Vorrichtung zum Entschwefeln von Eisenschmelzen

Abstract

 Vorrichtung zum Entschwefeln von Eisenschmelzen, welche eine unter Druck stehende Gasquelle, Mittel zum Beladen des Gases mit Feststoffen sowie diesen Mitteln nachgeschaltete Zufuhrleitungen, welche in eine Tauchlanze münden, umfasst. Der Querschnitt der Zufuhrleitung oder der Tauchlanze vermindert sich auf mindestens einer Distanz von 0,5 m, wobei jegliche plötzliche Querschnittsveränderung vermieden wird.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Entschwefeln von Eisen-und Stahl-Schmelzen mittels Einbringen von Entschwefelungsmitteln in die Schmelze.

[0002] Da sowohl der Hochofen als auch der Sauerstoffblaskonverter begrenzte Entschwefelungsmöglichkeiten bieten, müssen zur Erzeugung von vielen Stahlgüten, das Roheisen bzw. der Stahl ausserhalb des Hochofens bzw. des Konverters entschwefelt werden. Das flüssige Eisen/ Stahl wird folglich in metallurgische Gefässe abgefüllt, und es werden mit Hilfe geeigneter Vorrichtungen Substanzen zugesetzt, die in der Lage sind, bei hohen Temperaturen und unter reduzierenden Bedingungen mit dem in den Schmelzen enthaltenen Schwefel Verbindungen einzugehen, welche sich in der über der Schmelze befindlichen Schlackenschicht absetzen. Solche Substanzen sind beispielsweise CaSi, CaC₂, Ca0 oder Gemische aus Ca0 und CaF2. Die Vorrichtung begreift im wesentlichen einen Entschwefelungsmittel enthaltenden und unter Argon Druck stehenden Vorratsbehälter, der über eine Zellenrad-Durchblas-Schleuse mit einer unter Druck stehenden Argon-Quelle und einer Argon-Feststoff-Leitung (im folgenden Zufuhrleitung genannt) verbunden ist, welche in eine bewegliche Tauchlanze mündet. Die verschiedenen Leitungen und die Lanze haben praktisch einen konstanten Querschnitt. Um das Trägergas mit einer veränderlichen Menge an Entschwefelungsmitteln beladen zu können, weist die Zellenrad-Durchblas-Schleuse einen stufenlos regelbaren Antrieb auf.

[0003] Da der hohe am Lanzenkopf herrschende ferrostatische Druck sowie das umgebende flüssige Eisen bei ungenügendem Gasdruck in kürzester Zeit ein Zusetzen des Lanzenkopfes herbeiführen, wird üblicherweise eine unter hohem Druck (etwa 7 bar) stehende Argonquelle verwendet. Man glaubt dadurch nicht nur den erwünschten hohen Trägergas-Druck in der Lanze aufrechtzuerhalten, sondern zusätzlich durch die resultierende grosse Geschwindigkeit der Entschwefelungsmittel die erforderliche innige Durchmischung der Entschwefelungsmittel mit der Schmelze zu erwirken. Nachteilig bei dieser Vorgehensweise ist nicht nur, dass das verwendete Argon teuer ist, sondern insbesondere, dass die grosszügig bemessenen Mengen an Trägergas einen kühlenden Effekt auf die Schmelze ausüben und, dass Auswürfe von flüssigem Metall aus der Pfanne stattfinden. Ausserdem entstehen meistens heftige Schwingungen in der Lanze, welche eine verkürzte Lebensdauer des Lanzenkörpers und der Aufhängungsvorrichtung zur Folge haben.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, welche die oben erwähnten Nachteile vermeidet und das Einführen von Entschwefelungsmitteln in die Metall-Schmelze mit minimalen Mengen an Trägergas erlaubt.

[0005] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass sich der Querschnitt der Zufuhrleitung oder der Tauchlanze auf mindestens einer Distanz von 0,5 m vermindert, wobei jegliche plötzliche Querschnittveränderung vermieden wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

[0006] Die der erfindungsgemässen Vorrichtung zugrunde liegende Idee geht von der wohlbekannten Beobachtung aus, dass wenn man beispielsweise Luft durch ein Rohr in Wasser hineinblässt, sich Blasen bilden. Bedenkt man nun, dass flüssiger Stahl eine 15-20 mal grössere Oberflächenspannung besitzt als Wasser, wird offenkundig, dass im Grunde bei Entschwefelungsanlagen die Neigung zur Blasenbildung an der Lanzenmündung erheblich ist. Bei einer solchen Blasenbildung dürfte das Gas periodisch stark abgebremst werden was Schwingungen in der Lanze zur Folge haben müsste. Nun muss aber bedacht werden, dass das Gas mit Festkörpern beladen ist, deren Bewegungsdynamik auch eine Rolle spielt. Da aber die Zufuhrleitungen (welche im Grunde als Beschleunigungsstrecke der Festkörper fungieren) und das Lanzenrohr annähernd gleichen Querschnitt haben, nimmt gezwungenerweise die Konzentration der Festkörper im Gas zur Lanzenmündung hin kontinuierlich ab. Folglich wird hier die Festkörperdynamik von der Gasdynamik beherrscht; ein durch die Blasenbildung bedingtes Abbremsen, annähernd bis zum Stillstand des Trägergases, hat ein periodisches starkes Abbremsen (und teilweises) Absetzen der Festkörper im Lanzenmündungsinneren und an der Lanzenmündung selbst zur Folge.

[0007] Durch eine Erhöhung der Gasgeschwindigkeit wurde versucht die Blasenbildung von der Lanzenmiindung wegzuverlagern und somit das Absetzen der Festkörper zu unterbinden. Die Erhöhung der Gasgeschwindigkeit kann entweder durch Heraufsetzung des Druckes der Trägergasquelle oder durch Einbau einer Düse in die Lanzenmündung erwirkt werden. Die Heraufsetzung des Quellendrucks führt zu einem prohibitiven Argonverbrauch und wurde von der Anmelderin nicht weiter in Betracht gezogen. Eine Verminderung des Durchmessers (von 18 auf 14 mm) des Lanzenrohrs auf den letzten Zentimetern vor dem Austritt führte jedoch bei identischem Quellendruck weder zu einer ausgeprägten Verminderung der Verstopfungsneigung, noch zu einer Verminderung der Vibrationen.

[0008] Diese lokale Verminderung des Durchmessers der LanzenmUndung hat zwar eine erhebliche Beschleunigung des Trägergases zur Folge, doch ist die Beschleunigung der Festkörper infolge ihrer Trägheit und der Kürze der Beschleunigungsstrecke nur recht bescheiden.

[0009] Die Anmelderin hat nunmehr versucht den dominierenden Einfluss des Gases auf die physikalischen-Vorgänge an der Lanzenmündung durch drastische Erhöhung der Konzentration der Festkörper an dieser Stelle herabzusetzen. Diese Konzentration sollte derart gross sein, dass das Gas und der Feststoff einen Verbund darstellen, in dem die verschiedenen Komponenten annäherend gleiche Geschwindigkeit besitzen. Die Komponenten sollten geschwindigkeitsmässig in stetiger Wechselwirkung zueinander stehen. Dieser Verbund dürfte dann eine derartige Trägheit besitzen, dass das der Blasenbildung zugrundeliegende Abbremsen an der Lanzenmündung wirkungsvoll vermieden wird, d.h. durch Adsorbieren des Gases auf der Partikeloberfläche gelangt das Gas tiefer in das Stahlbad. Dies setzt natürlich voraus, dass die Gas-Feststoffgeschwindigkeit einen Mindestwert nicht unterschreitet.

[0010] Um einen derartigen Verbund zu erlangen, muss die eingangs beschriebene Vorrichtung abgeändert werden, und zwar derart, dass entweder die Zufuhrleitungen oder die Lanze eine sich auf längere Distanz erstreckende Querschnittsverengung aufweisen; hier können die Geschwindigkeiten des Gases und der Festkörper sich aneinander anpassen und die Konzentration der Feststoffe im Gas, welche in einem geraden Rohr bei zunehmender Gasgeschwindigkeit abnimmt, bleibt hier infolge der Querschnittsverengung im wesentlichen konstant. Das Anbringen einer Querschnittsverengung am Ausgang oder in Nähe der Zellenradschleuse, wo die Festkörper lediglich kleine Geschwindigkeiten besitzen, würde natürlich zu Verstopfungen führen. Folglich ist es angebracht, die erfindungsgemässe Querschnittsverengung entweder unmittelbar vor der Lanze oder in der Lanze selbst vorzusehen. In Anbetracht der Tatsache, dass die Querschnittsverengungen einer erheblichen Abnutzung unterworfen sind und die Tauchlanzen generell eine extrem kurze Lebensdauer aufweisen, erscheint der zweite vorhin angeschnittene Weg vorteilhaft, da man das gewünschte Rohr-Profil aus einem relativ weichen, billigen Stahl herstellen kann. Ausserdem kann hier des öfteren das Profil etwaigen Aenderungen der zu fördernden Menge an Feststoff, deren Körnung usw. angepasst werden. Prinzipiell kann jedoch auch die erfindungsgemässe Querschnittsverengung vor der Tauchlanze vorgesehen werden.

[0011] Die Erfindung wird im folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- die Fig. 1, 2, 3 schematische Längsschnitte von verschiedenen Ausführungsformen der erfindungsgemässen Tauchlanze.

[0012] Bei den drei dargestellten Lanzen beträgt die Länge jeweils 4m, wobei die Lanze lm über den Badspiegel herausragt. Um sowohl ein Zusetzen der Lanzenmündung als auch ein Aufplatzen des Gas-Festkörperstrahles, welcher von Blasenbildung begleitet wird, zu unterbinden, muss der Strahl an der Lanzenmündung einen dem umgebenden flüssigen Eisen annähernd angepassten Druck besitzen. Erfahrungsgemäss sollte der Druck des Strahles an der Lanzenmündung im vorliegenden Fall etwa 3,5 bar sein.

[0013] Ein zweiter wichtiger Punkt, welcher die Ausbildung des Querschnitt-Profils massgeblich beeinflusst, ist der Quellendruck und natürlich der durch die Länge der Zufuhrleitungen bedingte (üblicherweise relativ kleine) Druckverlust. Der verbleibende Druckunterschied muss nun im Profil derart abgebaut werden, dass keine plötzliche Gasbeschleunigung erfolgt, welche ausserstande ist, die Festkörper mitzureissen. Vorteilhaft ist, soweit mit den oben angegebenen Zwängen vereinbar, ein Profil zu wählen, das zu einer linearen Geschwindigkeitserhöhung des Gases führt. Man erhält jedoch kein derartiges Profil, wenn beispielsweise der Quellendruck zu klein ist.

[0014] Die Gasdichte (1,78 kg/m für Argon) und der Korndurchmesser der Feststoffe (etwa lmm) zeigten bei unseren Versuchen nur einen untergeordneten Einfluss auf die Ausbildung des Profils. Der Beladungsfaktor des Gases wird hingegen primär durch die Vorgänge unmittelbar hinter der Zellenrad-Durchblas-Schleuse bestimmt (Verstopfungsneigung) und beträgt je nach Auslegung 5-25 Liter Gas pro kg Festkörper. Eine grobe Körnung der Festkörper erhöht auf der einen Seite die Verstopfungsneigung in Zellenrad-Nähe (Trägheit der Festkörper), erlaubt aber auf der anderen Seite eine steilere Profilverengung in der Tauchlanze (grössere Angriffsfläche der Festkörper für das sich beschleunigende Gas).

[0015] Bei den verschiedenen Figuren ist auf der Abzisse die Lanzenlänge in m aufgetragen; die Ordinatenachse zeigt den Lanzendurchmesser in mm.

[0016] Diese Lanzen sind geeignet, unter folgenden Bedingungen zu arbeiten:

[0017] Bei der auf Fig. 1 dargestellten Lanze vermindert sich der Querschnitt kontinuierlich auf der ganzen Länge bis zur Lanzenmündung hin. Auf Fig. 2 weisen die letzten zwei Meter vor der Lanzenmündung einen konstanten Querschnitt auf. Da bei einer Tauchlanze hier die grössten Abnutzungserscheinungen auftreten ist diese Auführungsform besonders kostengünstig: die Lanze wird zweiteilig hergestellt, ein oberer Teil mit Querschnittveränderung gefolgt von einem einfachen Rohr von im wesentlichen konstanten Querschnitt, das des öfteren ausgewechselt wird.

[0018] Falls mit einer unter hohem Druck stehenden Gasquelle gearbeitet wird, weist das Lanzenrohr, zwecks Anpassung an den ferrostatischen Druck, zur Lanzenmündung hin eine leichte Querschnittvergrösserung auf (siehe Fig. 3).

[0019] Im vorliegenden Fall fällt der Lanzendurchmesser von 25 mm am Lanzeneingang auf etwa 6,7 mm (Distanz: 1,5 m vom Lanzenende) und vergrössert sich dann wieder auf 8 mm an der Lanzenmündung.

[0020] Die obigen Betrachtungen wurden für Lanzen und Zufuhrleitungen von kreisförmigem Querschnitt angestellt. Doch dürften diese genausogut für Leitungen von beispielsweise ovalem Querschnitt zutreffen. Auch wurden lediglich kontinuierliche Querschnittveränderungen beschrieben. Man könnte jedoch auch erwägen, die erforderliche Querschnittveränderung "stufenweise" vorzunehmen, d.h., dass Querschnittverminderungen mit Leitungsteilen von konstantem Querschnitt abwechseln.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Entschwefeln von Eisenschmelzen umfassend eine unter Druck stehende Gasquelle, Mittel zum Beladen des Gases mit Feststoffen sowie diesen Mitteln nachgeschaltete Zufuhrleitungen, welche in eine Tauchlanze münden, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt der Zufuhrleitung oder der Tauchlanze auf mindestens einer Distanz von 0,5 m vermindert, wobei jegliche plötzliche Querschnittveränderung vermieden wird.

2. Vorrichtung gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt auf einer Distanz von mindestens 1,5 m vermindert.

3. Vorrichtung gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt kontinuierlich vermindert.

4. Vorrichtung gemäss Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Querschnitt stufenweise vermindert,d.h., dass Querschnittverengungen mit Leitungsstücken von konstantem Querschnitt abwechseln, wobei die verschiedenen Leitungsabschnitte progressiv ineinander übergehen.

5. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittveränderung ausschliesslich in dem Lanzenkörper selbst ausgebildet ist.

6. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittverminderung sich bis zur Lanzenmündung hin erstreckt.

7. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanzenmündung einen konstanten Querschnitt aufweist.

8. Vorrichtung gemäss einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt der Lanze sich in Lanzenmündungsnähe und zur Lanzenmündung hin progressiv erhöht.

Zeichnung