhitzter Wasserdampf zugeführt.
  • Zur Vermeidung von Kondensatbildungen in den Kühlkanälen des Kühlmantels der Lanze kann eine Kreuzschaltung hinsichtlich der Beaufschlagung des inneren Kühlkanals 15 bzw. des äußeren Kühlkanals 16 für die Zufuhr und Abfuhr des Wasserdampfes vorgesehen sein. So erfolgt beispielsweise bei höchster Lanzen-Wärmebelastung im Sauerstoffblasbetrieb die Zufuhr des Kühldampfes über die mit dem inneren Kühlkanal 15 verbundene Öffnung 18, so dass der Wasserdampf längst des inneren Leitrohres 11 bis zum Umlenkbereich 17 des Kühlmantels 13 strömt und von hier aus über den äußeren Kühlkanal 16, der über den rohrförmigen Kühlmantel 13 in Kontakt mit dem die Lanze umgebenden Reaktionsraum des Gefäßes steht, abgeführt wird. Befindet sich dagegen die Lanze zwischen den Behandlungsphasen einzelner Chargen in der oberen Parkstellung, so ist damit eine wesentlich geringere Wärmeeinwirkung auf den äußeren Kühlmantel 13 gegeben. In diesem Fall wird der Wasserdampf zunächst in den äußeren Kühlkanal 16 eingeblasen. Der Wasserdampf wird über den inneren Kühlkanal 15 und dessen kopfseitige Auslassöffnung 18 abgeführt. Entsprechendes gilt auch im Falle eines VCD-Betriebes.
  • Das gleiche gilt im Anfahrbetrieb, d. h. dass bei einer kalten Lanze, die Lanze 10 zunächst ohne Dampfkühlung in das Gefäß 200 hineingefahren wird, um die Lanze vorzuwärmen. Die Dampfkühlung wird somit erst nach Vorwärmung der Lanze aufgeschaltet.
  • Wie im einzelnen Figur 3 entnommen werden kann, wird das metallurgische Gefäß 200 mit seinen Tauchrohren 21 in die in eine Pfanne 23 eingefüllte Metallschmelze 29 eingeführt. Das Behandlungsgefäß 200 ist über einen Anschlussstutzen 22 mittels einer Pumpe 30 evakuierbar. Ebenso wie die Pumpe 30 ist auch der Lanzenantrieb 24 mit einer Regeleinheit 27 verbunden. Zur Feststellung der momentanen Lanzenstellung ist ein Encoder 25 vorgesehen.
  • Ebenso sind am Lanzenmantel in unterschiedlichen längsaxialen Abständen sowie an der Lanzenmündung Temperaturfühler vorgesehen, von denen in Fig. 3 lediglich der Temperaturfühler 26 eingezeichnet ist. Die von diesem Fühler sowie den anderen Temperaturfühlern gemessenen Temperaturen werden ebenfalls der Regeleinheit 27 übermittelt. Die Regeleinheit 27 regelt in Abhängigkeit der Saugleistung der Pumpe 30 sowie der über die vorhandenen Temperaturfühler gemessenen Temperaturen über den Regler 28 die eingeführte Kühlgasmenge. Nicht im einzelnen dargestellt sind Durchflussmessgeräte, welche die eingeführte sowie die ausgeführte Kühldampfmenge feststellen und bei etwaigen Abweichungen, die Indiz für vorhandene Leckagen sind, ein Signal an die Regeleinheit 27 senden. Im Leckagefall wird die weitere Kühlgaseinleitung sowie der Lanzenvorschub gestoppt bzw. das Herausfahren der Lanze aus dem Gefäß 200 eingeleitet.
  • Figur 4 zeigt eine in das Gefäß 200 hineingeführte Lanze. Im dargestellten Zustand herrscht im Gefäßinneren Normaldruck, d. h. die Pumpe 30 ist nicht in Betrieb. Weder das Leitrohr 11 noch die Kühlkanäle 15 und 16 sind zu Beginn mit Gas beaufschlagt. Unter diesen Voraussetzungen beträgt in einem konkreten Anwendungsfall die Gefäßinnenraumtemperatur Ti 1500°C. Die hierbei innerhalb der ersten zwei Minuten an der Lanze gemessenen Temperaturen T1, T2, T3 und T4 sind Fig. 8 zu entnehmen. Im konkreten Anwendungsfall wird an der Kopfseite der Lanze ein Temperaturanstieg bis 1060°C gemessen. Wird nach zwei Minuten die Dampfkühlung durch Einlassen von Wasserdampf mit einer Temperatur von 160°C unter 7×105 PA aufgeschaltet, sinken die an dem Lanzenkopf gemessenen Temperaturen T1 und T2 auf 260 bzw. 215°C ab. Die durch die Kühlkanäle 15 und 16 geförderte Dampfmenge beträgt dann ca.179 kg/h.
  • Figur 5 zeigt die Lanze 10 im Sauerstoffblasbetrieb. Im Gefäßinneren liegt ein Druck von 2×104 Pa und eine Temperatur Ti von 1800°C an. Durch das Leitrohr 11 wird Sauerstoff in einer Menge von z. B. 1000 Nm3/h aufgeblasen. Zur Lanzenkühlung wird Wasserdampf unter einem Druck von 7×105 PA mit einer Temperatur von 160°C eingeführt. Die entsprechenden Temperaturverläufe T1, T2, T3, T4 und die Dampfaustrittstemperatur sind Fig. 9 zu entnehmen.
  • Figur 6 zeigt eine in das Gefäß 200 eingeführte Lanze in einem VCD-Prozess, d. h. ohne Sauerstoffzufuhr über das Leitrohr 11. Der eingestellte Druck im Inneren des Gefäßes liegt zwischen 70 Pa und 4×103 Pa. Die Lanze wird mit Wasserdampf (7x105 Pa, 160°C) gekühlt. Die Gefäßinnentemperatur Ti beträgt 1200°C, die durch die Kühlkanäle 15 und 16 geförderte Dampfmenge 360 kg/h. Der Verlauf der Temperaturen T1 bis T4 sowie der Dampfaustrittstemperatur TDa ist Fig. 10 zu entnehmen. Die geförderte Dampfmenge betrug 360 kg/h.
  • Figur 7 zeigt die Lanze in einer oberen Parkposition. Das Gefäß 200 ist mit seinen Tauchstutzen in die Metallschmelze eingetaucht. Wie Fig. 11 zu entnehmen ist, steigen die gemessenen Lanzentemperaturen binnen kurzer Zeit von 20°C auf 160°C bzw. 200°C, obwohl die eingelassenen Wasserdampfdurchflussmenge 1464 kg/h beträgt.
  • Die jeweils vorstehend beschriebenen und untersuchten Betriebssituationen zeigen, dass bei einem Sauerstoffblasprozess, der unter einem Druck von 0,5 ×104 bis 2 × 104 PA betrieben wird, ein Kühldampfdurchfluss von 1000 kg/h und bei einem VCD-Betrieb unter einem Vakuum von 70 Pa bis 4×103 Pa, ein Kühldampfdurchfluss von 360 kg/h einzusetzen ist. Im Vergleich zur Wasserkühlung liegen deutlich geringere Dampfmengen an, die ohne weiteres bei einem Lanzenriss oder Lanzenbruch von der Vakuumpumpe gefahrlos abgesaugt werden können, d. h. ohne dass hierbei eine gefährliche Expansion innerhalb des Gefäßes 200 entsteht.
  • Eine Differenzmessung der eingelassenen Dampfmengen und der austretenden Dampfmengen, insbesondere betreffend Durchfluss und Druckmessungen in den Zuund Abführungsleitungen zeigen unmittelbar entstandene Lanzenleckagen an. Vorzugsweise wird zur Vermeidung einer Kondensatbildung bei einer Lanzenstellung in der oberen Position die Dampfdurchflussrichtung mit einer entsprechenden Ventilschaltung umgekehrt.

Claims (10)

  1. Verfahren zur Kühlung von Blaslanzen, die zum Behandeln von in metallurgischen Gefäßen befindlichen flüssigen Metallschmelzen, insbesondere von einem gegebenenfalls in einem Vakuum ausgesetzten Stahl in RH-Gefäßen und/oder zum Heizen von Metallschmelzen, gegebenenfalls unter Vakuum, mittels einer Hubeinrichtung in das Gefäßinnere hinein- und herausführbar sind und die wenigstens ein inneres Leitrohr zum Führen von Gasen oder Feststoffen, insbesondere von Sauerstoff, mit einer kopfendigen Lanzenmündung zum Aufblasen des Gases auf die Metallschmelze besitzen und einen sich über ihre Länge erstreckenden Kühlmantel zur Durchführung eines Kühlmediums aufweisen, der als doppelwandiges, einen inneren und einen äußeren Kühlkanal aufweisenden Mantelrohr mit einem Umlenkrohr im Bereich des Kopfendes ausgebildet ist, wobei das metallurgische Gefäß zur Druckabsenkung mit einer Pumpe verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die momentan zur Verfügung stehende Saugleistung der Pumpe den maximalen Durchfluss des als Kühlmedium verwendeten Gases begrenzt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die momentan zur Verfügung stehende Pumpsaugleistung die maximal zulässige Kühlgasdurchflussmenge, mittels Durchflussmessungen begrenzt und bei Überschreitung abschaltet.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Kühlmedium vorzugsweise überhitzter Wasserdampf, um 20°C bis 50°C überhitzt, verwendet wird und/oder dass während des Sauerstoffblasens das Kühlmedium in den inneren Kühlkanal eingeführt und über den äußeren Kühlkanal abgeführt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der zwischen den Behandlungsphasen eingestellten oberen Parkstellung der Blaslanze sowie beim VCD-Betrieb das Kühlmedium in den äußeren Kühlkanal eingespeist und über den inneren Kühlkanal abgeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchflussmenge des Kühlmediums in Abhängigkeit der am Außenmantel der Lanze gemessenen Temperatur und/oder der momentanen Lanzenstellung geregelt wird, wobei vorzugsweise die Lanze im Anfahrbetrieb zunächst ohne Kühlung vorgewärmt wird, vorzugsweise indem die Lanze in das bereits aufgeheizte metallurgische Gefäß gefahren wird und erst hiernach die Dampfkühlung eingeschaltet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wasserdampf unter einem Druck von mindestens 7×105 Pa unter einer Temperatur von 160°C bis 210°C als Kühlmittel zugeführt wird.
  7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem metallurgischen Gefäß (200), in das mittels einer Hubeinrichtung (24) in das Gefäßinnere eine Blaslanze (10) hinein- und herausführbar ist, die wenigstens ein inneres Leitrohr (11) mit einer kopfendigen Lanzenmündung (12) und einem Kühlmantel (13) aufweist, der aus einem inneren Kühlkanal (15) und einem äußeren Kühlkanal (16) besteht, die über ein Umlenkrohr (14) in Verbindung stehen, und mit einer Pumpe (30) mittels der über einen Vakuumanschluss (22) das metallurgische Gefäß (200) evakuierbar ist, gekennzeichnet durch eine Regeleinheit (27) zur Einstellung der Durchflussmenge des als Kühlmedium verwendeten Gases, wobei die Regeleinheit (27) in Abhängigkeit der momentanen Lanzenstellung, der Saugleistung der Vakuum-Pumpe und der gemessenen Lanzenaußenwandtemperaturen die Durchflussmenge des Kühlmediums regelt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Temperaturmessfühler am Blaslanzenkopf und am Blaslanzenmantel in längsaxialem Abstand angeordnet und mit der Regeleinheit (27) verbunden sind und/oder dass ein Kondensatabscheider vorgesehen ist, den das Kühlmedium vor Eintritt in den Kühlkanal (15, 16) durchläuft.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zum Kühlkanal (16) gerichtete innere Oberfläche des äußeren Kühlmantelrohres (13a) radial in den Kühlkanal (16) vorstehende Rippen (19) aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanzenmündung als Laval-Düse (20) ausgebildet ist.
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