WO2001062987A1 - Einrichtung zum zerstäuben von flüssigen schmelzen - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a device for atomizing liquid melts, in particular oxidic slags or glasses, with a slag tundish and an outlet opening into which a lance for injecting gases or steam is immersed to form an annular gap.
  • the lance for injecting gases or steam was either arranged above the liquid melt level and thus subjected to less wear, which means that the ejection characteristic is naturally was largely dependent on the height of the slag bath or the height of the molten bath.
  • naturally high-temperature-resistant materials have to be used, whereby compliance with a defined jet geometry and a defined atomization is made more difficult by the fact that solidification in the area of the outlet opening changes the gap geometry and changes the Particle size distribution of the atomized droplets leads.
  • the device according to the invention essentially consists in that the lance is formed by two coaxial tubes which can be adjusted separately from one another in the axial direction and can be fixed in their respective axial displacement position.
  • the inlet gap width for the liquid melt with the outer tube can be adjusted by a relative displacement of these two tubes to each other, whereas the desired jet parameters by appropriate adjustment of the inner tube to the specifications, such as pressure or type of propellant medium can be adjusted.
  • the lance from two coaxial tubes to use different materials and, for example, to arrange a sleeve or an outer tube made of high-temperature-resistant ceramic or inexpensive graphite, whereas the inner tube of the lance can consist of correspondingly high-temperature-resistant steel or likewise of ceramic material and through the sleeve is protected from excessive corrosive or thermal attack by the melt.
  • a sleeve as a wearing part, it is possible to significantly reduce the operating costs of such a device and, at the same time, the parameters for the desired droplet formation or jet formation within wide limits.
  • graphite is only suitable as a material for the sleeve if carbon cannot be dissolved in the melt to be atomized. This applies to melts that contain neither metals nor iron or chromium oxides.
  • Graphite as a material for the outer tube represents a particularly inexpensive wear part, which at the same time offers the possibility of effectively countering an increase in the outlet opening.
  • the design according to the invention is such that the outlet opening as a nozzle block and the outer tube or the sleeve of the lance consist of electrically conductive material, in particular graphite, and then, if the nozzle block is also formed of electrically conductive material, in a simple manner electrical heating, for example by forming an arc between the sleeve and the nozzle block in the area of the inlet opening and the application of the driving steel, can take place, so that a constant nozzle geometry can be ensured during operation.
  • electrical heating for example by forming an arc between the sleeve and the nozzle block in the area of the inlet opening and the application of the driving steel
  • the basic principle is that the droplets or the corresponding solidifying particles become finer as the vapor temperature rises, which can be attributed, among other things, to a corresponding improvement in the rheology of the droplets.
  • high final steam temperatures generally require a correspondingly complex steam generation and a correspondingly complex supply of high-temperature steam to the lance. Due to the fact that the steam is finally heated or finally overheated, for example by an electric arc, the steam can be overheated to a maximum of 1600 ° C with significantly lower steam temperatures and, for example, with steam temperatures of about 700 ° C and a steam pressure of 10 bar maximum. Steam generation is therefore correspondingly more cost-effective and the temperature load steam lance is greatly reduced.
  • the central tube of the lance is made of ceramic material or of high-grade steel, which makes it easier to maintain the conditions for an exact jet geometry. While with conventional lances made of steel thermal deformation and possibly even melting of the mouth of the lance must be expected, the use of a sleeve made of temperature-resistant material enables the slag to act directly from the mouth of the central pipe or Keep the inner tube away so that the consistency of the jet geometry can be maintained over a longer period of time.
  • the design is such that the nozzle block has a conical inlet opening and an oppositely conical outlet opening which diverges towards the mouth, thereby ensuring that the inlet gap and the essential atomization parameters can be set in a simple manner by a corresponding axial displacement ,
  • the geometry of the outlet opening can be kept free from influences, for example an overgrowth by solidification, and it therefore corresponds to a preferred embodiment that the nozzle block and the outer tube or the sleeve also a power source to form an electrical heater in the area of the nozzle block.
  • the size of the atomized melt droplets can be reduced even further in that, as is in a preferred embodiment, at least one ring nozzle is arranged coaxially to the outlet opening in a spray chamber connected to the slag tundish, the axes of the nozzle outlet openings preferably being essentially parallel to the Axis of the lance or are diverging. A thread formation cannot be prevented in the area of the sprayed melt droplets emerging from the tundish, which is mainly due to the increased surface tension of the solidifying melt droplets.
  • FIG. 1 shows a partial view of a slag tundish with an outlet opening and FIG. 2 shows a slag tundish with a connected spray chamber.
  • FIG. 1 shows a partial view of a slag tundish with an outlet opening and
  • FIG. 2 shows a slag tundish with a connected spray chamber.
  • the bottom and a side wall of a slag tundish is denoted by 1.
  • the lance 3 consists of an inner tube 4 made of high-temperature-resistant steel and an outer tube or a sleeve 5 made of graphite.
  • nozzle block 6 which in turn can itself be made of graphite, wherein when using graphite for the material of the sleeve 5 or the nozzle block 6, all that needs to be taken into account is that the melt 2 does not contain materials, in which carbon is soluble. This applies in particular when the melt is not an iron melt and when the melt contains neither iron oxides nor chromium oxides.
  • the two components of the lance 3, namely the inner tube 4 and the sleeve 5, can each be adjusted separately in the direction of the double arrow 7 in the height direction.
  • a shift of the outer sleeve 5 defines the width of the inlet gap for liquid melts.
  • graphite for the material of the sleeve 5 and the nozzle block 6, a stable arc can be established between these two components which act as electrodes, so that the geometry and the defined gap width cannot be impaired by solidification processes.
  • the jet geometry can now be set within wide limits and adapted to the respective propellant.

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Abstract

Bei einer Einrichtung zum Zerstäuben von flüssigen Schmelzen, insbesondere oxidischen Schlacken oder Gläsern, mit einem Schlackentundish und einer Auslassöffnung, in welche eine Lanze zum Einstossen von Gasen oder Dampf unter Ausbildung eines Ringspaltes eintaucht, ist die Lanze (3) von zwei Koaxialen Rohren (4,5) gebildet, welche gesondert voneinander in axialer Richtung verstellbar sind und in ihrer jeweiligen axialen Verschiebelage festlegbar sind.

Description

Einrichtung zum Zerstäuben von flüssigen Schmelzen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Zerstäuben von flüssigen Schmelzen, insbesondere oxidischen Schlacken oder Gläsern, mit einem Schlackentundish und einer Auslaßöffnung, in welche eine Lanze zum Einstoßen von Gasen oder Dampf unter Ausbildung eines Ringspaltes eintaucht.
Für die Zerstäubung und das Granulieren flüssiger Schlacken sind eine Reihe von Vorschlägen bekannt geworden, bei welchen flüssige Schlacken aus einem Schlackentundish über eine Austrittsöffnung entweder im freien Strahl in einem Kühlraum ausgebracht werden oder nachfolgend noch im Kühlraum mit Dampf und/oder Kaltwasser beaufschlagt werden, sodaß eine rasche und intensive, glasartige Erstarrung ermöglicht wird. Als Treibstrahl wurde in diesem Zusammenhang neben Dampf auch Hochdruckkaltwasser vorgeschlagen, wobei naturgemäß auch Inertgase für das Ausstoßen der flüssigen Schmelzen geeignet sind. Wenn bei einem derartigen Verfahren Dampf als Treibstrahl eingesetzt wird, kann es bei entsprechend intensiver Abkühlung dazu kommen, daß durch Kondensation im nachfolgenden Kühlraum ein Unterdruck entsteht. Im Falle der Verwendung von Kaltwasser kommt es zu einer raschen Verdampfung beim Kontakt mit flüssigen Schmelzen, sodaß sich hier ggf. ein Überdruck aufbauen kann. Insbesondere im Bereich der Austrittsöffnungen herrschen daher unterschiedliche Druckverhältnisse vor, wobei im Bereich des Düsenspaltes ein Unterdruck ebenso wie ein Überdruck entstehen kann. Um nun die entsprechende Zerstäubung sicherzustellen und an die jeweiligen Bedingungen anzupassen und vor allen Dingen um sicherzustellen, daß eine entsprechende feine Zerstäubung erfolgt, ist es erforderlich, die Düsengeometrie den jeweiligen Bedingungen anzupassen.
Bei den bisherigen Ausbildungen wurde die Lanze zum Einstoßen von Gasen oder Dampf entweder oberhalb des flüssigen Schmelzenspiegels angeordnet und auf diese Weise einem geringeren Verschleiß unterworfen, wodurch die Ausstoßcharakteristik naturge- maß in hohem Maße von der Schlackeribadhöhe bzw. von der Höhe des Schmelzebades abhängig war. Bei Ausbildungen, bei welchen die Lanze in die flüssige Schmelze eintaucht, müssen naturgemäß entsprechend hochtemperaturfeste Werkstoffe Verwendung finden, wobei die Einhaltung einer definierten Strahlgeometrie und einer definierten Zerstäubung dadurch erschwert wird, daß eine Erstarrung im Bereich der Auslaßöffnung zu Änderungen der Spaltgeometrie und zu Veränderungen der Teilchengrößeverteilung der zerstäubten Tröpfchen führt.
Die Erfindung zielt nun darauf ab, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welcher es in einfacher Weise gelingt, einem Anwachsen eines Schlackenpelzes durch Erstarrung im Bereich der Auslaßöffnung entgegenzuwirken und mit welcher es gleichzeitig gelingt, die gewünschten Strahlparameter den jeweiligen Verhältnissen anzupassen. Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die erfindungsgemäße Einrichtung im wesentlichen darin, daß die Lanze von zwei koaxialen Rohren gebildet ist, welche gesondert voneinander in axialer Richtung verstellbar sind und in ihrer jeweiligen axialen Verschiebelage festlegbar sind. Dadurch, daß zwei koaxiale Rohre angeordnet sind, kann durch eine relative Verschiebung dieser beiden Rohre zueinander die Einlaßspaltbreite für die flüssige Schmelze mit dem Außenrohr eingestellt werden, wohingegen die gewünschten Strahlparameter durch entsprechende Verstellung des Innenrohres an die Vorgaben, wie beispielsweise Druck oder Art des Treibstrahlmediums angepaßt werden können. Weiters gelingt es mit einer derartigen Ausbildung der Lanze aus zwei koaxialen Rohren unterschiedliche Werkstoffe einzusetzen und beispielsweise eine Hülse bzw. ein Außenrohr aus hochtemperaturfester Keramik oder kostengünstigem Graphit anzuordnen, wohingegen das Innenrohr der Lanze aus entsprechend hochtemperaturfestem Stahl oder gleichfalls aus keramischem Material bestehen kann und durch die Hülse vor übermäßi^- gem korrosiven oder thermischem Angriff durch die Schmelze geschützt wird. Insgesamt gelingt es durch die Verwendung einer Hülse als Verschleißteil, die Betriebskosten einer derartigen Einrichtung wesentlich- zu senken und gleichzeitig die Parameter für die gewünschte Tröpfchenausbildung bzw. Strahlausbildung in weiten Grenzen einzustellen.
Graphit als Material für die Hülse ist naturgemäß nur dann ge- eignet, wenn Kohlenstoff in der zu zerstäubenden Schmelze nicht lösbar ist. Dies gilt für Schmelzen, welche weder Metalle noch Eisen- oder Chromoxide enthalten. Graphit als Material für das Außenrohr stellt einen besonders kostengünstigen Verschleißteil dar, welcher gleichzeitig die Möglichkeit bietet, einem Zuwach- sen der Austrittsöffnung wirksam zu begegnen.
Mit Vorteil ist die Ausbildung erfindungsgemäß so getroffen, daß die Auslaßöffnung als Düsenstein und das Außenrohr bzw. die Hülse der Lanze aus elektrisch leitfähigem Material, insbesondere Graphit, bestehen, wobei dann, wenn auch der Düsenstein aus elektrisch leitfähigem Material ausgebildet ist, in einfacher Weise eine elektrische Beheizung, beispielsweise durch Ausbildung eines Lichtbogens zwischen der Hülse und dem Düsenstein im Bereich der Eintrittsöffnung und der Beaufschlagung mit dem Treibstahl erfolgen kann, sodaß eine konstante Düsengeometrie im Betrieb sichergestellt werden kann. Bei Verwendung einer derartigen Beheizung im Bereich des Düsenspaltes kann aber noch ein weiterer bedeutender Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung genutzt werden. Prinzipiell gilt nämlich, daß mit zunehmender Dampftemperatur die Tröpfchen bzw. die entsprechenden erstarrenden Partikel feiner werden, wobei dies unter anderem auf eine entsprechende Verbesserung der Rheologie der Tröpfchen zurückgeführt werden kann. Hohe Enddampftemperaturen erfordern aber in aller Regel eine entsprechend aufwendige Dampferzeugung und eine entsprechend aufwendige Zuleitung von Hochtemperaturdampf zur Lanze. Dadurch, daß nun eine Endaufheizung bzw. Endüberhitzung des Dampfes beispielsweise durch einen Elektrolichtbogen erfolgt, kann mit wesentlich geringeren Dampftemperaturen und beispielsweise mit Dampftemperaturen von etwa 700° C bei einem Dampfdruck von maximal 10 bar eine Überhitzung des Dampfes auf maximal 1600° C erreicht werden. Die Dampferzeugung gestaltet sich somit entsprechend kostengünstiger und die Temperaturbelas- tung der Dampflanze wird stark reduziert. Die Überhitzung von "Kaltdampf" im Düsenbereich führt hierbei unter anderem dazu, daß die Lanze selbst vom Dampfdruck entlastet wird, da hier der Druck bereits in Strahlgeschwindigkeit umgewandelt ist und das Strahlrohr somit nur noch einer wesentlich geringeren thermischen Belastung unterliegt.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausbildung besteht das zentrale Rohr der Lanze aus keramischem Material oder aus hochtem eratur- festem Stahl, wodurch die Bedingungen für eine exakte Strahlgeometrie einfacher eingehalten werden können. Während bei üblichen Lanzen aus Stahl mit einer thermischen Deformation und ggf. sogar mit einem Abschmelzen der Mündung der Lanze gerechnet werden muß, gelingt es bei Verwendung einer Hülse aus entsprechend temperaturbeständigem Material, die unmittelbare Einwirkung der Schlacke von der Mündung des zentralen Rohres bzw. des Innenrohres fernzuhalten, sodaß die Konstanz der Strahlgeometrie über einen längeren Zeitraum aufrecht erhalten werden kann.
In besonders vorteilhafter Weise ist die Ausbildung so getroffen, daß der Düsenstein eine konische EinlaufÖffnung und eine entgegengesetzt konisch ausgebildete, zur Mündung divergierende Auslaßöffnung aufweist, wodurch sichergestellt wird, daß durch eine entsprechende axiale Verschiebung der Einlaufspalt und die wesentlichen Zerstäubungsparameter in einfacher Weise eingestellt werden können.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist es von besonderem Vorteil, wenn die Geometrie der Auslaßöffnung von Einflüssen, wie bei- spielsweise einem Zuwachsen durch Erstarren, freigehalten werden kann und es entspricht daher einer bevorzugten Ausbildung, daß der Düsenstein und das Außenrohr bzw. die Hülse mit einer Stromquelle zur Ausbildung einer elektrischen Beheizung im Bereich des Düsensteins verbunden sind.
Ist durch die Einstellung der wesentlichen Zerstäubungsparameter also eine deutliche Erhöhung der Zerstäubungsfeinheit zu beob- achten, so kann die Größe der zerstäubten Schmelzetröpfchen dadurch noch weiter verkleinert werden, daß, wie es einer bevorzugten Ausbildung entspricht, koaxial zur AuslaufÖffnung in einer an den Schlackentundish angeschlossenen Sprühkammer wenigstens eine Ringdüse angeordnet ist, wobei bevorzugt die Achsen der Düsenaustrittsöffnungen im wesentlichen parallel zur Achse der Lanze oder divergierend gerichtet sind. Im Bereich der über die Auslauföffnung aus dem Tundish austretenden versprühten Schmelzetröpfchen kann eine Fadenbildung nicht verhindert werden, welche hauptsächlich auf die erhöhte Oberflächenspannung der erstarrenden Schmelzetröpfchen zurückzuführen ist. Durch die Anordnung einer Ringdüse innerhalb der Sprühkammer kann nun zusätzlich Dampf und/oder Heißgase, wie z.B. Verbrennungsabgase in der Sprühkammer ausgestoßen werden, wobei durch Konakt mit den erstarrenden Schmelzetröpfchen diese wieder erhitzt werden, wodurch die Oberflächenspannung herabgesetzt und die Tropfchen- größe weiter verringert werden kann. Dampf bzw. Heißgase werden bevorzugt parallel zur Achse der Lanze ausgestoßen, wodurch ein die Austrittsöffnung des Tundish umgebender Dampf- bzw. Heißgas- mantel ausgebildet wird, welcher den für die Expansion der versprühten Schmelzetröpfchen zur Verfügung stehenden Raum begrenzt. Insbesondere werden von dem aus der Ringdüse ausge- stossenen Dampf bzw. Heißgas die Schmelzetröpfchen im Randbereich des aus dem Tundish austretenden Schmelzetröpfchenstrahls erfaßt, welche am stärksten abgekühlt wurden und somit am ehesten zur Fadenbildung neigen. Mit Vorteil ist die Ausbildung daher so getroffen, daß die Ringdüse eine Zuleitung für Dampf und/oder Heißgase insbesondere mit einer die Temperatur des austretenden Schlackenstrahles übersteigenden Temperatur aufweist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 eine Teilansicht eines Schlackentundish mit einer AuslaufÖffnung und Fig. 2 einen Schlackentundish mit einer angeschlossenen Sprühkammer. In Fig. 1 ist der Boden und eine Seitenwand eines Schlackentundish mit 1 bezeichnet. Im Tundish befindet sich eine schmelzflüssige Schlacke 2, in welche eine Lanze 3 eintaucht. Die Lanze 3 besteht aus einem Innenrohr 4 aus hochtemperaturfestem Stahl und einem Außenrohr bzw. einer Hülse 5 aus Graphit. Im Boden des Schlackentundish ist ein Düsenstein 6 angeordnet, welcher selbst wiederum aus Graphit ausgebildet sein kann, wobei bei Verwendung von Graphit für das Material der Hülse 5 bzw. des Düsensteins 6 lediglich darauf Rücksicht genommen werden muß, daß die Schmelze 2 nicht Materialien enthält, in welchen Kohlenstoff löslich ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Schmelze keine Eisenschmelze ist und wenn die Schmelze weder Eisenoxide noch Chromoxide enthält.
Die beiden Bauteile der Lanze 3, nämlich das Innenrohr 4 und die Hülse 5, können jeweils gesondert in Richtung des Doppelpfeils 7 in Höhenrichtung verstellt werden. Eine Verschiebung der Außenhülse 5 definiert hierbei zum einen die Breite des Einlaßspaltes für flüssige Schmelzen. Zum anderen kann bei Verwendung von Graphit für das Material der Hülse 5 und des Düsensteins 6 ein stabiler Lichtbogen zwischen diesen beiden als Elektroden wirksamen Bauteilen aufgebaut werden, sodaß die Geometrie und die definierte eingestellte Spaltbreite nicht durch ErstarrungsVorgänge beeinträchtigt werden kann. Durch Verstellung des zentra- len Rohres 4 der Lanze 3 kann nun die Strahlgeometrie in weiten Grenzen eingestellt und an das jeweilige Treibmedium angepaßt werden. Insgesamt gelingt es mit einer derartigen, aus zwei koaxialen Rohren gebildeten Lanze, nicht nur thermische Probleme und Korrosionsprobleme zu beherrschen, sondern auch eine defi- nierte Strahlgeometrie einzustellen, welche über einen langen Zeitraum im Betrieb aufrecht erhalten werden kann.
In Fig. 2 ist wiederum ein Schlackentundish ersichtlich, in welchem sich die schmelzflüssige Schlacke 2 befindet. Es ist wiederum ein in die Schlacke eintauchendes Innenrohr 4 einer Lanze 3 ersichtlich, wobei das Innenrohr 4 von einem Wehrrohr 5 umgeben ist. An den Schlackentundish 1 ist nun eine Sprühkammer 8 angeschlossen, wobei konzentrisch zur Achse 9 der Lanze ein Ringdüsenkranz 10 angeordnet ist. Der aus dem Ringdüsenkranz 10 austretende Dampf bzw. Heißgasstrom ist im wesentlichen parallel zur Achse 9 der Lanze 3 gerichtet und kommt mit dem äußeren Bereich der zerstäubten Schmelzetröpfchen in Kontakt. Die bereits zumindest teilweise abgekühlten Schmelzetröpfchen werden dadurch wieder erhitzt und werden, begünstigt durch die auf diese Art und Weise herabgesetzte Oberflächenspannung, weiter zerkleinert und zerstäubt. Dadurch ist eine noch feinere Zer- stäubung der Schmelze möglich.

Claims

Patentansprüche:
1. Einrichtung zum Zerstäuben von flüssigen Schmelzen, insbesondere oxidischen Schlacken oder Gläsern, mit einem Schlackentun- dish und einer Auslaßöffnung, in welche eine Lanze zum Einstoßen von Gasen oder Dampf unter Ausbildung eines Ringspaltes eintaucht, dadurch gekennzeichnet, daß die Lanze (3) von zwei koaxialen Rohren (4,5) gebildet ist, welche gesondert voneinander in axialer Richtung (7) verstellbar sind und in ihrer jeweiligen axialen Verschiebelage festlegbar sind.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung als Düsenstein (6) und das Außenrohr bzw. die Hülse (5) der Lanze (3) aus elektrisch leitfähigem Material, insbe- sondere Graphit, bestehen.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das zentrale Rohr (4) der Lanze (3) aus keramischem Material oder aus hochtemperaturfestem Stahl besteht.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenstein (6) eine konische EinlaufÖffnung und eine entgegengesetzt konisch ausgebildete, zur Mündung divergierende Auslaßöffnung aufweist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenstein (6) und das Außenrohr bzw. die Hülse (5) mit einer Stromquelle zur Ausbildung einer elektrischen Beheizung im Bereich des Düsensteins (6) verbunden sind.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß koaxial zur AuslaufÖffnung in einer an den Schlackentundish angeschlossenen Sprühkammer wenigstens eine Ringdüse angeordnet ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Achsen der Düsenaustrittsöffnungen im wesentlichen parallel zur Achse der Lanze oder divergierend gerichtet sind.
8. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet , daß die Ringdüse eine Zuleitung für Dampf und/oder Heißgase, insbesondere mit einer die Temperatur des austretenden Schlackenstrahls übersteigenden Temperatur, aufweist .
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