[0001] Die Erfindung betrifft eine Heißwindlanze für den Einsatz in metallurgischen Prozessen,
wie bpsw. der Stahlherstellung, mit welcher Heißwind oberhalb eines Schmelzbades eines
Stahlkonverters einblasbar ist, welche aus einem äußeren Mantel, sowie mindestens
einem inneren Mantel besteht, und zwischen dem äußeren und einem inneren Mantel zumindest
ein mit Kühlmittel durchflossener Zwischenraum oder Kühlkanal angeordnet ist, gemäß
Oberbegriff des Patentanspruches 1.
[0002] Bei der Stahlherstellung in Reaktionsgefäßen, wie bspw. in Konvertern wird sowohl
Roheisen als auch Schrott als Einsatzmaterial verwendet. Zusätzlich kann aber auch
im sogenannten Direktreduktionsverfahren hergestellter Eisenschwamm in Form von DRI
(Direct Reduced Iron) oder HBI (Hot Briquetted Iron) eingesetzt werden. Ein Beispiel
hierfür ist aus der
EP 1 920 075 B1 bekannt. Aus der
WO 03/006693 A1 ist eine Gas-Injektionslanze bekannt, welche in einem Innenmantel und einen Außenmantel
gekühlt wird. Die Gasinjektionslanze ist damit als solche zwar gut geschützt, aber
es wird bei der Nutzung von Heißwind relativ viel Wärmeenergie auch aus dem Heißwind
entzogen, was für die Gesamtenergiebilanz dann schlecht ist, wenn man mit hoher Schrottrate
fahren will.
Ein weiteres Verfahren ist aus der
DE 43 43 957 A1 bekannt, bei welchem in der Betriebsphase des Konverters Brennstoffe, Sauerstoff
enthaltende Gase und Eisenrohstoffe, auch Schrott eingeführt werden, und die Reaktionsgase
oberhalb der Schmelze im Gasraum des Konverters mit oxidierenden Gasen nachverbrannt
werden. Die dabei entstehende Wärme wird auf die Schmelze übertragen. Zusätzlich wird
über Bodendüsen Sauerstoff und/oder Brennstoffe zugeführt.
[0003] Soweit ist die Kombination der bodenseitigen Einblasung mit Sauerstoff sowie die
Aufblasung von Heißwind auf die Schmelze als solche bekannt.
[0004] Unter Heißwind wird ein auf 1.200 °C (500 - 1.400 °C) aufgeheiztes sauerstoffhaltiges
Gas verstanden. Das Gas ist typischerweise aus den Hauptkomponenten Sauerstoff, Stickstoff
und Argon zusammengesetzt. Der Sauerstoffgehalt liegt im Bereich von normaler Luft
(21%) und kann durch Anreicherung mit Sauerstoff aber Gehalte bis zu 35% oder sogar
50% aufweisen. Grundsätzlich könnte als Heißwind auch ein Synthesegas verstanden werden,
das bspw. aus den Abgasen einer Verbrennungsreaktion eines Brennstoffs wie zum Beispiel
Hochofengas, Koksgas, Konvertergas oder Erdgas oder eines anderen gasförmigen oder
flüssigen Kohlenwasserstoffs mit Luft gewonnen wird. Der 02-Gehalt des Synthesegases
lässt sich durch die Luftzahl der Verbrennung und eine ggfs. gleichzeitige Anreicherung
der Verbrennungsluft mit Sauerstoff und/oder der Vermischung der Verbrennungsabgase
mit reinem Sauerstoff einstellen.
[0005] Im Unterschied zu normalem Heißwind weist der hierbei erzeugte Heißwind Gehalte an
CO2 und Wasser als Produkte der Verbrennung auf.
[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde eine Heißwindlanze dahingend weiterzuentwickeln,
dass Heißwind besonders effektiv, also unter möglichst geringen Temperaturverlusten
in ein Reaktionsgefäß, bspw einen Stahlkonverter eingebracht werden kann, und die
Lanze besser an diese Einsatzumgebung angepasst ist.
[0007] Die gestellte Aufgabe wird bei einer Heißwindlanze der gattungsgemäßen Art durch
die kennzeichnenden Merkmal des Patentanspruches 1 gelöst.
[0008] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12 angegeben.
[0009] Eine entsprechende Verwendung einer solchen Lanze ist in Anspruch 13 angegeben.
[0010] Kern der Erfindung ist, dass der innere Mantel oder der innerste Mantel zumindest
teilweise aus einem thermisch isolierenden weiteren Mantel, oder einem thermisch isolierenden
Mantel besteht, oder mit einer thermisch isoliernden Schicht beschichtet ist. Damit
wird die Heißwindlanze erheblich robuster und kann in Verfahren eingesetzt werden,
bei denen die Reaktionsabläufe bspw beim Stahlerzeugungsprozess im Konverter ganz
wesentlich durch die Anwendung von Heißwind beinflusst und optimiert werden. Durch
die damit bewirkte Nachverbrennung und die Übertragung der hierbei freigesetzten Wärme
auf das Schmelzbad wird die einsetzbare Schrottrate deutlich höher.
[0011] Die Heißluftnachverbrennung bedarf einer speziellen Vorrichtung zur Weiterleitung
des Heißwinds aus der Heißwindquelle und zur Einleitung des Heißwinds in das Reaktionsgefäß,
über eine entsprechende, hier erfindungsgemäß ausgestaltete Heißwindlanze.
[0012] Als Reaktionsgefäß kann ein Konverter verwendet werden, wie er aus der Stahlherstellung
bekannt ist. Grundsätzlich lässt sich eine Nachverbrennung mit Heißwind auch in jedem
anderen in der Metallurgie üblichen Reaktionsgefäß betreiben, wobei es unerheblich
ist, ob die Wände des Gefäßes ganz, teilweise oder gar nicht mit Kühlwasser gekühlt
werden.
[0013] Im Inneren eines metallurgischen Reaktionsgefäßes herrschen typischerweise Temperaturen
von über 1.000 °C vor, wobei in der Gasphase auch Temperaturen von bis zu 2.000 °C
erreicht werden können. Für einen dauerhaften Betrieb einer Einblaslanze im Bereich
eines Reaktionsgefäßes, bspw. für metallurgische Reaktionen, oberhalb der flüssigen
Badoberfläche ist es unabdingbar, die Einblaslanze, in diesem Fall also die Heißwindlanze
intensiv mit Wasser zu kühlen. Die Wasserkühlung schützt die Heißwindlanze vor den
im Oberraum des Reaktionsgefäßes vorherrschenden hohen Gastemperaturen. Die hohen
Gastemperaturen gehen zu einem erheblichen Teil auf die im Reaktionsgefäß (bspw in
einem Stahlkonverter) ablaufenden und ggfs. die Einblaslanze unterhaltenen idR exothermen
Reaktionen zurück. Als solches sind wassergekühlte Lanzen an sich bekannt.
[0014] Bei einer Lanze in Rohr-Steg-Rohr Bauweise ist der wassergekühlte Mantel aus nebeneinander
liegenden, Kühlwasser führenden Rohren aufgebaut, die untereinander mit schmalen,
massiven Stegen verbunden sind. In der Regel werden je zwei nebeneinander liegende
Rohre an einem Ende mit einem Krümmer verbunden, wobei die beiden anderen Enden jeweils
mit einem Vorlauf- und einem Rücklaufsammler verbunden sind. Als Sonderfall dieser
Ausführungsform ist eine Rohr-an-Rohr Bauweise eingeführt, bei der die Rohre ohne
Steg direkt miteinander verschweißt werden.
[0015] Bei einer Ausführung der Lanze in Rohr-in Rohr Bauweise, werden drei Rohre mit immer
geringer werdendem Durchmesser konzentrisch zueinander angeordnet. Hierdurch entsteht
zwischen dem äußeren und den mittleren Rohr, sowie zwischen dem mittleren und dem
inneren Rohr jeweils ein konzentrischer Zwischenraum. Verbindet man am einen Ende
der Lanze das äußere mit dem inneren Rohr und verkürzt das mittlere Rohr, so entsteht
eine Geometrie, bei der die beiden Zwischenräume als Vor- und Rücklauf für das Lanzenkühlwasser
benutzt werden können. Um auch bei großer Lanzenlänge eine konzentrische Positionierung
der drei ineinander verlaufenden Rohre zu gewährleisten, werden zwischen den Rohren
Abstandshalter eingebracht. Oft sind diese Abstandhalter als in Längsrichtung auf
dem jeweils dünneren Rohr aufgeschweißte schmale Stege ausgeführt.
[0016] Wesentliches Auslegungsmerkmal einer effizienten Wasserkühlung ist ein möglichst
hoher Wärmeübertritt von der heißen Umgebungsatmosphäre im Reaktionsgefäß in das Kühlwasser
hinein. Nur so ist ein gleichbleibend ausreichend niedriges Temperaturniveau an der
Materialoberfläche des wassergekühlten Bauteils sicher gestellt. Zur Gewährleistung
dieser Eigenschaften werden Wasserkühlungen so ausgelegt, dass sie vom Kühlwasser
mit einer Fließgeschwindigkeit von 2m/s (1 bis 3 m/s) durchströmt werden.
[0017] Bei der hier vorliegenden technischen Aufgabe der Weiter- und Einleitung von Heißwind
in ein Reaktionsgefäß findet in Bezug auf Schutz eines Wärmezutritts die beschriebene
wassergekühlte Vorrichtung Anwendung.
[0018] Eine Besonderheit liegt nun darin, dass es sich bei Heißwind nicht um ein kaltes
sondern ein typischerweise 1200 °C heißes Medium handelt. Weiterhin handelt es sich
bei dem mit Heißwind betriebenen Prozess nicht immer um einen kontinuierlich ablaufenden
Prozess, sondern insbesondere beim Konverterverfahren um einen Chargenprozess. Entsprechend
werden die hierfür vorgesehenen Anlagenteile immer phasenweise mit Heißwind beaufschlagt,
wodurch die Anlagenteile in den Prozesspausen regelmäßig auskühlen. Es ergibt sich
ein ungleichmäßiges Lastprofil, welches zu einer erheblichen Temperaturwechselbeanspruchung
(TWB) der beaufschlagten Anlagenteile führt. Hieraus ergibt sich auf der medienzugewandten
Seite der Heißwindlanze ein besonderes Anforderungsprofil. Dies ist mit der vorliegenden
Erfindung berücksichtigt.
[0019] Die Werkstoffoberfläche des von Heißwind durchströmten innersten der drei Rohre ist
hoher thermischer, oxidativer sowie abrasiver Belastung ausgesetzt. Zum Schutz der
dem Heißwind zugewandten Seite kann diese durch eine geeignete Beschichtung gegen
die genannten Belastungen geschützt werden. Im Hinblick auf die erhebliche thermische
Belastung wird man im Allgemeinen nur mit dünnen (< 10 µm) Schichten arbeiten können,
da dickere Schichten aufgrund der im Vergleich zum Grundmaterial unterschiedlichen
thermischen Ausdehnung zur Versprödung und Abplatzung neigen. Als Schichtsysteme kommen
keramische Schichten, Überfangsschichten oder Auftragsschichten in Betracht, die sich
mit den gängigen Auftragsverfahren, chemische Abscheidung aus der Gas- oder Dampfphase,
thermisches Spritzen, Auftragsschweißen oder Auftrag von SolGel Systemen applizieren
lassen, wobei die Schichten ggfs. noch durch einen thermischen Schritt (durch Aushärten,
Eindiffundieren, Vernetzen, etc.) in ihrer Funktionsfähigkeit verbessert werden können.
[0020] Es hat sich gezeigt, dass sich durch den wassergekühlten Aufbau der Lanze ausreichend
hohe Standzeiten beim Betrieb in Hochtemperatur Reaktionsgefäßen erreichen lassen.
Überraschenderweise hat sich aber auch gezeigt, dass durch die Wasserkühlung auch
ein erheblicher Wärmaustrag aus dem Heißwindstrom in die wassergekühlte Wand der Heißwindlanze
erfolgt. Dieser Effekt wird insbesondere dadurch verstärkt, dass im Hinblick auf noch
baulich handhabbare äußere Abmessungen die Lanze so ausgelegt werden muss, dass der
Heißwind notgedrungen mit Geschwindigkeiten von 100 bis 300 m/s, vorzugsweise 150
m/s durch die Lanze strömt. Mit steigender Geschwindigkeit erhöht sich aber auch der
Wärmeaustrag aus dem Heißwindstrom in dem Heißwindstrom zugewandte Wandung des innersten
Lanzenrohrs.
[0021] Dem wird entgegengewirkt durch die erfindungsgemäße Bauform.
[0022] Die weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen stützen daher die obigen Ausführungen
in erfindungsgemäßer Weise.
[0023] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass der innere Mantel oder
der innerste Mantel zumindest auf der Innenseite mit einer Schutzschicht bzw Beschichtung
versehen ist.
[0024] Zumindest auf der Innenseite des inneren Mantels weist die Lanze vorteilhaft noch
eine gute Beständigkeit gegen Abrasion sowie auch gegen Korrosion auf. Dies ist insofern
von Bedeutung, als die Strömungsgeschwindigkeit von Heißluft wegen der geringeren
Dichte der Heißluft gegenüber Luft unter Normalbedingungen deutlich größer ist. Die
mechanische Belastung des Innenmantels der Lanze aufgrund der Strömung der Heißluft
ist dadurch größer als dies bei einer Sauerstofflanze der Fall ist, bei der der Sauerstoff
im Wesentlichen in kaltem Zustand und in der Regel unter hohem Druck durch die Lanze
gefördert wird.
[0025] Durch die thermisch isolierende Wirkung des Materials lässt sich vorteilhaft umsetzen,
dass der äußere Mantel gegenüber den hohen Umgebungstemperaturen im Konverterbetrieb
gekühlt wird. Dennoch lässt sich damit erreichen, dass die Heißluft, die durch den
inneren Mantel strömt, allenfalls in geringem Maße gekühlt wird.
[0026] Dies hat sich als wichtig erwiesen, um die Heißluft mit einer möglichst hohen Temperatur
in den Konverter einbringen zu können.
[0027] Bei dieser Ausgestaltung erweist es sich weiterhin als vorteilhaft, dass der von
Wasser durchströmte Kühlkanal durch zwei Wände von dem Innenrohr der Lanze getrennt
ist, durch das die Heißluft strömt. Durch die strömende Heißluft wird das Innenrohr
mechanisch, thermisch und chemisch vergleichsweise stark beansprucht. Dies kann dazu
führen, dass eventuell Risse im Mantel des Innenrohres auftreten. Durch die beschriebene
Ausführungsform mit dem Zwischenmantel wird dann vorteilhaft erreicht, dass bei einer
Beschädigung des Innenrohres durch die strömende Heißluft nicht sofort Kühlflüssigkeit
in das Innere der Lanze gelangen kann und von dort mit der strömenden Heißluft in
den Konverter gefördert wird. Bei der beschriebenen Ausgestaltung gelangt dann lediglich
Heißluft in den Bereich zwischen dem inneren Mantel und dem Zwischenmantel. Da die
Heißluft dort nicht weiter strömen kann mit der vergleichsweise großen Strömungsgeschwindigkeit,
wird der Zwischenmantel dann auch nicht mehr mechanisch belastet.
[0028] Weiterhin ist ausgestaltet, dass der innere Mantel oder der innerste Mantel aus mehreren
Schichten besteht, und dass zumindest die innerste dieser Schichten, nämlich Schicht
aus einem abrasions- und/oder korrosionsbeständigen Werkstoff besteht.
[0029] Weiterhin ist ausgestaltet, dass der innere Mantel oder der innerste Mantel aus einem
keramischen Werkstoff besteht oder mit demselben beschichtet ist.
Keramische Werkstoffe erfüllen auf vorteilhafte Weise die oben ausgeführten Anforderungen.
[0030] Daher ist vorteilhaft vorgesehen, dass das abrasions- und/oder korrosionsbeständige
Material bzw der keramische Werkstoff an der an dem inneren oder innersten Mantel
anhaftenden Seite mit einem temperaturbeständigen Haftvermittler oder Liner versehen
ist.
[0031] Dabei ist der Haftvermittler oder Liner derart elastisch, dass er den Unterschied
des Ausdehnungskoeffizienten des inneren oder innersten Mantels zum abrasions- und/oder
korrosionsbeständigen Material bzw zum keramischen Werkstoff ausgleicht.
[0032] Eine besondere spezifische Ausgestaltung ist, dass das abrasions- und/oder korrosionsbeständige
Material bzw der keramische Werkstoff aus einem Schichtsystem besteht, bei welchem
die zum vom Heißwind beströmten Oberfläche aus einem dichten keramischen Werkstoff
und die vom Heißwind abgewandte Oberfläche aus einem Keramikschaumwerkstoff besteht.
Der Keramikschaumwerkstoff weist dabei eine höhere Elastizität auf, als der massiv
ausgeführte Keramikwerkstoff.
[0033] Dabei erweist es sich als vorteilhaft, dass die Beschichtung vergleichsweise dünn
ist. Damit lässt sich das Gewicht der Lanze in Grenzen halten. Dies erweist sich insofern
als vorteilhaft, weil die Lanze im laufenden Betrieb gegenüber dem Konverter in vertikaler
Richtung bewegt werden muss. Eine geringe Schichtdicke erweist sich auch als vorteilhaft
wegen der thermischen Wechselbeanspruchung der Heißluftlanze im Konverterbetrieb.
Diese Wechselbeanspruchung liegt daran, dass vor dem Abstich des Konverters die Lanze
herausgefahren wird. Damit wird die Förderung von Heißluft durch die Lanze beendet.
Die Lanze kühlt dann ab, bis beim nächsten Konverterbetrieb wieder Heißluft durch
die Lanze gefördert wird. Die Lanze wird dabei wieder entsprechend erwärmt.
[0034] Ein geeignetes Material für eine Beschichtung kann beispielsweise aus Al
2O
3, SiC, SiSiC oder einem Super-Alloy bestehen. Dieses Material kann beispielsweise
aufgebracht werden durch Sputtern, elektrochemische oder elektrolytische Beschichtung,
Flammspritzen, Anstrich vergleichbar einer Farbe oder auch durch Aufbringen einer
Suspension, bei der die Flüssigkeit verdunstet und die Festkörperpartikel flächig
die äußere bzw. innere Oberfläche des inneren Mantels der Lanze bedecken.
[0035] Dabei hat sich gezeigt, dass dieses keramische Material gute thermische Isolationseigenschaften
(d.h. eine geringe Wärmeleitfähigkeit) aufweist. Das Material ist auch ausreichend
mechanisch stabil (insbesondere gegenüber Abrasion) und hat eine ausreichende Schockfestigkeit
gegenüber den auftretenden Temperaturschwankungen.
[0036] Es ist dabei zu beachten, dass der Betrieb intermittierend ist. Das bedeutet, dass
nicht kontinuierlich Heißluft durch den inneren Mantel gefördert wird. Wenn der Konverter
entleert wird und nach dem Entleeren vorbereitet wird, für den nächsten Erschmelzungsprozess,
beispielsweise durch Entfernen von Schlacke aus dem Konverter, Erneuern bzw. Ausbessern
der Feuerfestauskleidung des Stahlkonverters. Es wird während dieser Zeit die Heißwindquelle
in Form eines Pebble Heaters wieder befeuert, um Wärme zu speichern für die Erzeugung
von Heißluft für den nächsten Erschmelzungsprozess. Während dieser Zeit wird keine
Heißluft durch die Lanze gefördert, so dass der innere Mantel der Lanze abkühlt. Mit
Beginn des nächsten Erschmelzungsprozesses wird wiederum Heißluft durch den inneren
Mantel der Lanze gefördert, so dass der innere Mantel dann wieder entsprechend hohen
Temperaturen ausgesetzt ist.
[0037] Zur integrierten Kühlmittelführung ist angegeben, dass zwischen dem inneren Mantel
und dem äußeren Mantel ein wenigstens ein Zwischenmantel oder Zwischenraum angeordnet
ist, und mit Kühlmittel durchflossen ist.
[0038] Es kann aber auch von Vorteil sein, wenn der Raum zwischen dem äußeren Mantel und
dem inneren Mantel evakuiert ist.
[0039] In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist angegeben, dass zwischen dem äußeren
Mantel und dem innersten Mantel ein Temperierungskanal angeordnet ist, welcher im
Blasbetrieb des Heißwindes ebenfalls mit Heißwind durchströmbar ist.
[0040] Dabei kann es möglich sein, dass der innere Mantel auch auf seiner Außenseite durch
die im Temperierungskanal strömende Heißluft auf einer hohen Temperatur gehalten wird.
Die Heißluft, die durch den inneren Mantel durchströmt, wird dabei weitgehend ohne
Abkühlung mit einer hohen Temperatur in den Konverter eingebracht.
[0041] Die Heißluft, die durch den Temperierungskanal strömt, wird bei dieser Ausgestaltung
in gewissem Maße abgekühlt.
[0042] Diese durch den Temperierungskanal geströmte Heißluft kann über diffus verteilende
Auslassdüsen an der Austrittsseite der Lanze in den Raum des Konverters oberhalb des
Stahlbades eingebracht werden. Dabei muss durch die Ausgestaltung der Düsen vermieden
werden, dass diese durch den Temperierungskanal geströmte Heißluft mit der Heißluft
vermischt wird, die durch den inneren Mantel durchgefördert wurde. Ein Mischen dieser
beiden Heißluftanteile würde dann im Ergebnis doch eine Erniedrigung der Heißlufttemperatur
für den Prozess bedeuten.
[0043] Alternativ zur Einbringung der durch den Temperierungskanal geströmten Heißluft in
den Gasraum des Konverters ist es auch möglich, den Temperierungskanal so auszugestalten,
dass die Heißluft in dem Temperierungskanal in einem Kreislauf vom oberen Ende (Eintrittsende
der Heißluft in die Lanze) zum unteren Ende (Lanzenkopf, Austrittsende der Heißluft
aus der Lanze in den Konverter) strömt und von dort in dem Temperierungskanal wieder
zurückgeführt wird, in Richtung des oberen Endes der Lanze. Von dort kann die Heißluft
dann aus der Lanze herausgeführt und an die Umgebung abgegeben werden. Dazu wird diese
aus dem Temperierungskanal ausströmende Heißluft vorteilhaft aus der Halle des Werkes
herausgeführt. In den Konverter wird dann nur die Heißluft eingebracht, die durch
den inneren Mantel der Lanze durchgefördert wurde.
[0044] Gerade bei dieser Ausgestaltung der Lanze wird es vorteilhaft auch möglich, bereits
vor dem eigentlichen Erschmelzungsprozess in dem Konverter einen Aufwärmbetrieb der
Leitungen zu realisieren, durch die die Heißluft beim Erschmelzungsprozess gefördert
werden soll. Wenn der Pebble-Heater bereits aufgeheizt ist, wird dann vor dem eigentlichen
Erschmelzungsprozess bereits Heißluft durch die Zuführleitung der Heißluft aus dem
Pebble-Heater zur Lanze gefördert. Dabei ist vorteilhaft, dass der Bereich durch einen
Schieber absperrbar ist, bei dem im Erschmelzungsprozess die Heißluft durch den inneren
Mantel der Lanze in den Konverter eingebracht wird. In diesem Aufwärmbetrieb wird
die Heißluft dann durch den Temperierungskanal gefördert und anschließend abgeführt.
Dadurch werden vorteilhaft die Leitungen vorgewärmt, durch die im Erschmelzungsprozess
die Heißluft dem Konverter zugeführt wird. Dadurch wird vorteilhaft vermieden, dass
gerade zu Beginn des Erschmelzungsprozesses die Temperatur der Heißluft abgekühlt
wird, weil die Heißluft in dieser Phase zunächst wieder Wärme an die Leitungen abgibt.
[0045] Es ist Teil der Erfindung, wenn der innerste Mantel in der Heißwindlanze schwimmend
gelagert ist. Dies erweist sich als erforderlich, weil dadurch ein Wärmeaustausch
zwischen dem inneren Mantel und dem äußeren Mantel bzw. dem Zwischenmantel durch mechanische
Befestigung und Kontaktierung vermieden wird. Ebenso wird dadurch erreicht, dass die
mechanischen Spannungen innerhalb der Lanze reduziert werden. Durch den intermittierenden
Betrieb, bei dem in Zeitspannen des Konverterbetriebs Heißluft durch die Lanze gefördert
wird und in Phasen der Vorbereitung des nächsten Konverterbetriebs keine Heißluft
durch die Lanze gefördert wird, unterliegt vor allen Dingen der innere Mantel der
Lanze starken Temperaturschwankungen. Durch die Kühlung treten an dem äußeren Mantel
nur vergleichsweise geringe Temperaturschwankungen auf. Im Hinblick auf die mechanischen
Spannungen ist es daher erforderlich, wenn der innere Mantel schwimmend in der Lanze
gelagert ist. Die Längenänderungen infolge der Temperaturänderungen führen dann nur
zu einer geringeren mechanischen Belastung der Lanze, weil durch die schwimmende Lagerung
die Längenänderung des inneren Mantels weitgehend unabhängig von der Längenänderung
des äußeren Mantels erfolgen kann.
[0046] Um die hohen thermischen Längenausdehnungen bei den besagten hohen Temperaturen schadlos
zuzulassen, ist weiter ausgestaltet, dass zumindest der innere oder der innerste Mantel
entlang seiner Längsrichtung aus mehreren Teilstücken oder Muffen besteht, welche
an den Berührungsstellen der einzelnen Teilstücke oder Muffen teilüberlappend ausgestaltet
sind.
[0047] Dabei erweist es sich als vorteilhaft, wenn in Strömungsrichtung der Heißluft das
hintere Ende eines Teilstücks aufgeweitet ist zur Aufnahme des Endes des in Strömungsrichtung
der Heißluft davor liegenden Teilstückes dient.
[0048] Durch diese Art der Verbindung der Teilstücke können die Längenänderungen bei den
Temperaturschwankungen des inneren Mantels besser aufgenommen werden.
[0049] Besonders vorteilhaft ist eine Ausführung, wenn der schwimmend gelagtere innerste
Mantel der Heißwindlanze gegenüber dem wassergekühlten Mantelbereich mit einer Dämmschicht
wie bspw Steinwolle versehen ist.
[0050] Grund dafür ist, dass der Wärmeübertrag durch Temperaturstrahlung aus dem innersten
Mantel in den wassergekühlen Mantel insbesondere im Temperaturbereich oberhalb 800°C
besonders effektiv behindert wird. Noch etwas weiter ausführen. Dem Grunde nach genügt
sogar eine Temperaturabstrahlungsbehinderung in Form einer dünnen Schicht als eine
Art Strahlungschirmung damit die Abfuhr von Energie aus dem Heißwind ins Kühlwasser
starker unterbunden wird.
[0051] Weiterhin ist in vorteilhafter Ausgestaltung vorgesehen, dass die direkt mit dem
Heißwind in strömender Verbindung stehende innerste Oberfläche oder Beschichtungsoberfläche
strömungswiderstands- und/oder haftungsreduziert strukturiert oder mikrostrukturiert
ist.
[0052] Es ist eine Verwendung einer Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 12, zum
Einblasen von Heißwind oberhalb eines Stahbades und/oder eines Schrotthaufens, und/oder
eines Haufwerkes in einem Stahlkonverter, vorgesehen. Die weiter oben beschriebene
thermische Isolierung erweist sich gerade bei einem Prozess als vorteilhaft, bei dem
bei der Erschmelzung Heißluft in den Konverter eingebracht wird. Bei dem verbreiteten
Einbringen von reinem Sauerstoff bei der Erschmelzung von Stahl zum Frischen kommt
es prozessbedingt nicht auf die Temperatur des Sauerstoffs an. Demgegenüber erweist
sich die Anwendung einer der vorgenannten Ausgestaltungen einer Lanze aber gerade
bei dem Einbringen von Heißluft in den Konverter als vorteilhaft.
[0053] Gegebenenfalls kann es bei einer Lanze nach den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
noch sinnvoll sein, die Innenfläche des inneren Mantels mit einem Oberflächenprofil
zu versehen, um damit das Strömungsprofil zu verbessern. Dieses Oberflächenprofil
kann beispielsweise nach Art einer Haifischhaut ausgelegt sein. Dieses Oberflächenprofil
kann durch eine entsprechende Bearbeitung der Oberfläche hergestellt werden oder auch
durch eine entsprechende Beschichtung.
Die Erfindung ist in einem Ausgestaltungsbeispiel dargestellt und nachfolgend kurz
beschrieben
[0054] Figur 1 zeigt eine Heißwindquelle als sogenannten Pebble Heater 30. Der Pebble Heater
ist eine spezielle Art eines Regenerators. Hier wird Kaltwind durch einen zuvor mit
Brennergasfeuerung aufgeheizten Besatz aus Schüttgut geleitet, und als aufgeheizter
Heißwind abgezogen.
[0055] Der Heißwindaustritt des Pebble Heater 30 oder Regenerators mündet in eine hier nicht
weiter dargestellte Heißwindleitung, die mit der Heiwindlanze verbunden ist bzw in
Aufblas-Betriebsposition mit der Heißwindleitung verbunden ist.
[0056] Da der Konverterbetrieb ein Chargenbetrieb ist, muss der Heißwind nur für die Zeit
der betriebenen Charge zur Verfügung stehen. Zwischen den Chargen wird dann der Brenner
im Pebble Heater betrieben, und dieser heizt den Besatz aus Schüttgutt in dieser Zeit
wieder auf, bis wieder durch Kaltwindzuführung in den Pebble Heater für die nächste
Konvertercharge Heißwind erzeugt wird.
[0057] Figur 2 zeigt die Heißwindlanze 10 in Betriebsposition, in welcher sie in einen Konverter
20 eingefahren ist. Im Konverterbetrieb werden zusätzlich über die Bodendüsen die
oben im Text ausgeführten Komponenten zugegeben und auch Sauerstoff bodenseitig eingeblasen.
Dabei gibt diese Darstellung die oben bereits gemachten Ausführungen wieder.
[0058] Der Prozess läuft dabei in der oben bereits beschriebenen Weise ab.
[0059] Figur 3 zeigt nunmehr die in Figur 2 dargestellte Heißwindlanze 10 in ihrem erfindungsgemäßen
Schichtaufbau.
[0060] Das innerste Rohr stellt dabei in der Regel das sogenannte eigentliche Blasrohr dar.
Figur 3 zeigt dabei lediglich eine Seite eines kurzen Abschnittes eine Längsschnittes
durch die Heißwindlanze. Die gestrichelte Linie stellt die Mittelachse der Heißwindlanze
dar. Die Wandung der Heißwindlanze 10 ist hier der Einfachheit halber nur auf einer
Seite der Mittelachse dargestellt. Dennoch wird die Schicht- oder Mantelfolge von
außen nach innen klar.
[0061] Der Aussenmantel 1 bildet hier zusammen mit dem inneren Mantel 2 einen Verbund mit
einem Zwischenraum 3. Der Zwischraum 3 wird dabei als Kühlmantel ausgestaltet, welcher
von einem Kühlmittel durchströmt wird. Dieser innere Mantel 2 kann dabei mit einer
dünnen Schicht 41 beschichtet sein, die als Übergangsschicht zu einem weiteren inneren
Mantel 42 dient. Dieser Mantel 42 kann dabei schon ein keramisches Rohr, oder ein
keramisch beschichtetes Rohr sein. Das innerste Rohr bzw der innerste Mantel 45 kann
als schwimmendes Rohr vorgesehen sein, und zumindest an der innersten Oberfläche wiederum
mit einer korrosions- und/oder abrasionsbeständigen Schicht 46 versehen sein.
[0062] Der sich zwischen dem innersten schwimmend gelagerten Mantel oder Rohr 45 gegebene
Zwischenraum 5 kann dabei auch mit Steinwolle, oder anderen thermisch gut isolierenden
Werkstoffen gefüllt sein.
[0063] Ein Aufbau wie dieser folgt gleich mehreren Maßgaben zugleich, nämlich erfolgt zum
einen einer guten thermischen Isolation von innen nach außen, sodass der Heißwind
nicht schon in der Heißwindlanze abkühlt, und zum anderen bewirkt das Beschichtungssystem,
dass eine gute Korrosions- und Abrasionsfestigkeit entsteht.
[0064] Insbesondere die schwimmende Lagerung des innersten Rohres oder Mantels 46 lässt
unterschiedliche thermisch bedingte Längenausdehnungen unterschiedlicher verwendeter
Materialien zu.
[0065] Auch bei den Beschichtungen kann dies nochmals berücksichtigt werden, indem wie oben
beschrieben, haftvermittelnde Schichten oder Liner zumindest abschnittweise thermische
Spannungen kompensierend aufnehmen können.
Bezugszeichen
[0066]
- 1
- äußerer Mantel
- 2
- innerer Mantel
- 3
- Zwischenraum
- 4
- Weiterer innerer Mantel
- 5
- Zwischenraum
- 41, 43, 44, 46
- Beschichtungen
- 42
- Mantel
- 45
- innerster Mantel, schwimmend gelagert
1. Heißwindlanze für den Einsatz in metallurgischen Prozessen, wie beispielsweise der
Stahlherstellung, mit welcher Heißwind oberhalb eines Schmelzbades eines Stahlkonverters
einblasbar ist, welche aus einem äußeren Mantel (1), sowie mindestens einem inneren
Mantel (2), und einem innersten Mantel besteht, und zwischen dem äußeren und einem
inneren Mantel zumindest ein mit Kühlmittel durchflossener Zwischenraum (3) oder Kühlkanal
angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der innerste Mantel durch ein von Heißwind durchströmbares innerstes Lanzenrohr definiert
ist, und der innere Mantel (2) oder der innerste Mantel (4) zumindest teilweise aus
einem thermisch isolierenden weiteren Mantel (4), oder einem thermisch isolierenden
Mantel besteht oder mit einem solchen versehen ist, oder mit einer thermisch isolierenden
Schicht beschichtet ist, und der innerste Mantel (45) in der Heißwindlanze schwimmend
gelagert ist.
2. Heißwindlanze nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (2) oder der innerste Mantel (4) zumindest auf der Innenseite mit
einer Schutzschicht (41) bzw (46) versehen ist.
3. Heißwindlanze nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (2) oder der innerste Mantel (4) aus mehreren Schichten(41, 42,
43, 44, 45, 46) besteht, und dass zumindest die innerste dieser Schichten, nämlich
Schicht (46) oder Schicht (43) aus einem abrasions- und/oder korrosionsbeständigen
Werkstoff besteht.
4. Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Mantel (2) oder der innerste Mantel (4) aus einem keramischen Werkstoff
besteht oder mit demselben beschichtet ist.
5. Heißwindlanze nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das abrasions- und/oder korrosionsbeständige Material bzw der keramische Werkstoff
an der an dem inneren oder innersten Mantel anhaftenden Seite mit einem temperaturbeständigen
Haftvermittler oder Liner versehen ist.
6. Heißwindlanze nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Haftvermittler oder Liner derart elastisch ist, dass er den Unterschied des Ausdehnungskoeffizienten
des inneren oder innersten Mantels zum abrasions- und/oder korrosionsbeständigen Material
bzw zum keramischen Werkstoff ausgleicht.
7. Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das abrasions- und/oder korrosionsbeständige Material bzw der keramische Werkstoff
aus einem Schichtsystem besteht, bei welchem die zum vom Heißwind gewandte Oberfläche
aus einem dichten keramischen Werkstoff und die vom Heißwind abgewandte Oberfläche
aus einem Keramikschaumwerkstoff besteht.
8. Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem inneren Mantel (2) und dem äußeren Mantel (1) ein wenigstens ein Zwischenmantel
oder Zwischenraum (3) angeordnet ist, und mit Kühlmittel durchflossen ist.
9. Heißwindlanze nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum (3) zwischen dem äußeren Mantel (1) und dem inneren Mantel (2) zur Gewährleistung
eines eines Schutzes gegen Wärmeübertag durch Temperaturstrahlung mit einem Temeüraturstrahlungshemmer
gefüllt opder einer einer dünnen Temperaturstrahlungshemmungsschicht versehen ist.
10. Heißwindlanze nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem äußeren Mantel (1) und dem innersten Mantel (46) ein Temperierungskanal
angeordnet ist, welcher im Blasbetrieb des Heißwindes ebenfalls mit Heißwind durchströmbar
ist.
11. Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der innere Mantel (42) oder der innerste Mantel (45) entlang seiner Längsrichtung
aus mehreren Teilstücken oder Muffen besteht, welche an den Berührungstellen der einzelnen
Teilstücke oder Muffen teilüberlappend ausgestaltet sind.
12. Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die direkt mit dem Heißwind in strömender Verbindung stehende innerste Oberfläche
(46) oder Beschichtungsoberfläche Strömungswiderstands- und/oder haftungsreduziert
strukturiert oder mikrostrukturiert ist.
13. Verwendung einer Heißwindlanze nach einem der Ansprüche 1 bis 12, zum Einblasen von
Heißwind oberhalb eines Stahlbades und/oder eines Schrotthaufens, und/oder eines Haufwerkes
in einem Stahlkonverter.
1. Hot-blast lance for use in metallurgical processes, such as for example steel production,
with which hot air can be blown in above a molten bath of a steel converter, which
consists of an outer shell (1) and at least one inner shell (2) and an innermost shell,
and arranged between the outer shell and an inner shell is at least one intermediate
space (3) or cooling channel through which coolant flows, characterized in that the innermost shell is defined by an innermost lance tube through which hot air can
flow, and the inner shell (2) or the innermost shell (4) consists at least partially
of a thermally insulating further shell (4), or a thermally insulating shell, or is
provided with such a shell, or is coated with a thermally insulating layer, and the
innermost shell (45) is mounted in the hot-blast lance in a floating manner.
2. Hot-blast lance according to Claim 1, characterized in that the inner shell (2) or the innermost shell (4) is provided at least on the inner
side with a protective layer (41) or (46).
3. Hot-blast lance according to Claim 1 or 2, characterized in that the inner shell (2) or the innermost shell (4) consists of a number of layers (41,
42, 43, 44, 45, 46), and in that at least the innermost of these layers, to be specific layer (46) or layer (43),
consists of an abrasion- and/or corrosion-resistant material.
4. Hot-blast lance according to one of Claims 1 to 3, characterized in that the inner shell (2) or the innermost shell (4) consists of a ceramic material or
is coated with the same.
5. Hot-blast lance according to Claim 3 or 4, characterized in that the abrasion- and/or corrosion-resistant material or the ceramic material is provided
on the side adhering to the inner or innermost shell with a temperature-resistant
adhesion promoter or liner.
6. Hot-blast lance according to Claim 5, characterized in that the adhesion promoter or liner is elastic in such a way that it compensates for the
difference in the coefficient of expansion of the inner or innermost shell and the
abrasion- and/or corrosion-resistant material or the ceramic material.
7. Hot-blast lance according to one of Claims 1 to 6, characterized in that the abrasion- and/or corrosion-resistant material or the ceramic material consists
of a system of layers in which the surface facing the hot air consists of a dense
ceramic material and the surface facing away from the hot air consists of a ceramic
foam material.
8. Hot-blast lance according to one of Claims 1 to 7, characterized in that at least one intermediate shell or intermediate space (3) is arranged between the
inner shell (2) and the outer shell (1) and is flowed through by a coolant.
9. Hot-blast lance according to Claims 1 to 7, characterized in that, to ensure protection from heat transfer by thermal radiation, the space (3) between
the outer shell (1) and the inner shell (2) is filled with a thermal radiation inhibitor
or is provided with a thin thermal radiation inhibiting layer.
10. Hot-blast lance according to Claims 1 to 7, characterized in that arranged between the outer shell (1) and the innermost shell (46) is a temperature
control channel, which during hot-air blasting operation can likewise be flowed through
by hot air.
11. Hot-blast lance according to one of Claims 1 to 10, characterized in that at least the inner shell (42) or the innermost shell (45) consists along its longitudinal
direction of a number of pieces or sleeves, which are designed as partially overlapping
at the points of contact of the individual pieces or sleeves.
12. Hot-blast lance according to one of Claims 1 to 11, characterized in that the innermost surface (46) or coating surface that is directly in flow connection
with the hot air is structured or microstructured in a flow-resistance and/or adhesion
reduced manner.
13. Use of a hot-blast lance according to one of Claims 1 to 12, for blowing in hot air
above a steel bath and/or a pile of scrap and/or a pile in a steel converter.
1. Lance à vent chaud destinée à être utilisée dans des processus métallurgiques, par
exemple la production d'acier, qui permet d'insuffler un vent chaud au-dessus d'un
bain de fusion d'un convertisseur d'aciérie, laquelle lance est constituée d'une enveloppe
extérieure (1) et d'au moins une enveloppe intérieure (2) et une enveloppe la plus
à l'intérieur, et au moins un espace intermédiaire (3) ou canal de refroidissement
parcouru par un agent de refroidissement est disposé entre l'enveloppe extérieure
et une enveloppe intérieure, caractérisée en ce que l'enveloppe la plus à l'intérieur est définie par un tube de lance interne à travers
lequel un vent chaud peut s'écouler, et l'enveloppe intérieure (2) ou l'enveloppe
la plus à l'intérieur (4) est constituée au moins partiellement ou est pourvue d'une
enveloppe supplémentaire thermo-isolante (4) ou d'une enveloppe thermo-isolante, ou
est revêtue d'une couche thermo-isolante, et l'enveloppe la plus à l'intérieur (45)
est montée de manière flottante dans la lance à vent chaud.
2. Lance à vent chaud selon la revendication 1, caractérisée en ce que l'enveloppe intérieure (2) ou l'enveloppe la plus à l'intérieur (4) est pourvue d'une
couche de protection (41) resp. (46) au moins sur le côté intérieur.
3. Lance à vent chaud selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que l'enveloppe intérieure (2) ou l'enveloppe la plus à l'intérieur (4) est constituée
de plusieurs couches (41, 42, 43, 44, 45, 46) et en ce qu'au moins la plus intérieure de ces couches, à savoir la couche (46) ou la couche (43),
est constituée d'un matériau résistant à l'abrasion et/ou à la corrosion.
4. Lance à vent chaud selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisée en ce que l'enveloppe intérieure (2) ou l'enveloppe la plus à l'intérieur (4) est constituée
d'une matière céramique ou est revêtue d'une matière céramique.
5. Lance à vent chaud selon la revendication 3 ou 4, caractérisée en ce que le matériau résistant à l'abrasion et/ou à la corrosion resp. la matière céramique
est pourvu(e), sur le côté adhérant à l'enveloppe intérieure ou la plus à l'intérieur,
d'un agent adhésif ou d'un film résistant à la température.
6. Lance à vent chaud selon la revendication 5, caractérisée en ce que l'agent adhésif ou le film est élastique, de sorte qu'il compense la différence de
coefficient de dilatation de l'enveloppe intérieure ou la plus à l'intérieur par rapport
au matériau résistant à l'abrasion et/ou à la corrosion resp. à la matière céramique.
7. Lance à vent chaud selon l'une des revendications 1 à 6, caractérisée en ce que le matériau résistant à l'abrasion et/ou à la corrosion resp. la matière céramique
est constitué(e) d'un système de couches dans lequel la surface située du côté du
vent chaud est constituée d'une matière céramique dense et la surface éloignée du
vent chaud est constituée d'une matière de mousse céramique.
8. Lance à vent chaud selon l'une des revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'une au moins une enveloppe intermédiaire ou un au moins un espace intermédiaire (3)
est situé (e) entre l'enveloppe intérieure (2) et l'enveloppe extérieure (1), laquelle/lequel
enveloppe/espace est parcouru/e par un agent de refroidissement.
9. Lance à vent chaud selon les revendications 1 à 7, caractérisée en ce que l'espace (3) entre l'enveloppe extérieure (1) et l'enveloppe intérieure (2) est rempli
d'un matériau bloquant la radiation thermique ou est pourvu d'une couche mince bloquant
la radiation thermique afin d'assurer une protection contre un transfert de chaleur
dû à la radiation thermique.
10. Lance à vent chaud selon les revendications 1 à 7, caractérisée en ce qu'un canal d'équilibrage de température est disposé entre l'enveloppe extérieure (1)
et l'enveloppe la plus à l'intérieur (46), lequel canal peut également être traversé
par le vent chaud pendant l'insufflation du vent chaud.
11. Lance à vent chaud selon l'une des revendications 1 à 10, caractérisée en ce qu'au moins l'enveloppe intérieure (42) ou l'enveloppe la plus à l'intérieur (45) est
constituée de plusieurs tronçons ou manchons le long de sa direction longitudinale,
lesquels sont conçus de manière à se chevaucher partiellement au niveau des points
de contact entre les tronçons ou manchons individuels.
12. Lance à vent chaud selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée en ce que la surface la plus à l'intérieur (46) ou surface de revêtement qui est en relation
directe d'écoulement avec le vent chaud présente une structure ou une microstructure
qui réduit la résistance à l'écoulement et/ou l'adhérence de l'écoulement.
13. Utilisation d'une lance à vent chaud selon l'une des revendications 1 à 12 pour insuffler
un vent chaud au-dessus d'un bain d'acier et/ou d'un tas de ferrailles, et/ou de déchets
minéraux dans un convertisseur d'aciérie.