Verfahren und Vorrichtung zum Behandeln von Metallschmelzen, insbesondere Stahlschmelzen, mit einem Frischmittel

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Behandeln von Metallschmelzen, insbesondere Stahlschmelzen, mit einem Frischmittel. Um eine Leistungssteigerung beim Frischen zu erreichen, wird als Frischmittel flüssiger Sauerstoff vorgesehen, der als einphasige Flüssigkeit oder als Zweiphasengemisch, bestehend aus Gas und Flüssigkeit, vorliegt.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Behandeln von Metallschmelzen, insbesondere Stahlschmelzen, mit einem Frischmittel.

[0002] Es ist bekannt, zum Frischen von Stählen oxydierende Gase oder Gasegemische, insbesondere gasförmigen Sauerstoff zu verwenden. Üblicherweise wird der Frischprozeß in Konvertern durch Aufblasen oder Einblasen der Gase oder einer Kombination aus beiden durchgeführt. Eine Reihe von Verfahrensbezeichnungen leiten sich aus der Art des Sauerstoffeinbringens ab, wie z. B. das LD-, LDAC-Verfahren oder der OBM-Prozeß. Dabei wird der gasförmige Sauerstoff durch eine Lanze oder einem Bodenspülstein dem Roheisen zur Reaktion zugeführt.

[0003] Beim Frischen von Stählen mit gasförmigem Sauerstoff ergibt sich eine Blaszeit von 15 bis 18 min, um die im Roheisenbad enthaltenen Elemente Kohlenstoff, Silicium, Phosphor und Mangan zu oxydieren und das Eisen zu reduzieren.

[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Erhöhen der Frischgeschwindigkeit zu schaffen.

[0005] Ausgehend von dem im Oberbegriff des Anspruches 1 berücksichtigten Stand der Technik ist diese Aufgabe erfindungsgemäß gelöst mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmalen.

[0006] Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0007] Durch die Erfindung wird flüssiger Sauerstoff zum Frischen von Stählen eingesetzt, der als einphasige Flüssigkeit am Siedepunkt oder unter dem Siedepunkt unterkühlt vorliegt, oder als Zweiphasengemisch aus Flüssigkeit und Gas. Flüssiger Sauerstoff hat eine 855 mal höhere Dichte als gasförmiger Sauerstoff unter Normbedingungen. Dadurch wird Sauerstoff in konzentrierter Form der Reaktionszone angeboten und somit die Reaktionsgeschwindigkeit gesteigert. Durch den im flüssigem Zustand eingebrachten Sauerstoff ergibt sich eine höhere Gesamtmenge durch deren Beeinflußung der Frischprozeß bezüglich einer höheren Frischgeschwindigkeit vorteilhaft gesteuert wird, wobei sich durch die Erfindung eine Verkürzung der Blaszeit um bis zu 75 % ergibt. Dabei kann der Frischprozeß durch die Beeinflußung des Verhältnisses des gasförmigen zum flüssigen Sauerstoff und/oder durch die Beeinflußung des Sauerstoffdruckes und der Geometrie der Blasdüse ebenfalls bezüglich einer höheren Frischgeschwindigkeit gesteuert werden. Durch Variation des Flüssigsauerstoffdruckes und der Düsengeometrie kann die Auftreffenergie beeinflußt werden. Sie kann gegebenenfalls soweit gesteigert werden, daß der Strahl in das Schmelzbad eindringt. Hinzu kommt, daß das Ausbringen an Legierungselementen sowie das Blasverhalten verbessert und der Staubauswurf vermindert wird, da einerseits die Löslichkeit und andererseits die Durchmischung des Roheisen durch den impulsreichen flüssig-Sauerstoffeintrag verbessert wird.

[0008] Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

[0009] Es zeigen

Fig. 1

eine schematische Darstellung der Vorrichtung, mit einer 3-Loch-Flüssig-Sauerstoffblaslanze und Wärmetauscher;

Fig. 2

eine schematische Darstellung einer 3-Loch-Blasdüse mit Flüssigsauerstoffkernstrahl;

Fig. 3

eine schematische Darstellung der Vorrichtung mit einem Brausekopf und Gasphasenabscheider.

[0010] In Fig. 1 ist eine Blasdüse 1 schematisch dargestellt, aus welcher ein Strahl 2 flüssigen Sauerstoffs mit hoher Geschwindigkeit von bis zu 90 m/s austritt und auf das flüssige Stahlbad des Konverters 3 auftrifft. Die Zufuhr des flüssigen Sauerstoffs erfolgt durch eine isolierte Leitung 4 aus einem isolierten Speicherbehälter 5 für flüssigen Sauerstoff.

[0011] Dieser Speicherbehälter 5 besitzt die üblichen, nicht näher bezeichneten Rohrleitungen und Ventile zur Entnahme von flüssigem und gasförmigen Sauerstoff. Der für das erfindungsgemäße Verfahren benötigte flüssige Sauerstoff wird durch die Leitung 6 aus dem isolierten Speicherbehälter 5 entnommen und - falls der Druck des Speicherbehälters 5 allein nicht ausreicht - nach dem Absperrventil 7 über die Flüssigsauerstoffpumpe 8 auf einen Druck von bis zu 50 bar erhöht. Die Leitung 4 kann zusätzlich mit einer Ummantelung aus einem kryogenen Medium versehen sein, um ein vorzeitiges Verdampfen des Sauerstoffes zu vermeiden. Die Unterkühlung des Sauerstoffes erfolgt mit flüssigem Stickstoff oder mit flüssigem Sauerstoff. Flüssiger Stickstoff hat bei Umgebungsdruck einen um 13° C niedrigeren Siedepunkt als Sauerstoff und ist daher als Kühlmedium gut geeignet.

[0012] Das für die Kühlung und Unterkühlung geeignete kryogene Medium flüssiger Sauerstoff hat eine Gleichgewichtstemperatur die vom Umgebungsdruck abhängig ist. Beim Umgebungsdruck von 1 bar beträgt sie -183° C und sinkt bei Druckabsenkung ab. Wie in Fig. 1 dargestellt, wird daher der Drucksauerstoff durch Wärmeaustausch mit Sauerstoff unter niedrigem Druck im erforderlichen Maß gekühlt. Von der isolierten Leitung 4 wird hinter dem Absperrventil 7 durch die Leitung 20 der zum Kühlen bestimmte flüssige Sauerstoff abgezweigt und über das Füllstandserfassungssystem 22 in den Wärmetauscher 21 geleitet.

[0013] Im Innern des Wärmeaustauschers 21 wird mittels der Pumpe 24 ein Unterdruck bis zu 0,1 bar absolut erzeugt. Hierdurch wird die Siedetemperatur des flüssigen Sauerstoffes im Wärmeaustauscher 21 um bis zu 17° C gesenkt, so daß er als Kühlmedium für den Frischsauerstoff dienen kann. Durch die Wahl des Unterdruckes kann die Temperaturdifferenz des Kühlsauerstoffes zum Frischsauerstoff und somit die Größe des Wärmeaustauschers bestimmt werden.

[0014] Der zum Frischen bestimmte unter 3 bis 6 bar Tankdruck (entspricht einer Gleichgewichtstemperatur von -167 bis -159° C) stehende Sauerstoff wird in Kupferwendeln 25 durch den Wärmeaustauscher 21 geführt und dabei von dem ihn umgebenden Kühlsauerstoff je nach vorliegendem Druckverhältnis um 16 bis 41° C unter seine Siedetemperatur gekühlt. Diese Unterkühlung ist wie oben beschrieben mit - oder auch ohne Verwendung eines Unterdruckes durchführbar. Danach gelangt der Frischsauerstoff durch die isolierte Leitung 4 in die Blasdüse 1, die von einer Isolation und einem Wasserkühlmantel 16 (Fig. 2) umgeben ist, um sie gegen die hohe Wärmestrahlung durch die Metallschmelze 3 zu schützen. Der Frischsauerstoff verläßt die Blasdüse 1, indem er entspannt wird.

[0015] Der bei der Eigenmediumkühlung anfallende gasförmige Sauerstoff kann für das Frischen auf herkömmliche Art oder in Kombination mit dem flüssigen Sauerstofffrischen verwendet werden. In Fig. 2 ist hierzu eine als 3-Loch-Flüssig-Sauerstoffblaslanze ausgebildete Blasdüse 1 dargestellt. Die Blasdüse 1 weist einen zentrischen Zuströmkanal 10 für flüssigen Sauerstoff auf, der mit einer Ausströmdüse 11 verbunden ist. In der Ausströmdüse 11 ist ein den flüssigen Sauerstoff einschnürender Ausströmkanal vorgesehen, in dem der flüssige Sauerstoff vor seinem Austritt zu einem Strahl geformt wird. Konzentrisch zum Zuströmkanal 10 ist eine Zuführung 13 für gasförmigen Sauerstoff vorgesehen, der vorzugsweise aus drei, den Ausströmkanal 12 umgebenden Ausströmöffnungen 14 austritt. Die Ausströmöffnungen 14 sind in einem Düsenblock 15 angeordnet, der mit einem Kühlkanäle 16 aufweisenden Mantelrohr 17 verbunden ist. Das Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, strömt in Form einer Kreislaufkühlung entsprechend den Pfeilen 18, 19.

[0016] Gemäß einer anderen Ausführungsvariante kann die Blasdüse 1 (Fig. 1) als reine Flüssig-Sauerstoffblaslanze ausgeführt sein.

[0017] Dargestellt ist in Fig. 3 eine Vorrichtung zum Frischen mit flüssigem Sauerstoff, mit der der flüssige Sauerstoff dem Speicherbehälter 5 entnommen wird. Flüssiger Sauerstoff gelangt durch die Entnahmeleitung 6, das Füllstandserfassungssystem 31 und die isolierte Leitung 4 in den Gasphasenabscheider 30. Das Füllstandserfassungssystem 31 hält den zum Frischen dienenden flüssigen Sauerstoff im Gasphasenabscheider 30 automatisch auf dem gewünschten Niveau, wozu mittels des Fühlers 32 der Füllstand erfaßt wird.

[0018] Im dem Gasphasenabscheider 30 wird der gasförmige Sauerstoff von dem flüssigen Sauerstoff getrennt. Der flüssige Sauerstoff wird über Leitung 4 einer Blasdüse zugeführt, die als vielstrahliger Brausekopf ausgebildet ist. Durch den Brausekopf wird der flüssige Sauerstoff in nahezu drucklosen Zustand mit vielen Strahlen 2 auf der Oberfläche der Metallschmelze verteilt und damit eine große Reaktionsfläche gefahrlos erzeugt.

[0019] Der durch äußeren Wärmeanfall entstehende gasförmige Sauerstoffanteil wird durch den Gasphasenabscheider 30 vor der Pumpe bzw. Blasdüse 1 separiert und über eine mit der Öffnung 33 verbundene Leitung 34 in den Speicherbehälter 5 bzw. in eine O₂-Ringleitung zurückgeführt.

[0020] Leitung 4 kann wie im Zusammenhang mit der Fig. 1 beschrieben, zusätzlich mit einer Ummantelung aus einem kryogenen Medium versehen sein, um ein vorzeitiges Verdampfen zu vermeiden.

[0021] Dem Sauerstoff können bei Bedarf auch andere Medien wie z.B. Argon oder Feststoffe beigefügt werden.

Ansprüche

1. Verfahren zum Behandeln von Metallschmelzen, insbesondere Stahlschmelzen, mit einem Frischmittel, dadurch gekennzeichnet,
daß als Frischmittel flüssiger Sauerstoff oder ein Zweiphasengemisch aus flüssigem und gasförmigen Sauerstoff verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sauerstoff mit einer Blasdüse (1) in oder auf die Schmelze (3) geblasen wird, wobei der Sauerstoff über die zur Blasdüse (1) führende Zuleitung (4) und/oder über die Blasdüse (1) so gekühlt wird, daß der Sauerstoff eine Temperatur aufweist, die an oder unter der Siedetemperatur des Sauerstoffes bei Umgebungstemperatur liegt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der flüssige Sauerstoff durch flüssigen Stickstoff oder durch flüssigen Sauerstoff im Siedezustand gekühlt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der flüssige Sauerstoff in einem Wärmeaustauscher mit flüssigem Sauerstoff gekühlt wird, dessen Druck niedriger ist als der Druck des zum Frischen verwendeten flüssigen Sauerstoffes.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der zur Kühlung dienende flüssige Sauerstoff unter einem Druck unterhalb des Umgebungsdruckes steht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß der flüssige Sauerstoff mit einer Flüssigsauerstoffpumpe (8) auf einen Druck von 6 bis 50 bar gebracht wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Versorgungseinrichtung für Sauerstoff und einer mit der Versorgungseinrichtung verbundenen Blasdüse,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Versorgungseinrichtung ein isolierter Speicherbehälter (5) für flüssigen Sauerstoff ist und die Blasdüse (1) als Flüssigsauerstoffblasdüse oder als kombinierte Flüssig-Gassauerstoffblasdüse (10) ausgebildet ist, welche über mindestens eine isolierte Zuleitung (4) und eine Flüssigsauerstoffpumpe (8) mit dem Speicherbehälter (5) für flüssigen Sauerstoff in Verbindung steht.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß die isolierte Zuleitung (4) mit einer Ummantelung aus flüssigem Stickstoff oder flüssigem Sauerstoff versehen ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Blasdüse (1) mit mindestens einem Kühlkanal (16) versehen ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
daß zwischen der Pumpe (8) und der Blasdüse (1) in der Leitung (4) ein Wärmeaustauscher angeordnet ist, der mit einer Unterdruckpumpe (24) verbunden ist.

Zeichnung