WO2019166571A1

WO2019166571A1 - BLASLANZENKOPF MIT KANTENVERSCHLEIßSCHUTZ DER DÜSENAUSTRITTSÖFFNUNGEN

Info

Publication number: WO2019166571A1
Application number: PCT/EP2019/055028
Authority: WO
Inventors: Heiko Klose; Hans-Jürgen ODENTHAL; Oliver Wiens; Ronald Genßler
Original assignee: Sms Group Gmbh
Priority date: 2018-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2019-09-06
Also published as: DE102018203019A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Blaslanzenkopfes (3) mit einer Blaslanzenkopfschale aus Kupfer, die mehrere die Bodenwand des Blaslanzenkopfes (3) durchsetzende Düsen (4) aufweist, wobei im Bereich der Düsenaustrittsöffnungen (15) mittels eines Auftragschweißverfahrens im Randbereich (6) der Düsenaustrittsöffnungen (15)ein Verstärkungsmaterial aus einem nichtrostenden, insbesondere austenitischen, Edelstahl auf das Kupfermaterial der Blaslanzenkopfschale aufgebracht wird oder wobei im Bereich der Düsenaustrittsöffnungen (15) mittels eines Aufschmelz-und/oder Umlegierungsverfahrens eine gehärtete Oberflächenschicht des Kupfermaterials der Blaslanzenkopfschale im Randbereich (6) der Düsenaustrittsöffnungen (15) ausgebildet wird, soll eine Lösung geschaffen werden, die einen Auftrag eines Verstärkungsmaterials ermöglicht, ohne dass ein nachfolgender mechanischer Bearbeitungsschritt notwendig wird. Dies wird dadurch erreicht, dass das Verstärkungsmaterial ohne nachfolgende mechanische Nachbearbeitung in Form eines eine jeweilige Düsenaustrittsöffnung (15) auf der Außenseite der Blaslanzenkopfschale umschließenden und nahtlos auf die Innenumfangsfläche der zugeordneten Düse (4) übergehenden Randbereichs (6) an der Düsenaustrittsöffnung (15) aus nichtrostendem, insbesondere austenitischem, Edelstahl mittels eines Laserauftragsverfahrens, insbesondere mittels Lasersauftragschweißens, in einer Stärke von 0,1 –1,0 mm, bevorzugt 0,1 -0,3 mm, auf das Kupfermaterial der Blaslanzenkopfschale aufgetragen wird, wobei ein Edelstahl mit einem zum Kupfermaterial zumindest annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder einer zumindest annähernd gleichen Wärmeausdehnung ausgewählt und aufgetragen wird, oder dass das Kupfermaterial des Randbereichs (6) mittels eines Schweiß-Schmelz-Verfahrens in einer Stärke von 0,1 mm –1,0 mm, bevorzugt 0,1 mm -0,3 mm, vorzugsweise unter Zugabe von pulverförmigem Legierungsmaterial, aufgeschmolzen und dann abgekühlt wird.

Description

Blaslanzenkopf mit Kantenverschleißschutz der Düsenaustrittsöffnungen

Die Erfindung richtet sich auf Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Blaslanzenkopfes mit einer Blaslanzenkopfschale aus Kupfer, die mehrere die Bodenwand des Blaslanzenkopfes durchsetzende Düsen aufweist, wobei im Bereich der Düsenaustrittsöffnungen mittels eines Auftragsschweißverfahrens im Randbereich der Düsenaustrittsöffnungen Verstärkungsmaterial aus einem nichtrostenden, insbesondere austenitischen, Edelstahl auf das Kupfermaterial der Blaslanzenkopfschale aufgebracht wird oder wobei im Bereich der Düsenaustrittsöffnungen mittels eines Aufschmelz- und/oder Umlegierungsverfahrens eine gehärtete Oberflächenschicht des Kupfermaterials der Blaslanzenkopfschale im Randbereich der Düsenaustrittsöffnungen ausgebildet wird.

Weiterhin richtet sich die Erfindung auf einen nach diesem Verfahren hergestellten Blaslanzenkopf.

Beispielsweise bei der Stahlerzeugung in einem BOF (Basic Oxygen Furnace) - Konverter wird Sauerstoff mit Hilfe einer Blaslanze auf ein schmelzflüssiges Metallbad aufgeblasen. Im Kopf der Blaslanze befinden sich mehrere konvergent- divergente Lavaldüsen. Die Düsen beschleunigen den auszublasenden Sauerstoff auf Überschallgeschwindigkeit. Der Sauerstoff trifft auf die Schmelze und erzeugt dort eine oszillierende Blasmulde. Der Sauerstoff sorgt für eine intensive Entkohlungsreaktion in der Schmelze.

Die Düse eines Blaslanzenkopfes kann nur für einen Betriebspunkt bezüglich Vordruck und Volumenstrom ausgelegt werden. Die Parameter werden im Betrieb jedoch ständig geregelt, so dass die reale Düsenströmung für eine längere Zeitdauer vom idealen Auslegungszustand abweicht. Als Folge bilden sich innerhalb und außerhalb der Düse komplexe Störungen in Form von Expansionswellen und Verdichtungsstößen, die zum Verschleiß der Düsenkante führen. Die Verringerung des Vordruckes unter den Auslegungsdruck ist kritisch, da die gebildeten schrägen Verdichtungsstöße an der Düsenkante zu einer Ablösung des kalten Sauerstoffstrahls von der Düsenwand führen. Dabei wird ein Rezirkulationsgebiet gebildet, über das heißes Konvertergas an die Düsenwand aus Kupfer gelangt. Da das Kupfer eine niedrige Schmelztemperatur von 1083 °C hat, setzt der Verschleiß trotz innerer Wasserkühlung rasch ein. Hat der Verschleiß an einer bestimmten Stelle im divergenten Teil der Düse begonnen, so wird diese Stelle im weiteren Konverterbetrieb auch besonders intensiv durch Konvertergas beaufschlagt. Das Kupfer verschleißt aufgrund des sich ständig vergrößernden Rezirkulationsgebietes fortlaufend. Die Gefahr eines Wasserdurchbruchs steigt. Die Standzeit der gegenwärtig verwendeten Blaslanzenköpfe liegt bei etwa 150 - 250 Konverterschmelzen. Nach dieser Zeit sind die Düsenkanten so weit verschlissen, dass die Gefahr eines Wasserdurchbruchs besteht und die Blaslanzenköpfe ausgetauscht werden müssen.

Die Haltbarkeit oder Standzeit eines Blaslanzenkopfes bis zum Auftreten der ersten Undichtigkeit im Wasserkühlsystem ist nicht das alleinige Kriterium zur Beurteilung des verwendeten Blaslanzenkopfes. Damit ein Blaslanzenkopf im Hinblick auf die Metallurgie des Stahlherstellungsprozesses in der gewünschten Weise arbeiten kann, muss die erforderliche Sauerstoffmenge möglichst optimal über die Düsenaustrittsöffnungen mit der zu beaufschlagenden Metallschmelze, zum Beispiel einer Roheisenschmelze, in Berührung gebracht werden. Aus diesem Grund wird jeder Blaslanzenkopf nach entsprechenden strömungs- und wärmetechnischen Berechnungen an die spezifischen Betriebsbedingungen eines jeden Stahlwerks angepasst. Zu den stahlwerksspezifischen Daten gehören dabei insbesondere Konverterinhalt und -abmessungen, Roheisenanalyse, Stahl- Zielwerte, Badhöhe, Sauerstoffmenge und -druck sowie Kühlwassermenge und - druck. Der aufgrund der im Stahlwerk vorliegenden Betriebsdaten konzipierte

Blaslanzenkopf arbeitet naturgemäß nur so lange optimal, wie seine mit hoher Präzision gefertigten Düsen ihre ursprüngliche, nach den Gesetzen der Strömungslehre bestimmte Form behalten. Dies gilt insbesondere für die Kanten der Düsenaustrittsöffnungen. Die Geometrie der Düsen, insbesondere

Lavaldüsen, ist so ausgelegt, dass der Gasstrahl, insbesondere Sauerstoffstrahl, unter strömungstechnisch einwandfreien Bedingungen austritt. Kommt es während des Betriebes zum sogenannten Kantenverschleiß, ist ein optimales Arbeiten der Düsen nicht mehr gewährleistet. Unter Kantenverschleiß ist eine mehr oder weniger ausgeprägte Abrundung oder Ausfransung der ursprünglich scharfkantigen Düsenaustrittsöffnungen zu verstehen. Die Folgen eines solchen Kantenverschleißes sind zum einen eine zu hohe Verschlackung des Eisens und damit eine unzureichende Stahlausbringung und zum anderen ein zu hoher Verschleiß an sehr teurem Feuerfestmaterial, also einer Verminderung der Konverterhaltbarkeit. Durch den Kantenverschleiß ändert sich die

Querschnittsfläche der Sauerstoffaustrittsöffnungen Undefiniert kontinuierlich mit steigender Einsatzzeit des Lanzenkopfes. Gleichbleibende Strömungsverhältnisse im Hinblick auf Austrittsgeschwindigkeit, Öffnungswinkel des Sauerstoffstrahls, Druckverlust im Austrittsbereich und damit Rückwirkungen auf den Volumenstrom des Sauerstoffes durch die Lanze und den Volumen-Einwirkbereich des Sauerstoffstrahls im Konverter sind durch den Kantenverschleiß nicht mehr gegeben. Sich kontinuierlich selbstständig ändernde Betriebsparameter, hervorgerufen durch Kantenverschleiß, stellen auf Dauer keinen langzeitstabilen kontinuierlichen Prozess dar und bedürfen regelmäßig der Nachjustierung oder der Ausregelung.

Ein Blaslanzenkopf kann also metallurgisch wenig geeignet und damit für den Stahlwirtschaftsbetrieb unwirtschaftlich werden, lange bevor er in Folge von Undichtigkeiten im Wasserkühlsystem ausgewechselt werden muss. Aus der EP 510 518 A1 ist daher bereits ein Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Blaslanzenkopfes mit einer Blaslanzenkopfschale bekannt, in der Düsenaustrittsöffnungen für das Auf- oder Einblasen von Gasen auf eine oder in eine Metallschmelze vorgesehen sind, bei welchem zumindest vor der Endfertigung der Düsenaustrittsöffnungen Verstärkungsmaterial aus austenitischem Stahl mittels Auftragschweißen auf die Blaslanzenkopfschale im Bereich der Düsenaustrittsöffnungen aufgebracht wird und anschließend die Düsenaustrittsöffnungen durch dieses Verstärkungsmaterial hindurch in die Blaslanzenkopfschale auf Solldurchmesser gebohrt werden

Nachteilig ist bei diesem bekannten Verfahren, dass eine maßtechnisch notwendige Nacharbeit des aufgebrachten Verschleißschutzes auf Nennmaß der Düsenaustrittsöffnungen notwendig ist. Dies bedeutet einen zusätzlichen Fertigungsschritt, der die Herstellung des Blaslanzenkopfes verkompliziert und verteuert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lösung zu schaffen, die einen Auftrag eines Verstärkungsmaterials ermöglicht, ohne dass ein nachfolgender mechanischer Bearbeitungsschritt notwendig wird.

Bei einem Verfahren der eingangs näher bezeichneten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verstärkungsmaterial ohne nachfolgende mechanische Nachbearbeitung in Form eines eine jeweilige Düsenaustrittsöffnung auf der Außenseite der Blaslanzenkopfschale umschließenden und nahtlos auf die Innenumfangsfläche der zugeordneten Düse übergehenden Randbereichs an der Düsenaustrittsöffnung aus nichtrostendem, insbesondere austenitischem, Edelstahl mittels eines Laserauftragsverfahrens, insbesondere mittels Laserauftragschweißens, in einer Stärke von 0,1 mm - 1 ,0 mm, bevorzugt 0,2 mm- 0,3 mm, auf das Kupfermaterial der Blaslanzenkopfschale aufgetragen wird, wobei ein Edelstahl mit einem zum Kupfermaterial zumindest annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder einer zumindest annähernd gleichen Wärmeausdehnung ausgewählt und aufgetragen wird, oder dass das Kupfermaterial des Randbereichs mittels eines Schweiß-Schmelz- Verfahrens in einer Stärke von 0,1 mm - 1 ,0 mm, bevorzugt 0,1 - 0,3 mm, vorzugsweise unter Zugabe von pulverförmigem Legierungsmaterial, aufgeschmolzen und dann abgekühlt wird.

Ebenso wird die Erfindung gemäß Anspruch 3 durch einen nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3 hergestellten Blaslanzenkopf gelöst. Durch die Erfindung wird einerseits erreicht, dass die Einsatzzeit / Standzeit eines Lanzenkopfes durch die Verringerung des Kantenverschleißes im Bereich der Sauerstoffaustrittsöffnungen weiterhin erhöht bleibt. Die Kupferkanten verschleißen durch die Ausbildung eines Rezirkulationsgebietes, in welchem im Bereich der Sauerstoffaustrittsöffnungen der Blaslanze heißes, abrasives strömendes Konvertergas an die Kupferwandungen gelangen und somit das Kantenmaterial abtragen könnte, nicht. Zur Vermeidung des Materialabtrages an den Kanten werden hierzu die Materialien des Randbereiches (Kupfer und Edelstahl) der Austrittsoberflächen der Düsenöffnungen mittels des per Laserauftragsverfahren aufgetragenen Edelstahlwerkstoffs aufschmelzend miteinander verbunden. Der Edelstahlwerkstoff hat dabei in erster Linie denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten wie der Grundwerkstoff Kupfer des

Lanzenkopfes und ist in zweiter Linie von seinen Festigkeitseigenschaften und aufgrund seiner Oberflächenhärte verschleißbeständiger als der Grundwerkstoff Kupfer. Es werden ein geringer Verschleiß aufgrund des effektiven Kantenschutzes und die langfristige Gültigkeit einmal eingestellter Betriebsparameter und damit die langfristig gleichbleibende Qualität der Schmelzen sichergestellt.

Andererseits wird durch die Erfindung aber auch erreicht, dass eine Oberflächennachbearbeitung der mit dem Kupfergrundmaterial verbundenen Edelstahlschicht nicht erforderlich ist. Mittels des Laserauftragsverfahrens wird die Schichtdicke des Edelstahls auf 0,1 mm bis 1 ,0 mm, bevorzugt 0,2 mm - 0,3 mm, im Kantenbereich der Sauerstoffaustrittsöffnungen begrenzt. Hierdurch kann die gesamte vorhandene Konstruktion eines Lanzenkopfes beibehalten werden, ohne dass die aufgetragene Edelstahlschicht einen zu großen Einfluss auf die strömungstechnischen Auslegungsparameter des Lanzenkopfes nimmt. Hierdurch erhöhen sich die Kosten des Lanzenkopfes einzig durch die Kosten des Laserauftragsverfahrens und nicht noch zusätzlich durch eine weitere eventuelle spanabhebende Nachbearbeitung der Edelstahloberfläche. Alternativ kann die Dicke der aufgebrachten Edelstahlschicht, üblicherweise in der Größenordnung von 0,1 mm - 0,3 mm, bevorzugt 0,2 mm - 0,3 mm, bereits im Vorfeld bei der eigentlichen Düsenauslegung beispielsweise beim Gießen der Blaslanzenkopfschale aus Kupfer durch Ausbildung einer entsprechenden Ausnehmung oder Vertiefung im Kupfergrundmaterial berücksichtigt werden.

Es ist also möglich, den mit dem Verstärkungsmaterial auszustattenden Randbereich einer Düsenaustrittsöffnung als in das Kupfermaterial des Blaslanzenkopfes eingeschnittene Ausnehmung auszubilden. Eine solche Ausnehmung kann unmittelbar beim Gießen des Blaslanzenkopfes ausgebildet werden, kann aber auch später mittels einer mechanischen, spanabhebenden Bearbeitung ausgebildet werden. Die Tiefe dieser Ausnehmung beträgt 0,1 mm - 1 ,0 mm, wobei die Edelstahlschicht oder Verstärkungsmaterialschicht dann entsprechend mit einer Dicke von 0,1 mm - 1 ,0 mm in dem Bereich der jeweiligen Ausnehmung aufgetragen wird.

In einer anderen Ausführungsform wird zunächst die gewünschte Kontur des Randbereiches der Düsenaustrittsöffnungen bei der Herstellung des Blaslanzenkopfes gegossen. In dem gewünschten Randbereich wird dann das Verstärkungsmaterial, d.h. der Edelstahl, in diesem Falle mit einer Stärke von 0,1 - 0,3 mm, vorzugsweise 0,2 - 0,3 mm, aufgetragen.

Beide Varianten über somit nur einen geringen Einfluss auf die sich bildenden Strömungsgeschwindigkeiten an den Düsenaustrittsöffnungen eines Blaslanzenkopfes aus. Auch bei der Ausbildung von Ausnehmungen ergibt sich nach Auftrag der Edelstahlschicht oder der Schicht an Verstärkungsmaterial der gewünschte Konturenverlauf im Randbereich der Düsenaustrittsöffnungen.

Die Schichtdicke von 0,1 mm - 0,3 mm, bevorzugt 0,2 mm - 0,3 mm, wird zudem vorgesehen, um die positiven wärmeleitenden Eigenschaften des Kupfers nicht zu sehr durch die im Vergleich dazu schlechte Wärmeleitfähigkeit eines Edelstahls zu beeinflussen. Hierdurch werden die designtechnisch vorgegebenen Strömungsverhältnisse nicht beeinflusst und eine Nachbearbeitung der Austrittsöffnungen auf Nennmaß entfällt. Insbesondere ein Auftrag des Verstärkungsmaterials mittels Laserauftragschweißens ermöglicht die Herstellung einer sehr glatten Oberfläche mit der Möglichkeit, geringere Rauheitswerte (Ra) einstellen zu können, als designtechnisch vorgegeben sind. Derartig dünne Verschleißschutzschichten mit einer Dicke von 0,1 mm - 0,3 mm üben keinen oder einen allenfalls äußerst geringen Einfluss auf die Strömungsgeschwindigkeit am Sauerstoffaustritt auf, für welche der Blaslanzenkopf in der Regel ausgebildet ist und machen aufgrund ihrer geringen Dicke keine maßtechnisch erforderliche Nacharbeit des aufgebrachten Verschleißschutzes auf Nennmaß der Sauerstoffaustrittsöffnungen, notwendig. Weitere bekannte Vorteile bestehen darin, dass der Kantenschutz der Austrittsöffnungen eine Erhöhung der Standzeit eines Lanzenkopfes bewirkt und ein Abplatzen der Verschleißschicht vom Grundmaterial bzw. eine selbstzerstörerische Wirkung des Kantenschutzes durch Materialeigenspannungen zwischen Kupfer und Edelstahl nicht vorhanden sind. Dadurch, dass der verwendete Edelstahl einen zum Kupfermaterial annähernd gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder eine zumindest annähernd gleiche Wärmeausdehnung aufweist, wird ein Abplatzen der Edelstahlschicht während des Betriebs des Blaslanzenkopfes aufgrund hoher thermischer Spannungen zwischen dem Kupfergrundmaterial und der aufgetragenen Edelstahlschicht verhindert. Die Anwendung eines Laserauftragsschweißverfahrens unter Zuführung eines Edelstahlpulvers ermöglicht die Zusammenstellung unterschiedlicher Pulvermischungen je nach gewünschter Hitzebeständigkeit, Warmfestigkeit, Zugscherfestigkeit und Widerstand gegenüber Gleitverschleiß und Abrasion. Idealerweise findet durch das Laserauftragsverfahren bei der Auftragung des Edelstahls auf den Grundwerkstoff Kupfer gleichzeitig eine Härtungserhöhung der Edelstahloberfläche statt. Das Aufträgen einer homogenen und sehr stabilen Schmelzverbindung zwischen Kupfer und Edelstahl mittels Laserauftragschweißens führt zu einer dauerhaft festen Verbindung zwischen dem Verschleißschutz Edelstahl und dem Grundmaterial Kupfer (kein Abplatzen des Verschleißschutzes bei Temperaturänderungen oder bei Ausbildung eines Rezirkulationsgebietes, bei welchem heißes, abrasives Konvertergas an die Kupferkanten der Düsenaustrittsöffnungen des Lanzenkopfes gelangt) und einer geschlossenen, weil verschmolzenen, Oberflächenverbindung zwischen beiden Materialien. Dies ist ursächlich für einen guten Wärmetransport von der Edelstahloberfläche durch das Kupfer und weiter an das Kühlmedium Wasser im Lanzen köpf.

Weiterhin umfasst ein Aufträgen mittels Laserauftragsverfahren und insbesondere mittels Laserauftragschweißens auch einen Auftrag im Rahmen eines generativen oder additiven Fertigungsverfahrens (3D-Druck).

Eine zutreffend korrekte Auswahl des Edelstahls der Materialpaarung Kupfer- Edelstahl erfolgt im Hinblick auf eine zu Kupfer möglichst gleiche Wärmeausdehnung des Edelstahlmaterials damit diese zur Vermeidung von Materialeigenspannungen zwischen Verschleißschutz und Grundwerkstoff möglichst weitgehend übereinstimmen. Hierbei stellt das Laserauftragschweißen deshalb ein besonders geeignetes Verfahren dar, weil hierdurch eine äußerst stabile und homogene Schmelzverbindung zwischen Edelstahl und Kupfer auf der Kupferoberfläche erzeugt wird. Als Alternative zur Auftragung eines Edelstahlmaterials ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass Kupfermaterial des Randbereichs mittels eines Schweiß-, Schmelz-Verfahrens in einer Stärke von 0,1 mm - 1 ,0 mm, bevorzugt 0,1 mm - 0,3 mm, vorzugsweise unter Zugabe von pulverförmigem Legierungsmaterial, aufgeschmolzen und dann abgekühlt wird. Hierbei sind zwei Verfahrensvarianten denkbar. Die eine besteht darin, Kupfer ohne Zufuhr von pulverförmigem Legierungsmaterial, beispielsweise mit einer Laserauftragsschweißvorrichtung, im gewünschten Bereich des Randbereiches einer jeweiligen Düsenaustrittsöffnung aufzuschmelzen und danach abkühlen zu lassen oder aktiv abzukühlen. Hierdurch wird ein feineres Gefüge im Kupfergrundmaterial gebildet, was zu einer höheren Härte des Kupfergrundmaterials führt. Neben diesem reinen Aufschmelzen bietet sich als Variante ein Zulegieren an. Hierbei wird in gleicher Weise, ebenfalls beispielsweise mittels einer Laserauftragsschweißvorrichtung, der Randbereich einer jeweiligen Düsenaustrittsöffnung unter Zuführung einer geringen Menge an Legierungspulver, beispielsweise streifenartig, aufgeschmolzen und aufgrund der zugegebenen Legierungselemente legiert. Der Vorteil besteht darin, dass durch die Zulegierung des pulverförmigen Legierungsmaterials eine Härtesteigerung im Kupfergrundmaterial eingestellt wird und andererseits eine gleichmäßigere Oberfläche als beim Auftrag von Schweißraupen, wie dies beispielsweise beim Laserauftragsschweißen der Fall ist, ausgebildet wird.

Zur Vergleichmäßigung der Oberfläche des mit Edelstahlmaterial versehenen Randbereiches oder des nochmal aufgeschmolzenen Randbereiches sieht die Erfindung in Ausgestaltung vor, dass der Randbereich anschließend oberflächlich zur Vergleichmäßigung, insbesondere Glättung, der Oberfläche nochmals aufgeschmolzen wird. Insbesondere entstandene Schweißraupen lassen sich durch diese Maßnahme einebnen.

Insgesamt wird durch die Erfindung eine Lösung bereitgestellt, die das Aufbringen von verschleißschützendem Material in den Bereichen eines Blaslanzenkopfes, in denen eine verschmolzene Verbindung des Verschleißschutzmaterials zum Untergrundmaterial bei hohen Temperaturänderungen der Betriebsumgebung nicht zu hohen Eigenspannungen im Verschleißschutzmaterial und damit zu Abplatzungen vom Grundwerkstoff oder sogar zur Selbstzerstörung des Verschleißschutzes führt und gleichzeitig durch die verschmolzene Verbindung ein hoher Wärmetransport zur Kühlung möglich ist. Im speziellen Fall der Blaslanze eines Konverters, insbesondere BOF-Konverters, ist die Anwendung nicht nur auf Sauerstoffblaslanzen beschränkt, sondern kann bei Blaslanzen zum Verblasen von Stickstoff oder anderen Gasen Verwendung finden. Die Anwendung der Erfindung ist aber nicht auf Konverter beschränkt, sondern kann allgemein dort Anwendung finden, wo anströmende / durchströmende Gase oder Flüssigkeiten abrasiv auf angrenzendes Führungsmaterial einwirken.

In Ausgestaltung sieht die Erfindung vor, dass sich der Randbereich bis in eine Tiefe von 20 mm in die jeweilige Düse hinein und/oder kreisringförmig mit einer Breite (B) von bis zu 20 mm um die Düsenaustrittsöffnung herum erstreckt. Dies deckt zum einen eine für den erwünschten Effekt auseichend große und zum anderen günstig noch per Laserauftragschweißen oder mittels einer Laserauftragsschweißvorrichtung erreichbare Fläche ab, wobei der Edelstahl bis ca. 20 mm tief am Austrittsinnenbereich der Öffnungen und ca. 20 mm um die Austrittsöffnungen herum aufgebracht wird oder entsprechende Flächen an Grundmaterial aufgeschmolzen werden.

Die Erfindung ist nachstehend anhand einer Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in schematischer Darstellung in

Figur 1 einen seitlichen Querschnitt durch einen BOF - Konverter mit

Blaslanze,

Figur 2 eine Draufsicht von unten auf eine Blaslanze und in Figur 3 einen Querschnitt durch eine Blaslanze entlang der Linie A-A in der Fig. 2.

In einem Konverter 1 , wie in Fig. 1 dargestellt, findet durch den über eine Blaslanze 2 eingeblasenen Sauerstoff eine intensive Entkohlungsreaktion in einer Schmelze 13 statt. Der Konverter 1 ist geschützt durch eine Konverterwand 14 mit Feuerfestmaterial. Durch die Blaslanze 2 werden von oben Sauerstoffstrahlen 5 aufgeblasen. Der gewöhnliche Abstand zwischen dem Blaslanzenkopf 3 und der Schmelzenoberfläche beträgt etwa 1.2 m bis 3.0 m. Im Brennfleck entstehen Temperaturen von etwa 2300 °C. Die gesamte Blaslanze 2 hat einen Durchmesser von bis zu 400 mm und eine Länge von etwa 20 m. Am und im Blaslanzenkopf 3 ausgebildete Düsen 4 beschleunigen den Sauerstoff auf Überschallgeschwindigkeit. Bei den Düsen 4 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um Laval-Düsen. Der Sauerstoffstrahl 5 erzeugt auf der Schmelze 13 eine oszillierende Blasmulde. Metalltröpfchen werden aus der Schmelze 13 herausgerissen. Es bildet sich eine Schaumschlacke, die etwa 2/3 der Höhe des Konverters 1 ausfüllt. Die Sauerstoffstrahlen 5 sorgen für eine intensive Entkohlungsreaktion in der Schmelze 13. Außerdem unterstützt der Sauerstoffstrahl die Durchmischung der Schmelze. Die Blaslanze 2 wird mit Wasser gekühlt. Die Wassermengen liegen bei etwa 100 m³/h - 240 m³/h, bei p = 6 - 8 bar Wasserdruck. Der Außendurchmesser des Blaslanzenkopfes beträgt bis zu 400 mm und besteht gewöhnlich aus gegossenem Kupfer.

Die Blaslanze 2, wie in Fig. 2 dargestellt, enthält je nach Konvertergröße bevorzugt sechs Düsen 4, in der Regel vier - sechs Düsen, wobei aber auch zusätzlich mittig noch eine zentrale Ultraschalldüse, also eine zusätzliche mittlere Bohrung, im Blaslanzenkopf ausgebildet sein kann. Der Sauerstoffstrahl wird über ein Innenrohr 9 in die Düsen 4 geführt und aus den Düsen 4 als Sauerstoffstrahl 5 auf die Schmelze 13 gegeben. Der Sauerstoff-Volumenstrom beträgt 400 Nm³/min bis 1000 Nm³/min bei einem Druck von 8 bar bis 13 bar. Die Düsen 4 haben einen Anstellwinkel von 14° bis 23°. Der Blaslanzenkopf 3 der Blaslanze 2 wird mit Wasser gekühlt. Dazu wird durch ein Mantelrohr 8 über die Blaslanze 2 Kühlwasser in den Blaslanzenkopf 3 zugeführt. Das Kühlwasser wird durch ein Außenrohr 7 zurückgeführt. Der Aufbau aus Mantelrohr 8, Wandung Innenrohr 12, Wandung Mantelrohr 11 , Außenrohr 7 und Wandung Außenrohr 10 bildet einen Kühlmantel für den Blaslanzenkopf 3 und die Düsen 4.

Fig. 3 zeigt den Querschnitt durch den Blaslanzenkopf 3 der Blaslanze 2 entlang der Linie A-A in der Fig. 2. Der Blaslanzenkopf 3 besteht aus Kupfer und umfasst das Innenrohr 9, durch das Sauerstoff zugeführt wird, und das auch als Sauerstoff-Sammelraum dient. Vom Innenrohr 9 zweigen mit einem Anstellwinkel von 14° bis 23° sechs die Bodenwand 16 des Blaslanzenkopfes 3 durchsetzende Düsen 4 ab. Die Innenumfangsfläche einer jeden Düse 4 ist düsenausgangsseitig mit einem Verstärkungs- und Schutzschichtmaterial aus Edelstahl beschichtet. Dieser Bereich ist Bestandteil eines sich nahtlos um die jeweilige Düsenaustrittskante einer jeden Düsenaustrittsöffnung 15 herum nach außen auf die Außenseite des Blaslanzenkopfes 3 bzw. der Blaslanzenkopfschale erstreckenden Randbereiches 6.

Der Randbereich 6 erstreckt sich mit einer Länge I < 20 mm bis zu 20 mm in eine jeweilige Düse 4 hinein. Der außenseitige Rand 6a des Randbereichs 6 erstreckt sich in Form eines Kreisrings mit einer Breite B von bis zu 20 mm um eine jeweilige Düsenaustrittsöffnung 15 herum. Der Radius R dieses Kreisrings 6a ist somit bis zu 20 mm größer als der Radius r der jeweils zugeordneten Düse 4 an ihrer Düsenaustrittsöffnung 15, sodass gilt: R = r + < 20 mm. Der Randbereich 6 weist im Ausführungsbeispiel eine Dicke von 0,2 - 0,3 mm auf und wird mittels eines Laserauftragverfahrens, insbesondere Laserauftragschweißen, auf die Kupferoberfläche der Blaslanzenkopfschale oder des Blaslanzenkopfes 3 und die Innenumfangsflächen der Düsen 4 aufgetragen. Der Randbereich 6 aus Verstärkungsmaterial wird in einem Arbeitsgang oder einem Prozessschritt auf den gewünschten Auftragungsbereich zur Ausbildung des Randbereiches 6 in der gewünschten Dicke und Größe oder Abmessung sowie den sich ergebenden Fertigungsendzustand aufgetragen. Dem Auftragsvorgang folgt keine weitere Nach-Bearbeitung, insbesondere keine mechanische Nachbearbeitung, des aufgetragenen Verstärkungsmaterials aus Edelstahl in einem nachfolgen Bearbeitungsschritt. Mittels des Laserauftragschweißens wird eine homogene und sehr stabile Schmelzverbindung zwischen dem Kupfer des Blaslanzenkopfes 3 bzw. der Blaslanzenkopfschale und dem Edelstahl des Randbereiches 6 bzw. der Verstärkungs- und Schutzschicht geschaffen, sodass eine dauerhaft feste Verbindung zwischen dem Verschleißschutz Edelstahl und dem Grundmaterial Kupfer (kein Abplatzen des Verschleißschutzes bei Temperaturänderungen oder bei Ausbildung eines Rezirkulationsgebietes, bei welchem heißes, abrasives Konvertergas an die Kupferkanten der Düsenaustrittsöffnungen des Lanzenkopfes gelangt) mit einer geschlossenen, verschmolzenen Oberflächenverbindung zwischen beiden Materialien erhalten wird. Dies führt zu einem guten

Wärmetransport von der Edelstahloberfläche durch das Kupfer und weiter an das Kühlmedium Wasser im Blaslanzenkopf 2.

Das Edelstahlmaterial wird danach ausgewählt, dass sein Wärmeausdehnungskoeffizient oder seine Wärmeausdehnung zumindest annähernd gleich der des Kupfermaterials ist, auf welches es aufgetragen wird.

Durch eine geeignete Wahl der Materialpaarung von Edelstahl-Verschleißschutz und Kupfer in Verbindung mit der Aufbringungsart Laserauftragschweißen wird ein Kantenschutz an den Düsenaustrittsöffnungen 15 des Blaslanzenkopfes 3 geschaffen, der sich durch eine hohe Standzeit auszeichnet, da sich basierend auf der Wahl einer geeigneten, sich hinsichtlich ihres jeweiligen Wärmeausdehnungskoeffizienten oder ihrer jeweiligen Wärmeausdehnung gleichenden oder zumindest annähernd gleichenden Materialpaarung Kupfer- Edelstahl dieser Kantenschutz oder Randbereich 6 im Betrieb nicht selbst aufgrund hoher Eigenspannungen im Verschleißschutzmaterial zerstört. Die nachstehende Tabelle 1 zeigt zwei geeignete Edelstahle die durch ihre jeweilige Werkstoffnummer gemäß EN 10027 gekennzeichnet sind.

Auch wenn sich das Ausführungsbeispiel auf eine Sauerstoffblaslanze bezieht, ist die Erfindung bei jeder Art von Blaslanze anwendbar. So finden Blaslanzen Anwendung in AOD-Konvertern und in VOD-Anlagen als 0₂-Lanzen für Elektrolichtbogenöfen. Es gibt keine Beschränkung bezüglich der Art der Einsatzmöglichkeiten (BOF, AOD, VOD, EAF) oder des Gasmediums (O2, N₂, Ar, CH₄).

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines gekühlten Blaslanzenkopfes (3) mit einer Blaslanzenkopfschale aus Kupfer, die mehrere die Bodenwand des

Blaslanzenkopfes (3) durchsetzende Düsen (4) aufweist, wobei im Bereich der Düsenaustrittsöffnungen (15) mittels eines Auftragschweißverfahrens im Randbereich (6) der Düsenaustrittsöffnungen (15) ein Verstärkungsmaterial aus einem nichtrostenden, insbesondere austenitischen, Edelstahl auf das Kupfermaterial der Blaslanzenkopfschale aufgebracht wird oder wobei im Bereich der Düsenaustrittsöffnungen (15) mittels eines Aufschmelz- und/oder Umlegierungsverfahrens eine gehärtete Oberflächenschicht des Kupfermaterials der Blaslanzenkopfschale im Randbereich (6) der Düsenaustrittsöffnungen (15) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet,

dass das Verstärkungsmaterial ohne nachfolgende mechanische Nachbearbeitung in Form eines eine jeweilige Düsenaustrittsöffnung (15) auf der Außenseite der Blaslanzenkopfschale umschließenden und nahtlos auf die Innenumfangsfläche der zugeordneten Düse (4) übergehenden Randbereichs (6) an der Düsenaustrittsöffnung (15) aus nichtrostendem, insbesondere austenitischem, Edelstahl mittels eines Laserauftragsverfahrens, insbesondere mittels Laserauftragschweißens, in einer Stärke von 0,1 mm - 1 ,0 mm, bevorzugt 0,1 mm - 0,3 mm, auf das Kupfermaterial der Blaslanzenkopfschale aufgetragen wird, wobei ein Edelstahl mit einem zum Kupfermaterial zumindest annähernd gleichen

Wärmeausdehnungskoeffizienten und/oder einer zumindest annähernd gleichen Wärmeausdehnung ausgewählt und aufgetragen wird, oder dass das Kupfermaterial des Randbereichs (6) mittels eines Schweiß-Schmelz- Verfahrens in einer Stärke von 0,1 mm - 1 ,0 mm, bevorzugt 0,1 mm - 0,3 mm, vorzugsweise unter Zugabe von pulverförmigem Legierungsmaterial, aufgeschmolzen und dann abgekühlt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich der Randbereich (6) bis in eine Tiefe von 20 mm in die jeweilige Düse hinein und/oder kreisringförmig mit einer Breite (B) von bis zu 20 mm um die Düsenaustrittsöffnung (15) herum erstreckt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich (6) anschließend oberflächlich zur Vergleichmäßigung, insbesondere Glättung, der Oberfläche nochmals aufgeschmolzen wird.

4. Blaslanzenkopf (3), hergestellt nach einem der Ansprüche 1 bis 3.