Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kühlung von Blaslanzen, die zum Behandeln von in metallurgischen Gefäßen befindlichen flüssigen Metallschmelzen, insbesondere von einem, gegebenenfalls im Vakuum ausgesetzten Stahl in RH-Gefäßen und/oder zum Heizen von Metallschmelzen (gegebenenfalls unter Vakuum) mittels einer Hubeinrichtung in das Gefäßinnere hinein- und herausführbar ist und die wenigstens ein inneres Leitrohr zum Führen von Gasen, insbesondere von Sauerstoff, mit einer kopfendigen Lanzenmündung zum Aufblasen des Gases auf die Metallschmelze besitzt und einen sich über ihre Länge erstreckenden Kühlmantel zur Durchführung eines Kühlmedium aufweist, der als doppelwandiges, einen inneren und einen äußeren Kühlkanal aufweisendes Mantelrohr mit einem Umlenkrohr im Bereich des Kopfendes ausgebildet ist, wobei das metallurgische Gefäß zur Druckabsenkung mit einer Vakuum-Pumpe verbunden ist.
Die Erfindung betrifft ferner eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, mit einem metallurgischen Gefäß, in das mittels einer Hubeinrichtung in das Gefäßinnere eine Blaslanze hinein- und herausführbar ist, die wenigstens ein inneres Leitrohr mit einer kopfendigen Lanzenmündung und einen Kühlmantel aufweist, der aus einem inneren Kühlkanal und einem äußeren Kühlkanal besteht, die über ein Umlenkrohr in Verbindung stehen, und mit einer Pumpe, mittels der über einen Vakuumanschluss das metallurgische Gefäß evakuierbar ist.
Blaslanzen der vorgenannten Art sind prinzipiell nach dem Stand der Technik bekannt. Als Kühlmedium während des Aufblasens von Gasen oder Feststoffen auf die Stahlschmelze wird regelmäßig Wasser verwendet, das in einem großen Volumenstrom unter Druck bis in den Lanzenkopf gespült wird. Insbesondere in dem auf die Stirnseite des Lanzenkopfes strahlenden Brennfleck auf der Badoberfläche treten extrem hohe Temperaturen auf, die zu einem allmählichen Verschleiß und/oder Rissbildung am Lanzenkopf führen, aufgrund dessen die Wandstärke der im Lanzenkopf befindlichen Kühlkammern dünner wird bis die Wände mit der Folge erweichen, dass es zu Durchbrüchen kommen kann. Austretendes Wasser verdampft dann, übersteigt die Saugleistung der Vakuum-Pumpe und führt explosionsartig zu einem Überdruck im Rezipienten.
Um einerseits die Gefahr eines Wasserdurchbruches einer in Betriebsstellung befindlichen Blaslanze zu vermeiden und andererseits die Lanze intensiv zu kühlen, ist bei einem anderen Verfahren, bei dem die Blaslanze in die Schmelze eingetaucht wird, in der DE 35 43 836 C2 vorgeschlagen worden, mit zwei im Wechsel zum Einsatz kommenden Blaslanzen zu arbeiten, die sowohl mit Kühlung als auch mit Kühlwasser gekühlt werden können. Von den beiden Blaslanzen wird nur die gerade in Blasstellung befindliche und in die Schmelze eintauchende Blaslanze mit Kühlluft gekühlt, während die sich gerade außerhalb der Schmelze befindende Blaslanze intensiv mit Kühlwasser gekühlt wird. Die abwechselnde Benutzung zweier Blaslanzen ist jedoch relativ aufwendig. Für eine wassergekühlte Blaslanze ist daher in der DE 199 48 187 C2 vorgeschlagen worden, dass die von dem im wärmeleitenden Kontakt mit der Wandung des Lanzenkopfes angeordneten Temperaturfühlers erfasste Temperatur über die Wasserkühlung und/oder die Sauerstoffzufuhr und/oder die Zugabe von Zuschlagstoffen und/oder den Abstand des Lanzenkopfes von dem Schmelzbad geregelt wird.
Der mit der Wasserkühlung von Blaslanzen verbundene Nachteil, dass es im Falle eines im Bereich des Kühlmantels der Lanze auftretenden Defektes (Bruch oder Riss) und eines damit verbundenen Eintritts von Wasser in den über der heißen Metallschmelze im Gefäß anstehenden Reaktionsraum zu einer schlagartigen und starken Expansion des freigesetzten Wassers als Wasserdampf kommt und einer möglichen Abspaltung von Wasserstoffgas (H2), ist damit jedoch nicht behoben. Insbesondere bei RH-Gefäßen, die nur ein geringes freies Gefäßvolumen besitzen, drohen bei Gefäßinnentemperaturen von bis zum 1800°C große Gefahren. Das durch die Lanze zirkulierende Kühlwasser mit einer Durchflussmenge von 30m3/h bis 50m3/h ist nämlich mit den nach dem Stand der Technik verfügbaren Vakuumpumpen nur zu einem geringen Teil absaugbar, wobei sich unter Zugrundelegung der vorstehend genannten Kühlwassermengen ein Verhältnis der Saugleitung zur im Durchbruchfall vorhandenen Dampfmenge zwischen 1:20 bis 1:100 beträgt. Apparativ bedingt bewirken in RH-Gefäßen die beiden in den Flüssigstahl eingetauchten
Tauchrohre einen siphonartigen Verschluss, die, da das Einbringen von Druckentlastungsöffnungen (Expansionsklappen) nicht möglich ist, unter Umständen als einzige Druckausgleichöffnungen dienen. Bei Verkettung unglücklicher Umstände ist bei einem Wassereinbruch durch eine defekte Sauerstofflanze in einem RH-Gefäß mit anschließender Expansion mit einem Expansionsenddruck von ca. 14×105 Pa zu rechnen. Bei einer Explosionsgeschwindigkeit von 2×107 Pa/s und einer Druckentlastung durch die vorhandenen Tauchrohre würden zwangsläufig große Flüssigstahlmengen in die Anlagenumgebung geschleudert.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung das Verfahren der eingangs genannten Art dahingehend weiter zu entwickeln, dass im Falle einer Kühlmantelleckage der Lanze die vorstehend beschriebenen Nachteile verhindert und demgemäß die Sicherheit des Bedienungspersonals erhöht und die gesamte Anlage geschützt sind. Entsprechendes gilt auch hinsichtlich der weiterzuentwickelnden Vorrichtung.
Die vorstehende Aufgabe wird durch das Verfahren nach Anspruch 1 gelöst. Die erste Maßnahme besteht darin, als Kühlmedium ein Gas zu verwenden, womit die bei einem Lanzendefekt freiwerdende Menge des Kühlmediums drastisch reduziert wird. Durchgeführte Berechnungen zeigen, dass bei Sauerstoffblasprozessen unter einem Druck von 1 bis 2×104 Pa in einem RH-Gefäß ein Kühldampfdurchfluss von 1000 kg/h und bei einem VCD-Betrieb unter einem Druck von 70 Pa bis 4×103 Pa ein Kühldampfdurchfluss von 360 kg/h ausreichen. Diese im Vergleich zur Wasserkühlung geringe Dampfmenge kann ohne weiteres bei einem Lanzenriss oder Lanzenbruch von der Vakuumpumpe abgesaugt werden ohne dass hierbei eine gefährliche Expansion innerhalb des Gefäßes entsteht. Das Verhältnis der Saugleistung der (Vakuum-) Pumpe zu der vorhandenen Dampfmenge beträgt ca. 2:1 bis 6:1, womit eine Druckentwicklung mit Expansion durch die Tauchrohre wirksam vermieden wird. Eine weitere erfindungsgemäße Maßnahme besteht darin, dass die momentan zur Verfügung stehende Saugleistung der Pumpe die Durchflussmenge des als Kühlmedium verwendeten Gases regelt. Fällt die Saugleistung der Pumpe ab oder ist sie aus anderen Gründen gering bzw. geringer, so wird der Kühlgasdurchfluss entsprechend minimiert, um ein ausreichendes Verhältnis der Saugleistung der Pumpe zu der im Schadensfall abzusaugenden Kühlgasmenge ≥ 1 zu gestalten.
Weiterentwicklungen sind in den Ansprüchen 2 bis 6 beschrieben.
Nach einer Weiterentwicklung dieses Verfahrens regelt die momentan zur Verfügung gestehende Pumpensaugleistung zusätzlich den Lanzenvorschub, wobei vorzugsweise bei einer gemessenen Differenz zwischen der Menge des zur Lanzenkühlung zugeführten und des abgeführten Gases der Lanzenvorschub und die Gaszufuhr unmittelbar gestoppt werden. Die erste Maßnahme dient dazu, eine weitere Schädigung der Lanze durch starke Temperaturerhöhung beim Annähern an die Badspiegeloberfläche zu verhindern. Die andere Maßnahme bewirkt, dass nur die derzeit im Kühlmantel der Lanze befindliche Gasmenge ausströmen kann.
Vorzugsweise wird als Kühlmedium überhitzter Wasserdampf, insbesondere um 20°C bis 50°C überhitzter Wasserdampf verwendet. Für die Kühlung mit Wasserdampf gilt hinsichtlich der zu fördernden Volumenmenge entsprechendes wie für jedes andere nach dem Stand der Technik bekannte Kühlgas, hier insbesondere Stickstoff oder Argon. Aufgrund der geringeren Volumenmenge, die zur Kühlung erforderlich ist, kann auch die Breite der Kühlkanäle minimiert werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird während des Sauerstoffaufblasens das Kühlmedium in den inneren Kühlkanal eingeleitet und über den äußeren Kühlkanal abgeführt. Hierdurch ist gewährleistet, dass unmittelbar im Anschluss an die größte Wärmeaufnahme des als Kühlmedium eingeleiteten überhitzten Wasserdampfes im Bereich des äußeren Kühlkanals der Wasserdampf unmittelbar aus der Lanze wieder herausgeführt wird. Ferner ergibt sich der Vorteil, dass der über das innere Leitrohr eingespeiste Sauerstoff aufgrund der am inneren Leitrohr entlangstreichenden Wasserdampfmenge aufgeheizt und insoweit in bereits aufgeheiztem Zustand auf die im Gefäß befindliche Stahlschmelze geblasen wird. Damit ergibt sich ein geringerer Temperaturverlust des flüssigen Stahls, eine intensivere Kohlenstoff-Reaktion bei durch das Sauerstoffaufblasen vorzunehmenden Entkohlungen, eine intensivere Aluminium-Reaktion beim chemischen Heizen sowie ein verbesserter Sauerstoff-Wirkungsgrad und schließlich ein geringerer Sauerstoffverbrauch.
Für den Fall, dass die Lanze zwischen den Behandlungsphasen im VCD-Betrieb sich in der oberen Parkstellung befindet, ist weiterhin vorgesehen, dass der Wasserdampf in den äußeren Kühlkanal des Kühlmantels eingespeist und nach kopfendiger Umlenkung über den inneren Kühlkanal abgeführt wird. Sofern dabei die Umgebungstemperatur der Lanze im Vergleich mit dem Sauerstoffblasbetrieb geringer ist, wird durch diese Wasserdampfführung im Kühlmantel sichergestellt, dass der Wasserdampf zunächst den Bereich des äußeren Kühlkanals aufheizt, so dass die Abkühlung des Wasserdampfes und eine damit einhergehende Kondensatbildung im Bereich der Kühlkanäle vermieden wird.
Zur Vermeidung einer Überhitzung des Kühlmantels und zur Optimierung der benötigten Kühlmedium-Menge bei den unterschiedlichen Lanzenstellungen und Betriebsbedingungen ist nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Menge des in den Kühlmantel einzuleitenden Kühlmediums, insbesondere Wasserdampfes, in Abhängigkeit der am Außenmantel der Lanze gemessenen Temperatur und/oder der momentanen Lanzenstellung geregelt wird.
Um zu vermeiden, dass im Kopfbereich der Lanze eine Kondensatbildung auftritt, wird die Lanze im Anfahrbetrieb zunächst ohne Kühlung vorgewärmt, vorzugsweise indem die Lanze in das bereits aufgeheizte metallurgische Gefäß gefahren wird und erst hiernach die Dampfkühlung eingeschaltet wird.
Bei der Verwendung von Wasserdampf wird dieser vorzugsweise unter einem Druck von mindestens 7×105 Pa unter einer Temperatur von 160°C bis 210°C als Kühlmittel zugeführt.
Die Aufgabe wird ferner durch die Vorrichtung nach Anspruch 7 gelöst, die erfindungsgemäß durch eine Regeleinheit zur Einstellung der Durchflussmenge des als Kühlmedium verwendeten Gases in Abhängigkeit der momentanen Lanzenstellung, der zur Verfügung stehenden Saugleistung der Vakuum-Pumpe und der Lanzenaußenwandtemperaturen die Durchflussmenge des Kühlmediums regelt, gekennzeichnet ist. Vorzugsweise wird über die Regeleinheit auch der Lanzenvorschub eingestellt.
Um die Temperaturbelastung der Lanze und damit die wesentlichen Verschleißeinflüsse besser erfassen zu können, sind am Blaslanzenkopf und am Blaslanzenmantel in längsaxial unterschiedlichen Abständen Messfühler angeordnet, die mit der Regeleinheit verbunden sind. Entsprechend der gemessenen Temperaturen kann die Durchflussmenge des Kühlmediums über die Regeleinheit vergrößert oder verkleinert werden. Um eine Kondensatbildung in den Kühlkanälen im Bereich des Lanzenkopfes zu vermeiden, ist vorzugsweise ein Kondensatabscheider vorgesehen, durch den das Kühlmedium vor Eintritt in den Kühlkanal der Blaslanze geführt wird.
Eine verbesserte Wärmeabfuhr kann gewährleistet werden, wenn die zum Kühlkanal gerichtete innere Oberfläche des äußeren Kühlmantelrohres radial in den Kühlkanal vorstehende Rippen aufweist.
Vorzugsweise wird die Lanzenmündung als Laval-Düse ausgebildet.
Weitere Vorteile der Erfindung sowie Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:
Die prinzipiell nach dem Stand der Technik bekannte Lanze 10 besitzt ein inneres Leitrohr 11, das kopfendig in einer Düse 20, vorzugsweise einer Laval-Düse, als Lanzenmündung 12 endet. Über dieses Leitrohr 11 ist ein Gas, insbesondere Sauerstoff zuführbar. Das Leitrohr 11 ist von einem Kühlmantel 13 mit einem äußeren rohrförmigen Kühlmantelrohr 13a umgeben, dessen Innenraum durch ein eingesetztes Umlenkrohr 14 in einen das innere Leitrohr 11 umschließenden inneren Kühlkanal 15 und in einen äußeren Kühlkanal 16 unterteilt ist. Das Umlenkrohr 14 reicht im Kopfbereich der Lanze 10 nicht bis an die Düse 20 heran, so dass sich hier ein Umlenkbereich 17 als Verbindung zwischen dem inneren Kühlkanal 15 und dem äußeren Kühlkanal 16 ergibt. Jeder der beiden Kühlkanäle 15 und 16 ist an dem Fußende der Lanze an eine zugeordnete Öffnung 18 angeschlossen, die je nach gewünschter Kühlmediumflussrichtung als Einlass oder Auslass geschaltet wird.
Wie in Figur 2 dargestellt, wird zur Verbesserung der Wärmeübertragung auf das den Kühlmantel durchströmende Kühlmedium die zum Kühlkanal 16 gerichtete innere Oberfläche des äußere Kühlmantelrohres 13a mit radial in den Kühlkanal 16 vorstehenden Rippen 19 ausgebildet.
Zur Kühlung der Lanze in deren möglichen Betriebszuständen, auf die später noch eingegangen wird, wird über die Kühlkanäle 15 und 16 des Kühlmantels 13 ein Kühlgas, vorzugsweise um 20°C bis 50°C überhitzter Wasserdampf zugeführt.
Zur Vermeidung von Kondensatbildungen in den Kühlkanälen des Kühlmantels der Lanze kann eine Kreuzschaltung hinsichtlich der Beaufschlagung des inneren Kühlkanals 15 bzw. des äußeren Kühlkanals 16 für die Zufuhr und Abfuhr des Wasserdampfes vorgesehen sein. So erfolgt beispielsweise bei höchster Lanzen-Wärmebelastung im Sauerstoffblasbetrieb die Zufuhr des Kühldampfes über die mit dem inneren Kühlkanal 15 verbundene Öffnung 18, so dass der Wasserdampf längst des inneren Leitrohres 11 bis zum Umlenkbereich 17 des Kühlmantels 13 strömt und von hier aus über den äußeren Kühlkanal 16, der über den rohrförmigen Kühlmantel 13 in Kontakt mit dem die Lanze umgebenden Reaktionsraum des Gefäßes steht, abgeführt wird. Befindet sich dagegen die Lanze zwischen den Behandlungsphasen einzelner Chargen in der oberen Parkstellung, so ist damit eine wesentlich geringere Wärmeeinwirkung auf den äußeren Kühlmantel 13 gegeben. In diesem Fall wird der Wasserdampf zunächst in den äußeren Kühlkanal 16 eingeblasen. Der Wasserdampf wird über den inneren Kühlkanal 15 und dessen kopfseitige Auslassöffnung 18 abgeführt. Entsprechendes gilt auch im Falle eines VCD-Betriebes.
Das gleiche gilt im Anfahrbetrieb, d. h. dass bei einer kalten Lanze, die Lanze 10 zunächst ohne Dampfkühlung in das Gefäß 200 hineingefahren wird, um die Lanze vorzuwärmen. Die Dampfkühlung wird somit erst nach Vorwärmung der Lanze aufgeschaltet.
Wie im einzelnen Figur 3 entnommen werden kann, wird das metallurgische Gefäß 200 mit seinen Tauchrohren 21 in die in eine Pfanne 23 eingefüllte Metallschmelze 29 eingeführt. Das Behandlungsgefäß 200 ist über einen Anschlussstutzen 22 mittels einer Pumpe 30 evakuierbar. Ebenso wie die Pumpe 30 ist auch der Lanzenantrieb 24 mit einer Regeleinheit 27 verbunden. Zur Feststellung der momentanen Lanzenstellung ist ein Encoder 25 vorgesehen.
Ebenso sind am Lanzenmantel in unterschiedlichen längsaxialen Abständen sowie an der Lanzenmündung Temperaturfühler vorgesehen, von denen in Fig. 3 lediglich der Temperaturfühler 26 eingezeichnet ist. Die von diesem Fühler sowie den anderen Temperaturfühlern gemessenen Temperaturen werden ebenfalls der Regeleinheit 27 übermittelt. Die Regeleinheit 27 regelt in Abhängigkeit der Saugleistung der Pumpe 30 sowie der über die vorhandenen Temperaturfühler gemessenen Temperaturen über den Regler 28 die eingeführte Kühlgasmenge. Nicht im einzelnen dargestellt sind Durchflussmessgeräte, welche die eingeführte sowie die ausgeführte Kühldampfmenge feststellen und bei etwaigen Abweichungen, die Indiz für vorhandene Leckagen sind, ein Signal an die Regeleinheit 27 senden. Im Leckagefall wird die weitere Kühlgaseinleitung sowie der Lanzenvorschub gestoppt bzw. das Herausfahren der Lanze aus dem Gefäß 200 eingeleitet.
Figur 4 zeigt eine in das Gefäß 200 hineingeführte Lanze. Im dargestellten Zustand herrscht im Gefäßinneren Normaldruck, d. h. die Pumpe 30 ist nicht in Betrieb. Weder das Leitrohr 11 noch die Kühlkanäle 15 und 16 sind zu Beginn mit Gas beaufschlagt. Unter diesen Voraussetzungen beträgt in einem konkreten Anwendungsfall die Gefäßinnenraumtemperatur Ti 1500°C. Die hierbei innerhalb der ersten zwei Minuten an der Lanze gemessenen Temperaturen T1, T2, T3 und T4 sind Fig. 8 zu entnehmen. Im konkreten Anwendungsfall wird an der Kopfseite der Lanze ein Temperaturanstieg bis 1060°C gemessen. Wird nach zwei Minuten die Dampfkühlung durch Einlassen von Wasserdampf mit einer Temperatur von 160°C unter 7×105 PA aufgeschaltet, sinken die an dem Lanzenkopf gemessenen Temperaturen T1 und T2 auf 260 bzw. 215°C ab. Die durch die Kühlkanäle 15 und 16 geförderte Dampfmenge beträgt dann ca.179 kg/h.
Figur 5 zeigt die Lanze 10 im Sauerstoffblasbetrieb. Im Gefäßinneren liegt ein Druck von 2×104 Pa und eine Temperatur Ti von 1800°C an. Durch das Leitrohr 11 wird Sauerstoff in einer Menge von z. B. 1000 Nm3/h aufgeblasen. Zur Lanzenkühlung wird Wasserdampf unter einem Druck von 7×105 PA mit einer Temperatur von 160°C eingeführt. Die entsprechenden Temperaturverläufe T1, T2, T3, T4 und die Dampfaustrittstemperatur sind Fig. 9 zu entnehmen.
Figur 6 zeigt eine in das Gefäß 200 eingeführte Lanze in einem VCD-Prozess, d. h. ohne Sauerstoffzufuhr über das Leitrohr 11. Der eingestellte Druck im Inneren des Gefäßes liegt zwischen 70 Pa und 4×103 Pa. Die Lanze wird mit Wasserdampf (7x105 Pa, 160°C) gekühlt. Die Gefäßinnentemperatur Ti beträgt 1200°C, die durch die Kühlkanäle 15 und 16 geförderte Dampfmenge 360 kg/h. Der Verlauf der Temperaturen T1 bis T4 sowie der Dampfaustrittstemperatur TDa ist Fig. 10 zu entnehmen. Die geförderte Dampfmenge betrug 360 kg/h.
Figur 7 zeigt die Lanze in einer oberen Parkposition. Das Gefäß 200 ist mit seinen Tauchstutzen in die Metallschmelze eingetaucht. Wie Fig. 11 zu entnehmen ist, steigen die gemessenen Lanzentemperaturen binnen kurzer Zeit von 20°C auf 160°C bzw. 200°C, obwohl die eingelassenen Wasserdampfdurchflussmenge 1464 kg/h beträgt.
Die jeweils vorstehend beschriebenen und untersuchten Betriebssituationen zeigen, dass bei einem Sauerstoffblasprozess, der unter einem Druck von 0,5 ×104 bis 2 × 104 PA betrieben wird, ein Kühldampfdurchfluss von 1000 kg/h und bei einem VCD-Betrieb unter einem Vakuum von 70 Pa bis 4×103 Pa, ein Kühldampfdurchfluss von 360 kg/h einzusetzen ist. Im Vergleich zur Wasserkühlung liegen deutlich geringere Dampfmengen an, die ohne weiteres bei einem Lanzenriss oder Lanzenbruch von der Vakuumpumpe gefahrlos abgesaugt werden können, d. h. ohne dass hierbei eine gefährliche Expansion innerhalb des Gefäßes 200 entsteht.
Eine Differenzmessung der eingelassenen Dampfmengen und der austretenden Dampfmengen, insbesondere betreffend Durchfluss und Druckmessungen in den Zuund Abführungsleitungen zeigen unmittelbar entstandene Lanzenleckagen an. Vorzugsweise wird zur Vermeidung einer Kondensatbildung bei einer Lanzenstellung in der oberen Position die Dampfdurchflussrichtung mit einer entsprechenden Ventilschaltung umgekehrt.