LANZENKOPF FÜR EINE INJEKTOR-LANZE, VERFAHREN ZUM BETREIBEN EINES MITTELS EINES ADDITIVEN VERFAHRENS HERGESTELLTEN LANZENKOPFES UND COMPUTERPROGRAMM

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen Lanzenkopf für eine Injektorlanze (4), der einen Zuleitungsbereich (6) und einen Austrittsbereich (8) aufweist, wobei der Zuleitungsbereich (6) eine Reaktionsfluid-Zuleitung (10), eine Kühlfluid-Zuleitung (12) und eine Kühlfluid-Rückleitung (14) umfasst, wobei im Austrittsbereich (8) Reaktionsfluid-Austrittsdüsen (16) sowie Kühlkanäle (18) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass
- im Zuleitungsbereich (6) ferner mindestens eine Permeationsfluid-Zuleitung (20) vorgesehen ist und
- dass der Austrittsbereich (8) eine Kühlfläche (22) aufweist, die zumindest teilweise von einer porösen Außenhaut (24) umgeben ist, in die die Permeationsfluid-Zuleitung (20) mündet und
- dass der Lanzenkopf (2) durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen Lanzenkopf für eine Injektor-Lanze nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Lanzenkopfes nach Patentanspruch 10 sowie ein Computerprogramm umfassend einen digitalen Zwilling zur digitalen Abbildung eines Lanzenkopfes nach Patentanspruch 15.

[0002] Die Eindüsung von schnellen Gasströmen in extrem heiße Umgebungen erfordert eine sehr intensive Kühlung des dafür vorgesehenen Gerätes. Bei diesen Eindüsungsgeräten handelt es sich beispielsweise um Injektor-Lanzen, die einen Lanzenkopf aufweisen, der entsprechende Injektor-Düsen umfasst, durch die beispielsweise Sauerstoff in Überschallgeschwindigkeit und unter hohem Druck (der beispielsweise über 10 bar betragen kann) in eine Schmelze von Roheisen, Schrott und Zuschlagstoffen in einem Konverter-Prozess zu Stahlherstellung eingeblasen wird. Dabei wird der im Eisen gelöste Kohlenstoff oxidiert, was unter einer hohen Wärmefreisetzung aufgrund der dabei ablaufenden externen Reaktion erfolgt. Gleichzeitig werden Begleitstoffe des Eisens in der geschmolzenen Schlacke chemisch gebunden und somit der Metallschmelze entzogen, wodurch das Endprodukt Stahl entsteht.

[0003] Die Injektor-Spitze, die auch als Lanzenkopf bezeichnet wird, ist nach dem Stand der Technik zumindest in ihrem vordersten Teil aus Kupfer ausgestaltet. Sie ist rückseitig wassergekühlt, was durch Kühlkanäle erfolgt, die in einem Austrittsbereich des Lanzenkopfes diesen entlang einer Kühlfläche kühlen.

[0004] Auf die Lanzenköpfe wirkt dennoch eine sehr hohe thermische Belastung, die zwar durch die beschriebene Kühlung auf ein entsprechendes für das Material gerade noch verträgliches Maß herabgesetzt wird. Zudem wird jedoch auch flüssiges Eisen und flüssige Schlacke in der Umgebung des Lanzenkopfes aufgespritzt und setzt sich auf dem Lanzenkopf der Injektor-Lanze ab. Diese thermische Belastung in einer extrem heißen Umgebung, die noch durch das Anlagern von flüssigen und erstarrten Material erhöht wird, führt dazu, dass Lanzenköpfe im Betrieb eines Stahlkonverters häufig ausgetauscht werden müssen. Es handelt sich demnach um Verschleißteile, die in einem herkömmlichen Prozess kontinuierlich ersetzt werden müssen, was nicht nur Kosten für den Ersatz des Lanzenkopfes an sich, sondern auch für die Produktionsunterbrechung bedeutet.

[0005] Daher ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Lanzenkopf bereitzustellen, der weniger häufig als konventionelle Lanzenköpfe nach dem Stand der Technik gewechselt werden muss sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Lanzenkopfes bereitzustellen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein spezielles Computerprogramm bereitzustellen, das einen digitalen Zwilling des entsprechenden Lanzenkopfes enthält.

[0006] Die Lösung der Aufgabe besteht in einem Lanzenkopf für eine Injektionslanze mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie in einem Verfahren zum Betreiben eines mittels eines additiven Verfahrens hergestellten Lanzenkopfes mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 sowie in einem Computerprogramm mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15.

[0007] Der Lanzenkopf für eine Injektor-Lanze, beispielsweise für eine Sauerstofflanze in der Stahlproduktion, weist einen Zuleitungsbereich und einen Austrittsbereich auf. Der Zuleitungsbereich umfasst dabei eine Reaktionsfluid-Zuleitung, eine Kühlfluid-Zuleitung und eine Kühlfluid-Rückleitung, wobei im Austrittsbereich Reaktionsfluid-Austrittsdüsen sowie Kühlkanäle angeordnet sind. Der Lanzenkopf zeichnet sich dadurch aus, dass im Zuleitungsbereich ferner mindestens eine Permeationsfluid-Zuleitung vorgesehen ist und dass der Austrittsbereich eine Kühlfläche aufweist, die zumindest teilweise von einer porösen Außenhaut umgeben ist, in die die Permeationsfluid-Zuleitung mündet. Ferner zeichnet sich der Lanzenkopf dadurch aus, dass er durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt ist.

[0008] Gegenüber einem Lanzenkopf aus dem Stand der Technik weist der hier beschriebene Lanzenkopf noch eine dritte Zuleitung, nämlich die Permeationsfluid-Zuleitung auf, die in der beschriebenen porösen Außenhaut mündet. Die poröse Außenhaut ist dabei über die Kühlfläche, die wie im Stand der Technik bereits durch Kühlkanäle und durch das Kühlfluid gekühlt wird, gelegt. Das heißt, die poröse Außenhaut ist dem zu reagierenden Material, in welches das Reaktionsfluid, insbesondere Sauerstoff bei einer Sauerstofflanze, eingeleitet wird, zugewandt. Somit ist auch die poröse Außenhaut letztendlich die Fläche, die am höchsten thermisch belastet wird, die jedoch auch gegenüber der Belastung durch flüssige Schlacke und flüssiges Eisen direkt ausgesetzt ist. In einem herkömmlichen Lanzenkopf nach dem Stand der Technik ist es die Kühlfläche, die direkt der flüssigen Schlacke und dem flüssigen Eisen ausgesetzt ist und durch diese während des Anwendungsverfahrens beaufschlagt wird. Dabei ist bei der Außenhaut nicht von einem dünnen Film auszugehen. Aufgrund des porösen Charakters des Gebildes "Außenhaut" weist diese eine gewissen Dicken von je nach Lanzenkopfgeometrie beispielsweise 3 bis 15 mm auf. Das poröse Gebilde "Außenhaut" weist damit genügenden Volumen auf, damit darin ein Gasvolumenstrom stattfinden kann bei gleichzeitiger Gewährleistung einer mechanischen Festigkeit.

[0009] Die poröse Außenhaut, die während des Betriebs der Injektor-Lanze kontinuierlich durch das Permeationsfluid durchströmt wird, weist dabei einen Fluidmantel, insbesondere einen Gasmantel um sich herum auf, der ein Anlagern der Schlacke bzw. des zu reagierenden Mediums verhindert. Diese komplexe Darstellung des Lanzenkopfes, also zum einen die dritte Zuleitung in Form der Permeationsfluid-Zuleitung als auch die poröse Außenhaut an sich, ist durch herkömmliche Herstellungsverfahren für ein metallisches Bauteil wie zum Beispiel Gießen, Drehen, Fräsen oder Bohren kaum darstellbar. Auch übliches Verbindungstechniken wie Flanschen, Schrauben oder Schweißen sind für eine so komplexe Struktur nicht oder kaum geeignet. Daher ist ein additives Herstellungsverfahren für die Herstellung des Lanzenkopfes notwendig. Es mag zwar in gewisser Weise technisch aufwendiger und somit kostenintensiver sein als ein herkömmliches Verfahren, bietet jedoch eine Konstruktion, die dazu führt, dass der Austausch des Lanzenkopfes in erheblich längeren Intervallen erfolgen kann und somit einerseits weniger Lanzenkopfbauteile zur Verfügung gestellt werden müssen. Insbesondere werden durch diese längeren Tauschintervalle auch Produktionsunterbrechungen vermieden bzw. reduziert, was einen erheblichen Kostenvorteil in der Herstellung des jeweiligen Materials beispielsweise bei der Schmelze von Rohstahl bewirkt.

[0010] Unter Fluid wird hier eine Substanz verstand, die fluidmechanischen Eigenschaften aufweist und die sich unter dem Einfluss von Scherkräften kontinuierlich verformt. Das kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, unter Fluide fallen jedoch auch Suspensionen und Aerosole. Wobei das Kühlfluid aufgrund der höheren Wärmekapazität bevorzugt eine Flüssigkeit ist. Das Permeationsfluid liegt zur Ausbildung eines Gasfilms bevorzugt - insbesondere beim Durchströmen der porösen Außenhaut - in Gasform vor.

[0011] In einer weiteren Ausgestaltungsform der Erfindung sind die Permeationsfluid-Zuleitung und die Reaktionsfluid-Zuleitung innerhalb der Kühlfluid-Zuleitung oder der Kühlfluid-Rückleitung zumindest teilweise nebeneinander verlaufend angeordnet. Üblicherweise sind im Stand der Technik diese Leitungen konzentrisch ineinander verlegt, was den technischen Aufbau bei der Verwendung von lediglich zwei Zuleitungen, nämlich der nach dem Stand der Technik bekannten Kühlfluid-Zuleitung und vor allem der Reaktionsfluid-Zuleitung erleichtert. Eine dritte Zuleitung, nämlich die Permeationsfluid-Zuleitung, ist nach diesem konzentrischen Konzept jedoch technisch kaum darstellbar. Diese Nebeneinanderführung der Permeationsfluid-Zuleitung und ggf. einer weiteren Permeationsfluid-Zuleitung für ein zweites Permeationsfluid und der Reaktionsfluid-Zuleitung wird erst durch die Verwendung des additiven Herstellungsverfahren für den Lanzenkopf technisch sinnvoll darstellbar.

[0012] Dabei ist anzumerken, dass die Reaktionsfluid-Zuleitung und die Permeationsfluid-Zuleitung bevorzugt innerhalb der Kühlfluid-Zuleitung oder der Kühlfluid-Rückleitung angeordnet sind. Besonders bevorzugt sind sie dabei in der Kühlfluid-Rückleitung angeordnet und die Kühlfluid-Zuleitung ist ebenfalls innerhalb der Kühlfluid-Rückleitung neben der Permeationsfluid-Zuleitung und der Reaktionsfluid-Zuleitung angeordnet. Alle diese Anordnungsmaßnahmen tragen dazu bei, dass der Anschluss für die einzelnen Zuleitungen aus der Injektor-Lanze heraus und im Einspeisebereich deutlich einfacher auszugestalten ist, als wenn es sich um konzentrisch ineinander verlegte Leitungen handeln würde. Diese technische Ausgestaltungsform ist demnach durch das additive Herstellungsverfahren beispielsweise durch ein Laserschmelzverfahren gut technisch umsetzbar.

[0013] In einer weiteren Ausgestaltungsform ist die Kühlfluid-Zuleitung so ausgestaltet, dass sie in Kühlkanäle mündet und die Kühlkanäle wiederum in die Kühlfluid-Rückleitung münden. Dabei sind die Kühlkanäle wiederum bevorzugt möglichst nahe an der Kühlfläche, also hinter der Kühlfläche angeordnet, wobei der Begriff hinter sich dabei auf die Ausrichtung auf das zu reagierende Material, also beispielsweise der Eisenschlacke bezieht. Somit wird eine gute Kühlung der Kühlfläche und des Austrittsbereiches des Lanzenkopfes grundsätzlich gewährleistet.

[0014] Die Permeationsfluid-Zuleitung verzweigt sich dabei bevorzugt in mehrere Verteilungskanäle, die wiederum Bestandteil der Permeationsfluid-Zuleitung sind und die in die poröse Außenhaut münden. Durch diese Verteilungskanäle der Permeationsfluid-Zuleitung kann die poröse Außenhaut an mehreren Stellen mit dem Permeationsfluid versorgt werden. An besonders kritischen Bereichen kann durch diese Maßnahme auch ein besonders hoher Fluid-Strom gewährleistet werden. Das Permeationsfluid tritt an der porösen Oberfläche der porösen Außenhaut aus und entströmt dieser wie ein Schutzfilm. Dies verhindert das Anlagern von flüssiger Schlacke oder flüssigem Eisen, sodass der Lanzenkopf in dem Bereich der porösen Außenhaut stets vor Ablagerungen geschützt ist.

[0015] An den Verzweigungskanälen der Permeationsfluid-Zuleitung können zudem Ableitungsöffnungen zu Drucksensoren angeordnet sein, die eine zielgerichtete Verteilung des Permeationsfluid anhand einer Auswertung von Druckverhältnissen im Austrittsbereich, insbesondere der Druckverhältnisse des Permeationsfluid herbeiführen können.

[0016] Zwischen der Kühlfläche und der porösen Außenhaut ist ggf. je nach Konstruktion der porösen Außenhaut und des Lanzenkopfes ein Zwischenraum vorgesehen, der bevorzugt durch Stützstreben durchzogen ist, die ebenfalls durch das additive Herstellungsverfahren dargestellt sind.

[0017] In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Erfindung weist die Außenhaut eine Zinkbeschichtung auf, die wiederum zweckmäßig ist, um im Weiteren eine Ablagerung zu verhindern, falls dies durch das Permeationsfluid in Einzelfällen nicht gewährleistet ist. Eine Zinkbeschichtung an der porösen Außenhaut verhindert zusätzlich noch die Ablagerung beispielsweise durch Schlacke.

[0018] Das Grundmaterial des Lanzenkopfes ist aufgrund des additiven Herstellungsverfahrens in weiten Bereichen variierbar. Bevorzugt wird für den gesamten Lanzenkopf ein einziges Grundmaterial verwendet, wobei bei den nun genannten Metallen insbesondere Legierungen dieser Metalle gemeint sind, die technisch angewendet werden. Insbesondere sind Stahl, Kupfer, Wolfram, Molybdän oder Niob, jedoch auch eine Nickelbasislegierung als Grundmaterial für den Lanzenkopf geeignet. Kupfer hat dabei eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit und wird bereits bei den bestehenden Lanzenköpfen eingesetzt. Stahl ist aufgrund seines höheren Schmelzpunkts und seiner mäßig guten Wärmeleitfähigkeit bei guter Kühlung ebenfalls geeignet. Wolfram, Molybdän und Niob, sowie die Nickelbasislegierungen sind zwar von den Materialkosten teurer als Kupfer bzw. einer Kupferlegierung, sie weisen jedoch auch eine höhere Temperaturbeständigkeit auf, und sie lassen sich durch ein additives Herstellungsverfahren wie das Laserschmelzverfahren ähnlich gut fertigen wie das herkömmliche Kupfer.

[0019] Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben eines mittels eines additiven Verfahrens hergestellten Lanzenkopfes einer Injektionslanze. Das Verfahren umfasst dabei folgende Schritte:

• Durchleiten eines Reaktionsfluids durch eine Reaktionsfluid-Zuleitung des Lanzenkopfes in Reaktionsfluid-Austrittsdüsen auf ein zu reagierendes Material
• Durchleiten eines Kühlfluids durch eine Kühlfluid-Zuleitung in Kühlkanäle an einen dem zu reagierenden Material zugewandten Austrittsbereich des Lanzenkopfes
• Rückleitung des Kühlfluids von Kühlkanälen in eine Kühlfluid-Rückleitung
• Durchleiten eines Permeationsfluids durch eine Permeationsfluid-Zuleitung in eine poröse Außenhaut, die den Austrittsbereich des Lanzenkopfes zumindest teilweise umgibt,

sodass das Permeationsfluid dem Lanzenkopf im Austrittsbereich entströmt.

[0020] Das beschriebene Verfahren weist die gleichen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik auf, die bereits zu dem Lanzenkopf nach Patentanspruch 1 beschrieben sind. Diese sind insbesondere das Entströmen des Permeationsfluids durch den Austrittsbereiche des Lanzenkopfes, was ein Anhaften von Schmelze bzw. flüssiger Schlacke an der Oberfläche des Lanzenkopfes verhindert. Eine derart poröse Außenhaut ist durch konventionelle Herstellungsverfahren kaum darstellbar, sodass sie insbesondere durch die Herstellung des Lanzenkopfes mittels eines additiven Fertigungsverfahren gewährleistet werden kann.

[0021] Das Permeationsfluid ist dabei insbesondere ein Inertgas, wiederum insbesondere Argon, Stickstoff oder Kohlendioxid bzw. eine Mischung aus diesen Gasen mit Anteilen von Luft. Dieses Fluid kann beispielsweise das entstaubte Rauchgas einer Gichtgasunterfeuerung oder einer Gasturbine sein. Durch den inerten Charakter des Permeationsfluids wird eine Anhaftung der Schlacke und eine Korrosion der Oberfläche des Lanzenkopfes verhindert.

[0022] Das Reaktionsfluid wiederum ist dabei insbesondere Sauerstoff, oder Luft. Dabei wird das Reaktionsfluid mit einem relativ hohen Druck von beispielsweise 10 bar oder größer durch die Reaktionsfluid-Zuleitung gepresst und auf das zu reagierende Medium gerichtet. Das Kühlfluid ist dabei im einfachsten Fall Wasser bzw. Wasser mit entsprechenden Beimischungen wie beispielsweise Öle oder Antioxidationsmittel oder Kühlwasserkonditionierungsmittel zur Beeinflussung des pH-Werts. Auch das Kühlfluid wird in großen Mengen durch die Injektor-Lanze gepresst, sodass eine kontinuierliche Kühlung des Lanzenkopfes gewährleistet ist.

[0023] Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist ein Computerprogramm umfassend einen digitalen Zwilling zur digitalen Abbildung eines Lanzenkopfes nach einem der Ansprüche 1-9 und zur Durchführung eines additiven Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Lanzenkopfes. Wie bereits dargelegt ist die Herstellung des Lanzenkopfes durch das additive Herstellungsverfahren komplex, jedoch mittels eines CAD-Programm bzw. eines CAM-Programmes sehr genau darstellbar und durchführbar. So kann die poröse Außenhaut je nach Strömungsbedarf exakt den strömungsmechanischen Ansprüchen entsprechend hergestellt werden, sodass die Auslassöffnungen im porösen Bereich länger oder weiter sind und auch die gewünschten Strömungseigenschaften aufweisen. Die gewünschten Strömungseigenschaft sind die, die gegebenenfalls bereits vorab mittels eines Simulationsprogramms simuliert wurden. Diese komplexe Abbildung der porösen Außenhaut kann beispielsweise mittels eines Multi-Physik-Simulationsprogramms auf Basis einer dreidimensionalen CAD-Datei simuliert werden und das Simulationsergebnis kann Teil eines digitalen Zwillings sein, der wiederum Teil des beanspruchten Computerprogrammes ist. Mittels dieses Computerprogrammes kann der beschriebene Lanzenkopf mittels herkömmlicher additiver Herstellungsvorrichtungen, beispielsweise einer Laserschmelzvorrichtung, hergestellt werden.

[0024] Weitere Ausgestaltungsformen und weitere Merkmale der Erfindung werden anhand der folgenden Figuren näher erläutert. Dabei handelt es sich um rein schematische Ausgestaltungsformen, die keine Einschränkung des Schutzbereiches darstellen. Bezugszeichen mit derselben Bezeichnung, jedoch in unterschiedlicher Ausgestaltungsform werden dabei mit derselben Nummerierung versehen.

[0025] Dabei zeigen:

Fig. 1

einen Querschnitt durch einen herkömmlichen Konverter zur Stahlherstellung mit einer Sauerstofflanze,

Fig. 2

einen Längsschnitt durch einen Lanzenkopf mit Kühlung und Austrittsöffnung nach dem Stand der Technik,

Fig. 3

eine schematische Querschnittsdarstellung der einzelnen Zuführ- und Rückführleitungen eines Lanzenkopfes nach dem Stand der Technik,

Fig. 4

ein dreidimensional dargestellter Längsausschnitt durch einen Lanzenkopf mit Permeationsfluid-Zuleitung, Verzweigung und poröser Außenhaut,

Fig. 5

einen Querschnitt durch einen Lanzenkopf im Zuleitungsbereich mit nebeneinander angeordneten Zu- und Rückleitungen,

Fig. 6

eine extrahierte Darstellung in dreidimensionaler Ausgestaltung der Permeationsfluid-Zuleitung mit Verzweigungskanälen,

Fig. 7

eine schematische Darstellung eines Laserschmelzverfahrens zur Herstellung eines Lanzenkopfes.

[0026] In Fig. 1 ist zur besseren Einordnung der Wirkungsweise einer Injektor-Lanze 4 mit Lanzenkopf 2 diese in einem Konverter 42 nach dem Blasverfahrens zur Stahlherstellung dargestellt. Dieser Konverter 42 umfasst flüssige Metall 44 sowie eine darauf schwimmende Schlacke 46. Auf diese Schlacke 46 und das darunter befindliche flüssige Metall 44 wird Sauerstoff 48 gedüst, wobei der Sauerstoff 48 in diesem Fall das Reaktionsfluid darstellt. Der Sauerstoff 48 wird dabei mit hohem Druck, bevorzugt höher als 10 bar durch die Injektor-Lanze 4, sowie durch den Lanzenkopf 2 auf die Schlacke 46 gedüst. Dies führt dazu, dass Anteile der flüssigen Schlacke aufgewirbelt werden und sich auf der Oberfläche des Lanzenkopfes 2 ansetzten, weshalb dieser nach einer gewissen Zeit ausgetauscht werden muss.

[0027] In Fig. 2 und Fig. 3 ist jeweils nach dem Stand der Technik ein Schnitt durch einen Lanzenkopf 2' dargestellt. Dabei werden im Folgenden alle Merkmale, die zum Stand der Technik gehören, in den Fig. 2 und 3 mit dem' versehen. Der Lanzenkopf 2' weist einen Zuleitungsbereich 6' sowie einen Austrittsbereich 8' auf. In Fig. 2 ist ein Längsschnitt durch den Lanzenkopf 2' dargestellt. Ferner weist der Lanzenkopf 2' im Austrittsbereich 8' Reaktionsfluid-Austrittsdüsen 16' sowie Kühlkanäle 18' auf, die eine Kühlfläche 22' kühlen. Die Kühlfläche 22' nach dem Stand der Technik ist auch die Fläche des Lanzenkopfes 2, die der Schlacke 46 zugewandt ist und am stärksten durch extreme Wärmeeinwirkung und verwirbelte Schlacke belastet ist. Daher ist es möglich, dass gemäß des Standes der Technik die Kühlkanäle 18' sehr nah an diesen Austrittsbereich 8' und die Kühlfläche 22' herankommen.

[0028] Wie im oberen Bereich der Fig. 2 als Zuleitungsbereich 6' zu erkennen ist, weist der Lanzenkopf 2' eine Reaktionsfluid-Zuleitung 10', also die Zuleitung von Sauerstoff 48, sowie eine Kühlfluid-Zuleitung 12' und eine Kühlfluid-Rückleitung 14' auf. In Fig. 3 ist ein Querschnitt durch den Zuleitungsbereich 6' dargestellt, wobei zu erkennen ist, dass die Reaktionsfluid-Zuleitung 10' sowie die Kühlfluid-Zuleitung 12' und die Kühlfluid-Rückleitung 14' konzentrisch ineinander angeordnet sind, was bei herkömmlichen Herstellungsverfahren des Lanzenkopfes wie Drehen, Fräsen oder Gießen für eine technisch gut durchführbare Ausgestaltung nötig ist. Diese konzentrische Anordnung der einzelnen Leitungen führt jedoch dazu, dass eine weitere Leitung, wie sie in den folgenden Figuren beschrieben wird, technisch kaum oder nur mit höchstem Aufwand einzubeziehen ist. Aus diesem Grund ist gemäß des Standes der Technik, wie er in Fig. 2 und Fig. 3 dargestellt ist, die nun beschriebene Anordnung gemäß Fig. 4 nicht abbildbar.

[0029] Fig. 4 zeigt im Gegensatz zu Fig. 2 einen dreidimensionalen Längsschnitt durch einen Lanzenkopf 2, der sich von dem Stand der Technik insbesondere darin unterscheidet, dass eine zusätzliche Permeationsfluid-Zuleitung 20 vorgesehen ist. Diese Zuleitung 20 umfasst Verteilungskanäle 26, die insbesondere im Austrittsbereich 8 des Lanzenkopfes 2 verlaufen. Die Verteilungskanäle 26 verlaufen zudem rückseitig einer porösen Außenhaut 24, wobei ein Permeationsfluid 40 in Verteilkanäle 26 rückseitig der porösen Außenhaut 24 verteilt wird, und von dort durch die poröse Außenhaut hindruchtritt. Das System der Verteilungskanäle 26 verteilt das Permeationsfluid gleichmäßig nach innen, also von der der Schlacke abgewendeten Seite auf die poröse Außenhaut des Lanzenkopfes 2, wobei auf die Erfordernisse der Strömungsverteilung gezielt eingegangen werden kann. Diese Erfordernisse können beispielsweise durch strömungsmechanische Simulation ermittelt werden. Ferner sind an Enden der Verteilungskanäle 26 ggf. Ableitungsöffnungen zu Drucksensoren 28 vorgesehen, durch die die Fluid-Bedingungen ermittelt werden können und die Strömung beeinflusst werden kann.

[0030] Das System der Verteilungskanäle 26, das für sich genommen extrahiert in Fig. 6 dargestellt ist, kann durch Stützstreben 30 zwischen einer Kühlfläche 22 und der porösen Außenhaut 24 gestützt sein.

[0031] Die Kühlfläche 22 entspricht in etwa der Außenfläche eines herkömmlichen Lanzenkopfes nach dem Stand der Technik. Hinter der Kühlfläche 22 sind Kühlkanäle 18 angeordnet, die mit einem Kühlfluid 39 durchströmt sind. Das Kühlfluid 38 ist in der Regel Wasser bzw. eine wasserhaltige Mischung, in dem möglicherweise Antioxydationsmittel oder Öle oder Kühlwasserkonditionierungsmittel zur Beeinflussung des pH-Werts eingemischt sein können. Grundsätzlich können als Kühlfluid 38 auch andere Medien, insbesondere flüssige Medien eingesetzt werden, was jedoch bei dem hohen Bedarf an Masse von Kühlfluid 38 aus wirtschaftlichen Gründen weniger der Fall sein wird. Die Kühlkanäle 18 werden durch eine Kühlfluid-Zuleitung 12 mit dem Kühlfluid 38 versorgt, wobei die Kühlkanäle 18 wiederum in eine Kühlfluid-Rückleitung münden, die das Kühlfluid 38 durch die Injektionslanze 4 zurück in ein hier nicht dargestelltes Auffangbecken befördern.

[0032] Durch das Kühlfluid 38 wird der Lanzenkopf 2 grundsätzlich auf eine Temperatur gehalten, die einen sicheren Betrieb des Lanzenkopfes 2 in der extrem heißen Umgebung eines Konverters42 gewährleistet. Die poröse Außenhaut 24, die auf der eigentlichen gekühlten Fläche, also der Kühlfläche 22 des Lanzenkopfes 2, aufgesetzt ist und diese gegenüber der Schlacke 46 und dem flüssigen Metall 44 abdeckt, dient nicht nur zur weiteren Kühlung, sondern vor allem dazu, kontinuierlich eine Fluidschicht um den Lanzenkopf 2 herum zu erzeugen, die ein Anhaften auf der Oberfläche der porösen Außenhaut 24 verhindert. Somit kann flüssige, aufspritzende Schlacke 46 kaum an die poröse Außenhaut 24 gelangen, da sie von dem kontinuierlich fließenden Fluidfilm abgehalten wird. Als Fluid wird dabei bevorzugt ein Inertgas wie Argon, Stickstoff und Kohlenstoffdioxid oder Mischungen daraus mit Anteilen von Luft verwendet.

[0033] Der eigentliche technische Grund für die Verwendung der Injektionslanze 4 besteht darin, ein Reaktionsfluid, in der Regel reiner Sauerstoff 48 durch die Lanze 4 möglichst nahe an das zu reagierende Material, also an das unter der schwimmenden flüssigen Schlacke 46 befindliche flüssige Metall 44 zu pressen und in diesem Oxidationsvorgänge hervorzurufen. Hierzu sind im Austrittsbereich 8 Reaktionsfluid-Austrittsdüsen 16 vorgesehen, die beispielsweise in Form von Laval-Düsen ausgestaltet sind, die ähnlich wie bei Raketendüsen eine Beschleunigung des Reaktionsfluids im Austrittsbereich 8 bewirken. Diese Reaktionsfluid-Austrittsdüsen werden durch eine Reaktionsfluid-Zuleitung 10 mit dem Reaktionsfluid, also dem Sauerstoff 48, versorgt.

[0034] Charakteristisch für den Lanzenkopf 2 gemäß Fig. 4 und 5 gegenüber dem Stand der Technik ist auch, dass in einem Zuleitungsbereich 6 die Reaktionsfluid-Zuleitung 10, die Kühlfluid-Zuleitung 12 sowie die Permeationsfluid-Zuleitung 20 nebeneinander nicht zwingend aber abschnittsweise auch durchaus parallel verlaufen und nicht konzentrisch zueinander angeordnet sind. Ferner verlaufen die drei genannten Zuleitungen innerhalb einer Kühlfluid-Rückleitung 14. In Fig. 5 sind auch gestrichelt die Verteilungskanäle 26 dargestellt, die nicht genau in der Schnittebene nach Fig. 5 liegen, sondern in einer Ebene darunter, in der die Permeationsfluid-Zuleitung 20 im Austrittsbereich 8 in die poröse Außenhaut mündet. Diese Permeationsfluid-Zuleitung 20 mit den Verteilungskanälen 26 ist in Fig. 6 vereinzelt dargestellt, wobei der komplexe Aufbau dieser Permeationsfluid-Zuleitung 20 veranschaulicht ist, der grundsätzlich mit herkömmlichen Herstellungsverfahren kaum darstellbar ist. Diese komplexe Struktur ist allerdings für eine optimale Strömungsmechanik des Permeationsfluids 40 durchaus zweckmäßig. Ebenso sind die nebeneinander verlaufenden Zuleitungen 10, 12 u. 20 in der Kühlfluid-Rückleitung 14, wodurch die Anschlüsse der einzelnen Zu- und Rückleitungen am Eintrittsbereich der Injektionslanze 4 hier nicht dargestellt erleichtert wird, wirtschaftlich nur durch ein additives Herstellungsverfahren darstellbar. Diese Nebeneinanderdarstellung der Zuleitungen 10, 12, 20 sowie die komplexe Verästelung der Verzweigungskanäle 26 und eine strömungstechnisch optimierte Ausgestaltung der porösen Außenhaut 24 sind drei technische Merkmale, die die beschriebenen vorteilhaften Wirkungen im Einsatz der Injektionslanze 4 bzw. des Lanzenkopfes 2 haben, die jedoch durch herkömmliche Verfahren kaum darstellbar sind. Aus diesem Grund wird der beschriebene Lanzenkopf 2 mittels eines additiven Herstellungsverfahrens, insbesondere eines Laserschmelzverfahrens, wie es in Fig. 7 dargestellt ist, gefertigt.

[0035] In Fig. 7 ist schematisch ein Laserschmelzverfahren zur Herstellung eines additiven Bauteils dargestellt. Es umfasst 50 einen Laser 52 sowie eine Umlenkoptik 54, die den Laserstrahl 53 auf ein Pulverbett 56 lenkt. Die Bewegung des Laserstrahls 53, die insbesondere durch die Umlenkoptik 54 induziert wird, wird entsprechend eines Computerprogrammes gesteuert, sodass der Laserstrahl 53 das Pulver im Pulverbett 56 so aufschmilzt, dass genau die Konturen entstehen, die für die komplexe Darstellung der Geometrie des Lanzenkopfes 2 nötig sind. Ferner ist dabei eine Rakel 60 vorgesehen, die das Pulver Schicht für Schicht erneut beispielsweise aus einem Pulvervorrat 58 in die Reaktionszone schiebt, wobei ein Hubmechanismus 62 vorgesehen ist, der den entstehenden Lanzenkopf 2 Stück für Stück absenkt, so dass durch das Aufschmelzen des Pulvers mittels des Laserstrahls 53 eine Neuschicht entsteht.

[0036] Hierbei handelt es sich um ein übliches Laserschmelzverfahren, das mittels eines Computerprogrammes gesteuert wird. Dieses Computerprogramm enthält Prozessdaten zur Fertigung des Lanzenkopfes 2, also CAM-Daten sowie Konstruktionsdaten CAD-Daten, die die komplexe Struktur des Lanzenkopfs 2 beinhalten. Die Struktur des Lanzenkopfes 2 sowie die Herstellungsparameter sind somit als digitaler Zwilling innerhalb eines Computerprogrammes enthalten, die dafür sorgen, die gewünschten Geometrien vorab zu simulieren, zu konstruieren und entsprechend in ein physisches Produkt umzusetzen.

[0037] Ferner kann zusätzlich in den Lanzenkopf nachträglich nach dessen Herstellung entsprechende Messtechnik eingebracht werden. Der Anschluss von Drucksensoren an Ableitungsöffnungen 28 ist bereits erwähnt, zusätzlich können an dem Lanzenkopf zur Beurteilung des jeweilig vorherrschenden Prozesses optische Kameras, Temperaturmessgeräte und Reaktionsmesssonden angebracht sein, um beispielsweise die Strömung des Permeationsfluids zu kontrollieren. Ferner ist es zweckmäßig, wenn die Oberfläche der Lanze 4 oder der porösen Außenhaut 24 mit Zink beschichtet ist, was einen zusätzlichen Schutz vor Anhaften von Schlacke an der Oberfläche der Lanze 4 oder dieser Außenhaut 24 herbeiführt.

[0038] Ein wesentlicher Vorteil des beschriebenen Lanzenkopfes 2 besteht darin, dass der Verschleiß des Lanzenkopfes 2 gegenüber herkömmlichen Lanzenköpfen nach dem Stand der Technik deutlich geringer ist, sodass eine höhere Standzeit bewirkt wird. Das wiederum führt zu geringeren Standzeiten des Prozesses wie sie durch den Austausch des Lanzenkopfes 2 bei üblichen Prozessen auftreten. Gerade die Rüstzeit bei großindustriellen Prozessen verursachen gegenüber den einzelnen Produktkosten für den Lanzenkopf einen sehr hohen Produktionsausfall durch Stillstandszeiten, der durch den beschriebenen Lanzenkopf 2 deutlich reduziert werden kann.

Bezugszeichenliste

[0039] 

2

Lanzenkopf

4

Injektionslanze

6

Zuleitungsbereich

8

Austrittsbereich

10

Reaktionsfluid-Zuleitung

12

Kühlfluid-Zuleitung

14

Kühlfluid-Rückleitung

16

Reaktionsfluid-Austrittsdüsen

18

Kühlkanäle

20

Permeationsfluid-Zuleitung

22

Kühlfläche

24

poröse Außenhaut

26

Verteilungskanäle

28

Drucksensoren

30

Stützstreben

32

Zwischenraum

34

Reaktionsfluid

36

zu reagierendes Material

38

Kühlfluid

40

Permeationsfluid

42

Hochofen

44

flüssiges Metall

46

Schlacke

48

Sauerstoff

50

Laserschmelzverfahren

52

Laser

53

Laserstrahl

54

Umlenkoptik

56

Pulverbette

58

Pulvervorrat

60

Rakel

62

Hubmechanismus

Ansprüche

1. Lanzenkopf für eine Injektorlanze (4), der einen Zuleitungsbereich (6) und einen Austrittsbereich (8) aufweist, wobei der Zuleitungsbereich (6) eine Reaktionsfluid-Zuleitung (10), eine Kühlfluid-Zuleitung (12) und eine Kühlfluid-Rückleitung (14) umfasst, wobei im Austrittsbereich (8) Reaktionsfluid-Austrittsdüsen (16) sowie Kühlkanäle (18) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass

- im Zuleitungsbereich (6) ferner mindestens eine Permeationsfluid-Zuleitung (20) vorgesehen ist und

- dass der Austrittsbereich (8) eine Kühlfläche (22) aufweist, die zumindest teilweise von einer porösen Außenhaut (24) umgeben ist, in die die Permeationsfluid-Zuleitung (20) mündet und

- dass der Lanzenkopf (2) durch ein additives Herstellungsverfahren hergestellt ist.

2. Lanzenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeationsfluid-Zuleitung (20) und die Reaktionsfluid-Zuleitung (10) innerhalb der Kühlfluid-Zuleitung (12) oder der Kühlfluid-Rückleitung (14) zumindest teilweise nebeneinander verlaufen.

3. Lanzenkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluid-Zuleitung (12) innerhalb der Kühlfluid-Rückleitung (14) neben der Permeationsfluid-Zuleitung (20) und der Reaktionsfluid-Zuleitung (10) zumindest teilweise nebeneinander verlaufen.

4. Lanzenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlfluid-Zuleitung (12) in die Kühlkanäle (18) mündet und die Kühlkanäle (18) in die Kühlfluid-Rückleitung (14) münden.

5. Lanzenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permeationsfluid-Zuleitung (20) sich in mehrere Verteilungskanäle (26) verzweigt, die unter die poröse Außenhaut (24) münden.

6. Lanzenkopf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass an den Verzweigungskanälen (26) Ableitöffnungen zu Drucksensoren (28) angeordnet sind.

7. Lanzenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Kühlfläche (22) und der porösen Außenhaut (24) ein mit Stützstreben (30) durchzogener Zwischenraum (32) vorgesehen ist.

8. Lanzenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenhaut (24) oder die Lanze (4) eine Zinkbeschichtung aufweist.

9. Lanzenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Grundmaterial des Lanzenkopfes (2) Stahl, Kupfer, Wolfram, Molybdän, Niob oder eine Nickelbasis-Legierung ist.

10. Verfahren zum Betreiben eines mittels eines additiven Verfahrens hergestellten Lanzenkopfes (2) einer Injektionslanze (4), umfassend folgende Schritte,

- Durchleiten eines Reaktionsfluids (34) durch eine Reaktionsfluid-Zuleitung (10) des Lanzenkopfes (2) in Reaktionsfluid-Austrittsdüsen (16) auf ein zu reagierendes Material (36),

- Durchleiten eines Kühlfluids (38) durch eine Kühlfluid-Zuleitung (12) in Kühlkanäle (18) an einem dem zu reagierenden Material (36) zugewandten Austrittsbereich (8) des Lanzenkopfes (2),

- Rückleitung des Kühlfluids (38) von den Kühlkanälen (18) in eine Kühlfluid-Rückleitung (14),

- Durchleiten eines Permeationsfluid (40) durch eine Permeationsfluid-Zuleitung (20) und Verteilungskanäle (26) unter eine poröse Außenhaut (24), die den Austrittsbereich (8) des Lanzenkopfes (2) zumindest teilweise umgibt,

- sodass das Permeationsfluid (40) dem Lanzenkopf (2) im Austrittsbereich (8) entströmt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Permeationsfluid (40) ein Inertgas ist.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Permeationsfluid (40) Argon, Stickstoff, Kohlendioxid oder eine Mischung daraus mit Anteilen von Luft umfasst.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Reaktionsfluid (34) Sauerstoff oder Luft ist.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid (38) Wasser ist.

15. Computerprogramm umfassend einen digitalen Zwilling zur digitalen Abbildung eines Lanzenkopfes (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und zur Durchführung eines additiven Herstellungsverfahrens zur Herstellung des Lanzenkopfes (2).

Zeichnung