EP2882874B1

EP2882874B1 - Heisswindlanze

Info

Publication number: EP2882874B1
Application number: EP13737131.6A
Authority: EP
Inventors: Christian GÜNTHER; Michael Wahl
Original assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Current assignee: Primetals Technologies Austria GmbH
Priority date: 2012-08-08
Filing date: 2013-06-20
Publication date: 2019-08-07
Anticipated expiration: 2033-06-20
Also published as: EP2882874A1; DE102012016143A1; WO2014023372A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Heißwindlanze für den Einsatz in metallurgischen Prozessen, wie bpsw. der Stahlherstellung, mit welcher Heißwind oberhalb eines Schmelzbades eines Stahlkonverters einblasbar ist, welche aus einem äußeren Mantel, sowie mindestens einem inneren Mantel besteht, und zwischen dem äußeren und einem inneren Mantel zumindest ein mit Kühlmittel durchflossener Zwischenraum oder Kühlkanal angeordnet ist, gemäß Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Bei der Stahlherstellung in Reaktionsgefäßen, wie bspw. in Konvertern wird sowohl Roheisen als auch Schrott als Einsatzmaterial verwendet. Zusätzlich kann aber auch im sogenannten Direktreduktionsverfahren hergestellter Eisenschwamm in Form von DRI (Direct Reduced Iron) oder HBI (Hot Briquetted Iron) eingesetzt werden. Ein Beispiel hierfür ist aus der EP 1 920 075 B1 bekannt. Aus der WO 03/006693 A1 ist eine Gas-Injektionslanze bekannt, welche in einem Innenmantel und einen Außenmantel gekühlt wird. Die Gasinjektionslanze ist damit als solche zwar gut geschützt, aber es wird bei der Nutzung von Heißwind relativ viel Wärmeenergie auch aus dem Heißwind entzogen, was für die Gesamtenergiebilanz dann schlecht ist, wenn man mit hoher Schrottrate fahren will.
Ein weiteres Verfahren ist aus der DE 43 43 957 A1 bekannt, bei welchem in der Betriebsphase des Konverters Brennstoffe, Sauerstoff enthaltende Gase und Eisenrohstoffe, auch Schrott eingeführt werden, und die Reaktionsgase oberhalb der Schmelze im Gasraum des Konverters mit oxidierenden Gasen nachverbrannt werden. Die dabei entstehende Wärme wird auf die Schmelze übertragen. Zusätzlich wird über Bodendüsen Sauerstoff und/oder Brennstoffe zugeführt.
Soweit ist die Kombination der bodenseitigen Einblasung mit Sauerstoff sowie die Aufblasung von Heißwind auf die Schmelze als solche bekannt.
Unter Heißwind wird ein auf 1.200 °C (500 - 1.400 °C) aufgeheiztes sauerstoffhaltiges Gas verstanden. Das Gas ist typischerweise aus den Hauptkomponenten Sauerstoff, Stickstoff und Argon zusammengesetzt. Der Sauerstoffgehalt liegt im Bereich von normaler Luft (21%) und kann durch Anreicherung mit Sauerstoff aber Gehalte bis zu 35% oder sogar 50% aufweisen. Grundsätzlich könnte als Heißwind auch ein Synthesegas verstanden werden, das bspw. aus den Abgasen einer Verbrennungsreaktion eines Brennstoffs wie zum Beispiel Hochofengas, Koksgas, Konvertergas oder Erdgas oder eines anderen gasförmigen oder flüssigen Kohlenwasserstoffs mit Luft gewonnen wird. Der 02-Gehalt des Synthesegases lässt sich durch die Luftzahl der Verbrennung und eine ggfs. gleichzeitige Anreicherung der Verbrennungsluft mit Sauerstoff und/oder der Vermischung der Verbrennungsabgase mit reinem Sauerstoff einstellen.
Im Unterschied zu normalem Heißwind weist der hierbei erzeugte Heißwind Gehalte an CO2 und Wasser als Produkte der Verbrennung auf.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Heißwindlanze dahingend weiterzuentwickeln, dass Heißwind besonders effektiv, also unter möglichst geringen Temperaturverlusten in ein Reaktionsgefäß, bspw einen Stahlkonverter eingebracht werden kann, und die Lanze besser an diese Einsatzumgebung angepasst ist.
Die gestellte Aufgabe wird bei einer Heißwindlanze der gattungsgemäßen Art durch die kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 angegeben.
Eine entsprechende Verwendung einer solchen Lanze ist in Anspruch 13 angegeben.
Kern der Erfindung ist, dass der innere Mantel oder der innerste Mantel zumindest teilweise aus einem thermisch isolierenden weiteren Mantel, oder einem thermisch isolierenden Mantel besteht, oder mit einer thermisch isoliernden Schicht beschichtet ist. Damit wird die Heißwindlanze erheblich robuster und kann in Verfahren eingesetzt werden, bei denen die Reaktionsabläufe bspw beim Stahlerzeugungsprozess im Konverter ganz wesentlich durch die Anwendung von Heißwind beinflusst und optimiert werden. Durch die damit bewirkte Nachverbrennung und die Übertragung der hierbei freigesetzten Wärme auf das Schmelzbad wird die einsetzbare Schrottrate deutlich höher.
Die Heißluftnachverbrennung bedarf einer speziellen Vorrichtung zur Weiterleitung des Heißwinds aus der Heißwindquelle und zur Einleitung des Heißwinds in das Reaktionsgefäß, über eine entsprechende, hier erfindungsgemäß ausgestaltete Heißwindlanze.
Als Reaktionsgefäß kann ein Konverter verwendet werden, wie er aus der Stahlherstellung bekannt ist. Grundsätzlich lässt sich eine Nachverbrennung mit Heißwind auch in jedem anderen in der Metallurgie üblichen Reaktionsgefäß betreiben, wobei es unerheblich ist, ob die Wände des Gefäßes ganz, teilweise oder gar nicht mit Kühlwasser gekühlt werden.
Im Inneren eines metallurgischen Reaktionsgefäßes herrschen typischerweise Temperaturen von über 1.000 °C vor, wobei in der Gasphase auch Temperaturen von bis zu 2.000 °C erreicht werden können. Für einen dauerhaften Betrieb einer Einblaslanze im Bereich eines Reaktionsgefäßes, bspw. für metallurgische Reaktionen, oberhalb der flüssigen Badoberfläche ist es unabdingbar, die Einblaslanze, in diesem Fall also die Heißwindlanze intensiv mit Wasser zu kühlen. Die Wasserkühlung schützt die Heißwindlanze vor den im Oberraum des Reaktionsgefäßes vorherrschenden hohen Gastemperaturen. Die hohen Gastemperaturen gehen zu einem erheblichen Teil auf die im Reaktionsgefäß (bspw in einem Stahlkonverter) ablaufenden und ggfs. die Einblaslanze unterhaltenen idR exothermen Reaktionen zurück. Als solches sind wassergekühlte Lanzen an sich bekannt.
Bei einer Lanze in Rohr-Steg-Rohr Bauweise ist der wassergekühlte Mantel aus nebeneinander liegenden, Kühlwasser führenden Rohren aufgebaut, die untereinander mit schmalen, massiven Stegen verbunden sind. In der Regel werden je zwei nebeneinander liegende Rohre an einem Ende mit einem Krümmer verbunden, wobei die beiden anderen Enden jeweils mit einem Vorlauf- und einem Rücklaufsammler verbunden sind. Als Sonderfall dieser Ausführungsform ist eine Rohr-an-Rohr Bauweise eingeführt, bei der die Rohre ohne Steg direkt miteinander verschweißt werden.
Bei einer Ausführung der Lanze in Rohr-in Rohr Bauweise, werden drei Rohre mit immer geringer werdendem Durchmesser konzentrisch zueinander angeordnet. Hierdurch entsteht zwischen dem äußeren und den mittleren Rohr, sowie zwischen dem mittleren und dem inneren Rohr jeweils ein konzentrischer Zwischenraum. Verbindet man am einen Ende der Lanze das äußere mit dem inneren Rohr und verkürzt das mittlere Rohr, so entsteht eine Geometrie, bei der die beiden Zwischenräume als Vor- und Rücklauf für das Lanzenkühlwasser benutzt werden können. Um auch bei großer Lanzenlänge eine konzentrische Positionierung der drei ineinander verlaufenden Rohre zu gewährleisten, werden zwischen den Rohren Abstandshalter eingebracht. Oft sind diese Abstandhalter als in Längsrichtung auf dem jeweils dünneren Rohr aufgeschweißte schmale Stege ausgeführt.
Wesentliches Auslegungsmerkmal einer effizienten Wasserkühlung ist ein möglichst hoher Wärmeübertritt von der heißen Umgebungsatmosphäre im Reaktionsgefäß in das Kühlwasser hinein. Nur so ist ein gleichbleibend ausreichend niedriges Temperaturniveau an der Materialoberfläche des wassergekühlten Bauteils sicher gestellt. Zur Gewährleistung dieser Eigenschaften werden Wasserkühlungen so ausgelegt, dass sie vom Kühlwasser mit einer Fließgeschwindigkeit von 2m/s (1 bis 3 m/s) durchströmt werden.
Bei der hier vorliegenden technischen Aufgabe der Weiter- und Einleitung von Heißwind in ein Reaktionsgefäß findet in Bezug auf Schutz eines Wärmezutritts die beschriebene wassergekühlte Vorrichtung Anwendung.
Eine Besonderheit liegt nun darin, dass es sich bei Heißwind nicht um ein kaltes sondern ein typischerweise 1200 °C heißes Medium handelt. Weiterhin handelt es sich bei dem mit Heißwind betriebenen Prozess nicht immer um einen kontinuierlich ablaufenden Prozess, sondern insbesondere beim Konverterverfahren um einen Chargenprozess. Entsprechend werden die hierfür vorgesehenen Anlagenteile immer phasenweise mit Heißwind beaufschlagt, wodurch die Anlagenteile in den Prozesspausen regelmäßig auskühlen. Es ergibt sich ein ungleichmäßiges Lastprofil, welches zu einer erheblichen Temperaturwechselbeanspruchung (TWB) der beaufschlagten Anlagenteile führt. Hieraus ergibt sich auf der medienzugewandten Seite der Heißwindlanze ein besonderes Anforderungsprofil. Dies ist mit der vorliegenden Erfindung berücksichtigt.
Die Werkstoffoberfläche des von Heißwind durchströmten innersten der drei Rohre ist hoher thermischer, oxidativer sowie abrasiver Belastung ausgesetzt. Zum Schutz der dem Heißwind zugewandten Seite kann diese durch eine geeignete Beschichtung gegen die genannten Belastungen geschützt werden. Im Hinblick auf die erhebliche thermische Belastung wird man im Allgemeinen nur mit dünnen (< 10 µm) Schichten arbeiten können, da dickere Schichten aufgrund der im Vergleich zum Grundmaterial unterschiedlichen thermischen Ausdehnung zur Versprödung und Abplatzung neigen. Als Schichtsysteme kommen keramische Schichten, Überfangsschichten oder Auftragsschichten in Betracht, die sich mit den gängigen Auftragsverfahren, chemische Abscheidung aus der Gas- oder Dampfphase, thermisches Spritzen, Auftragsschweißen oder Auftrag von SolGel Systemen applizieren lassen, wobei die Schichten ggfs. noch durch einen thermischen Schritt (durch Aushärten, Eindiffundieren, Vernetzen, etc.) in ihrer Funktionsfähigkeit verbessert werden können.
Es hat sich gezeigt, dass sich durch den wassergekühlten Aufbau der Lanze ausreichend hohe Standzeiten beim Betrieb in Hochtemperatur Reaktionsgefäßen erreichen lassen. Überraschenderweise hat sich aber auch gezeigt, dass durch die Wasserkühlung auch ein erheblicher Wärmaustrag aus dem Heißwindstrom in die wassergekühlte Wand der Heißwindlanze erfolgt. Dieser Effekt wird insbesondere dadurch verstärkt, dass im Hinblick auf noch baulich handhabbare äußere Abmessungen die Lanze so ausgelegt werden muss, dass der Heißwind notgedrungen mit Geschwindigkeiten von 100 bis 300 m/s, vorzugsweise 150 m/s durch die Lanze strömt. Mit steigender Geschwindigkeit erhöht sich aber auch der Wärmeaustrag aus dem Heißwindstrom in dem Heißwindstrom zugewandte Wandung des innersten Lanzenrohrs.
Dem wird entgegengewirkt durch die erfindungsgemäße Bauform.
Die weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen stützen daher die obigen Ausführungen in erfindungsgemäßer Weise.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der innere Mantel oder der innerste Mantel zumindest auf der Innenseite mit einer Schutzschicht bzw Beschichtung versehen ist.
Zumindest auf der Innenseite des inneren Mantels weist die Lanze vorteilhaft noch eine gute Beständigkeit gegen Abrasion sowie auch gegen Korrosion auf. Dies ist insofern von Bedeutung, als die Strömungsgeschwindigkeit von Heißluft wegen der geringeren Dichte der Heißluft gegenüber Luft unter Normalbedingungen deutlich größer ist. Die mechanische Belastung des Innenmantels der Lanze aufgrund der Strömung der Heißluft ist dadurch größer als dies bei einer Sauerstofflanze der Fall ist, bei der der Sauerstoff im Wesentlichen in kaltem Zustand und in der Regel unter hohem Druck durch die Lanze gefördert wird.
Durch die thermisch isolierende Wirkung des Materials lässt sich vorteilhaft umsetzen, dass der äußere Mantel gegenüber den hohen Umgebungstemperaturen im Konverterbetrieb gekühlt wird. Dennoch lässt sich damit erreichen, dass die Heißluft, die durch den inneren Mantel strömt, allenfalls in geringem Maße gekühlt wird.
Dies hat sich als wichtig erwiesen, um die Heißluft mit einer möglichst hohen Temperatur in den Konverter einbringen zu können.
Bei dieser Ausgestaltung erweist es sich weiterhin als vorteilhaft, dass der von Wasser durchströmte Kühlkanal durch zwei Wände von dem Innenrohr der Lanze getrennt ist, durch das die Heißluft strömt. Durch die strömende Heißluft wird das Innenrohr mechanisch, thermisch und chemisch vergleichsweise stark beansprucht. Dies kann dazu führen, dass eventuell Risse im Mantel des Innenrohres auftreten. Durch die beschriebene Ausführungsform mit dem Zwischenmantel wird dann vorteilhaft erreicht, dass bei einer Beschädigung des Innenrohres durch die strömende Heißluft nicht sofort Kühlflüssigkeit in das Innere der Lanze gelangen kann und von dort mit der strömenden Heißluft in den Konverter gefördert wird. Bei der beschriebenen Ausgestaltung gelangt dann lediglich Heißluft in den Bereich zwischen dem inneren Mantel und dem Zwischenmantel. Da die Heißluft dort nicht weiter strömen kann mit der vergleichsweise großen Strömungsgeschwindigkeit, wird der Zwischenmantel dann auch nicht mehr mechanisch belastet.
Weiterhin ist ausgestaltet, dass der innere Mantel oder der innerste Mantel aus mehreren Schichten besteht, und dass zumindest die innerste dieser Schichten, nämlich Schicht aus einem abrasions- und/oder korrosionsbeständigen Werkstoff besteht.
Weiterhin ist ausgestaltet, dass der innere Mantel oder der innerste Mantel aus einem keramischen Werkstoff besteht oder mit demselben beschichtet ist.
Keramische Werkstoffe erfüllen auf vorteilhafte Weise die oben ausgeführten Anforderungen.
Daher ist vorteilhaft vorgesehen, dass das abrasions- und/oder korrosionsbeständige Material bzw der keramische Werkstoff an der an dem inneren oder innersten Mantel anhaftenden Seite mit einem temperaturbeständigen Haftvermittler oder Liner versehen ist.
Dabei ist der Haftvermittler oder Liner derart elastisch, dass er den Unterschied des Ausdehnungskoeffizienten des inneren oder innersten Mantels zum abrasions- und/oder korrosionsbeständigen Material bzw zum keramischen Werkstoff ausgleicht.
Eine besondere spezifische Ausgestaltung ist, dass das abrasions- und/oder korrosionsbeständige Material bzw der keramische Werkstoff aus einem Schichtsystem besteht, bei welchem die zum vom Heißwind beströmten Oberfläche aus einem dichten keramischen Werkstoff und die vom Heißwind abgewandte Oberfläche aus einem Keramikschaumwerkstoff besteht. Der Keramikschaumwerkstoff weist dabei eine höhere Elastizität auf, als der massiv ausgeführte Keramikwerkstoff.
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass die Beschichtung vergleichsweise dünn ist. Damit lässt sich das Gewicht der Lanze in Grenzen halten. Dies erweist sich insofern als vorteilhaft, weil die Lanze im laufenden Betrieb gegenüber dem Konverter in vertikaler Richtung bewegt werden muss. Eine geringe Schichtdicke erweist sich auch als vorteilhaft wegen der thermischen Wechselbeanspruchung der Heißluftlanze im Konverterbetrieb. Diese Wechselbeanspruchung liegt daran, dass vor dem Abstich des Konverters die Lanze herausgefahren wird. Damit wird die Förderung von Heißluft durch die Lanze beendet. Die Lanze kühlt dann ab, bis beim nächsten Konverterbetrieb wieder Heißluft durch die Lanze gefördert wird. Die Lanze wird dabei wieder entsprechend erwärmt.
Ein geeignetes Material für eine Beschichtung kann beispielsweise aus Al₂O₃, SiC, SiSiC oder einem Super-Alloy bestehen. Dieses Material kann beispielsweise aufgebracht werden durch Sputtern, elektrochemische oder elektrolytische Beschichtung, Flammspritzen, Anstrich vergleichbar einer Farbe oder auch durch Aufbringen einer Suspension, bei der die Flüssigkeit verdunstet und die Festkörperpartikel flächig die äußere bzw. innere Oberfläche des inneren Mantels der Lanze bedecken.
Dabei hat sich gezeigt, dass dieses keramische Material gute thermische Isolationseigenschaften (d.h. eine geringe Wärmeleitfähigkeit) aufweist. Das Material ist auch ausreichend mechanisch stabil (insbesondere gegenüber Abrasion) und hat eine ausreichende Schockfestigkeit gegenüber den auftretenden Temperaturschwankungen.
Es ist dabei zu beachten, dass der Betrieb intermittierend ist. Das bedeutet, dass nicht kontinuierlich Heißluft durch den inneren Mantel gefördert wird. Wenn der Konverter entleert wird und nach dem Entleeren vorbereitet wird, für den nächsten Erschmelzungsprozess, beispielsweise durch Entfernen von Schlacke aus dem Konverter, Erneuern bzw. Ausbessern der Feuerfestauskleidung des Stahlkonverters. Es wird während dieser Zeit die Heißwindquelle in Form eines Pebble Heaters wieder befeuert, um Wärme zu speichern für die Erzeugung von Heißluft für den nächsten Erschmelzungsprozess. Während dieser Zeit wird keine Heißluft durch die Lanze gefördert, so dass der innere Mantel der Lanze abkühlt. Mit Beginn des nächsten Erschmelzungsprozesses wird wiederum Heißluft durch den inneren Mantel der Lanze gefördert, so dass der innere Mantel dann wieder entsprechend hohen Temperaturen ausgesetzt ist.
Zur integrierten Kühlmittelführung ist angegeben, dass zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel ein wenigstens ein Zwischenmantel oder Zwischenraum angeordnet ist, und mit Kühlmittel durchflossen ist.
Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn der Raum zwischen dem äußeren Mantel und dem inneren Mantel evakuiert ist.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass zwischen dem äußeren Mantel und dem innersten Mantel ein Temperierungskanal angeordnet ist, welcher im Blasbetrieb des Heißwindes ebenfalls mit Heißwind durchströmbar ist.
Dabei kann es möglich sein, dass der innere Mantel auch auf seiner Außenseite durch die im Temperierungskanal strömende Heißluft auf einer hohen Temperatur gehalten wird. Die Heißluft, die durch den inneren Mantel durchströmt, wird dabei weitgehend ohne Abkühlung mit einer hohen Temperatur in den Konverter eingebracht.
Die Heißluft, die durch den Temperierungskanal strömt, wird bei dieser Ausgestaltung in gewissem Maße abgekühlt.
Diese durch den Temperierungskanal geströmte Heißluft kann über diffus verteilende Auslassdüsen an der Austrittsseite der Lanze in den Raum des Konverters oberhalb des Stahlbades eingebracht werden. Dabei muss durch die Ausgestaltung der Düsen vermieden werden, dass diese durch den Temperierungskanal geströmte Heißluft mit der Heißluft vermischt wird, die durch den inneren Mantel durchgefördert wurde. Ein Mischen dieser beiden Heißluftanteile würde dann im Ergebnis doch eine Erniedrigung der Heißlufttemperatur für den Prozess bedeuten.
Alternativ zur Einbringung der durch den Temperierungskanal geströmten Heißluft in den Gasraum des Konverters ist es auch möglich, den Temperierungskanal so auszugestalten, dass die Heißluft in dem Temperierungskanal in einem Kreislauf vom oberen Ende (Eintrittsende der Heißluft in die Lanze) zum unteren Ende (Lanzenkopf, Austrittsende der Heißluft aus der Lanze in den Konverter) strömt und von dort in dem Temperierungskanal wieder zurückgeführt wird, in Richtung des oberen Endes der Lanze. Von dort kann die Heißluft dann aus der Lanze herausgeführt und an die Umgebung abgegeben werden. Dazu wird diese aus dem Temperierungskanal ausströmende Heißluft vorteilhaft aus der Halle des Werkes herausgeführt. In den Konverter wird dann nur die Heißluft eingebracht, die durch den inneren Mantel der Lanze durchgefördert wurde.
Gerade bei dieser Ausgestaltung der Lanze wird es vorteilhaft auch möglich, bereits vor dem eigentlichen Erschmelzungsprozess in dem Konverter einen Aufwärmbetrieb der Leitungen zu realisieren, durch die die Heißluft beim Erschmelzungsprozess gefördert werden soll. Wenn der Pebble-Heater bereits aufgeheizt ist, wird dann vor dem eigentlichen Erschmelzungsprozess bereits Heißluft durch die Zuführleitung der Heißluft aus dem Pebble-Heater zur Lanze gefördert. Dabei ist vorteilhaft, dass der Bereich durch einen Schieber absperrbar ist, bei dem im Erschmelzungsprozess die Heißluft durch den inneren Mantel der Lanze in den Konverter eingebracht wird. In diesem Aufwärmbetrieb wird die Heißluft dann durch den Temperierungskanal gefördert und anschließend abgeführt. Dadurch werden vorteilhaft die Leitungen vorgewärmt, durch die im Erschmelzungsprozess die Heißluft dem Konverter zugeführt wird. Dadurch wird vorteilhaft vermieden, dass gerade zu Beginn des Erschmelzungsprozesses die Temperatur der Heißluft abgekühlt wird, weil die Heißluft in dieser Phase zunächst wieder Wärme an die Leitungen abgibt.
Es ist Teil der Erfindung, wenn der innerste Mantel in der Heißwindlanze schwimmend gelagert ist. Dies erweist sich als erforderlich, weil dadurch ein Wärmeaustausch zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel bzw. dem Zwischenmantel durch mechanische Befestigung und Kontaktierung vermieden wird. Ebenso wird dadurch erreicht, dass die mechanischen Spannungen innerhalb der Lanze reduziert werden. Durch den intermittierenden Betrieb, bei dem in Zeitspannen des Konverterbetriebs Heißluft durch die Lanze gefördert wird und in Phasen der Vorbereitung des nächsten Konverterbetriebs keine Heißluft durch die Lanze gefördert wird, unterliegt vor allen Dingen der innere Mantel der Lanze starken Temperaturschwankungen. Durch die Kühlung treten an dem äußeren Mantel nur vergleichsweise geringe Temperaturschwankungen auf. Im Hinblick auf die mechanischen Spannungen ist es daher erforderlich, wenn der innere Mantel schwimmend in der Lanze gelagert ist. Die Längenänderungen infolge der Temperaturänderungen führen dann nur zu einer geringeren mechanischen Belastung der Lanze, weil durch die schwimmende Lagerung die Längenänderung des inneren Mantels weitgehend unabhängig von der Längenänderung des äußeren Mantels erfolgen kann.
Um die hohen thermischen Längenausdehnungen bei den besagten hohen Temperaturen schadlos zuzulassen, ist weiter ausgestaltet, dass zumindest der innere oder der innerste Mantel entlang seiner Längsrichtung aus mehreren Teilstücken oder Muffen besteht, welche an den Berührungsstellen der einzelnen Teilstücke oder Muffen teilüberlappend ausgestaltet sind.
Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn in Strömungsrichtung der Heißluft das hintere Ende eines Teilstücks aufgeweitet ist zur Aufnahme des Endes des in Strömungsrichtung der Heißluft davor liegenden Teilstückes dient.
Durch diese Art der Verbindung der Teilstücke können die Längenänderungen bei den Temperaturschwankungen des inneren Mantels besser aufgenommen werden.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung, wenn der schwimmend gelagtere innerste Mantel der Heißwindlanze gegenüber dem wassergekühlten Mantelbereich mit einer Dämmschicht wie bspw Steinwolle versehen ist.
Grund dafür ist, dass der Wärmeübertrag durch Temperaturstrahlung aus dem innersten Mantel in den wassergekühlen Mantel insbesondere im Temperaturbereich oberhalb 800°C besonders effektiv behindert wird. Noch etwas weiter ausführen. Dem Grunde nach genügt sogar eine Temperaturabstrahlungsbehinderung in Form einer dünnen Schicht als eine Art Strahlungschirmung damit die Abfuhr von Energie aus dem Heißwind ins Kühlwasser starker unterbunden wird.
Weiterhin ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, dass die direkt mit dem Heißwind in strömender Verbindung stehende innerste Oberfläche oder Beschichtungsoberfläche strömungswiderstands- und/oder haftungsreduziert strukturiert oder mikrostrukturiert ist.
Es ist eine Verwendung einer Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 12, zum Einblasen von Heißwind oberhalb eines Stahbades und/oder eines Schrotthaufens, und/oder eines Haufwerkes in einem Stahlkonverter, vorgesehen. Die weiter oben beschriebene thermische Isolierung erweist sich gerade bei einem Prozess als vorteilhaft, bei dem bei der Erschmelzung Heißluft in den Konverter eingebracht wird. Bei dem verbreiteten Einbringen von reinem Sauerstoff bei der Erschmelzung von Stahl zum Frischen kommt es prozessbedingt nicht auf die Temperatur des Sauerstoffs an. Demgegenüber erweist sich die Anwendung einer der vorgenannten Ausgestaltungen einer Lanze aber gerade bei dem Einbringen von Heißluft in den Konverter als vorteilhaft.
Gegebenenfalls kann es bei einer Lanze nach den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen noch sinnvoll sein, die Innenfläche des inneren Mantels mit einem Oberflächenprofil zu versehen, um damit das Strömungsprofil zu verbessern. Dieses Oberflächenprofil kann beispielsweise nach Art einer Haifischhaut ausgelegt sein. Dieses Oberflächenprofil kann durch eine entsprechende Bearbeitung der Oberfläche hergestellt werden oder auch durch eine entsprechende Beschichtung.

Die Erfindung ist in einem Ausgestaltungsbeispiel dargestellt und nachfolgend kurz beschrieben

Figur 1 zeigt eine Heißwindquelle als sogenannten Pebble Heater 30. Der Pebble Heater ist eine spezielle Art eines Regenerators. Hier wird Kaltwind durch einen zuvor mit Brennergasfeuerung aufgeheizten Besatz aus Schüttgut geleitet, und als aufgeheizter Heißwind abgezogen.
Der Heißwindaustritt des Pebble Heater 30 oder Regenerators mündet in eine hier nicht weiter dargestellte Heißwindleitung, die mit der Heiwindlanze verbunden ist bzw in Aufblas-Betriebsposition mit der Heißwindleitung verbunden ist.
Da der Konverterbetrieb ein Chargenbetrieb ist, muss der Heißwind nur für die Zeit der betriebenen Charge zur Verfügung stehen. Zwischen den Chargen wird dann der Brenner im Pebble Heater betrieben, und dieser heizt den Besatz aus Schüttgutt in dieser Zeit wieder auf, bis wieder durch Kaltwindzuführung in den Pebble Heater für die nächste Konvertercharge Heißwind erzeugt wird.
Figur 2 zeigt die Heißwindlanze 10 in Betriebsposition, in welcher sie in einen Konverter 20 eingefahren ist. Im Konverterbetrieb werden zusätzlich über die Bodendüsen die oben im Text ausgeführten Komponenten zugegeben und auch Sauerstoff bodenseitig eingeblasen. Dabei gibt diese Darstellung die oben bereits gemachten Ausführungen wieder.
Der Prozess läuft dabei in der oben bereits beschriebenen Weise ab.
Figur 3 zeigt nunmehr die in Figur 2 dargestellte Heißwindlanze 10 in ihrem erfindungsgemäßen Schichtaufbau.
Das innerste Rohr stellt dabei in der Regel das sogenannte eigentliche Blasrohr dar. Figur 3 zeigt dabei lediglich eine Seite eines kurzen Abschnittes eine Längsschnittes durch die Heißwindlanze. Die gestrichelte Linie stellt die Mittelachse der Heißwindlanze dar. Die Wandung der Heißwindlanze 10 ist hier der Einfachheit halber nur auf einer Seite der Mittelachse dargestellt. Dennoch wird die Schicht- oder Mantelfolge von außen nach innen klar.
Der Aussenmantel 1 bildet hier zusammen mit dem inneren Mantel 2 einen Verbund mit einem Zwischenraum 3. Der Zwischraum 3 wird dabei als Kühlmantel ausgestaltet, welcher von einem Kühlmittel durchströmt wird. Dieser innere Mantel 2 kann dabei mit einer dünnen Schicht 41 beschichtet sein, die als Übergangsschicht zu einem weiteren inneren Mantel 42 dient. Dieser Mantel 42 kann dabei schon ein keramisches Rohr, oder ein keramisch beschichtetes Rohr sein. Das innerste Rohr bzw der innerste Mantel 45 kann als schwimmendes Rohr vorgesehen sein, und zumindest an der innersten Oberfläche wiederum mit einer korrosions- und/oder abrasionsbeständigen Schicht 46 versehen sein.
Der sich zwischen dem innersten schwimmend gelagerten Mantel oder Rohr 45 gegebene Zwischenraum 5 kann dabei auch mit Steinwolle, oder anderen thermisch gut isolierenden Werkstoffen gefüllt sein.
Ein Aufbau wie dieser folgt gleich mehreren Maßgaben zugleich, nämlich erfolgt zum einen einer guten thermischen Isolation von innen nach außen, sodass der Heißwind nicht schon in der Heißwindlanze abkühlt, und zum anderen bewirkt das Beschichtungssystem, dass eine gute Korrosions- und Abrasionsfestigkeit entsteht.
Insbesondere die schwimmende Lagerung des innersten Rohres oder Mantels 46 lässt unterschiedliche thermisch bedingte Längenausdehnungen unterschiedlicher verwendeter Materialien zu.
Auch bei den Beschichtungen kann dies nochmals berücksichtigt werden, indem wie oben beschrieben, haftvermittelnde Schichten oder Liner zumindest abschnittweise thermische Spannungen kompensierend aufnehmen können.

Bezugszeichen

1: äußerer Mantel
2: innerer Mantel
3: Zwischenraum
4: Weiterer innerer Mantel
5: Zwischenraum

41, 43, 44, 46: Beschichtungen
42: Mantel
45: innerster Mantel, schwimmend gelagert

Claims

Heißwindlanze für den Einsatz in metallurgischen Prozessen, wie beispielsweise der Stahlherstellung, mit welcher Heißwind oberhalb eines Schmelzbades eines Stahlkonverters einblasbar ist, welche aus einem äußeren Mantel (1), sowie mindestens einem inneren Mantel (2), und einem innersten Mantel besteht, und zwischen dem äußeren und einem inneren Mantel zumindest ein mit Kühlmittel durchflossener Zwischenraum (3) oder Kühlkanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der innerste Mantel durch ein von Heißwind durchströmbares innerstes Lanzenrohr definiert ist, und der innere Mantel (2) oder der innerste Mantel (4) zumindest teilweise aus einem thermisch isolierenden weiteren Mantel (4), oder einem thermisch isolierenden Mantel besteht oder mit einem solchen versehen ist, oder mit einer thermisch isolierenden Schicht beschichtet ist, und der innerste Mantel (45) in der Heißwindlanze schwimmend gelagert ist.
Heißwindlanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (2) oder der innerste Mantel (4) zumindest auf der Innenseite mit einer Schutzschicht (41) bzw (46) versehen ist.
Heißwindlanze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (2) oder der innerste Mantel (4) aus mehreren Schichten(41, 42, 43, 44, 45, 46) besteht, und dass zumindest die innerste dieser Schichten, nämlich Schicht (46) oder Schicht (43) aus einem abrasions- und/oder korrosionsbeständigen Werkstoff besteht.
Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (2) oder der innerste Mantel (4) aus einem keramischen Werkstoff besteht oder mit demselben beschichtet ist.
Heißwindlanze nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das abrasions- und/oder korrosionsbeständige Material bzw der keramische Werkstoff an der an dem inneren oder innersten Mantel anhaftenden Seite mit einem temperaturbeständigen Haftvermittler oder Liner versehen ist.
Heißwindlanze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler oder Liner derart elastisch ist, dass er den Unterschied des Ausdehnungskoeffizienten des inneren oder innersten Mantels zum abrasions- und/oder korrosionsbeständigen Material bzw zum keramischen Werkstoff ausgleicht.
Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das abrasions- und/oder korrosionsbeständige Material bzw der keramische Werkstoff aus einem Schichtsystem besteht, bei welchem die zum vom Heißwind gewandte Oberfläche aus einem dichten keramischen Werkstoff und die vom Heißwind abgewandte Oberfläche aus einem Keramikschaumwerkstoff besteht.
Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren Mantel (2) und dem äußeren Mantel (1) ein wenigstens ein Zwischenmantel oder Zwischenraum (3) angeordnet ist, und mit Kühlmittel durchflossen ist.
Heißwindlanze nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (3) zwischen dem äußeren Mantel (1) und dem inneren Mantel (2) zur Gewährleistung eines eines Schutzes gegen Wärmeübertag durch Temperaturstrahlung mit einem Temeüraturstrahlungshemmer gefüllt opder einer einer dünnen Temperaturstrahlungshemmungsschicht versehen ist.
Heißwindlanze nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem äußeren Mantel (1) und dem innersten Mantel (46) ein Temperierungskanal angeordnet ist, welcher im Blasbetrieb des Heißwindes ebenfalls mit Heißwind durchströmbar ist.
Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der innere Mantel (42) oder der innerste Mantel (45) entlang seiner Längsrichtung aus mehreren Teilstücken oder Muffen besteht, welche an den Berührungstellen der einzelnen Teilstücke oder Muffen teilüberlappend ausgestaltet sind.
Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die direkt mit dem Heißwind in strömender Verbindung stehende innerste Oberfläche (46) oder Beschichtungsoberfläche Strömungswiderstands- und/oder haftungsreduziert strukturiert oder mikrostrukturiert ist.
Verwendung einer Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 12, zum Einblasen von Heißwind oberhalb eines Stahlbades und/oder eines Schrotthaufens, und/oder eines Haufwerkes in einem Stahlkonverter.