EP2369019A1 - Düsenkopf für eine Blaslanze - Google Patents

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EP2369019A1 EP11157406A EP11157406A EP2369019A1 EP 2369019 A1 EP2369019 A1 EP 2369019A1 EP 11157406 A EP11157406 A EP 11157406A EP 11157406 A EP11157406 A EP 11157406A EP 2369019 A1 EP2369019 A1 EP 2369019A1
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lance
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    • 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
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    • C21C5/46—Details or accessories
    • C21C5/4606—Lances or injectors
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    • B22—CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22F—WORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
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    • B22F5/10—Manufacture of workpieces or articles from metallic powder characterised by the special shape of the product of articles with cavities or holes, not otherwise provided for in the preceding subgroups
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    • C22C1/0416—Aluminium-based alloys
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    • C22C29/14—Alloys based on carbides, oxides, nitrides, borides, or silicides, e.g. cermets, or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides based on borides
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    • F27D3/00—Charging; Discharging; Manipulation of charge
    • F27D3/18—Charging particulate material using a fluid carrier

Definitions

  • the invention relates to a lance with a nozzle head made of a high-temperature conductive material for inflating gases, in particular oxygen on molten metal.
  • Such lances are used, for example, in steel mills, which operate according to the oxygen inflation method, preferably according to the LD method.
  • the oxygen inflation method preferably according to the LD method.
  • accompanying elements contained in pig iron are oxidized by means of oxygen and removed as slag.
  • the oxygen is then inflated at a high speed onto the liquid pig iron in a converter. Due to the oxygen jets emerging from the lance head, the pig iron bath is intensively mixed and unwanted components such as carbon, phosphorus, sulfur, silicon, etc. are burnt.
  • the lance head is exposed inside oxygen pressures up to 15 bar and said high flow velocities. This requires absolutely smooth and geometrically absolutely correct contours in this area. On the outside, the lance head is exposed to radiant heat up to 2000 ° C and foamed slag containing iron up to 20%. These requirements, the lance head is exposed during the Aufblasdauer up to 20 minutes. Therefore, the lance head must be cooled by, for example, water.
  • the required amount of oxygen must be brought into contact as optimally as possible with the molten metal, for example the pig iron bath, via the nozzle outlet openings.
  • the lance head designed on the basis of the present operating data works optimally only as long as its nozzles, manufactured with high precision, retain their original shape determined by the laws of fluid mechanics. This applies in particular to the edges of the nozzle outlet openings.
  • the geometry of the nozzles, in particular Laval nozzles, is designed so that the gas jet emerges under fluidically perfect conditions. If it comes to so-called edge wear during operation, optimal working of the nozzles is no longer guaranteed.
  • edge wear is meant a more or less pronounced rounding or fraying of the originally sharp-edged nozzle outlet openings.
  • the consequences of such edge wear are primarily too high slagging of the iron and thus insufficient Stahlaustel and as a result to high wear on very expensive refractory material, so reducing the converter durability.
  • a lance head may therefore be metallurgically unsuitable and thus become uneconomical for the steel business, long before it must be replaced as a result of leaks in the water cooling system.
  • these vulnerable areas with a Layer thickness of about 5 microns with titanium nitride (TiN), titanium carbide (TiC) or Ti (N, C) covered.
  • the JP 8311524 A discloses a lance, in which for the protection of the lance head on the lance head fittings (tiles) with an edge length of max. 100 mm of zirconium oxide (ZrO 2 ) or aluminum oxide (Al 2 O 3 ) attached and the joints between the fittings are filled with a refractory material.
  • the object of the present invention starting from the described prior art is to form a lance with a nozzle head, in which the edge wear at the nozzle outlet openings is significantly reduced and the service life of Blaslanzendüsenkopfes is extended
  • the nozzle head of the lance is powder metallurgically made of a dispersion mixture with a high-temperature conductive metal as a base and a thermal and / or mechanical property improving additive material.
  • the thermal conductivity ⁇ of approx. 400 W / m • K of copper and the thermal conductivity ⁇ of approx. 220 W / m • K of aluminum would be significantly increased by the incorporation of carbon nanotubes.
  • the thermal load capacity is increased by the high sublimation point of the carbon nanotubes and the impact and tensile strength by this incorporation of carbon nanotubes, so that according to the invention the powder metallurgically manufactured nozzle head has a high wear resistance and an increase in the thermal conductivity.
  • the increase in wear resistance leads to a significant increase in the stand / operating times compared to the currently manufactured nozzle heads made of copper or copper alloys, thereby increasing the production time / amount and increasing the thermal conductivity leads to an increase in production and / or to reduce production costs.
  • the titanium diboride which can be incorporated alternatively to the carbon nanotubes, has only a thermal conductivity ⁇ of approx. 27 W / m ⁇ K lying below copper or aluminum.
  • the advantage of incorporating titanium diboride in the base metal copper or aluminum is due to its high melting point of about 2900 ° C, its chemical resistance and its high mechanical strength, in the same manner as in the storage of carbon nanotubes to an increase the wear resistance of the powder metallurgically manufactured nozzle heads leads, while an increase in the thermal conductivity is not possible by the titanium diboride.

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Abstract

Um eine Blaslanze mit einem Düsenkopf auszubilden, bei der der Kantenverschleiß an den Düsenaustrittsöffnungen erheblich reduziert und die Standzeit des Blaslanzendüsenkopfes verlängert ist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, den Düsenkopf der Blaslanze pulvermetallurgisch aus einem Dispersionsgemisch mit einem hochtemperaturleitfähigen Metall wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium als Basis und einem die thermische und und/oder die mechanische Eigenschaft des Basismetalls verbessernden Zusatzmaterial wie beispielsweise Kohlenstoff-Nanoröhren ( C arbon N ano T ubes = CNT) oder Titandiborid (TiB 2 ) herzustellen.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Blaslanze mit einem Düsenkopf aus einem hochtemperaturleitfähigen Material zum Aufblasen von Gasen, insbesondere von Sauerstoff auf Metallschmelzen.
  • Derartige Blaslanzen werden zum Beispiel in Stahlwerken eingesetzt, die nach dem Sauerstoff- Aufblasverfahren, vorzugsweise nach dem LD-Verfahren, arbeiten. Bei diesem Stahlherstellungsverfahren werden im Roheisen enthaltene Begleitelemente mit Hilfe von Sauerstoff aufoxidiert und als Schlacke entfernt. Der Sauerstoff wird dazu mit einer hohen Geschwindigkeit auf das in einem Konverter befindliche flüssige Roheisen aufgeblasen. Durch die aus dem Lanzenkopf austretenden Sauerstoffstrahlen wird das Roheisenbad intensiv durchmischt und unerwünschte Bestandteile wie Kohlenstoff, Phosphor, Schwefel, Silizium usw. werden verbrannt.
  • Der Blaslanzenkopf wird innenseitig Sauerstoffdrücken bis 15 bar und den genannten hohen Strömungsgeschwindigkeiten ausgesetzt. Das erfordert in diesem Bereich absolut glatte und geometrisch absolut richtige Konturen. Außenseitig wird der Blaslanzenkopf durch Strahlungshitze bis 2000 °C und durch aufgeschäumte Schlacke mit Eisengehalten bis zu 20 %, beaufschlagt. Diesen Anforderungen ist der Blaslanzenkopf während der Aufblasdauer bis zu 20 Minuten ausgesetzt. Daher muss der Lanzenkopf durch beispielsweise Wasser gekühlt werden.
  • Damit ein Blaslanzenkopf im Hinblick auf die Metallurgie des Stahlherstellungsprozesses in der gewünschten Weise arbeiten kann, muss die erforderliche Sauerstoffmenge möglichst optimal über die Düsenaustrittsöffnungen mit der Metallschmelze, zum Beispiel dem Roheisenbad, in Berührung gebracht werden. Der aufgrund der vorliegenden Betriebsdaten konzipierte Blaslanzenkopf arbeitet naturgemäß nur so lange optimal, wie seine mit hoher Präzision gefertigten Düsen ihre ursprüngliche, nach den Gesetzen der Strömungslehre bestimmte Form behalten. Dies gilt insbesondere für die Kanten der Düsenaustrittsöffnungen. Die Geometrie der Düsen, insbesondere Lavaldüsen, ist so ausgelegt, dass der Gasstrahl unter strömungstechnisch einwandfreien Bedingungen austritt. Kommt es während des Betriebes zum sogenannten Kantenverschleiß, ist ein optimales Arbeiten der Düsen nicht mehr gewährleistet. Unter Kantenverschleiß ist eine mehr oder weniger ausgeprägte Abrundung oder Ausfransung der ursprünglich scharfkantigen Düsenaustrittsöffnungen zu verstehen. Die Folgen eines solchen Kantenverschleißes sind in erster Linie zu hohe Verschlackung des Eisens und damit unzureichendes Stahlausbringen und als dessen Folge zu hoher Verschleiß an sehr teurem Feuerfestmaterial, also Verminderung der Konverterhaltbarkeit.
  • Ein Blaslanzenkopf kann also metallurgisch ungeeignet und damit für den Stahlwirtschaftsbetrieb unwirtschaftlich werden, lange bevor er in Folge von Undichtigkeiten im Wasserkühlsystem ausgewechselt werden muss.
  • Zur Erhöhung der Standzeiten einer Blaslanze für Konverter oder dergleichen wird in der JP 63206420 A vorgeschlagen, die Endbereiche der Düsenöffnungen mit hitzebeständigem Metall oder Keramik auszukleiden.
  • In der DE 101 02 854 C2 wird eine Sauerstoffblaslanze beschrieben, bei der die Düsenmündungen des Lanzenkopfes durch Mündungsringe aus einem feuerfesten Keramikmaterial, die in einer Umfangsfalz der Düsenmündung befestigt sind, verstärkt sind.
  • Um das Ankleben von schmelzflüssiger Schlacke im Bereich der Düsenöffnungen und der damit verbundenen Korrosion des Blaslanzenkopfes zu verhindern, werden gemäß der JP 61295313 A diese gefährdeten Bereiche mit einer Schichtdicke von ca. 5 µm mit Titannitrid (TiN), Titancarbid (TiC) oder Ti (N,C) überdeckt.
  • Die JP 8311524 A offenbart eine Blaslanze, bei der zum Schutz des Lanzenkopfes auf dem Lanzenkopf Formstücke (tiles) mit einer Kantenlänge von max. 100 mm aus Zirkonoxid (ZrO2) oder Aluminiumoxid (Al2O3) befestigt und die Fugen zwischen den Formstücken mit einer feuerfesten Masse gefüllt werden.
  • Schließlich ist aus der DE 33 22 556 A1 eine Blaslanze mit einem auswechselbaren Mundstück aus Zirkonoxid (ZrO2) bekannt.
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht ausgehend vom geschilderten Stand der Technik darin, eine Blaslanze mit einem Düsenkopf auszubilden, bei der der Kantenverschleiß an den Düsenaustrittsöffnungen erheblich reduziert und die Standzeit des Blaslanzendüsenkopfes verlängert wird
  • Die gestellte Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass der Düsenkopf der Blaslanze pulvermetallurgisch aus einem Dispersionsgemisch mit einem hochtemperaturleitfähigen Metall als Basis und einem die thermische und und/oder die mechanische Eigenschaft verbessernden Zusatzmaterial hergestellt ist.
  • Auf Grund der Eigenschaften von Kohlenstoff-Nanoröhren mit einer Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 6000 W/m•K und einem dem Grafit entsprechenden hohen Sublimationspunkt oberhalb von 3800 °C, einer geringen Dichte von 1,3 bis 1,4 g/cm3 sowie einer mechanischen Zugfestigkeit von bis zu 63 GPa (Stahl besitzt eine Zugfestigkeit von nur 2 GPa) sind durch eine gesteuerte Einlagerung bezüglich der Menge von Kohlenstoff-Nanoröhren als Zusatzmaterial in das Basismetall Aluminium bzw. Kupfer deren relevante Eigenschaften hinsichtlich ihrer Verwendung in Düsenköpfen wesentlich höher und gut einstellbar.
  • Die Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 400 W/m•K von Kupfer und die Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 220 W/m•K von Aluminium würde durch die Einlagerung von Kohlenstoff-Nanoröhren deutlich erhöht werden. Ebenso wird auch die thermische Belastbarkeit durch den hohen Sublimationspunkt der Kohlenstoff-Nanoröhren und die Schlag- und Zugfestigkeit durch diese Einlagerung von Kohlenstoff-Nanoröhren gesteigert, sodass erfindungsgemäß der pulvermetallurgisch gefertigte Düsenkopf eine hohe Verschleißfestigkeit und eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit aufweist. Die Erhöhung der Verschleißfestigkeit führt zu einer wesentlichen Steigerung der Stand-/Betriebszeiten gegenüber den zurzeit gefertigten Düsenköpfen aus Kupfer oder Kupferlegierungen und dadurch zur Steigerung der Produktionszeit/Menge und die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit führt zu einer Produktionssteigerung und/oder zur Verminderung der Produktionskosten.
  • Da Aluminium eine wesentlich niedrigere Dichte als Kupfer hat, besitzen die pulvermetallurgisch gefertigten Düsenköpfe aus Aluminium mit eingelagerten Kohlenstoff-Nanoröhren einen erheblichen Gewichtsvorteil, was zu konstruktiven Vorteilen in der Gesamtanlage führt.
  • Das alternativ zu den Kohlenstoff-Nanoröhren einlagerbare Titandiborid besitzt nur eine unterhalb von Kupfer bzw. Aluminium liegende Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 27 W/m•K. Der Vorteil einer Einlagerung von Titandiborid in das Basismetall Kupfer bzw. Aluminium ist begründet durch seinen hohen Schmelzpunkt mit ca. 2900 °C, seiner chemischen Beständigkeit und seiner hohen mechanischen Festigkeit, die in gleicher Weise wie bei der Einlagerung von Kohlenstoff-Nanoröhren zu einer Erhöhung der Verschleißfestigkeit der pulvermetallurgisch gefertigten Düsenköpfe führt, während eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit durch das Titandiborid nicht möglich ist.

Claims (5)

  1. Blaslanze mit Düsenkopf aus einem hochtemperaturleitfähigen Material zum Aufblasen von Gasen, insbesondere von Sauerstoff auf Metallschmelzen, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkopf der Blaslanze pulvermetallurgisch aus einem Dispersionsgemisch mit einem hochtemperaturleitfähigen Metall als Basis und einem die thermische und und/oder die mechanische Eigenschaft des Basismetalls verbessernden Zusatzmaterial hergestellt ist.
  2. Blaslanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsgemisch aus Aluminium als Basismaterial mit eingelagerten Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nano Tubes = CNT) als Zusatzmaterial besteht.
  3. Blaslanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsgemisch aus Aluminium als Basismaterial mit eingelagertem Titandiborid (TiB2) als Zusatzmaterial besteht.
  4. Blaslanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsgemisch aus Kupfer als Basismaterial mit eingelagerten Kohlenstoff-Nanoröhren (Carbon Nano Tubes = CNT) als Zusatzmaterial besteht.
  5. Blaslanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dispersionsgemisch aus Kupfer als Basismaterial mit eingelagertem Titandiborid (TiB2) als Zusatzmaterial besteht.
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