NO840915L - Anordning for aa akselerere faste partikler - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en anordning for å akselerere faste partikler ved hjelp av en gass. En slik anordning kan spesielt anvendes for å oppkulle stålbad med henblikk på raffinering.

Skrapmengden eller andre avkjølende tilslag som skal innarbeides i et metall med henblikk på raffinering under LD-prosessen, LBE-prosessen eller andre prosesser, er hoved-sakelig avhengig av smeltens sammensetning, chargens tem-peratur og raffineringsprosessens termodynamiske forløp. Forbruket av skrap pr. tonn flytende smelte ligger for tiden henimot 300 kg for omvandling av en fattig smelte og henimot 400 kg for en fosforholdig smelte. For å redusere produk-sjonsprisen for stålet er det nødvendig å overskride disse tilslagsmengder. Én av de kjente metoder består i å øke mengden av CO for efterforbrenning som frigjøres i badet idet det påses at badet absorberer en maksimal mengde av den fri-gjorte varme. En annen metode består i å oppvarme metallbadet under anvendelse av supplerende energikilder. Metoder ved tilsetning av gass og forbrennbar væske benyttes med varierende suksess. Spesielt er tilsetningsmetoder for for-brennbart materiale i form av granulater av carbonholdig materiale blitt utviklet. Innarbeidelsen av faste materialer i badet kan foretas unnenifra, via blestformer eller via gjennomtrengelige innretninger som er anordnet i konverterens bakvegg, eller ovenfra samtidig med gassformige materialer. Disse tilsetninger foretas av og til før blåsingen og av og

til efter en første blåsefase med oxygen •

I luxembourgs patentskrift 84444 er et tilsetnings-system beskrevet for faste materialer ved hjelp av en blåse-lanse som tjener til å forsyne et metallbad med brennbare materialer. Det anvendte anlegg omfatter minst én trykkgasskilde, en krets for tilførsel av carbonholdig materiale suspendert i en gass, minst én krets for tilførsel av spyle-

gass, anordninger for dosering av forskjellige gassmengder og carbonholdig materiale og anordninger for separat eller sammen å avgrene de nevnte kretser på en ledning som støter an mot lansen. Det er kjent at for å oppnå en god absorpsjon av carbonholdig materiale i badet er det nødvendig at dette

ikke bare oppviser nøyaktig bestemte konsentrasjoner av oxygen og carbon, men det er dessuten nødvendig at det carbonholdige materiale har en tilstrekkelig kinetisk energi ved utløpet fra lansen til at det vil trenge inn i badet. Denne høye kinetiske energi som også er nødvendig for å unngå en for tidlig forbrenning av det carbonholdige materiale over badet, oppnås ved hjelp av en kraftig gasstrøm.

For å øke den kinetiske energi som de faste partikler gis, er det kjent å forsyne blåselansens munning med et konvergerende-divergerende stykke av liten lengde. Dessverre medfører dette hjelpemiddel bare en svak økning av partiklenes hastighet, og utløpsstrålen fra lansen holder seg sterkt divergerende. Det er dessuten blitt iakttatt at de korte konvergerende stykker forbrukes hurtig og fører til at det oppstår pulseringer som fremkaller en eksplosjon og retarda-sjon av strålen nedstrøms i forhold til munningen.

Det er likeledes kjent å anvende lange (flere meter lange) divergerende stykker med konstant divergeringsvinkel. Resultatene er mer sikre enn ved anvendelse av det konvergerende-divergerende stykke med liten lengde. Et slikt divergerende stykke tillater imidlertid ikke regulering av minskningen av gasstrykket på en slik måte at det fås en regulert akselerering av gassen og dermed av partiklene. Forsøk har vist at med en lanse med konstant tverrsnitt fås likeledes i dette tilfelle en eksponensiell akselerering av gassen henimot munningen. En slik akselerering av gassen kan imidlertid ikke overføres over en liten avstand til de faste partikler. En økning av lansens lengde medfører en mindre variasjon av gasstrykket ved utløpet fra det divergerende stykke, slik at det er nødvendig med en prohibitivt lang lanse (se likeledes pkt. 2 nedenfor) for å oppnå en hastighet for partiklene som nærmer seg hastigheten for bærergassen. I dette tilfelle kan ikke desto mindre en sterk akselerasjon av gassen henimot lansens munning ikke unngås,

og denne akselerasjon kan ikke overføres til de faste partikler. Dessuten må det sørges for at det anvendes et kort konvergerende stykke oppstrøms i forhold til det divergerende stykke for å begrense lansens tverrsnitt ved munningen og

anordningens samlede lengde. Hvis ikke vil, som forklart ovenfor, et slikt konvergerende stykke føre til at det oppstår turbulenser som har en uheldig virkning på strålens dynamikk. I tillegg er det på grunn av de faste partiklers lave hastighet fare for tilstopping på dette sted.

Ved konstruksjon og installering av en anordning for

å innføre carbonholdig materiale i et metallbad er det i alminnelighet nødvendig å ta hensyn til eksisterende utstyr, som trykkgasskilden i forbindelse med andre anlegg. Ledningenes lengde er med på å bestemme plasseringen av hul-doseringsinnretningen og bærervogn for lansen. Dessuten får lansehodene på samme måte som bærervognene for lansen ikke overskride visse ledningsdiametre av dimensjonsmessige hhv. vektmessige grunner.

Hva gjelder carbonets granulometri skal det bemerkes

at for findelte korn er tilbøyelige til å agglomerere. For-søk har vist at deres kinetiske energi ved utløpet av lansen er lav. På den annen side har for grove korn høy treghet,

og gassen vil ikke lenger være istand til å akselerere disse over den nødvendige avstand med den ønskede hastighet. Dimensjonen på samme måte som kornenes struktur er likeledes av stor viktighet hva gjelder problemer med slitasje av ledningene. Det carbonholdige materiales kvalitet og inn-virkningen av forurensningene på forbrenningen på badet (fuktighet, flyktige materialer)såvel som deres innvirkning på metallbadet (svovel) er faktorer som også er viktige.

Det tas ved oppfinnelsen sikte på å tilveiebringe en akselereringsanordning som fører til en løsning av de ovennevnte problemer og som på den ene side ved sitt utløp er istand til å avgi en konsentrert stråle av granulært materiale med en så høy hastighet som mulig, og som på den annen side lett vil kunne innarbeides i allerede eksisterende anlegg.

Dette formål oppnås ved hjelp av anordningen ifølge oppfinnelsen som er særpreget ved at den vinkel som ledningens akse eller lansen danner med en tangent som befinner seg L- et plan som passerer gjennom ledningens akse eller lansens akse, til ledningens innvendige profil eller lansens varierer over minst 5 m langs lansens lengde.

Forskjellige foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen er angitt i de uselvstendige patentkrav.

Den idé som ligger til grunn for oppfinnelsen, er basert på forsøk som er blitt utført med lanser med varierende dimensjoner og som forsynes med trykkgass og blandinger av forskjellige partikkelformige faste materialer og som er til-bøyelige til å regulere minskningen av gasstrykket i ledningen slik at det fås maksimal hastighet for partiklene ved ledningens utløp. For å kunne utnytte hele den potensielle energi i gassen (og for samtidig å unngå en eksplosjon i strålen med faste partikkelformige materialer) er det nød-vndig at det statiske trykk for blandingen av gass/partikkel-formig materiale ved lansens munning nærmer seg atmosfæretrykket (1 bar). Dersom trykket ved lansens munning avviker litt fra 1 bar, vil ledningen tilstoppes. Dersom det avviker slik at det er noe høyere, vil strålen av partikler disper-geres når den kommer ut av lansen og slagvirkningen minske.

På den annen side vil de krefter som forårsaker akselerasjonen av de faste partikler, være avhengig av den relative hastighet mellom bærergassen og partiklene. De faste partikler kan dessuten oppnå en hastighet som er lik hastigheten for gassen. Det bør derfor først og fremst velges en hastighet for gassen som er så høy som mulig. Dessuten har beregninger vist at det lokalt oppstår overlydshastigheter ved lansens munning som krever for høye avgitte gassmengder som overbe-laster de gassreservoarer som er disponible i praksis.

For å gi de faste partikler en aksepterbar maksimal hastighet ved utløpet av ledningen er det derfor nødvendig å forsøke å oppnå en sonisk hastighet for gassen nær blest-formens munning. For dessuten å få en stråle av carbonholdig materiale som er så findelt som mulig ved lansens utløp, er det nødvendig at strålens statiske trykk ved utløpet av lansen ligger nær atmosfæretrykk. Disse to kriterier er blitt overholdt i de tre forsøksserier som er nærmere beskrevet nedenfor, hvorav den første ble utført med ledninger med konstant tverrsnitt, den annen med ledninger med kontinuerlig økende tverrsnitt og den tredje med ledninger ifølge oppfinnelsen. 1) Forsøk har bekreftet de teoretiske beregninger basert på en isotermisk ekspansjon av gassen, og disse viser at for et trykk og en nominell avgitt mengde fra gasskilden for en gitt ledningsdiameter er det nødvendig å velge en kortere ledning jo mer ønsket en høyere nominell avgitt carbonmengde er og at jo kortere ledningen er, desto viktigere er for-skjellen i hastighet mellom gassen og partiklene ved lansens munning. Det synes dessuten som om at det for å overholde de ovennevnte kriterier er nødvendig å anvende en ledning med en prohibitiv lengde, som vist ved hjelp av det følgende eksempel:

En kilde er disponibel som er istand til å levere

2300 Nm 3/h gass ved et trykk av 16 bar. For å oppnå en gassavgivelse av 2300 Nm 3/h mens gassen strømmer ut av ledningen med en hastighet nær lydens hastighet, er det nødvendig å anvende en ledning med en diameter av ca. 50 mm. Carbon-konsentrasjonen er 867 kg/m 3 og middelkornstørrelsen 5 mm.

- En optimal carbonavgivelse av 400 kg/min i ledningen under disse betingelser ved en hastighet for det partikkelformige carbon av ca. 120 m/s krever en ledning med en

lengde av 60 m.

- En optimal carbonavgivelse av 300 kg/min i ledningen med

en hastighet for det partikkelformige carbon av ca. 140 m/s krever en lengde av ledningen på 9 0 m.

Det fastslås at det foreligger en vesentlig variasjon mellom gasshastigheten (ca. 320 m/s) og hastigheten for partiklene ved lansens munning og at ledningens lengde må gjøres større dersom det er ønsket å oppnå høyere partikkelhastighet.

2) På et annet stadium av disse utviklingsarbeider er det blitt forsøkt å minske variasjonen mellom gasshastigheten og partikkelhastigheten ved lansens munning uten å anvende for lange ledninger. Størrelsen på og en undersøkelse av hastighetene og trykkene over ti meter av en ledning opp-strøms i forhold til munningen viser at i dette parti av ledningen synker gasstrykket med ca. en tredjedel av dets nominelle verdi til atmosfæretrykket og at gasshastigheten øker tilnærmet eksponensielt, mens partikkelhastigheten bare blir fordoblet. Overført til betingelsene ifølge det fore-

gående eksempel kan det i virkeligheten iakttas at

- for en samlet ledningslengde av 60 m (avgitt carbonmengde 400 kg/min) er hastigheten for gassen og for partiklene hhv. 85 m/s og 70 m/s efter en transportavstand av ca. 50 m - for en samlet ledningslengde av 90 m (avgitt carbonmengde 300 kg/min) er hastigheten for gassen og for partiklene hhv. 80 m/s og 65 m/s efter en avstand på 80 m.

For å oppnå en mindre skarp økning av gasshastigheten over de siste metre av ledningen, idet denne hastighet ikke kan overføres til de faste partikler, er det ifølge oppfinnelsen blitt utført forsøk med en ledning med et munnings-tverrsnitt som er identisk (diameter 50 mm) med det som ble anvendt for de ovenfor beskrevne forsøk, men som oppviste en kontinuerlig utvidelse fra en innsnevring (konvergering slik at diameteren ble redusert til 2,8 cm) som befant seg ti meter oppstrøms i forhold til munningen. Det frembragte chargetap på grunn av innsnevringen ble kompensert ved enøkning av trykkilden til 25 bar. I forhold til en ledning med jevnt tverrsnitt som forsynes ved et trykk på 25 bar, var økningen i partikkelhastigheten 60% (avgitt carbonmengde 300 kg/min og ledningenes lengde 50 m i begge tilfeller).

For å kunne unngå en innsnevring som representerte et meget sterkt utsatt slitasjested og medførte en minskning av den avgitte carbonmengde, er det ifølge oppfinnelsen blitt anvendt en ledning som utvider seg kontinuerlig over ca.

20 meter efter ledningens normale seksjon (diameter lik

5 cm), helt til munningen (diameter lik 8 cm). For å kunne opprettholde et trykk nær atmosfæretrykk nær munningen bør den avgitte gassmengde være minst den dobbelte i forhold til den avgitte mengde med en ledning med en konstant diameter av 5 cm. I dette tilfelle ble det iakttatt en økning av partiklenes hastighet med 60% i forhold til den hastighet som ble iakttatt med en ledning med konstant tverrsnitt (trykk-kilde 20 bar, avgitt carbonmengde 500 kg/min, ledningslengde 50 m) . 3) Da den gunstige virkning av et varierbart tverrsnitt på de faste partiklers slutthastighet var blitt fastslått, ble forsøk utført med ledninger med forskjellige tverrsnitts-variasjoner. På Fig. 1 og 2 kan to eksempler på lengdesnitt (A10, All hhv. A20, A21) gjennom ledninger med sirkelformig tverrsnitt ses hvor variasjonen i diameter ikke lenger er proporsjonal med lengden, og dessuten variasjoner i hastig^heten for gassen (Ul hhv. U2), for partiklene (VI hhv. V2)

og trykket (Pl hhv. P2) som funksjon av ledningens lengde-dimensjon nær munningen. For det tilfelle som er vist på

Fig. 1, ble en ledning anvendt som over 3,5 m hadde en diameter på 5 cm. For likeledes å vurdere en ledning med en munningsdiameter på 5 cm (20 meter) er det dessuten nød-vendig å minske diameteren før den økes. For å unngå at det oppstår pulseringer er det konvergerende stykke ikke blitt valgt med konstant konvergerende vinkel, men med varierbar vinkel på en slik måte at minskningen i gasstrykket Pl forløper praktisk talt monotontefter at gassen er kommet

inn i det konvergerende parti, inntil den strømmer ut av det divergerende parti, hele tiden mens trykksprang gir seg tilkjenne ved turbulenser i utstrømningen. Det fremgår av figuren at den vinkel som profilen A10 danner med ledningens akse, varierer fra en maksimal negativ verdi, avtar kontinuerlig og passerer gjennom null for senere kontinuerlig å øke. Det kan fastslås at ledningens lengde oppstrøms i forhold til det konvergerende parti bare i mindre grad bidrar til å akselerere partiklene som praktisk talt oppnår sin hastighet Vi over de siste 20 meter før munningen. Det fremgår likeledes at økningen i gasshastigheten ikke lenger er tilnærmet eksponensiell og at partikkelhastigheten tenderer henimot et verdinivå på ca. 190 m/s.

Den ledning som er vist på Fig. 2, har en diameter som utvider seg fra 4,7 cm (0 meter) til 8,7 cm ved munningen (15,5 meter). Partikkelhastigheten V2 øker nærmest lineært til 195 m/s ved munningen.

Det kan fastslås at når akselerasjonsinnretningen omfatter en slik ledning med variabelt tverrsnitt, er det mulig å akselerere de faste partikler til hastigheter som nærmer seg hastigheten for bærergassen. En kritisk utnyttelse av konvergerende stykker med en profil som overensstemmer med profilen for det divergerende stykke, gjør det mulig å begrense ledningens dimensjoner ved munningen, å redusere abrasjonsslitasjen i det konvergerende stykkes hals og å lette innarbeidelsen av ledningen i lansehodene på kjent måte. Ved dimensjonering av en ledning bør de følgende punkter tas i betraktning: - trykkilden, forsyningsledningenes diameter og munningens diameter. Hvis ledningens diameter og munningens diameter bør være de samme, vil det være nødvendig med et konvergerende parti som vil være mer utpreget desto mer trykket i trykkgasskilden øker og/eller desto mer den disponible avstand for ledningen med variabelt tverrsnitt reduseres. - Gasstrykket ved innløpet til ledningen med varierbart tverrsnitt er gitt (noe lavere enn trykket i trykkgasskilden) på samme måte som trykket ved munningen (noe høyere enn 1 bar). Trykkforskjellen bør gi seg utslag (i så sterk grad som mulig) i en konstant akselerasjon av gassen for derved å dra mest mulig nytte av den disponible lengde. - Den vinkel som en tangent til profilen (som befinner seg i et plan som passerer gjennom ledningens akse) danner med ledningens akse varierer nærmest kontinuerlig. Dersom partiklene skal akselereres over en kort avstand, er vinkelvariasjonen mer fremtredende.

Hva gjelder disse grunnleggende kriterier, kan mønster-ledningens profil optimaliseres ved å måle trykket og de forskjellige hastigheter på flere steder langs ledningen.

Istedenfor å regulere partikkelhastigheten ved å på-virke ledningens lengde eller divergens reguleres ifølge oppfinnelsen partikkelhastigheten ved hjelp av en spesiell profil for ledningen hvis lengde er av sekundær betydning. Aksepterbare partikkelhastigheter er f.eks. blitt iakttatt ved å redusere ledningen som oppviser varierbart tverrsnitt, til en lengde av 5 m. Under denne verdi er resultatene ikke lenger overbevisende.

Det er ifølge oppfinnelsen likeledes blitt forsøkt å simulere innføringen av gass og partikler i ledninger med varierbart tverrsnitt på ordinaten under hensyntagen til de termodynamiske ligninger og fluidamekanisme: Blåseledningen som skal dimensjoneres, deles i n enkelt-elementer med en lengde som varierer fra 1 til 10 cm.

For é-jj. a nj kan ligningene som er forbundet med enkelt-elementet skrives som følger:

pi gass trykk (bar)

gasshastighet (m/s)

vi = partlkkelhastighet (m/s.)

d±= blåseledningens diameter (m)

A x = enkeltelementets lengde (m)

p = omgivelsestrykket (bar)

i0= gasskonsentrasjonen ved blåseledningens munning (kg/m 3)

= friksjonskoeffisient gass-vegg (\ = 1, 25 10 )

k = friksjonskoeffisient partikler-vegg (k=l,2, bestemt

ved hjelp av på hverandre følgende tilnærmelser)

Q = avgitt vektmengde faste materialer pr. tidsenhet (kg/min) Q.,=gassavgivelse (Nm 3/h)

f=konsentrasjon av faste materialer (kg/m 3)

= 1,2 (bestemt ved hjelp av på hverandre følgende tilnærminger) dc = granulometri (m)

uf = gassens slutthastighet (m/s)

uQ = gassens opprinnelige hastighet (m/s)

L = blåseledningens lengde

akseleras jonstall

=chargetapskoef f isient ( ^0,25)

Det fremgår at jo fler parametre som innbefattes i beregningene (f.eks. det effektive middeltverrsnitt for kornene, friksjonskoeffisient mellom gass og vegg etc.) desto nærmere vil man komme den tilstrebede ideelle profil. Men det er også nødvendig å erindre at man er stilt overfor variasjoner i diameterverdien uttrykt i mm og at det er umulig maskinelt å fremstille ledninger med matematisk nøyaktighet.

Istedenfor å bygge inn akselerasjonsanordningen i

lansen som tilfører oxygenet, kan de faste partikler like godt innføres i smeltebadet ved anvendelse av selvstendige lanser med egen kjølekrets og egen støttevogn. Dessuten kan det også vurderes å velge en ledning som ikke har sirkelformig tverrsnitt, men ovalt tverrsnitt eller ethvert annet tverrsnitt som lett lar seg innpasse i utstyret.

De samme begrunnelser som er blitt fremsatt ovenfor, gjelder dersom partiklene ikke innføres i et område hvor atmosfæretrykk hersker. Det er ganske enkelt tilstrekkelig å velge et trykk ved munningen som er likt med eller noe høyere enn det omgivende trykk.

Claims (7)

1. Anordning for å akselerere faste partikler suspendert i en gass, omfattende en trykkgasskilde, anordninger for å dosere gass og faste partikler og ledninger for tilførsel av en blanding av gass/faste partikler som munner i en lanse, idet tilfø rselsledningene eller lansen oppviser partier med varierende tverrsnitt, karakterisert ved at den vinkel som ledningens akse eller lansens danner med en tangent, som befinner seg i et plan som passerer gjennom ledningens eller lansens akse, til ledningens eller lansens innvendige profil, varierer over minst 5 m av ledningens eller lansens lengde.

2. Anordning ifølge krav 1, karakterisert ved at bare lansens profil oppviser den nevnte vinkelvariasjon.

3. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at vinkelen øker kontinuerlig over minst 5 meter i retning mot munningen.

4. Anordning ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at vinkelen først er negativ og øker kontinuerlig, passerer gjennom null og øker kontinuerlig i retning mot munningen.

5. Anordning ifølge krav 3 eller 4, karakterisert ved at vinkelen øker frem til munningen.

6. Anordning ifølge krav 1-5, karakterisert ved at de stykker av ledningen eller lansen hvis profil oppviser den nevnte vinkelvariasjon, alternerer med stykker av ledningen eller lansen med konstant tverrsnitt.

7. Anordning ifølge krav 1-6, karakterisert ved at ledningens eller lansens tverrsnitt er i det vesentlige sirkelformet.