EP1599610B1 - Gasspülelement und zugehörige gasspüleinrichtung - Google Patents

Gasspülelement und zugehörige gasspüleinrichtung Download PDF

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EP1599610B1
EP1599610B1 EP04717036A EP04717036A EP1599610B1 EP 1599610 B1 EP1599610 B1 EP 1599610B1 EP 04717036 A EP04717036 A EP 04717036A EP 04717036 A EP04717036 A EP 04717036A EP 1599610 B1 EP1599610 B1 EP 1599610B1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas
element according
cross
rinsing element
distribution chamber
Prior art date
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Application number
EP04717036A
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English (en)
French (fr)
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EP1599610A2 (de
Inventor
Ewald Schumacher
Viktor Kchloponin
Edgar Schumacher
Hubert Brenner
Othmar MITLÖHNER
Vladimir Turovskij
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Techcom Import Export GmbH
Original Assignee
Techcom Import Export GmbH
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22D—CASTING OF METALS; CASTING OF OTHER SUBSTANCES BY THE SAME PROCESSES OR DEVICES
    • B22D1/00—Treatment of fused masses in the ladle or the supply runners before casting
    • B22D1/002—Treatment with gases
    • B22D1/005—Injection assemblies therefor
    • 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
    • C21C5/48—Bottoms or tuyéres of converters

Definitions

  • the invention relates to a refractory ceramic Gas Crowelement for a metallurgical melting vessel and an associated gas purging with such a Gas Crowelement.
  • Gas flushing elements of the type mentioned have been known for many years. They serve to inject gas, for example argon or nitrogen, into a metallurgical melt.
  • the gas has different purposes: With the gas, the molten metal can be homogenized. In addition, oxidation processes can be accelerated.
  • a goal of the gas treatment may also be the removal of non-metallic inclusions in the melt or a desulphurization or, for example, a molten steel.
  • Metallurgical melting vessels in which such gas purging elements are used are, for example, pans or ladle furnaces. Gas flushing elements of the type mentioned are also used for the vacuum treatment of a steel.
  • the gas is guided in each case between a first end, at which gas is supplied, and a second end, at which the gas is discharged into the melt, along the Gas Whyriis.
  • the passage of the gas through corresponding channels As a rule, the passage of the gas through corresponding channels.
  • channels can z. B. be formed by burnable materials directly in the ceramic material.
  • the channels can also be formed by tubes (tubes) that run in the ceramic material. These channels have different cross-sectional shapes.
  • the flow cross section is, for example, round or slit-like.
  • the channels can run directly, ie axially, but also like a labyrinth from one end to the other end.
  • Known Gas Getiga have, for example, a continuous circular cross-section.
  • truncated cone-like gas purging elements are known, which are used as so-called exchange rinse.
  • the gas purging elements can be used in a refractory framing block. This frame is part of the melting unit, such as an electric arc furnace or a Siemens Martin furnace.
  • These flushing elements are installed in particular in the bottom or the wall of the metallurgical melting vessel. Flushing elements in the bottom can be arranged so that the gas is injected more or less perpendicular to the surface of the soil in the melt.
  • the purge gas supply may be continuous or discontinuous. In any case, make sure that the gas flushing device is always functional when needed. This requires appropriate safeguards to z. B. blockages of gas-conducting channels by molten metal or slag to prevent.
  • US Pat. No. 4,539,043 A shows a gas purging element which consists of two separate purging units arranged on top of each other, each purging unit having, in the flow direction of the gas, a gas distribution chamber and adjoining gas passages.
  • the gas channels either all have the same diameter with values between 0.5 and 3 mm or the radially outer gas channels have a smaller diameter than the radially inner gas channels.
  • the invention has for its object to offer a gas purging element and an associated gas purging device, which have a high safety standard, allow a safe and regular gas supply into the molten metal and can fulfill the desired metallurgical functions unrestricted.
  • the invention proposes a refractory ceramic gas purging element for a metallurgical melting vessel having the features of claim 1.
  • the gas purging element is subdivided into several axially adjoining sections, continuous gas delivery is ensured from the first (so-called cold) end to the second (so-called hot) end.
  • the gas can be introduced via the gas supply pipe in the flushing element. It passes from there into the first gas distribution chamber, from where the gas subsequently flows through a plurality of capillary-like channels in the direction of the second end, before it enters a second gas distribution chamber. From there, the gas is passed through the mentioned larger channels to the second end of the gas purging element and out of this.
  • Such a gas flushing element has several security features:
  • the second gas distribution chamber serves as a "barrier" to prevent the further penetration of molten metal.
  • the gas distribution chamber has a larger cross-section than the sum of the gas channels, the infiltrating molten metal can spread, cool and solidify. Further advancement in the direction of the cold (first) end of the gas purging device is also prevented by connecting capillary channels at the other end of the second gas distribution chamber.
  • Each of these capillary channels is formed with a flow cross-section which is less than half the flow cross-section of the at least one gas channel in the region of the second end, so that in this respect the penetration of molten metal into the capillary channels is made even more difficult.
  • the gas channels in the region of the second end have an inner diameter> 2 mm or> 3 mm, while the inner diameter of the capillary channels ⁇ 1.0 mm is selected.
  • the gas purging element according to the invention offers a further securing device through the first gas distribution chamber, in which a similar effect is achieved as already described with reference to the second gas distribution chamber.
  • the invention provides a fourth safeguard.
  • This safety measure is to form the gas supply pipe opening into the first gas distribution chamber with a length greater than the axial distance between the first end of the gas purging element and the first gas distribution chamber.
  • the gas supply pipe should not run in a straight line, but at least one, preferably a plurality of curved (angled) portions to extend the flow path.
  • the gas supply pipe may be bent, for example helically, helically and / or meandering.
  • several "branches" of the flow path of the gas is extended on the one hand, which in principle does not bother, but also extends the way for any penetrating molten metal, which is thereby forced to cool and solidify.
  • the Gaszu Semi-Field may consist of a material which melts at a temperature below the temperature of a metallurgical melt to be treated. Should molten metal penetrate into this area, the gas feed tube would melt. If the gas feed tube, as provided according to a further embodiment, is packaged in a bulk material, then the molten metal can diffuse into this section of the gas purging element, ie branch, whereby the solidification behavior is once more accelerated. It goes without saying that the bulk material must be assembled in a corresponding outer receptacle (for example made of metal or dense ceramic), so that the melt does not diffuse radially in an uncontrolled manner. The receptacle is again surrounded by refractory material.
  • a corresponding outer receptacle for example made of metal or dense ceramic
  • the individual sections may have the same cross-sectional shape, for example be formed with a circular cross-section, so that a total for the gas purging element outer cylindrical shape results.
  • the individual sections can be connected to each other. However, all sections can also be assembled in a common refractory matrix.
  • the gas purging element can have a constant cross section over its entire length, for example a circular cross section. It is also possible to vary the cross section from the first to the second end, for example to reduce, so that a kind of truncated cone shape is formed. In this way, the gas purging element can be used in particular as an exchangeable fluid.
  • the associated gas purging device moves and / or rotate the gas purging element in the axial direction.
  • the gas purging device is designed with a corresponding drive.
  • This drive can be designed for alternating axial and / or rotating movement of the gas purging element.
  • the flushing element may be alternately moved axially back and forth by a few millimeters (for example +/- 3 mm) or rotated a few degrees in one direction or the other.
  • the drive can also be used to nachzuschieben the purging element in the axial direction, d. H. to advance in the direction of the melt, for example, when the flushing element is partially worn in the region of the first end.
  • the cross-section of the first and second gas distribution chamber should be larger than the sum of the cross-sectional areas of the subsequent capillary channels to a diffusion space for possibly To form penetrating melt and ensure gas supply into the capillaries or from the capillaries.
  • the flow cross-section (ie, the flow-effective cross section) of a capillary channel is at least 70%, 80% or 90% smaller than the flow cross-section of a gas supply tube at the first end or the flow cross-section of a gas channel at the second end.
  • the gas channels are slit-like at the second end, i. h., For example, they have a rectangular cross-section.
  • the gas channels may be formed with a triangular or drop-shaped flow cross-section. It has proven to be advantageous if the channels (tubes) are arranged with drop-like cross-sectional geometry so that the narrower end of the central longitudinal axis of the Gas Kunststoffiatas facing, as shown in the following description of the figures.
  • the gas distribution chambers can be formed in-situ in the ceramic matrix material of the gas purging element.
  • the gas distribution chambers can also be formed by metallic hollow chambers into which the associated gas channels or capillary channels open.
  • the capillary channels can be arranged essentially axially, that is to say in parallel and at a distance from one another, the gas passages can be arranged in different ways in the region of the second end of the flushing element:
  • an embodiment provides to arrange the channels distributed "symmetrically" across the cross section.
  • the individual channels can be arranged at the 6 o'clock, 10 o'clock and 14 o'clock positions as compared to a clock.
  • gas channels with circular cross-section or slit-like channels are selected, they can run along an imaginary line and at a distance from each other, this line z. B. in a dishwasher, which is installed in a wall of the vessel, runs horizontally.
  • the channels and chambers are always surrounded by refractory ceramic material (matrix material). This material can be cast or pressed. An outer covering is not necessary.
  • the ceramic flushing element can be installed in this way.
  • FIG. 1 shows a gas purging element according to the invention.
  • the structure of the gas purging element (from right to left) is as follows:
  • a gas supply pipe 5 opens at E1 in a first section 3, the end face of a steel plate 30 and the periphery of a steel tube 14 is limited.
  • the Gaszu Gen 29 5 continues behind the steel plate 30 helically, the helix through the Reference numeral 13 is shown.
  • the coil 13 extends in a space which is filled with a bulk material 15, for example based on expanded perlite, and is delimited at a distance from the steel plate 30 by a further steel plate 31, through which the coil 13 is passed.
  • the steel plate 31 is adjoined by a first gas distribution chamber 32, which is peripherally delimited by the elongated steel tube 14.
  • FIG. 1 In the flow direction of the gas follows a section 2, the cross section of Figure 4 shows.
  • a cylindrical frame 12 made of steel in extension of the tube 14 is a refractory ceramic material in which a plurality of capillary channels 10 extend in the axial direction of the flushing element.
  • the capillary channels (formed by steel tubes) have a circular cross section with an inner diameter of 0.5 mm.
  • Tubular body 13 and sheath 17 may be made of metal or refractory ceramic.
  • the gas which was passed through the second gas distribution chamber 16, then passes into gas channels 6, which in a ceramic matrix material 8 ( Figures 2, 3) axially and at a distance from each other extend, to the end face of the second end E2 of Gasteilettis.
  • FIG. 2 shows an alternative embodiment in which three gas channels 6 each have a teardrop shape, the gas channels 6 being arranged at 6 o'clock, 10 o'clock and 14 o'clock, as compared to a clock.
  • the orientation of the gas channels 6 is such that the narrower, more or less triangular-shaped end lies on the inside.
  • This section 1 of the flushing element is in turn limited by a metal tube 9 circumferentially.
  • the outer frames (pipe segments) of the individual sections, each consisting of ceramic or metal parts are mechanically connected to each other, wherein the end portions are designed step-like and have corresponding threads.
  • the flushing element shown in Fig. 1 is completely covered with refractory material. It is also possible to assemble the entire gas purging element within a continuous tubular casing or to dispense with the casing entirely. In this case, the gas distribution chambers 16, 32 and the various channels are formed within a ceramic matrix material.
  • Both the Gaszu Silicon Vietnamese Sea 5, and the capillary channels 10 and the gas channels 6 are formed by metal tubes, but can also in situ be formed, for example, in the production characterized in that in their place ausbrennbare materials are inserted with corresponding cross-sections, which are burned out later. This applies analogously to form cavities (Gasverteilhuntn) in the ceramic body.
  • the gas flows from the first end E1 through the adjoining portions to the gas outlet end, which is marked in Figure 1 with E2.
  • the filament 13 here consists of copper, ie a relatively low-melting metal.
  • the flushing element is guided in the axial direction by a plurality of bearings 18, 19. These are rolling bearings. Via a motor M and a gear 20, the tubular flushing element can be rotated, alternately to the left and right.
  • the drive is located on the outside of the melting vessel.
  • a gear 22 is shown, with the current oscillating movements (eg., Sinusoidal movements) can be transferred to the flushing element to move it in the axial direction, for example, by a few millimeters back and forth.
  • the current oscillating movements eg., Sinusoidal movements
  • gas purging element in a corresponding refractory frame in the bottom or the wall of a associated metallurgical vessel must be arranged, in the embodiments according to Figure 7 and 8 so that the rotational movement or axial movement of the flushing element can be ensured.
  • the refractory material of the wall or the bottom of the metallurgical vessel is symbolized in FIGS. 7 and 8 by the reference numeral 35.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein feuerfestes keramisches Gasspülelement für ein metallurgisches Schmelzgefäß sowie eine zugehörige Gasspüleinrichtung mit einem solchem Gasspülelement.
  • Gasspülelemente der genannten Art sind seit vielen Jahren bekannt. Sie dienen dazu, Gas, beispielsweise Argon oder Stickstoff, in eine metallurgische Schmelze einzublasen. Das Gas hat unterschiedliche Zwecke: Mit dem Gas kann die Metallschmelze homogenisiert werden. Darüber hinaus lassen sich Oxidationsprozesse beschleunigen. Ein Ziel der Gasbehandlung kann auch die Entfernung von nichtmetallischen Einschlüssen in der Schmelze oder eine Entschwefelung bzw. Entphosphorisierung beispielsweise einer Stahlschmelze sein.
  • Metallurgische Schmelzgefäße, in denen derartige Gasspülelemente eingesetzt werden, sind beispielsweise Pfannen oder Pfannenöfen. Auch zur Vakuumbehandlung eines Stahles werden Gasspülelemente der genannten Art verwendet.
  • Dabei wird das Gas jeweils zwischen einem ersten Ende, an dem Gas zugeführt wird, und einem zweiten Ende, an dem das Gas in die Schmelze abgegeben wird, entlang des Gasspülelementes geführt. In der Regel führt die Durchleitung des Gases über entsprechende Kanäle.
  • Diese Kanäle können z. B. durch ausbrennbare Stoffe direkt im keramischen Material ausgebildet werden. Die Kanäle können aber auch von Rohren (Röhrchen) gebildet werden, die im keramischen Material verlaufen. Diese Kanäle weisen unterschiedliche Querschnittsformen auf. Der Durchflussquerschnitt ist beispielsweise rund oder schlitzartig. Die Kanäle können direkt, also axial, aber auch labyrinthartig von einem Ende zum anderen Ende verlaufen.
  • Darüber hinaus ist es bekannt, am ersten Ende des Gasspülelementes oder im Gasspülelement selbst eine sogenannte Durchbruchsicherung anzuordnen. Eine solche Durchbruchsicherung dient dazu, eine Infiltration von Metallschmelze in das Gasspülelement zu stoppen.
  • Bekannte Gasspülelemente weisen beispielsweise einen durchgehenden Kreisquerschnitt auf. Darüber hinaus sind auch kegelstumpfartige Gasspülelemente bekannt, die als sogenannte Wechselspüler eingesetzt werden. Die Gasspülelemente können in einem feuerfesten Umrahmungsblock eingesetzt werden. Dieser Umrahmungsblock ist Bestandteil des Schmelzaggregates, beispielsweise eines Elektrolichtbogenofens oder eines Siemens-Martin-Ofens. Diese Spülelemente werden insbesondere im Boden oder der Wand des metallurgischen Schmelzgefäßes eingebaut. Spülelemente im Boden können so angeordnet werden, dass das Gas mehr oder weniger senkrecht zur Oberfläche des Bodens in die Schmelze eingedüst wird. Es ist aber auch bekannt, die Spülelemente geneigt anzuordnen, um das Gas zu einem bestimmten Punkt innerhalb der Schmelze zu führen. Das gleiche gilt für den Wandeinbau der Spülelemente. Der Einbau kann mehr oder weniger horizontal erfolgen, also senkrecht zur Innenwand des metallurgischen Gefäßes oder geneigt zur Horizontalen (zur SchmelzbadOberfläche).
  • Die Spülgaszuführung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. In jedem Fall ist sicherzustellen, dass die Gasspüleinrichtung immer dann funktionsfähig ist, wenn sie benötigt wird. Dies erfordert entsprechende Sicherungsmaßnahmen, um z. B. Verstopfungen der gasführenden Kanäle durch Metallschmelze oder Schlacke zu verhindern.
  • Daneben ist vor allem sicherzustellen, dass der bereits erwähnte Durchbruch der Metallschmelze verhindert wird.
  • In der US 4,539,043 A wird ein Gasspülelement gezeigt, welches aus zwei getrennten, aufeinander angeordneten Spüleinheiten besteht, wobei jede Spüleinheit, in Strömungsrichtung des Gases, eine Gasverteilkammer und daran anschließende Gaskanäle aufweist. Die Gaskanäle weisen entweder alle den gleichen Durchmesser mit Werten zwischen 0,5 und 3 mm auf oder die radial äußeren Gaskanäle haben einen kleineren Durchmesser als die radial innenliegenden Gaskanäle.
  • In Patent Abstracts of Japan Bd. 1996, No. 05, 31.05.1996, JP 8013019 A wird ein Spülelement vorgeschlagen, bei dem die gaseinlassseitigen Gaskanäle einen Durchmesser < 0,6 mm und die gasauslassseitigen Gaskanäle einen Durchmesser < 0,3 mm haben.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gasspülelement und eine zugehörige Gasspüleinrichtung anzubieten, die einen hohen Sicherheitsstandard aufweisen, eine sichere und regelmäßige Gaszuführung in die Metallschmelze erlauben und die gewünschten metallurgischen Funktionen uneingeschränkt erfüllen können.
  • Um dieses Ziel zu erreichen schlägt die Erfindung ein feuerfestes keramisches Gasspülelement für ein metallurgisches Schmelzgefäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor.
  • Ein solches Gasspülelement weist folgende Eigenschaften und Vorteile auf:
  • Obwohl das Gasspülelement in verschiedene, axial aneinander anschließende Abschnitte unterteilt ist, wird eine kontinuierliche Gasförderung vom ersten (sogenannten kalten) Ende zum zweiten (sogenannten heißen) Ende gewährleistet. So kann das Gas über das Gaszuführungsrohr in das Spülelement eingeleitet werden. Es gelangt von dort in die erste Gasverteilkammer, von wo aus das Gas anschließend durch mehrere kapillarartige Kanäle in Richtung auf das zweite Ende strömt, bevor es in eine zweite Gasverteilkammer gelangt. Von dort wird das Gas über die erwähnten größeren Kanäle bis zum zweiten Ende des Gasspülelementes und aus diesem heraus geführt.
  • Ein solches Gasspülelement weist mehrere Sicherheitsmerkmale auf:
  • Sollte es zu einer Infiltration von Metallschmelze in die Gaskanäle kommen, die vom zweiten Ende in Richtung auf das erste Ende verlaufen, so dient die zweite Gasverteilkammer als "Barriere", um das weitere Eindringen von Metallschmelze zu verhindern. Dadurch, dass die Gasverteilkammer einen größeren Querschnitt aufweist als die Summe der Gaskanäle kann sich die infiltrierende Metallschmelze ausbreiten, abkühlen und erstarren. Ein weiteres Vordringen in Richtung auf das kalte (erste) Ende der Gasspüleinrichtung wird auch dadurch verhindert, dass sich am anderen Ende der zweiten Gasverteilkammer kapillare Kanäle anschließen. Jeder dieser kapillaren Kanäle ist mit einem Durchflussquerschnitt ausgebildet, der weniger als die Hälfte des Durchflussquerschnitts des mindestens einen Gaskanals im Bereich des zweiten Endes beträgt, so dass schon insoweit das Eindringen von Metallschmelze in die kapillaren Kanäle zusätzlich erschwert wird.
  • Beispielsweise weisen die Gaskanäle im Bereich des zweiten Endes einen Innendurchmesser > 2 mm oder > 3 mm auf, während der Innendurchmesser der kapillaren Kanäle < 1,0 mm gewählt wird.
  • Aber selbst dann, wenn Metallschmelze in und durch die kapillaren Kanäle fließen sollte bietet das erfindungsgemäße Gasspülelement eine weitere Sicherungseinrichtung durch die erste Gasverteilkammer, in der ein ähnlicher Effekt erzielt wird wie bereits anhand der zweiten Gasverteilkammer beschrieben.
  • Schließlich sieht die Erfindung in einer Ausführungsform eine vierte Sicherungsmaßnahme vor. Diese Sicherungsmaßnahme besteht darin, das in die erste Gasverteilkammer einmündende Gaszuführrohr mit einer Länge auszubilden, die größer als der axiale Abstand zwischen dem ersten Ende des Gasspülelementes und der ersten Gasverteilkammer. Mit anderen Worten: Das Gaszuführrohr soll nicht geradlinig verlaufen, sondern mindestens einen, vorzugsweise mehrere gekrümmte (abgewinkelte) Abschnitte aufweisen, um den Strömungsweg zu verlängern. Dabei kann das Gaszuführrohr beispielsweise wendelartig, schraubenartig und/oder mäanderartig gebogen sein. Durch mehrere "Verzweigungen" wird der Strömungsweg des Gases einerseits verlängert, was prinzipiell nicht stört, aber auch der Weg für etwaig eindringende Metallschmelze verlängert, die dadurch gezwungen wird, abzukühlen und zu erstarren.
  • Dabei kann das Gaszuführrohr aus einem Material bestehen, das bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur einer zu behandelnden metallurgischen Schmelze aufschmilzt. Sollte also Metallschmelze in diesen Bereich eindringen würde das Gaszuführrohr aufschmelzen. Ist das Gaszuführrohr, wie nach einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, in einem Schüttgut konfektioniert, so kann die Metallschmelze in diesen Abschnitt des Gasspülelementes diffundieren, also sich verzweigen, wodurch das Erstarrungsverhalten noch einmal beschleunigt wird. Es ist selbstverständlich, dass das Schüttgut in einer entsprechenden äußeren Aufnahme (zum Beispiel aus Metall oder dichter Keramik) konfektioniert sein muss, damit die Schmelze nicht unkontrolliert radial diffundiert. Die Aufnahme ist wiederum von Feuerfestmaterial umgeben.
  • Soweit von Abschnitten entlang der Längsachse die Rede ist müssen diese nicht physisch getrennt sein. Der Begriff ist viel mehr funktional zu verstehen. So können die einzelnen Abschnitte eine gleiche Querschnittsform aufweisen, beispielsweise mit einem Kreisquerschnitt ausgebildet sein, so dass sich insgesamt für das Gasspülelement eine äußere Zylinderform ergibt. Die einzelnen Abschnitte können aneinander angeschlossen werden. Es können aber auch alle Abschnitte in einer gemeinsamen feuerfesten Matrix konfektioniert werden. Dabei kann das Gasspülelement über seine gesamte Länge einen konstanten Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen Kreisquerschnitt. Ebenso ist es möglich, den Querschnitt vom ersten zum zweiten Ende zu variieren, beispielsweise zu verringern, so dass eine Art Kegelstumpfform entsteht. Auf diese Weise kann das Gasspülelement insbesondere als Wechselspüler Verwendung finden.
  • Bei einem gleichbleibenden Querschnitt, insbesondere Kreisquerschnitt, bietet sich für die zugehörige Gasspüleinrichtung die Möglichkeit, das Gasspülelement in axialer Richtung zu bewegen und/oder zu drehen. Dazu ist die Gasspüleinrichtung mit einem entsprechenden Antrieb ausgebildet. Dieser Antrieb kann zur alternierenden axialen und/oder drehenden Bewegung des Gasspülelementes ausgebildet sein. Zum Beispiel kann das Spülelement alternierend um einige Millimeter (beispielsweise +/- 3 mm) axial vor und zurück bewegt werden oder um einige Winkelgrade in die eine bzw. andere Richtung gedreht werden. Der Antrieb kann auch dazu benutzt werden, das Spülelement in Axialrichtung nachzuschieben, d. h. in Richtung auf die Schmelze vorzuschieben, beispielsweise, wenn das Spülelement im Bereich des ersten Endes teilweise verschlissen ist.
  • Wie bereits erwähnt soll der Querschnitt der ersten und zweiten Gasverteilkammer größer sein als die Summe der Querschnittsflächen der anschließenden kapillaren Kanäle, um einen Diffusionsraum für etwaig eindringende Schmelze zu bilden und eine Gaszuführung in die Kapillaren bzw. aus den Kapillaren sicherzustellen.
  • Nach einer Ausführungsform ist der Durchflussquerschnitt (also der strömungstechnisch wirksame Querschnitt) eines kapillaren Kanals mindestens 70 %, 80 % oder 90 % kleiner als der Durchflussquerschnitt eines Gaszuführungsrohres am ersten Ende bzw. der Durchflussquerschnitt eines Gaskanals am zweiten Ende.
  • Nach einer Ausführungsform sind die Gaskanäle am zweiten Ende schlitzartig gestaltet, d. h., sie weisen beispielsweise einen Rechteckquerschnitt auf. Ebenso können die Gaskanäle mit einem dreieckförmigen oder tropfenartigen Durchflussquerschnitt ausgebildet sein. Dabei hat sich als günstig erwiesen, wenn bei tropfenartiger Querschnittsgeometrie die Kanäle (Röhrchen) so angeordnet werden, dass das schmalere Ende der Mittenlängsachse des Gasspülelementes zugewandt, wie auch in der nachfolgenden Figurenbeschreibung dargestellt.
  • Die Gasverteilkammern können in-situ im keramischen Matrixmaterial des Gasspülelementes ausgebildet werden. Die Gasverteilkammern können aber auch von metallischen Hohlkammern gebildet werden, in die die zugehörigen Gaskanäle bzw. kapillaren Kanäle einmünden.
  • Während die kapillaren Kanäle im wesentlichen axial, also parallel und mit Abstand zueinander angeordnet werden lassen sich die Gaskanäle im Bereich des zweiten Ende des Spülelementes auf unterschiedliche Art und Weise anordnen:
  • Beispielsweise bei Gaskanälen mit der erwähnten Tropfengeometrie sieht eine Ausführungsform vor, die Kanäle "symmetrisch" über den Querschnitt verteilt anzuordnen. Beispielsweise bei drei Kanälen können die einzelnen Kanäle - im Vergleich mit einer Uhr - auf der 6 Uhr, 10 Uhr und 14 Uhr Position angeordnet werden.
  • Bei einer anderen Ausführungsform, insbesondere wenn Gaskanäle mit Kreisquerschnitt oder schlitzartige Kanäle gewählt werden, können diese entlang einer gedachten Linie und mit Abstand zueinander verlaufen, wobei diese Linie z. B. bei einem Spüler, der in einer Wand des Gefäßes eingebaut wird, horizontal verläuft.
  • Die Kanäle und Kammern sind stets von feuerfestem keramischem Material (Matrixmaterial) umgeben. Dieses Material kann gegossen oder gepresst werden. Eine äußere Umhüllung ist nicht notwendig. Das keramische Spülelement kann so eingebaut werden.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Figuren zeichnerisch dargestellt, wobei die Zeichnungen zur besseren Illustration rein schematisch sind.
  • Dabei zeigen:
    • Figur 1:
    eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Gasspülelementes,
    Figur 2:
    einen Schnitt entlang der Linie A-A gemäß Figur 1,
    Figur 3:
    eine alternative Gestaltung zum Ausführungsbeispiel nach Figur 2,
    Figur 4:
    einen Schnitt entlang der Linie B-B in Figur 1,
    Figur 5:
    einen Schnitt C-C in Längsrichtung im Bereich des ersten Endes des Spülelementes mit angeschlossener erster Gasverteilkammer,
    Figur 6:
    einen Schnitt D-D in Längsrichtung durch die zweite Gasverteilkammer,
    Figur 7:
    eine Seitenansicht einer Gasspüleinrichtung mit einem Spülelement, welches auf Lagern geführt ist,
    Figur 8:
    eine Ansicht einer Gasspüleinrichtung mit einem Gasspülelement, welches über einen Antrieb axial bewegbar ist.
  • In den Figuren werden gleiche oder gleichwirkende Bauteile mit gleichen Bezugszeichen dargestellt.
  • In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Gasspülelement dargestellt. Der Aufbau des Gasspülelementes (von rechts nach links) ist wie folgt:
  • Ein Gaszuführrohr 5 mündet bei E1 in einen ersten Abschnitt 3, der stirnseitig von einer Stahlplatte 30 und umfangsseitig von einem Stahlrohr 14 begrenzt ist. Das Gaszuführrohr 5 setzt sich hinter der Stahlplatte 30 wendelartig fort, wobei die Wendel durch das Bezugszeichen 13 dargestellt ist. Die Wendel 13 verläuft in einem Raum, der mit einem Schüttgut 15, beispielsweise auf Basis von geblähtem Perlit, gefüllt ist und im Abstand zur Stahlplatte 30 durch eine weitere Stahlplatte 31 begrenzt wird, durch die die Wendel 13 hindurchgeführt ist.
  • An die Stahlplatte 31 schließt sich eine erste Gasverteilkammer 32 an, die umfangseitig durch das verlängerte Stahlrohr 14 begrenzt wird.
  • In Strömungsrichtung des Gases folgt ein Abschnitt 2, dessen Querschnitt Figur 4 zeigt. Innerhalb einer zylinderförmigen Umrahmung 12 aus Stahl (in Verlängerung des Rohres 14) befindet sich ein feuerfestes keramisches Material, in dem eine Vielzahl von kapillaren Kanälen 10 in Axialrichtung des Spülelementes verlaufen. Die kapillaren Kanäle (von Stahlröhrchen gebildet) weisen einen Kreisquerschnitt mit einem Innendurchmesser von 0,5 mm auf.
  • Das über das Gaszuführrohr 5 und die Wendel 13 über die erste Gasverteilkammer 32 geführte Gas strömt durch die Kapillaren 10 in eine anschließende erste Gasverteilkammer 16 (Figur 6), die innenseitig von einem Rohrkörper 33 begrenzt wird, der in einer äußeren Umhüllung 17 einliegt. Rohrkörper 13 und Umhüllung 17 können aus Metall oder feuerfester Keramik bestehen.
  • Das Gas, welches durch die zweite Gasverteilkammer 16 geführt wurde, gelangt anschließend in Gaskanäle 6, die in einem keramischen Matrixmaterial 8 (Figuren 2, 3) axial und mit Abstand zueinander verlaufen, und zwar bis zur Stirnfläche des zweiten Endes E2 des Gasspülelementes.
  • Gemäß Figur 2 sind drei Gaskanäle 6 mit Kreisquerschnitt entlang einer gedachten horizontalen Linie angeordnet. Jeder der Gaskanäle 6 weist einen Innenquerschnitt von 2 mm auf. Figur 3 zeigt eine alternative Ausführungsform, bei der drei Gaskanäle 6 jeweils eine Tropfenform aufweisen, wobei die Gaskanäle 6 - verglichen mit einer Uhr - bei 6 Uhr, 10 Uhr und 14 Uhr angeordnet sind. Die Ausrichtung der Gaskanäle 6 ist so, dass das schmalere, angenährt dreieckförmige Ende, jeweils innen liegt.
  • Dieser Abschnitt 1 des Spülelementes wird wiederum von einem Metallrohr 9 umfangsseitig begrenzt.
  • Die äußeren Umrahmungen (Rohrsegmente) der einzelnen Abschnitte, die jeweils aus Keramik- oder Metallteilen bestehen, sind untereinander mechanisch verbunden, wobei die Endabschnitte stufenartig gestaltet sind und korrespondierende Gewinde aufweisen. Das in Fig. 1 dargestellte Spülelement wird komplett mit Feuerfestmaterial ummantelt. Ebenso ist es möglich, das gesamte Gasspülelement innerhalb einer durchgehenden rohrförmigen Umhüllung zu konfektionieren oder aber auf die Umhüllung ganz zu verzichten. In diesem Fall werden die Gasverteilkammern 16, 32 und die verschiedenen Kanäle innerhalb eines keramischen Matrixmaterials ausgebildet.
  • Sowohl das Gaszuführrohr 5, als auch die kapillaren Kanäle 10 sowie die Gaskanäle 6 werden von Metallröhrchen gebildet, können aber ebenso in-situ ausgebildet werden, beispielsweise bei der Herstellung dadurch, dass an ihre Stelle ausbrennbare Werkstoffe mit entsprechenden Querschnitten eingelegt werden, die später ausgebrannt werden. Dies gilt analog, um Hohlräume (Gasverteilkammern) im keramischen Grundkörper auszubilden.
  • Das Gas strömt vom ersten Ende E1 durch die aneinander anschließenden Abschnitte bis zum gasaustrittseitigen Ende, welches in Figur 1 mit E2 gekennzeichnet ist.
  • Die Funktion des Spülelementes wurde bei der Erläuterung der Erfindung bereits beschrieben. Zu erwähnen ist noch, dass die Wendel 13 hier aus Kupfer besteht, also einem relativ niedrig schmelzenden Metall.
  • Gemäß Figur 7 wird das Spülelement in Axialrichtung von mehreren Lagern 18, 19 geführt. Dabei handelt es sich um Wälzlager. Über einen Motor M und ein Getriebe 20 kann das rohrförmige Spülelement gedreht werden, und zwar alternierend nach links und rechts. Der Antrieb liegt außen am Schmelzgefäß.
  • Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 8 ist ein Getriebe 22 dargestellt, mit dem laufende schwingende Bewegungen (z. B. sinusförmige Bewegungen) auf das Spülelement übertragen werden können, um dieses in Axialrichtung beispielsweise um jeweils einige Millimeter vor und zurück zu bewegen.
  • Es ist selbstverständlich, dass das Gasspülelement in einer entsprechenden feuerfesten Umrahmung im Boden oder der Wand eines zugehörigen metallurgischen Gefäßes angeordnet werden muss, und zwar bei den Ausführungsbeispielen gemäß Figur 7 und 8 so, dass die Drehbewegung bzw. axiale Bewegung des Spülelementes sichergestellt werden kann. Das feuerfeste Material der Wand bzw. des Bodens des metallurgischen Gefäßes ist in den Figuren 7 und 8 durch das Bezugszeichen 35 symbolisiert.

Claims (16)

  1. Feuerfestes keramisches Gasspülelement für ein metallurgisches Schmelzgefäß, mit funktional aufeinander folgenden Abschnitten (3, 2, 4, 1) zwischen einem ersten Ende (E1), an dem Gas zugeführt wird, und einem zweiten Ende (E2), an dem das Gas abgegeben wird:
    a) In das erste Ende E1 mündet mindestens ein Gaszuführungsrohr (5),
    b) das Gaszuführungsrohr (5) mündet in eine erste Gasverteilkammer (32);
    c) von der ersten Gasverteilkammer (32) verlaufen mehrere kapillarartige Kanäle (10) in Axialrichtung bis zu einer zweiten Gasverteilkammer (16),
    d) von der zweiten Gasverteilkammer (16) erstreckt sich mindestens ein Gaskanal (6) bis zum zweiten Ende (E2) des Gasspülelementes,
    e) die kapillaren Kanäle (10) weisen jeweils einen Durchflussquerschnitt auf, der mindestens 50 % kleiner ist als der Durchflussquerschnitt des mindestens einen Gaskanals (6) am zweiten Ende (E2).
  2. Gasspülelement nach Anspruch 1, dessen ersten und zweite Gasverteilkammer (32, 16) jeweils einen Querschnitt aufweist, der größer ist als die Summe der Querschnittsflächen der kapillaren Kanäle (10).
  3. Gasspülelement nach Anspruch 1, bei dem das in die erste Gasverteilkammer (32) einmündende Gaszuführrohr (5) eine Länge aufweist, die größer ist als der axiale Abstand zwischen dem ersten Ende (E1) und der ersten Gasverteilkammer (32).
  4. Gasspülelement nach Anspruch 3, bei dem das Gaszuführungsrohr (5) wendelartig, schraubenartig und/oder mäanderartig gebogen ist.
  5. Gasspülelement nach Anspruch 3, bei dem das Gaszuführungsrohr (5) aus einem Material besteht, das bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur einer zu behandelnden metallurgischen Schmelze aufschmilzt.
  6. Gasspülelement nach Anspruch 3, bei dem das Gaszuführungsrohr (5) in einem Schüttgut (15) einliegt.
  7. Gasspülelement nach Anspruch 1, bei dem die kapillaren Kanäle (10) jeweils einen Durchflussquerschnitt aufweisen, der mindestens 50 % kleiner ist als der Durchflussquerschnitt des Gaszuführrohres (5) am ersten Ende (E1).
  8. Gasspülelement nach Anspruch 1, bei dem die kapillaren Kanäle (10) jeweils einen Durchflussquerschnitt aufweisen, der mindestens 70 % kleiner ist als der Durchflussquerschnitt des Gaszuführrohres (5) am ersten Ende (E1) bzw. des Gaskanals (6) am zweiten Ende (E2).
  9. Gasspülelement nach Anspruch 1, bei dem die einzelnen, miteinander verbundenen Abschnitte (3, 2, 4, 1) jeweils in einem Rohr (14, 12, 17, 9) aus Stahl oder feuerfestem keramischen Material konfektioniert sind.
  10. Gasspülelement nach Anspruch 1, bei dem die Abschnitte (3, 2, 4, 1) in einem gemeinsamen Rohr aus Stahl oder feuerfestem keramischen Material konfektioniert sind.
  11. Gasspülelement nach Anspruch 1, bei dem der oder die Gaskanäle (6) am zweiten Ende (E2) einen schlitzartigen, dreieckförmigen oder tropfenartigen Durchflussquerschnitt aufweisen.
  12. Gasspülelement nach Anspruch 1 mit mehreren Gaskanälen (6) am zweiten Ende (E2), die sich mit Abstand zueinander entlang einer gedachten Linie zwischen der zweiten Gasverteilkammer (16) und dem zweiten Ende (E2) erstrecken.
  13. Gasspülelement nach Anspruch 1, das über seine gesamte Länge einen Kreisquerschnitt aufweist.
  14. Gasspülelement nach Anspruch 13, dessen Querschnitt sich vom ersten zum zweiten Ende (E1, E2) verringert.
  15. Gasspüleinrichtung mit einem Gasspülelement nach einem der Ansprüche 1 bis 14 und einem Antrieb (M) zur axialen und/oder drehbaren Bewegung des Gasspülelementes.
  16. Gasspüleinrichtung nach Anspruch 15, wobei der Antrieb (M) zur alternierenden Bewegung des Gasspülelementes ausgelegt ist.
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