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Die Erfindung betrifft eine Einblasdüse und ein Verfahren zum Betreiben eines metallurgischen Ofens.
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Eine Einleitung von gasförmigen Medien in metallurgische Prozesse ist gängige Praxis. Typischerweise werden diese gasförmigen Medien über Einblasdüsen eingeleitet, wobei je nach Anwendungszweck und Umgebung eine Kühlung der Einblasdüse oder der Düsenspitze erforderlich sein kann, um insbesondere einen Verschleiß und damit verbunden ein frühzeitiges Versagen zu reduzieren. Bei Verwendung von beispielsweise Sauerstoff, welcher durch Einblasdüsen geleitet werden kann, können sehr hohe Temperaturen insbesondere an den Düsenspitren, beispielsweise an Blasformen in Hochöfen, entstehen, so dass ab einer gewissen Temperatur und Dauer bekannte wassergekühlte Systeme mit insbesondere geschlossenem Kühlkreislauf schnell versagen können.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine im Vergleich zum Stand der Technik thermisch widerstandsfähige Einblasdüse sowie ein entsprechendes Verfahren zum Betreiben eines metallurgischen Ofens bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Einblasdüse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 3. Weitere Ausgestaltungen sind in den nachgeordneten Ansprüchen aufgeführt.
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Die erste Lehre der Erfindung betrifft eine Einblasdüse mit einem innerhalb der Einblasdüse zentral erstreckenden Einblaskanal zum Einblasen von gasförmigen Medien, einem radial zum Einblaskanal angeordneten und sich innerhalb der Einblasdüse, insbesondere im Wesentlichen parallel zum Einblaskanal erstreckender Kühlkanal zum Durchleiten eines ersten Kühlmediums und eine den Einblaskanal und den Kühlkanal trennende Wandung, wobei in der Wandung mindestens eine Öffnung oder mehrere über den Umfang der Wandung verteilte Öffnungen angeordnet ist oder sind, über welche ein zweites Kühlmedium durchleitbar und damit in den Einblaskanal einleitbar ist.
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Die zweite Lehre der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines metallurgischen Ofens, wobei der metallurgische Ofen mindestens eine Einblasdüse umfasst, wobei die Einblasdüse einen Einblaskanal zum Einblasen von gasförmigen Medien, welcher sich zentral innerhalb der Einblasdüse erstreckt, einen radial zum Einblaskanal angeordneten und sich innerhalb der Einblasdüse insbesondere im Wesentlichen parallel zum Einblaskanal erstreckenden Kühlkanal zum Durchleiten eines ersten Kühlmediums und eine zwischen dem Einblaskanal und dem Kühlkanal angeordnete Wandung, aufweist, wobei in der Wandung mindestens eine Öffnung oder mehrere über den Umfang der Wandung verteilte Öffnungen vorhanden ist oder sind, über welche während des Betriebs der Einblasdüse ein zweites Kühlmedium durchgeleitet und damit in den Einblaskanal eingeleitet wird.
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Die Erfinder haben herausgefunden, dass durch Vorsehen mindestens einer Öffnung in der Wandung oder mehrerer über den Umfang der Wandung verteilter Öffnungen, welche den Einblaskanal vom Kühlkanal trennt und dadurch ermöglicht wird, dass ein zweites Kühlmedium durch die Öffnung(en) durchgeleitet und in den Einblaskanal eingeleitet wird, positiv Einfluss auf den thermischen Verschleiß der Einblasdüse genommen werden kann, insbesondere wenn heiße gasförmige Medien durch den Einblaskanal geleitet werden, welche beispielsweise Temperaturen von mindestens 500 °C, 600 °C, insbesondere mindestens 700 °C, 800 °C, vorzugsweise mindestens 900 °C, 1000 °C aufweisen können. Die Temperatur der Gase kann bis zu 2000 °C, insbesondere bis zu 1800 °C, vorzugsweise bis zu 1500 °C, bevorzugt bis zu 1300 °C betragen.
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Das zweite Kühlmedium kann Teil des ersten Kühlmediums sein, wobei dann ein Teil des ersten Kühlmediums als zweites Kühlmedium aus dem Kühlkanal durch die Öffnung(en) durchgeleitet werden kann. Vorzugsweise ist das zweite Kühlmedium vom ersten Kühlmedium isoliert und unterscheidet sich insbesondere vom ersten Kühlmedium, vorzugsweise in seinem Aggregatzustand. Das erste Kühlmedium ist bevorzugt eine Flüssigkeit und das zweite Kühlmedium besonders bevorzugt ein Gas.
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Der Kühlkanal kann auch mehrere über den Umfang des Einblaskanals insbesondere nebeneinander angeordnete Kühlkanäle umfassen.
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Gemäß einer vorzugsweisen Ausgestaltung weist die Öffnung oder weisen die Öffnungen eine winklige Erstreckung in der Wandung auf. Hat die Öffnung oder haben die Öffnungen eine winklige Erstreckung in der Wandung, ist das im Sinne der Erfindung so zu verstehen, dass in einem Längsschnitt durch die Einblasdüse sich die Öffnung(en) zu einer Vertikalen in einem Winkel zwischen 20° und 80° erstreckt oder erstrecken. Dadurch kann das zweite Kühlmedium in Strömungsrichtung des gasförmigen Mediums eingeleitet werden und kann somit nicht wesentlich den Impuls des gasförmigen Mediums negativ beeinflussen.
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So kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung das aus der Öffnung oder aus den Öffnungen austretende zweite Kühlmedium vom gasförmigen Medium erfasst werden und sich als Strömungsfilm entlang der inneren Oberfläche des Einblaskanals anschmiegen. Dadurch besteht somit im Bereich des erzeugten Strömungsfilms kein direkter Kontakt mehr zwischen bevorzugtem heißen gasförmigen Medium und innerer Oberfläche des Einblaskanals respektive Wandung. Somit kann besonders bevorzugt die Einblasdüse thermisch stabiler und/oder thermisch widerstandsfähiger im Vergleich zum Stand der Technik bekannten Ausführungen (ohne Öffnung(en) in der Wandung) bereitgestellt werden bzw. eine höhere Standzeit für das Betreiben eines metallurgischen Ofens umfassend mindestens eine erfindungsgemäße Einblasdüse sichergestellt werden.
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Ist beispielsweise das zweite Kühlmedium ein Teil des ersten Kühlmediums, so kann pro Einblasdüse mindestens 2 %, 3 %, 4 %, insbesondere mindestens 5 %, 6 %, 7 % und insbesondere maximal 30 %, 25 %, 20 %, vorzugsweise 15 %, 12 %, 10 % des in die Einblasdüse zum Kühlen der Einblasdüse eingebrachten ersten Kühlmediums über die Öffnung(en) in den Einblaskanal eingeleitet und somit aus dem Kühlsystem ausgeleitet werden. Der austretende Teil des Kühlmediums kann in Gew.-% oder vorzugsweise in Vol.-% angegeben werden. Die aus dem Kühlsystem ausgeleitete Menge oder das aus dem Kühlsystem ausgeleitete Volumen kann entsprechend in das Kühlsystem zugeführt werden, wobei das restliche im Kühlsystem verbleibende Kühlmedium beispielsweise mittels dem Fachmann bekannten Mitteln zirkulierend gefahren werden kann. Als erstes Kühlmedium kann Wasser als Flüssigkeit verwendet werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung kann als metallurgischer Ofen ein Hochofen verwendet werden. Der Hochofen umfasst mindestens eine Einblasdüse, in welcher heiße gasförmige Medien in den Hochofen eingeleitet werden (müssen), wie insbesondere der sogenannte und bekannte Heißwind. Die Einblasdüse kann somit ein Teil der am Hochofen installierten Blasformen zum Einleiten von Heißwind sein.
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Gemäß einer Ausgestaltung kann ein flüssiges Kühlmedium verwendet werden. Beim Einleiten eines Teils des flüssigen Kühlmediums in den Einblaskanal und durch Kontaktierung mit einem den Einblaskanal heiß durchströmenden gasförmigen Mediums, kann ein Verdampfen der eingeleiteten Flüssigkeit erfolgen, welches sich vorteilhaft auf die Wärmeabfuhr auswirken kann. Beispielsweise kann als zweites Kühlmedium Wasser verwendet werden, welches den Vorteil hat, dass es bei Kontaktierung mit heißen gasförmigen Medien zu Wasserdampf oder sich sogar zu Wasserstoff und Sauerstoff zersetzt, wobei der Wasserstoff beispielsweise in einem metallurgischen Ofen, vorzugsweise in einem Hochofen, als Reduktionsmittel fungieren kann und der Sauerstoff zur Nachverbrennung und somit zur Erhöhung der Wärme im metallurgischen Ofen, vorzugsweise im Hochofen, dienen kann. Auch die Verwendung von flüssigen Kohlenwasserstoffen ist denkbar, welche durch Kontakt und/oder Reaktion mit einem heißen gasförmigen Medium verdampfen und/oder gecrackt werden können, um so als Reduktionsmittel fungieren zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung kann als zweites Kühlmedium ein Gas, wie zum Beispiel Kohlenmonoxid, Kohlendioxid, Stickstoff, Argon, Wasserdampf, Wasserstoff, Kohlenwasserstoff (wie z.B. Erdgas), Koksgas, Gichtgas, Luft oder Mischungen daraus verwendet werden.
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Näher erläutert wird die Erfindung anhand der folgenden Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Figur 1.
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Eine beispielhafte erfindungsgemäße Einblasdüse (1) ist in einem schematischen Längsschnitt in Figur 1 dargestellt. Die Einblasdüse (1) umfasst einen innerhalb der Einblasdüse (1) zentral erstreckenden Einblaskanal (5) zum Einblasen von gasförmigen Medien (5.1), einen radial zum Einblaskanal (5) angeordneten und sich innerhalb der Einblasdüse (1) im Wesentlichen parallel zum Einblaskanal (5) erstreckenden Kühlkanal (4) zum Durchleiten eines ersten Kühlmediums (4.1) und eine den Einblaskanal (5) und den Kühlkanal (4) trennende Wandung (3). In der Wandung (3) ist mindestens eine Öffnung (6) oder sind mehrere über den Umfang der Wandung (3) verteilte Öffnungen (6) angeordnet bzw. vorhanden, über welche ein zweites Kühlmedium (6.1) durchleitbar und damit in den Einblaskanal (5) einleitbar ist bzw. über welche während des Betriebs der Einblasdüse (1) ein zweites Kühlmedium (6.1) durchgeleitet und damit in den Einblaskanal (5) eingeleitet wird. Bevorzugt weist die Öffnung (6) oder weisen die Öffnungen (6) eine winklige Erstreckung in der Wandung (3) auf, wobei sich die Öffnung(en) (6) in einem Längsschnitt durch die Einblasdüse (1) zu einer Vertikalen in einem Winkel zwischen 20° und 80° erstreckt oder erstrecken.
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Mindestens eine oder bevorzugt mehrere Einblasdüsen (1) können zum Betreiben eines nicht dargestellten metallurgischen Ofens, wie besonders bevorzugt eines Hochofens oder eines Direktreduktionsofens, verwendet werden. Die Einblasdüse (1) kann mithin als sogenannte Blasform an einem Hochofen Anwendung finden. Somit kann als gasförmiges Medium (5.1) Heißwind verwendet werden. Bevorzugt kann ein erstes bevorzugt flüssiges Kühlmedium (4.1) für einen hier nicht dargestellten Umlauf-Kühlkreislauf, besonders bevorzugt Wasser, verwendet werden.
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Besonders bevorzugt wird das aus der Öffnung (6) oder aus den Öffnungen (6) austretende zweite Kühlmedium (6.1) vom gasförmigen Medium (5.1) erfasst und schmiegt sich als Strömungsfilm (6.2) entlang der inneren Oberfläche (5.2) des Einblaskanals (5) an. Das in den Einblaskanal (5) eingeleitete zweite Kühlmedium (6.1) kann beispielsweise Kohlenstoffmonoxid, Kohlenstoffdioxid, Stickstoff, Argon, Wasserdampf, Wasserstoff, Kohlenwasserstoffe (wie z.B. Erdgas), Koksgas, Gichtgas, höherwertige Kohlenwasserstoffe, Luft oder Mischungen daraus umfassen. Über dem Fachmann geläufige innerhalb des Kühlkanals, hier nicht gezeigt, oder außerhalb angeordnete Zufuhrleitungen sind die Öffnung(en) (6) verbindbar, so dass ein entsprechendes Durchleiten und Einleiten des zweiten Kühlmediums (6.1) in den Einblaskanal (5) möglich ist.
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Die Auslegung und die Dimensionierung der Öffnung(en) (6) kann beispielsweise zunächst simulativ ermittelt und anschließend in Labor- und/oder Betriebsversuchen verifiziert werden.