DE2239216A1

DE2239216A1 - Anordnung und verfahren zum ermitteln der eintauchtiefe einer lanze

Info

Publication number: DE2239216A1
Application number: DE2239216A
Authority: DE
Inventors: Thomas Richard Acre; Frederick Michael Gimbel; Sundaresan Ramachandran
Original assignee: Allegheny Ludlum Industries Inc
Current assignee: Sunbeam Oster Co Inc
Priority date: 1971-08-18
Filing date: 1972-08-09
Publication date: 1973-05-03
Also published as: AU4464872A; ES405576A1; FR2150172A5; GB1356225A; BE787679A; IT964001B; US3780581A; JPS4829613A

Description

DR.-ING. H. KINKELDEY

DR.-INQ. W. STOCKMAIR, Ae. E. kauf. inst, of technj PATENTANWÄLTE

Maximilianslrnßo 43 Telefon 2971 00/29 ί744 Telf.gramme Monopol· München Telex 05-23380 ■ ■ _

P 4-938

9. August 1972

Allegheny Lualum Industries, Inc.

Oliver Building

.Pittsburgh, Pennsylvania 15222

USA

Anordnung und Verfahren zum Ermitteln der Eintauchtiefe einer Lanze

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Anordnung und auf ein Verfahren zum Ermitteln der Eintauchtiefe einer Blaslanze in einer Metallschmelze.

Verschiedene metallurgische Prozesse erfordern bekanntlich die Zufuhr eines Gases auf die Oberfläche einer^ Metallschmelze oder in diese hinein, um in der Schmelze enthaltene Verunreinigungen unter Bildimg flüchtiger Reaktionsprodukte jnit der

Gasphase reagieren zu lassen. Derartige Verfahren finden U.A. zum Desilizieren, Entgasen und Entkohlen von Metallschmelzen Anwendung. Beim basischen Sauerstoffverfahren wird der zum Frischen verwendete Sauerstoff in Form eines aus einer über dem Spiegel der Schmelze angeordneten Lanze austretenden Strahls zugeführt. Bei der gegenseitigen Einwirkung zwischen dem Sauerstoffstrahl und der Metallschmelze kommt es zur Oxydation von Kohlenstoff und anderen mit dem Sauerstoff chemisch reaktionsfähigen Elementen. Das Blasen von Sauerstoff oder einem anderen Reaktionsgas auf die Oberfläche einer Metallschmelze führt jedoch zu erheblichem Spritzen und Schwappen des flüssigen Metalls im Reaktionsgefäß und zu unerwünschter Oxydation von nützlichen Legierungsbestandteilen.

Um das Spritzen auf ein möglichst geringes Maß zu beschränken empfiehlt es sich, die Spitze einer zum Blasen von Gas verwendeten Lanze in die Metallschmelze eintauchen zu lassen. Dabei ist die Eintauchtiefe eine kritische Größe· Bei einer Entfernung.der Lanzenspitze von etwa 25 mm oder mehr oberhalb der Schmelze oder einer Eintauchtiefe von etwa 25o mm oder darüber nimmt das Spritzen und Schwappen der Metallschmelze spürbar zu. Ferner findet bei einer Eintauchtiefe der Lanzenspitze in die Schmelze von mehr als etwa 150 mm eine starke Abnützung oder Erosion der Lanze statt. Die Eintauchtiefe der Lanzenspitze sollte also vorzugsweise nicht mehr als etwa 50 mm betragen. ·

Die Erfindung schafft eine Anordnung und ein Verfahren zum Ermitteln der Eintauchtiefe der Lanzenspitze in eine Metallschmelze und ermöglicht so das Einhalten der zweckmäßigsten Eintauchtiefe. Eine Anordnung der genannten Art ist erfindunggemäß gekennzeichnet durch eine Leitung, deren unteres Ende im wesentlichen in der gleichen Höhe mit dem unteren Ende einer in eine Metallschmelze eintauchenden Lanze liegt und durch Druckmessereinrichtungen zum Vergleichen des Drucks in der Leitung mit dem über dem Spiegel der Schmelze herrschenden Gasdruck und damit zum Bestimmen der Eintauchtiefe der unteren Enden der Leitung und der Lanze aufgrund des Druckunter-

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schieds zwischen der Leitung und dem Raum oberhalb der Schmelze.

Aus dem Druckunterschied ergibt sich das' genaue Haß der.Eintauchtiefe des unteren Endes der Lanze, da sich der Druck innerhalb der der Lanze zugeordneten Leitung in direkter .abhängigkeit vom hydrostatischen Druck des geschmolzenen Metalls in der Höhe des unteren Endes der Leitung ändert.

Im eingetauchten Zustand der Lanze besteht die Gefahr, daß das untere Ende der in Form einer Sonde an der Lanze entlang oder innerhalb derselben geführten Meßleitung durch Erstarren von geschmolzenem Metall darin verstopft wird. Dies läßt sich insbesondere in solchen Fällen, in denen das Gas über dem Spiegel der Schmelze Luft unter atmosphärischen Druck ist, durch Druckspeisung der Sonde selbst vermeiden. Bei einem Unterdruck-Entkohlverfahren jedoch, bei dem der Raum oberhalb der Schmelze laufend evakuiert wird, sind in dem evakuierten Raum Druckschwankungen zu beobachten, Vielehe wahrscheinlich auf einen ungleichmäßigen Austritt von Gasen aus der Schmelze zurückgehen. Aus diesem Grunde ist es erforderlich, die Sonde bei einem konstanten volumetrischen Mengenstrom mit Druck zu speisen oder ihr in gewissen Zeitabständen pulsierende Druckstöße zuzuführen, um ein Verstopfen des unteren" Endes zu verhindern. Während des Zuführens der pulsierenden Druckstöße ist die Tauchtiefenmessung bzw. -anzeige zwar unterbrochen, das System kehrt jedoch nach jedem Druckstoß schnell wieder in den stabilen Zustand zurück und ermöglicht so das Ablesen der Eintauchtiefe.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Ausführungs- ' form der erfindungsgemäßen Anordming, in welcher das Gas oberhalb dei¹ Metallschmelze Luft unter atmosphärischem Druck ist,

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Fig. 2 eine Schnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Lanze etwa entsprechend der Linie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 und 4- Querschnittansichten entsprechend Fig. 2 von anderen Ausführungsformen der in der erfindungsgemäßen Anordnung verwendeten Lanze,

Fig. 5 eine grafische Darstellung der von der Tauchtiefe abhängigen Änderungen des Druckunterschieds und

Fig. 6 eine schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung für eine Unterdruck-Entkohlungsanlage.

Fig. 1 zeigt aminen Reaktionsbehälter 10 mit einer metallischen Außenwandung 12 und einer hitzebeständigen inneren Auskleidung 14. In dem Behälter 10 befindet sich ein Schmelzbad aus einem Metall, z.B. Stahl, welches von einer Schlackenschicht 17 bedeckt ist· Am oberen Ende hat der Behälter eine öffnung 1Θ zum Einführen einer Blaslanze 20. Die dargestellte Lanze 20 ist aus einem Metallrohr 22 gebildet, dessen unteres Teil von einem hitze- bzw. feuerbeständigen Mantel umgeben ist. Die Wandung des Rohrs 22 ist von einer zweiten Leitung 26 durchsetzt, welche mit einer im Rohr 22 abwärts verlaufenden Sonde 28 verbunden oder damit einstückig ist. Die Sonde 28 hat ein unteres Ende 30, welches mit dem unteren Ende 32 der Lanze 20 in einer Ebene liegt. Im Falle einer Abbrand- oder Verschleißlanze besteht die Sonde 2Θ eweckmäßig aus dem gleichen Werkstoff wie das Abbrandteil der Lanze, so daß sie jeweils etwa mit derselben Geschwindigkeit abbrennt. Im Falle einer nicht.abbrennenden Lanze ist die Sonde ebenfalls nicht abbrennbar. Das Rohr 22 und die Sonde 28 sind gewöhnlich aus Stahl gefertigt. In Versuchen wurde ermittelt, daß die Sonde vorzugsweise in Anlage an der Innen wandung des Rohrs 22 geführt ist (Fig. 2). Bei einer solchen Anordnung brennt das Rohr 22 etwa mit der gleichen Geschwindigkeit ab wie die Sonde 28, so daß also die unteren Enden der Sonde 23 und der Lanze 20 jederzeit in einer Ebene liegen.

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, wenn auch nicht so günstige Ausführungen der Lanze sind in Fig. 3 und 4 gezeigt. In der Ausführung nach Fig. verläuft die Sonde 28' konzentrisch mit dem von einem feuerfesten Kante]. 24' umgebenen Rohr 22'. In Fig. 4 ist die Sonde 28" in den das Blasrohr 22" umgebenden feuerfesten Mantel 24" eingebettet. Die Ausführungen nach Fig. 3 und 4 sind zwar . auch verwendungsfähig, wobei jedoch nicht wie bei der Ausführung nach Fig. 2 gewährleistet ist, daß die· Sonde mit der gleichen Geschwindigkeit abbrennt wie das eigentliche Blasrohr 22. ■ ' . ·. .

,4m oberen Ende des Blasrohrs 22 ist eine Druckgasquelle

ti

angeschlossen». Das Druckgas ist beispielsweise Sauerstoff, welcher zum Codieren von Kohlenstoff und anderen in der Schmelze 16-vorhandenen Verunreinigungen-- zügeführt-wird* Zur Erzielung; der größtmöglichen Wirkung taucht die Lanze mit ihr©m ratφren Ende 32 zweckmäßig in die Schmelz© 16 ein, wobei £jecloch W^g Eintauchtiefe ein kritischer Faktor ist. Beim Eintauchen der Spitze um etwa 150 mm oder mehr ,unter den Spiegel der Schmelze tritt ein starker Verschleiß· bzw.^ eine schnelle Erosion der Lanze ein. Ein Geringstmaß an Spritzen und Sehwappen der Schmelze und an Erosion der lanze läßt sich erzielen, wenn die Lanze nicht mehr als etwa ^O mm unter den Spiegel der.Schmelze eintaucht. ■

In dieser Hinsicht ist es notwendig, irgendwelche Einrichtungen vorzusehen, mittels welcher sich die Eintauchtiefe der Lanze ermitteln läßt. Die Bestimmung der Eintauchtiefe ist dabei durch die vorstehend erwähnte Erosion der Lanze ersehwert. Zu dem angegebenen Zweck ist die Sonde 28 über eine Leitung 26 und ein Ventil 36 an einer Seite einer Druckmeßeinrichtung 38 angeschlossen. Die andere Seite des Druckmessers 38 ist zur freien Umgebung hin offen und damit vom gleichen Druck beaufschlagt, wie er über dem Spiegel der Metallschmelze Ic herrscht,

Ungeachtet der Tatsache, daß sieh beim. Einblasen von Sauer-,

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stoff in die Metallschmelze 16 unterhalb des unteren Endes der Lanze 20 äußerst heftige chemische Reaktionen 'vollziehen und daß der Druck am unteren Ende der Sonde 28 gleich dem des durch das Rohr 22 eingeblasenen Sauerstoffs ist, gibt der Unterschied der Drücke am unteren Ende 30 der Sonde und der freien Umgebung einen Meßwert für die Eintauchtiefe des unteren Endes der Lanze 20 an. Somit läßt sich durch Ablesen der unterschiedlichen Standhöhen im Druckmesser 38 die Eintauchtiefe des unteren Endes der Lanze bestimmen.

In der bisherigen Beschreibung wurde angenommen, daß die Sonde 28 nicht mit einer äußeren Druckquelle verbunden ist und daß der in der Sonde vorhandene Druck gleich dem am unteren Ende des Rohre 22 herrschenden ist. (Bei einer derartigen nicht druckgespeisten Sonde besteht jedoch die Möglichkeit, daß sich geschmolzenes Metall am unteren Ende 30 derselben ansetzt und erstarrt, so daß die Sonde blockiert wird. Um dies zu verhindern kann die Sonde selbst druckgespeist sein. Dazu ist eine Druckgasquelle 40 über einen Druckregler 42 und ein Absperrorgan 44 an die Leitung 26 angeschlossen. Die Druckgasquelle 40 liefert vorzugsweise ein inertes Gas, gegebenenfalls Jedoch auch Luft oder Sauerstoff. Bei Druckspeisung der Sonde ist der durch den Druckmesser 38 angezeigte Druckunterschied größer als bei einer nicht druckgespeisten Sonde. Der Druckunterschied ist jedoch noch immer proportional der Eintauchtiefe des unteren Lanzenendes, so daß der Druckmesser 38 zur Anzeige der Eintauchtiefe geeicht werden kann.

Anstelle einer konstanten Druckspeisung der Sonde besteht auch die Möglichkeit einer intermittierenden oder pulsierenden Druckspeisüng. Zu diesem Zweck ist eine Druckgasquelle 45 über ein durch einen Taktgeber 48 intermittierend geöffnetes und geschlossenes Absperrorgan 46 und ein unabhängiges Absperrorgan 50 an der Leitung 26 angeschlossen. Für die Zuleitung von intermittierenden Druckstößen wird das Absperrorgan 50 geöffnet, während das Absperrorgan 44 geschlossen und das Absperrorgan 36 offen lot. .Bei dieser Anordnung, zeigt der Druckmesser 30 den Druckunterschied zwischen,...dem, Bohr 22 und der freien Umgebung an, solange über das Absperr-

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organ 50 kein Druckgas zugeführt wird. Einzelne Druckctöße werden der Sonde beispielsweise einmal pro Minute zugeführt, so daß der Druckmesser.38 in,den Pausen zwischen den Druckstößen, sicher abgelesen- werden kann.

Soll die Ablesung nich am Druckmesser 38 erfolgen, so wird das Absperrorgan 36 geschlossen und ein anderes Absperrorgan 52 geöffnet, über welches die Leitung mit einer Differenzdruckdose 5^- verbunden ist. Diese erzeugt ein dem Druckunterschied zwischen der Sonde 28 und der Umgebung proportionales -. Signal« Vie nicht anders zu erwarten, bewirkt das Spritzen und Schwappen der Metallschmelze Druckschwankungen in der Sonde 28. Daraus.ergibt sich bei geöffnetem Absperrorgan 36 eine mehr oder' weniger ständige Bewegung des Quecksilbers im Druckmesser 38. Selbst bei einer solchen ständigen Bewegung läßt sich jedoch die Eintauchtiefe der Lanze sicher ablesen, indem man aus der schwankenden Anzeige des Druckmessers einen Mittelwert bildet. Dieser Mittelwert läßt sich automatisch dadurch bilden, daß man das von der Differenzdruckdose 5^ abgegebene Signal über einen Leiter 56 einem Integrator 58 zuführt. Der Ausgang des Integrators 58 speist eine Anzeigevorrichtung 60 zur direkten Anzeige der Eintauchtiefe. ,In vielen Fällen ist es zweckmäßig, sowohl den Druckmesser als auch die elektrische Meßanordnung zu verwenden. Dabei erzeugt die Differenzdruckdose dann ein elektrisches Signal, ■ dessen. Mittelwert als Eintauchtiefe ah der Anzeigevorrichtung 60 ablesbar ist, während die Bewegungen des Quecksilbers im Druckmesser 38 Rückschlüsse auf das Ausmaß des Spritzens tind ßchwappens der Schmelze beim Blasen erlauben. Da der Druckmesser 38 und die Differenzdruckdose wahlweise bzw. wechselweise verwendbar sind, bezieht sich der in den Ansprüchen gebrauchte Ausdruck "Druckmeßeinrichtung" auf beide.

Fig. 5 zeigt eine grafische Darstellung des Druckunterschieds in Abhängigkeit von der Eintauchtiefe. Solange sich das untere Ende der Lanze in der Gasatmosphäre über dem Spiegel der Metallschmelze befindet ist der Druckunterschied relativ klein. Beim Durchtritt des unteren Lanzenendes durch die·

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Schlackenschicht 17 steigt der Druckunterschied geradlinig an. Beim Eintauchen des Lanzenendes in die Metallschmelze steigt der Druckunterschied mit zunehmender Eintauchtiefe wiederum geradlinig an, jedoch sehr viel steiler als beim Durchtritt durch die eine sehr viel geringere Dichte aufweisende Schlacke.

Pig. 6 zeigt.eine andere Ausfülirungsform der Erfindung in der Anwendung beim Unterdruck-Entkohlen z.B; von rostfreiem Stahl. In einem feuerfesten Behälter 64 befindet sich eine Metallschmelze 62. Der Behälter 64 hat einen gewölbten Deckel 66, welcher unter Zwischenlage einer ringförmigen Dichtungsanordnung 68 darauf aufgesetzt ist. Der Deckel 66 ist über eine Leitung 70 mit einer (nicht dargestellten) Absaugpumpe zum Evakuieren des Raumes oberhalb der Metallschmelze verbunden. Das Unterdruck-Entkohlen wird in bestimmten Fällen, insbesondere für rostfreie Stähle und dergl. angewendet, da das Vermögen des Kohlenstoffs, sich zur Bildung von Kohlenmonoxid mit Sauerstoff zu verbinden, umgekehrt proportional dem Druck über der Schmelze ist. Das Evakuieren des Raums oberhalb der Schmelze bewirkt somit, daß sich der über die Lanze 20 zugeführte Sauerstoff vorzugsweise mit dem Kohlenstoff und weniger mit Chrom oder anderen wichtigen Legierungsbestandteilen verbindet.

Die in der Ausführung nach Fig. 6 verwendete Lanze ist im wesentlichen die gleiche wie die in der Anordnung nach Fig. 1 verwendete. Dementsprechend sind den in Fig. 1 dargestellten entsprechende Teile in Fig. 6 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Das Rohr 22 ist hier aufwärts durch eine Dichtung 72 im gewölbten Deckel 66 geführt. Die Leitung 26 ist wieder mit dem Druckmesser 38 verbunden, dessen andere Seite hier jedoch über eine Leitung 74 mit dem evakuierten Raum oberhalb der Schmelze 62 verbunden ist.

Im Gegensatz zum atmosphärischen .Druck unterliegt der Druck oberhalb der Schmelze 62 in Fig. 6 gewissen Schwankungen aufgrund des Austritts von Gasen und/oder dem Spritzen und

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des Wellenschlags der Schmelze. Bei konstanter Druckspeisung der Sonde 28 muß diese daher von einer Druckgasquelle 76 mit konstanter volumetrischer Mengenströmung erfolgen. Eine solche Druckgasquelle 76 ist über ein Absperrorgan 78 mit der Leitung 26 verbunden. Die vorstehend anhand von Pig. I erläuterte intermittierende Druckspeisung der Sonde ist ebenfalls möglich. Dazu ist dann das Absperrorgan 78 geschlossen und ein Absperrorgan 80 offen. Das Druckgas strömt nun von einer Druckgasquelle 82 über ein mittels eines Taktgebers 86 betätigtes Absperrorgan 84 und das Absperrorgan 80 zur Leitung 26. Die einzelnen Druckstöße folgen einander wiederum etwa in Minutenabstand. Dadurch läßt sich am Druckmesser 38 ein Mittelwert zur Bestimmung der Eintauchtiefe der Lanze ablesen. Anderenfalls kann die in E¹Ig. 1 gezeigte 'Anordnung mit der Differenzdruckdose einem Integrator und einer direkt ablesbaren Anzeigevorrichtung 60 vorgesehen sein.

Sämtliche aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung hervorgehenden Merkmale und Vorteile der Erfindung, einschließlich konstruktiver Einzelheiten, x'äumliciier Anordnungen und Verfahrensschritten, können sowohl für sich als auch in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.

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Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zum Ermitteln der Eintauchtiefe einer . Blaslanze in einer Metallschmelze, gekennzeichnet durch eine Leitung (26, 28), deren unteres Ende (30) im resentliehen in der gleichen Höhe mit dem unteren Ende ■ (32) der in die Metallschmelze (16) eintauchenden Lanze (20) liegt, und durch Druckmeßeinrichtungen (38 bzw. 54) zum Vergleichen des Drucks in der Leitung mit dem über dem Spiegel der Schmelze herrschenden Gasdruck und damit zum Bestimmen der Eintauchtiefe der unteren Enden der Leitung und der Lanze aufgrund des Druckunterschieds zwischen der Leitung und dem Raum oberhalb der Schmelze.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Druckgasquelle (40, 45 bzw. 76, 82) sowie durch die Druckgasquelle mit der Leitung (26, 28) verbindende Absperrorgane (44, 50 bzw. 78, 80).

3. Anordnung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (46, 48 bzw. 84, 86) zum intermittierenden Verbinden der Druckgasquelle (45 bzw. 82) mit der Leitung (26, 28) zum Erzeugen von Druckstößen in der Leitung.

4. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß über dem Spiegel der Schmelze (16) atmosphärischer Gasdruck herrscht.

5. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3t dadurch gekennz ei chnet, daß Einrichtungen (66, 68, 70) zum Evakuieren des Raumes oberhalb des Spiegels der Schmelze (62) vorhanden sind.

6. Anordnung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5> dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t, daß die Druckineßeinrichtungen eine Differenzdruckdose (54) zum Erzeugen,eines dem Unterschied der Drücke in der Leitung (26, 28) und über dem

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Spiegel der Schmelze (16 "bzw. 62) proportionalen Ausgangssignals enthalten.

7* Anordnung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (58) zum Integrieren' des elektrischen Ausgangssignals und durch eine mit der Integriereinrichtung verbundene Anzeigevorrichtung (60) zum Anzeigen des Druck- . Unterschieds.

8. . Verfahren zum Ermitteln der Eintauchtiefe einer Blaslanze in einer Metallschmelze, dadurch gekennzeichnet, daß man mittels Druckmeßeinrichtungen den Druck des aus dem unteren Ende der Lanze austretenden Gases.mit dem über dem Spiegel der Schmelze herrschenden Gasdruck vergleicht und die Eintauchtiefe der Lanze aus dem Druckunterschied ."bestimmt.

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