PL187501B1

PL187501B1 - Lanca do przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu wkonwertorze oraz sposób przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu w konwertorze

Info

Publication number: PL187501B1
Application number: PL97322128A
Authority: PL
Inventors: Andreas Kulkies; Wilfried Lissack; Karl Fasshauer
Original assignee: Linde Gas Ag
Priority date: 1996-09-18
Filing date: 1997-09-16
Publication date: 2004-07-30
Also published as: CZ294660B6; PL322128A1; DE19638148A1; CZ293197A3; ATE209703T1; EP0832987A1; EP0832987B1; DE59705520D1

Abstract

3. Sposób przedm uchiw ania tlenem cie- klego m etalu w konw ertorze za pom oca gazu tlenonosnego, doprow adzonego przez srodko- w y otw ór lancy, z rów noczesnym w dm uchi- w aniem przez pierscien io w a szczeline tej lancy obojetnym gazem chlodzacym , znamienny tym, ze przez otw ór srodkow y lancy w dm uchu- je sie gaz zaw ierajacy powyzej 60% , a korzyst- nie powyzej 90% tlenu, pod m inim alnym ci- snieniem w ynoszacym 2x105 Pa, a korzystnie powyzej 5x105 Pa, natom iast przez pierscie- niow a szczeline lancy w dm uchuje sie obojetny gaz chlodzacy, zaw ierajacy azot, argon oraz ew entualnie pow ietrze pod m inim alnym cisnie- niem w ynoszacym 2x105 Pa, przy czym stosu- nek objetosci w dm uchiw anego do konw ertora gazu tlenonosnego do objetosci wdm uchiwane- go w tym samym czasie obojetnego gazu chlo- dzacego ma wartosc zaw arta w granicach od 1,5 do 1,6. Fig. 2 PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest lanca do przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu w konwertorze, złożona z dwóch współosiowych, umieszczonych jedna w drugiej rur, oddzielonych od siebie za pomocą elementów dystansowych, przy czym przez rurę wewnętrzną jest doprowadzony gaz zawierający tlen, a przez szczelinę utworzoną między tymi rurami - obojętny gaz chłodzący.

Przedmiotem wynalazku jest również sposób przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu w konwertorze za pomocą gazu tlenonośnego, doprowadzonego przez środkowy otwór lancy, z równoczesnym wdmuchiwaniem przez pierścieniową szczelinę tej lancy obojętnym gazem chłodzącym.

Technologia wytwarzania miedzi konwertorowej obejmuje kilka, wykonywanych kolejno operacji.

Miedź występuje w przyrodzie najczęściej w połączeniu z żelazem w postaci zasiarczonych rud, zawierających na przykład piryt miedziany lub chalkopiryt. W wyniku wyprażenia dostarczonej z kopalni rudy miedzi i częściowego utlenienia zawartej w niej siarki uzyskuje się właściwy stosunek zawartości żelaza i siarki w surowcu miedzi służącym do dalszej przeróbki. Po przetopieniu rudy otrzymuje się tak zwany kamień miedziowy, przy czym jego ponowne topienie umożliwia oddzielenie siarczków CuS₂ i FeS, które przechodzą do żużla powstającego na powierzchni stopionego kamienia miedziowego. Dalsza przeróbka kamienia miedziowego polega na przedmuchiwaniu go powietrzem w konwertorze. Podczas prowadzenia tej operacji wdmuchuje się zwykle do konwertora powietrze, powodujące utlenianie się

187 501 siarczku żelazawego, który w wyniku dodatku kwarcu przemienia się w żużel, usuwany następnie z powierzchni roztopionego metalu. W wyniku tej operacji uzyskuje się tak zwany stężony kamień miedziowy zawierający siarczek CuS2, przy czym podczas dalszego przedmuchiwania z ciekłego, stężonego kamienia miedziowego wydziela się ciekła, czysta miedź.

Podobnie w stosowanej obecnie metalurgii niklu z kamienia niklowego przez przedmuchiwanie go powietrzem w konwertorze oddziela się z niego żelazo.

Wzbogacenie powietrza dodatkową zawartością tlenu umożliwia znaczne skrócenie czasu przedmuchiwania i wzrost wydajności konwertora, jednakże powoduje równoczesne szybkie wypalanie się końcówki lancy, którą doprowadzony jest gaz zawierający tlen.

Z opisu patentowego Stanów Zjednoczonych AP nr US 4 123 042 znana jest lanca do przedmuchiwania gazem ciekłego metalu w piecu metalurgicznym. W wykładzinie ognioodpornej pieca jest osadzona trwale osłonowa zewnętrzna rura metalowa, wystająca na zewnątrz pieca i zakończona kołnierzem, a ponadto zaopatrzona w wewnętrzną warstwę z materiału ogniotrwałego. Do wnętrza tej rury osłonowej jest wsunięta zakończona kołnierzem na zewnątrz pieca - lanca, składająca się z dwóch, współśrodkowo osadzonych jedna w drugiej, rur metalowych, między którymi jest utworzona pierścieniowa szczelina dla przepływu gazu. Współśrodkowe osadzenie obydwu rur: wewnętrznej i zewnętrznej, a tym samym jednakowy przekrój szczeliny zapewniają znajdujące się między tymi rurami elementy dystansowe w postaci żeber lub nadlewów.

Kołnierz lancy jest przymocowany do kołnierza rury osłonowej. Po zużyciu (wypaleniu się) lancy odłącza się jej kołnierz od kołnierza rury osłonowej i wymienia się zużytą lancę na nową, przy czym po osadzeniu nowej lancy do wnętrza rury osłonowej wciska się płynną zaprawę ogniotrwałą. W alternatywnym rozwiązaniu konstrukcyjnym rura osłonowa jest osadzona w prefabrykowanej cegle ogniotrwałej wykładziny pieca.

Z europejskiego opisu patentowego nr EP 0 053 848 znany jest sposób wdmuchiwania do ciekłego metalu gazu zawierającego do 60% tlenu oraz równocześnie gaz chłodzący, za pomocą lancy złożonej z dwóch, osadzonych jedna w drugiej, współśrodkowych rur. W celu zmniejszenia erozji lancy i wykładziny ognioodpornej pieca, reguluje się odpowiednio skład i temperaturę żużla oraz ilość doprowadzanych gazów, zwłaszcza gazu chłodzącego, stosowanego zarówno w celu zwiększenia intensywności mieszania ciekłego metalu, jak i chłodzenia lancy. Przy odpowiednim składzie i temperaturze żużla, na wylocie lancy powstaje przepuszczalna, ochronna warstwa narostu o ograniczonej grubości. Tworzenie się narostu może być przy tym regulowane przez odpowiednią zmianę ciśnienia doprowadzanego gazu chłodzącego.

Z opisu zgłoszenia PCT opublikowanego pod nr WO 95/09250 znany jest sposób przedmuchiwania ciekłego metalu w konwertorze, polegający na wdmuchiwaniu do niego powietrza, ewentualnie wzbogaconego tlenem, o zawartości od 30% do 60% objętościowo. Lanca doprowadzająca gaz zawierający tlen ma postać dwóch, umieszczonych jedna w drugiej, współosiowych rur, przy czym rura wewnętrzna służy do doprowadzania powietrza wzbogaconego tlenem, a rura zewnętrzna - do doprowadzenia obojętnego gazu chłodzącego. Gaz chłodzący w zależności od sposobu prowadzenia procesu przejmuje od 5% do 25% ilości ciepła powstającego w wyniku egzotermicznej reakcji utleniania składników kamienia miedziowego, zapobiegając w ten sposób zbyt szybkiemu wypalaniu się lancy.

Badania mające na celu usprawnienie zarówno procesu, jak i urządzenia do nadmuchiwania ciekłego metalu w konwertorze gazem o zawartości tlenu znacznie przekraczającej jego zawartość w gazie tlenonośnym w stosowanych dotychczas sposobach wykazały, że zwiększanie grubości rury wewnętrznej lancy, której końcówka zanurzona w metalu jest najbardziej narażona na wypalanie, nie powoduje odpowiedniego wzrostu żywotności lancy, natomiast nieoczekiwanie istotny wpływ na tę żywotność ma stosunek grubości pierścieniowej szczeliny, utworzonej między rurą wewnętrzną i rurą zewnętrzną, przez którą to szczelinę doprowadzany jest obojętny gaz chłodzący, do grubości tej rury zewnętrznej, przy czym w wyniku tych badań określono, że optymalna wartość tego stosunku winna być mniejsza od 0,6 i korzystnie zawarta w granicach od 0,5 do 0,6, bowiem przy tej wartości stosunku tych dwóch wartości uzyskuje się maksymalną żywotność lancy.

187 501

Ponadto okazało się, że istotną rolę dla eksploatacji lancy spełnia rodzaj i rozmieszczenie elementów dystansowych, oddzielających od siebie rurę wewnętrzną i rurę zewnętrzną oraz zapewniających jednakowy przekrój przepływu przez utworzoną między tymi rurami pierścieniową szczelinę. Stosowane dotychczas elementy dystansowe w postaci żeber lub nadlewów względnie tulei z otworami istotnie zmniejszają przekrój tej szczeliny, powodując hamowanie przepływu dostarczanego gazu chłodzącego. Natomiast bardzo korzystne wyniki otrzymano przy zastosowaniu elementów dystansowych w postaci spawów punktowych, równomiernie rozmieszczonych na obwodzie pierścieniowej szczeliny. Określono przy tym zarówno optymalną liczbę spawów punktowych na obwodzie, jak i na jednym metrze bieżącym długości szczeliny. Dalsze badania miały na celu określenie optymalnych warunków prowadzenia procesu przedmuchiwania ciekłego metalu w konwertorze przy użyciu lancy według wynalazku, zwłaszcza zaś rodzaju, ciśnienia i stosunku objętości wdmuchiwanych gazów, przy czym warunki te z jednej strony winny zapewniać maksymalną wydajność reakcji utleniania, z drugiej zaś odpowiednio dużą żywotność lancy.

Celem wynalazku opartego o wyniki tych badań było opracowanie takiej konstrukcji lancy do przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu, która wyeliminuje niedogodności znanych dotychczas lanc, umożliwiając zarówno skrócenie czasu przedmuchiwania, jak i przede wszystkim wdmuchiwanie gazu wzbogaconego tlenem do 90% jego zawartości, a nawet czystego tlenu, z równoczesnym utrzymaniem odpowiednio długiej żywotności lancy, a także rejonu ściany konwertora, do której jest ona przymocowana.

Cel ten zrealizowano w konstrukcji lancy do przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu według wynalazku, w której stosunek grubości szczeliny, utworzonej między rurą wewnętrzną i rurą zewnętrzną, do grubości rury zewnętrznej jest zawarty w granicach od 0,5 do 0,6.

Elementy dystansowe oddzielające od siebie rurę wewnętrzną i rurę zewnętrzną stanowią spawy punktowe, przy czym na obwodzie pierścieniowej szczeliny są korzystnie równomiernie rozmieszczone cztery spawy punktowe, a na każdy 1 mb długości tej szczeliny przypada od 12 do 30 spawów punktowych.

Celem wynalazku jest również opracowanie takiego sposobu przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu w konwertorze, który zapewni maksymalną wydajność reakcji utleniania przy stosunkowo dużej żywotności stosowanych lanc.

Cel ten zrealizowano w sposobie przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu w konwertorze według wynalazku, polegającym na tym, że przez otwór środkowy lancy wdmuchuje się gaz zawierający powyżej 60%, a korzystnie powyżej 90% tlenu, pod minimalnym ciśnieniem wynoszącym 2x10⁵ Pa, a korzystnie powyżej 5x10⁵ Pa, natomiast przez pierścieniową szczelinę lancy wdmuchuje się obojętny gaz chłodzący, zawierający azot, argon oraz ewentualnie powietrze i pod minimalnym ciśnieniem wynoszącym 2x10⁵ Pa, przy czym stosunek objętości wdmuchiwanego do konwertora gazu tlenonośnego do objętości wdmuchiwanego w tym samym czasie obojętnego gazu chłodzącego ma wartość zawartą w granicach od 1,5 do 1.6.

Korzystnie do konwertora wdmuchuje się obojętny gaz chłodzący również już po przedmuchaniu znajdującego się w nim ciekłego metalu i utworzeniu żużla.

Sposób według wynalazku jest przeznaczony zwłaszcza do przedmuchiwania stopionego kamienia miedziowego lub kamienia niklowego, lecz może być również stosowany do oczyszczania innych ciekłych metali, zawierających przynajmniej jeden utleniający się składnik, przeznaczony do usunięcia.

Lanca tlenowa według wynalazku dzięki swej konstrukcji pozwala na znaczny wzrost zawartości tlenu w gazie zawierającym tlen, a nawet na doprowadzanie czystego tlenu, umożliwiając znaczne przyspieszenie i skuteczność, a tym samym odpowiednio dużą wydajność zachodzącej reakcji między płynnym metalem i gazem zawierającym tlen. Właściwy stosunek grubości pierścieniowej szczeliny do grubości ścianek rury zewnętrznej lancy zapewnia dobre warunki odprowadzenia ciepła, eliminując możliwość uszkodzenia lub wypalenia końcówki lancy, a tym samym umożliwiając znaczne przedłużenie jej żywotności. Sposób według wynalazku nadaje się do przedmuchiwania różnych ciekłych metali, zwłaszcza zaś kamienia miedziowego i niklowego.

187 501

Lanca do przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu w konwertorze według wynalazku jest uwidoczniona w przykładowym rozwiązaniu konstrukcyjnym na rysunku, na którym: fig. 1 przedstawia konwertor z nadmuchem bocznym do przedmuchiwania kamienia miedziowego, w pionowym przekroju poprzecznym; fig. 2 - lancę tlenową według wynalazku, umieszczoną w ścianie konwertora, w przekroju osiowym, a fig. 3 - tę samą lancę w przekroju poprzecznym, wzdłuż linii A-A na fig. 2.

Figura 1 przedstawia konwertor bębnowy 1, z wewnętrzną wykładziną ogniotrwałą, w którym znajduje się kamień miedziowy 2. W ścianie bocznej konwertora są umieszczone lance 3 do przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu, przez które wdmuchuje się do wnętrza konwertora gaz zawierający powyżej 60%, a korzystnie powyżej 90% tlenu oraz azot pod ciśnieniem 6x10⁵ Pa. W wyniku reakcji z siarczkiem żelaza następuje jego utlenienie, a następnie, wskutek działania dodanego do konwertora kwasu krzemowego, siarczek przechodzi w żużel, usuwany z powierzchni ciekłego metalu. Z pozostałego stężonego kamienia miedziowego powstaje, w wyniku dalszego przedmuchiwania, ciekła miedź konwertorowa, przemieszczająca się do jego dolnej części.

Lanca tlenowa 3 o długości dostosowanej do grubości ściany konwertora, a w przykładowym rozwiązaniu konstrukcyjnym przedstawionym na rysunku wynoszącej około 80 cm, składa się z rury wewnętrznej 4 (fig. 2 i 3) o grubości ścianki wynoszącej w tym przykładowym rozwiązaniu 3 mm oraz z otaczającej ją współosiowo - rury zewnętrznej 7. Między obydwoma rurami 4 i 7 utworzona jest pierścieniowa szczelina 11. Rura wewnętrzna 4 jest zamknięta na swym końcu korkiem 5 i połączona w pobliżu tego końca z przewodem 6, doprowadzającym gaz zawierający tlen. Rura zewnętrzna 7 lancy 3 jest natomiast połączona przewodem 8, doprowadzającym obojętny gaz chłodzący, na przykład azot lub argon, ewentualnie z zawartością powietrza, który przepływa przez szczelinę pierścieniową 11 i wypływa pierścieniowym strumieniem do ciekłego metalu. Grubość pierścieniowej szczeliny 11 utworzonej między rurami 4 i 7 wynosi, w przykładowym rozwiązaniu konstrukcyjnym przedstawionym na rysunku, 1,7 mm, natomiast grubość ścianki rury zewnętrznej wynosi 3 mm, wskutek czego stosunek tych dwóch wielkości ma wartość 0,566, czyli jest mniejszy od 0,6.

Rura zewnętrzna 7 jest na swym końcu 9 gazoszczelnie zamknięta.

W pierścieniowej szczelinie 11 między obydwoma rurami 4 i 7 znajdują się spawy punktowe 10, usytuowane wzdłuż długości szczeliny co 5 cm. Na jeden metr bieżący szczeliny przypada więc wzdłuż jej osi 20 spawów punktowych, natomiast na obwodzie szczeliny rozmieszczone są po 4 spawy punktowe 10. Dzięki spawom punktowym, spełniającym rolę elementów dystansowych, zapewniona jest współosiowość obydwu rur 4 i 7 oraz jednakowy przekrój szczeliny 11.

Grubość szczeliny 11 oraz średnica otworu wewnętrznej rury 4, a także stosowane ciśnienie gazu zawierającego tlen i obojętnego gazu chłodzącego winny być tak dobrane, aby objętość doprowadzanego do konwertora tlenu wynosiła 1,6 objętości doprowadzanego gazu obojętnego.

Sposób przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu w konwertorze według wynalazku polega na wdmuchiwaniu gazu zawierającego tlen, w którym objętościowa zawartość tlenu winna wynosić powyżej 60%, a korzystnie powyżej 90%, a nawet 100%. Tak duża zawartość tlenu powoduje szczególnie korzystne przyspieszenie reakcji utleniania zawartych w kamieniu miedziowym 2 siarczków metali, a tym samym zwiększenie wydajności procesu.

Ponadto zgodnie ze sposobem według wynalazku wdmuchuje się szczeliną 11 lancy 3 gaz obojętny, w którym zawarty jest azot, argon oraz ewentualnie powietrze. Obojętny gaz chłodzący odbiera znaczną ilość ciepła wydzielającego się podczas egzotermicznej reakcji utleniania. W rejonie wypływu gazu zawierającego tlen z otworu rury wewnętrznej 4 lancy 3 następuje największe wydzielanie się ciepła, przy czym obojętny gaz chłodzący tworzy wokół tego rejonu walcowy płaszcz chłodzący, który osłania końcówkę lancy 3 przed przegrzaniem.

Badania eksploatacyjne sposobu według wynalazku wykazały, że stosowanie jako gazu chłodzącego powietrza jest co prawda tańsze, jednakże ze względu na obecność tlenu działanie chłodzące powietrza jest mniejsze niż działanie azotu lub argonu. W sposobie według wy6

187 501 nalazku mogą być przy tym korzystnie stosowane dowolne mieszaniny wymienionych wyżej gazów.

Badania wykazały także, że wdmuchiwanie lancą gazu zawierającego tlen oraz obojętnego gazu chłodzącego do konwertora odbywa się korzystnie z boku lub z góry konwertora, bowiem nadmuch dolny, zwłaszcza ciekłego kamienia miedziowego, powoduje zbyt silne chłodzenie gromadzącej się na dnie konwertora - miedzi konwertorowej, Jednakże dla utleniania zanieczyszczeń zawartych w innych metalach może być również celowe doprowadzenie gazu zawierającego tlen i obojętnego gazu chłodzącego do ciekłego metalu - z dołu konwertora,

W celu uzyskania korzystnych warunków reakcji utleniania, gaz zawierający tlen doprowadza się do ciekłego metalu w sposobie według wynalazku pod minimalnym ciśnieniem 2x10⁵ Pa, a korzystnie wyższym od 5x10⁵ Pa, Również gaz obojętny doprowadza się do ciekłego metalu pod minimalnym ciśnieniem wynoszącym 2x10⁵ Pa lub wyższym,

Zgodnie ze sposobem według wynalazku wdmuchuje się do konwertora więcej gazu zawierającego tlen niż gazu obojętnego, przy czym stosunek objętości obydwu gazów winien korzystnie mieć wartość zawartą w granicach od 1,5 do 1,6, Podczas ustalania dokładnej wartości tego stosunku w warunkach konkretnego procesu przedmuchiwania, należy uwzględnić, że w przypadku jego większej wartości (to jest stosunkowo dużej ilości tlenu i małej ilości gazu obojętnego) reakcja utleniania następuje bardzo intensywnie, lecz równocześnie działanie chłodzące gazu obojętnego jest niewielkie, natomiast w odwrotnym przypadku, to jest mniejszej wartości stosunku - działanie chłodzące jest wystarczająco intensywne, lecz równocześnie zostaje zmniejszona intensywność reakcji utleniania,

Badania eksploatacyjne sposobu według wynalazku wykazały ponadto, że po dokonanym przedmuchaniu tlenem ciekłego metalu w konwertorze i utworzeniu się żużla, korzystnie dalej wdmuchuje się do niego przez pewien czas zarówno gaz tlenonośny, jak i ewentualnie gaz obojętny, Dzięki temu lanca tlenowa zostaje ochłodzona, a ponadto zostają z niej usunięte zanieczyszczenia, powodując odpowiednie przedłużenie jej żywotności,

187 501

Fig. 3

187 501

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Lanca do przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu w konwertorze, złożona z dwóch współosiowych, umieszczonych jedna w drugiej rur, oddzielonych od siebie za pomocą elementów dystansowych, przy czym przez rurę wewnętrzną jest doprowadzany gaz zawierający tlen, a przez szczelinę utworzoną między tymi rurami - obojętny gaz chłodzący, znamienna tym, że stosunek grubości szczeliny (11), utworzonej między rurą wewnętrzną (4) i rurą zewnętrzną (7), do grubości rury zewnętrznej (7) jest zawarty w granicach od 0,5 do 0,6.
2. Lanca według zastrz. 1, znamienna tym, że rurę wewnętrzną (4) i rurę zewnętrzną (7) oddzielają elementy dystansowe stanowią spawy punktowe (10), przy czym na obwodzie pierścieniowej szczeliny (11) są korzystnie równomiernie rozmieszczone cztery spawy punktowe (10), a na każdy 1 mb długości tej szczeliny przypada od 12 do 30 spawów punktowych (10).
3. Sposób przedmuchiwania tlenem ciekłego metalu w konwertorze za pomocą gazu tlenonośnego, doprowadzonego przez środkowy otwór lancy, z równoczesnym wdmuchiwaniem przez pierścieniową szczelinę tej lancy obojętnym gazem chłodzącym, znamienny tym, że przez otwór środkowy lancy wdmuchuje się gaz zawierający powyżej 60%, a korzystnie powyżej 90% tlenu, pod minimalnym ciśnieniem wynoszącym 2x10⁵ Pa, a korzystnie powyżej 5x10⁵ Pa, natomiast przez pierścieniową szczelinę lancy wdmuchuje się obojętny gaz chłodzący, zawierający azot, argon oraz ewentualnie powietrze pod minimalnym ciśnieniem wynoszącym 2x105 Pa, przy czym stosunek objętości wdmuchiwanego do konwertora gazu tlenonośnego do objętości wdmuchiwanego w tym samym czasie obojętnego gazu chłodzącego ma wartość zawartą w granicach od 1,5 do 1,6.
4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że gaz zawierający tlen oraz ewentualnie obojętny gaz chłodzący wdmuchuje się do konwertora również już po przedmuchaniu znajdującego się w nim ciekłego metalu i utworzeniu żużla.