VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM AUFBLASEN VON SAUERSTOFFHALTIGEM GAS MIT UND
OHNE FESTSTOFF AUF EINE IN EINEM METALLURGISCHEN GEFAESS INSBESONDERE IN
EINEM RH-GEFAESS BEFINDLICHEN METALLSCHMELZE
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Aufblasen von sauerstoffhaltigem Gas mit und ohne Feststoff auf eine in einem metallurgischen Gefäß befindlichen Metallschmelze, ein Verfahren zum Erzeugen einer Brennflamme und die entsprechenden Vorrichtungen nach den Oberbegriffen der Ansprüche 1, 2, 6, 9, 13 und 18. Es sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen Sauerstoff auf eine Metallschmelze aufgeblasen wird und mit denen durch Zumischen von Brennstoff die Schmelze aufgeheizt werden kann.
So ist aus der EP 0 584 814 A2 eine sog. top-blow-lance bekannt, deren Lanzenmündung lavai-förmig ausgestaltet ist und die Bohrungen aufweist, über die ein brennbares Medium in den Hauptstrom der Lanze injiziert werden kann. Der Hauptstrom, bestehend aus Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas, verläßt die Lanzendüse mit Überschallgeschwindigkeit, aber unter konventionellen Strömungsbedingungen.
Die aus dieser Schrift bekannte Lanze besitzt einen wassergekühlten Mantel. Eine Vorrichtung zum Eindüsen von Feststoffen ist nicht vorgesehen.
Anlagen, bei denen Feststoffe zugegeben werden können, weisen regelmäßig
Zusatzeinrichtungen auf. So ist aus der DE 2026 780 C2 ein im Deckel des Gefäßes eingesteckter Zugabetrichter bekannt, durch den Feststoff - hier Zunder als Oxidationsmittel - der Schmelze zugeführt werden kann. Aus der DE 29 18 213 C2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum metallurgischen Behandlen von Metallschmelzen bekannt, bei denen eine Mehrphasenbehandlung in
einer einzigen Vorrichtung ermöglicht wird, in denen unter Beibehaltung der Abschlußhaube mindestens eine durch den Deckel geführte erste Einrichtung, hier eine Elektrode, durch eine zweite Einrichtung, hier eine Frischlanze, ersetzt wird.
Die Erfindung hat sich das Ziel gesetzt, ein Verfahren und eine dazu geeignete Lanze als einheitliches Bauteil zu schaffen, bei denen ohne bauliche Umbaumaßnahmen mit konstruktiv einfachen Mitteln verschiedene unterschiedliche Verfahrensschritte bei der Behandlung von in einem metallurgischen Gefäß befindliche Metallschmelzen bei Steigerung der Einbringraten der einzelnen Medien durchführbar sind. Die Erfindung erreicht dieses Ziel durch die kennzeichnenden Merkmale der
Verfahrensansprüche 1, 2 und 6 sowie die Vorrichtungsansprüche 9, 13 und 18.
Erfindungsgemäß wird eine Multifunktionslanze vorgeschlagen, bei der unabhängig voneinander die Verfahren Aufblasen von Sauerstoff mit und ohne Feststoffe und das Erzeugen einer Brennflamme möglich ist. Für den jeweiligen Verfahrensschritt werden lediglich die einzelnen Versorgungsleitungen entsprechend geschaltet, beim Aufblasen von Sauerstoff mit Feststoffen wird lediglich das Feststoffleitrohr tiefer in die Lanze hineingefahren. In jeder Verfahrensstufe sind durch Einflußnahme insbesondere auf das Medienfließverhalten maximale Einbringraten möglich.
So wird beim Verfahren zum Aufblasen von sauerstoffhaltigem Gas der Gasstrom in besonders einfacher Art zum Schwingen angeregt, und zwar in der Weise, daß die Gasvolumina in Form von Längswellen trotz der hohen Mengen in besonders weicher Form auf der Oberfläche der Flüssigschmelze auftreffen.
Das Verfahren und die Vorrichtung eignen sich für die Behandlung von Metallschmelzen unter Atmosphärendruck wie auch unter Vakuum.
Beim Einsatz der Lanze zum Erzeugen einer Brennflamme wird nicht nur der Sauerstoffhauptstrom zum Pulsieren gebracht, auch das Brenngas wird zum
Schwingen angeregt und dabei in seiner Frequenz so abgestimmt, daß im Vergleich zu konventionell strömenden Medien eine deutliche Steigerung und eine intensivere Vermischung der einzelnen Medien erfolgt. Die Pulsfrequenz des Sauerstoffs liegt dabei zwischen 60 und 900 Herz, bei einem Druck von 3 bis 11 bar. Die Pulsfrequenz des Brenngases weist eine vergleichbare Größe auf, wobei der Druck leicht über dem
des Hauptgases liegt. Als Brenngas finden Erdgas, Koksgas und vergleichbare Gase Verwendung. Das Brenngas wird in kleinen Dosen über eine Vielzahl von Düsen in den Sauerstoffstrom injiziert. Die einzelnen Düsen besitzen in Abhängigkeit des Abstandes zum kritischen Durchmesser der lavai-förmigen Lanzenmündung einen vorgegebenen Winkel, der auf die momentane Gasgeschwindigkeit und die aktuelle Schwingungsart Rücksicht nimmt. Die einzelnen Düsen sind selber als Generatoren ausgebildet, so daß mit einfachen Mitteln das Brenngas unmittelbar vor der Zumischung in den Hauptstrom zum Schwingen angeregt wird.
Das Brenngas kann über einen Ringspalt, der durch das Brenngaszufuhrrohr und das Sauerstoffleitrohr begrenzt ist oder über eine eigene Brennstoffzufuhrleitung zugeführt werden.
Beim Aufblasen von Sauerstoff und gleichzeitig von Feststoffen wird die Feststoffzufuhrlanze mit seiner Mündung bis in Strömungsrichtung hinter dem kritischen Durchmesser positioniert. Die körnigen oder auch staubförmigen Feststoffe werden von einem Fördergas transportiert. Dieses Gasfeststoffgemisch wird an der Mündung der Feststofförderlanze vom vorbeiströmenden Sauerstoffstrom mitgerissen. Zur weiteren Erhöhung dieses Effektes wird vorgeschlagen, die Mündung in der Weise auszugestalten, daß der Umfang des Mündungsbereiches größer ist als der Umfang des rohrförmigen Feststoffrohres. Am einfachsten geschieht dies durch ein sternförmiges Bördeln des Mündungsbereichs. Bei gleicher Querschnittsfläche steht dem mit hoher Geschwindigkeit vorbeiströmenden Sauerstoffstrahl eine größere Umfangslinie zur Verfügung, das mit Feststoffen belegte Fördergas mitzureißen.
Weiterhin wird vorgeschlagen, den Prallring, der den Hauptstrom zum Schwingen anregt, stromabwärts in Form einer lavai-förmigen Lanzenmündung auszugestalten und so nicht erwünschte Behinderungen nach der Blende zu vermeiden.
Um den Hauptgasstrom bei allen denkbaren Gasmengen ohne Austausch der Lanzen optimal zum Schwingen anzuregen wird vorgeschlagen, die Einengung im kritischen Durchmesser der Laval-Düse verstellbar auszugestalten. Dabei wird vorgeschlagen, die konstruktiv einfach ausgestalteten Kipphebel einendig zu lagern und einstellbar zu kippen.
Ein Beispiel der Erfindung ist in der beigefügten Zeichnung dargelegt. Dabei zeigen die Figur 1 das Schema einer Lanze mit sämtlichen Bauelementen zur
Durchführung der verschiedenen Verfahren. Figur 2 den Mündungsbereich der Feststofförderianze und Figur 3 Schema der Brennstoffdüse.
Die Figur 1 zeigt eine Lanze, die sich aus einem Wasserleitrohr 21 und einem Sauerstoffleitrohr 11 zusammensetzt, das fußendig mit diesem verbunden von einem Wassertrennschirm 22 umhüllt wird, der wiederum fußendig mit dem Wasserleitrohr 21 verbunden ist.
Im linken Teil der Figur 1 ist ein Brenngasleitrohr 31 vorgesehen, daß das Sauerstoffleitrohr 11 umhüllt und einen spaltförmigen Freiraum für die Zuführung von Brenngas zuläßt. Im rechten Teil der Figur 1 ist ein Rohr als Brenngaszufuhrleitung 32, das unmittelbar vom Fußende zum Kopfende der Lanze gefühlt ist, aufgezeigt. Die einzelnen Medien Wasser W, Brenngas B, Feststoff F, Fördergas G und Sauerstoff S werden über die einzelnen Stutzen, und zwar Gaszufuhr 12, Wasserzufuhr 23, Wasserabfuhr 24, Brenngaszufuhr 33 und Feststoffzufuhr 42 der Lanze zugeführt.
Im Zentrum des Sauerstoffleitrohres 11 ist ein Verdrängungsrohr 41 angeordnet, das bei vorgegebener Eindringtiefe in das Sauerstoffleitrohr 11 als Feststoffzuführrohr einsetzbar ist.
Im Sauerstoffleitrohr 11 ist mit einem Abstand Ig in Strömungsrichtung vor dem kritischen Durchmesser der lavai-förmigen Lanzenmündung ein Prallring 13 befestigt. Der Prallring 13 besitzt einen freien Durchtritt D_ . Der Prallring 13 kann auf seiner stromabwärts liegenden Seite eine lavai-förmige Ausgestaltung 15 aufweisen. Das Sauerstoffleitrohr 11 besitzt eine Einengung 14, dem kritischen Durchmesser der lavai-förmigen Lanzenmündung. Dieser kritische Durchmesser 14 kann durch Verstellelemente 16 variiert werden.
Beim Einsatz der Lanze als reine Aufblaslanze ohne Feststoffe mündet das Rohr 41 in Stromrichtung vor dem Prallring 13 in einem Abstand Ip.
Beim Einsatz des Rohres 41 als Feststoffzuführrohr wird dieses Rohr in der Weise verschoben, daß es durch den Freiraum der Prallplatte 13 und die Einengung des
kritischen Durchmessers 14 hindurchragt und von der Einengung 14 stromabwärts ein Abstand I« besitzt.
Im Laval-Düsenbereich 17 des Sauerstoffleitrohres 11 sind Düsen 34 vorgesehen, die eine Erweiterungsstufe 35 aufweisen.
Die Düsen 34 weisen zu einer jeweiligen Ebene senkrecht zur Lanzβnmittenachse I einen Winkel α auf, der umso flacher (kleiner) wird, je weiter die einzelne Düse 34 vom kritischen Durchmesser 14 entfernt ist. Die erste Düse 34 ist mindestens im Abstand Irj vom kritischen Durchmesser 14 beabstandet. Die einzelnen Pfeile zeigen die Strömungsrichtung des Mediums an.
Die Figur 2 zeigt den Mündungsbereich des Feststoffzuführrohres 41 mit einer sternförmigen Ausbördelung. Durch die besondere Formgestaltung besitzt das Feststoffzuführrohr 41 einen konstanten Querschnitt A, wobei die Umfangslinie des verformten Teils Uv länger ist als die Umformungslinie eines unverformten Rohres UR.
Die Figur 3 zeigt eine Düse 34 mit einer ausgangsseitigen Erweiterungsstufe 35. Weiterhin aufgezeigt sind die Bemaßungen Länge der Düse L^ , Länge Generator Lg, Durchmesser Düse Dp und Durchmesser Generator DQ.
Positionsliste
Sauerstoff
11 Sauerstoffleitrohr
12 Sauerstoffzuführstutzen
13 Prallring
14 Einengung (kritischer Durchmesser)
15 lavalförmige Ausgestaltung
16 Verstellelement
17 Laval-Düse
Wasser
21 Wasserleitrohr
22 Wassertrennschirm
23 Wasserzuführstutzten 24 Wasserabführstutzen
Brenngas
31 Brenngasleitrohr
32 Brenngaszuführleitung 33 Brenngaszuführstutzen
34 Düse
35 Erweiterungsstufe
Feststoff 41 Feststoffzuführrohr
42 Feststoffzuführstutzen
S Sauerstoff
F Feststoff W Wasser
B Brenngas
G Fördergas
I Lanzenhauptachse
A Fläche
DG Durchmesser Generator
Dp Durchmesser Brennstoffdüse Dg Durchmesser Blende
D« kritischer Durchmesser
D§ lichte Weite Sauerstoffleitrohr d lichte Weite Feststoffzuführrohr lp Abstand Rohr 41 zur Plattte 13 (bei Sauerstoff) Irj Abstand kritischer Durchmesser zur Brennstoffdüse l<j Abstand Rohr 41 (bei Feststoff ) zum kritischen Durchmesser lκ Abstand Mündung Feststoffzuführrohr zum kritischen Durchmesser
Ig Abstand Prallring zum kritischen Durchmesser
Lfj Länge Düse Lg Länge Generator
U\ Umfang verformter Teil
UR Umfang rohrförmig α Bohrungswinkel