DE2546647C3

DE2546647C3 - Methode und Apparat zum Dispergieren von gasförmigem Stoff in ein flüssiges Medium

Info

Publication number: DE2546647C3
Application number: DE19752546647
Authority: DE
Inventors: Matti Elias Dipl -Ing Krogerus Helge Johannes Dipl-Ing Tornio Lilja Launo Leo Makitalo Valto Johannes Relander John Henrik Dipl -Ing Pon Tuovinen Frans Heikki Tornio Honkamemi, (Finnland)
Original assignee: Outokumpu Oyj
Current assignee: Outokumpu Oyj
Priority date: 1974-10-29
Filing date: 1975-10-17
Publication date: 1977-09-08

Description

y Apparat nach Patentanspruch S, dadurch gekennzeichnet,-Üaß die Öffnungen mit kleinen, Durchmesser unmittelbar unterhalb der Öffnung mit großem Durchmesser angeordnet sind.

10 Apparat nach Patentanspruchs, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr zwei konzentrische Kanäle aufweist, von denen der eine am Ende offen der andere hingegen geschlossen ist, und am Ende des letztgenannten Kanals in einer nicht mit dem offenen Ende des anderen Kanals zusammenfallenden Ebene mehrere radiale Öffnungen von kleinem Durchmesser zum Spritzen von Gas oder Flüssigkeit in das flüssige Medium angeordnet sind.

11. Apparat nach Patentanspruch K), gekennzeichnet durch ein in das flüssige Medium einzutauchendes, dem Eintragen von gasförmigem Stoff in Blasenform in das flüssige Medium dienendes Rohr welches einen Mantel aufweist, in welchem in der Nähe des Rohrendes mehrere radiale Löcher von kleinem Durchmesser angebracht sind, durch welche zwecks Zerteilens der vorgenannten Blasen Gas oder Flüssigkeit aus dem Mantel in das flüssige Medium gespritzt wird.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Methode und einen Apparat zum Dispergieren von gasförmigem Stoff in einem flüssigen Medium, insbesondere zum Eintragen von pulverförmiger« Reagenz, zusammen mit einem Trägergas in Metallschmelze unter Verwendung eines in die Schmelze zu tauchenden Rohres, d.h. einer sogenannten Lanze.

Man kennt bereits folgende Verfahren zum Injizieren pulverförmiger Reagenzien in Metallschmelze:

Einblasen der Reagenz-Gas-Suspension in den Reaktionsbehälter über an dessen Boden oder Wandung fest angebrachte, unterhalb des Schmelzespiegels mündende Kanäle. Charakteristisch für dieses Verfahren sind die Verwendung gerader, verhältnismäßig großkalibriger Düsenrohre und der Verschleiß des Reaktionsbehälter-Futters in der Umgebung dieser Düse η rohre.

Einblasen der Reagenz-Suspension in die Schmelze über eine oberhalb des Badspiegels stehende Lanze, wobei mit so hoher Suspcusions-Slrömungsgeschwindigkeit gearbeitet wird, daß die erforderliche Penetration erzielt wird.

Einblasen der Suspension über eine separate, jeweils in der erforderlichen Tiefe in das Schmelzebad einzutauchende Lanze.

Gegenüber dem erstgenannten Verfahren bietet diese Anordnung den Vorteil, daß der Verschleiß im wesentlichen an der Lanze selbst und nur in geringem Maße am Futter des Reaktionsbehälters auftritt. Dieser Konzeption kann man sich auch dann bedienen, wenn die Reagenzien mit der auf dem Bad eventuell schwimmenden Schlacke nicht in Berührung kommen sollen oder wenn der Suspensionsstrahl die Schlukkenschicht infolge deren Zähigkeit nicht zu durchdringen vermag. Weiter kann bei dieser Anordnung auch das starke Geräusch des an zweiler Stelle genannten Verfahrens eliminiert werden.

Die häufigste Lanzenkonstruktion ist ein gerade» Rohr, dessen Ende beim Injizieren in die gewünschte Tiefe in das Schmelze bad eingetaucht wird. Diese* Rohr kann auch ohne Futter sein, wobei es mit solchei

Cicftchwiiniigkcit in die Schmelze gestoßen wird, daß -icin Ende trotz Abnutzung in der gewünschten Tiefe bleibt. Das Rohr kann jedoch auch mit einem verschlciUmindernden oder -verhindernder Futter versehen sein. Die über das Rohr in die Schmelze eingetragene Reagenz-Gas-Suspension bildet im Bad Blasen, deren Größe von der Rohrweite und der Gasmenge sowie in gewissem Grade auch von den Eigenschaften der Schmelze bestimmt wird. Heim Arbeiten mit vertikaler Lanze neigen die Blasen dazu, abwechselnd an beiden Seiten der Lanze aufzusteigen. Dies führt zu Dichteunterschieden des Schmelze-Blasen-Gemisches zwischen den einzelnen Seiten der Lanze und zu heftigen Schwepperbewegungen der Badoherflächf als deren Folge Schmelze aus dem Behälter spritzt. Das Schweppern und die daraus resultierenden Spiitzverluste können durch Reduzieren des Austrittsöffnungsdurchmessers der Lanze ^:n gewissem Grade verringert werden. Kapazität*- und Verschleißgesichtspunkte setzen dem Reduzieren der Austrittsöffnung jedoch Gienzen.

Zur Dämpfung der Schwepperbewegung bedient man sich auch bereits folgender Methoden:

Die Lanze wird geneigt oder asymmetrisch im Reaktionsbehälter angeordnet (z.B. A. E. Wraith: Gas lancing in metal fefining; an air-water model study. Symposium: Advances in extractive metallurgy and refining, London 1071). Auf diese Weise läßt sich jedoch nicht die Größe der sich bildenden Suspensionsblasen reduzieren.

Die Austrittsstelle der Lanze wird in separate Kanäle unterteilt (z.B. DT-OS 2 232221). Der Nachteil dieser Anordnung besteht darin, daß sich die Kanäle durch die Wirkung des unter hoher Geschwindigkeit austretenden Suspensionsstrahles abnutzen und das Reagenz ungleichmäßig auf die einzelnen Kanäle verteilt wird.

Die Suspension wird vor ihrem hintritt in die Schmelze in Drehbewegung versetzt (US-PS 3321 LV)). Auch mit dieser Anordnung läßt sich die Blascr.größe nicht reduzieren.

Im Hinblick auf die zwischen der Metallschmelze und den Reagenzien stattfindenden Reaktionen ist es wesentlich, daß das Reagenz gleichmäßig im Schmelzbad verteilt wird. Hierzu ist erforderlich, daß die Suspension in kleine Bläschen zerteilt wird, die in ihrem Inneren kein noch nicht an der Umsetzung teilgenOminenes Reagenz an die Badoberfläche befördern.

Mit der vorliegenden Erfindung sollen die oben aufgezählen Mängel beseitigt sowie eine Methode und ein Apparat zum Dispergieren von gasförmigem Stoff, insbesondere von in einem Trägergas suspendiertem pulverförmigem Reagenz in ein flüssiges Medium, insbesondere in Metallschmelze, durch Eintragen von Gas in die Flüssigkeit über ein Rohr oder eine Lanze geschaffen werden.

Die wesentlichen Merkmale der Erfindung gehen aus dem beigefügten Patentanspruch 1 hervor.

Die Lanze,die im Bedarfsfall außen von einem l'utti'r umhüllt ist, wird in der erforderlichen Tiefe in die Schmelze gesenkt, und die Reagen/.-Suspension, die nur außerordentlich wenig Trägergas zu enthalten brauc'it. wird über den im Lan/cninnern befindlichen Kanal in das Schmelzbad geblasen, wobei die sich bildenden Blasen durch besondere Zerteilungsgasstrali-Il¹D /erteilt werden. Gegenüber den herkömmlichen Konzeptionen bietet diese Methode folgende Vor-

- Die großen Blasen werden zerteilt, was eine Verbesserung des Reagenz-Wirkungsgrades zur Folge hat;

- die Zcrteilungsgasstrahle« stabilisieren die Bewegung der Schmelze und verringern somit das

Schweppern und die Spritzverluste;

- die Suspension kann mit niedrigeren Geschwindigkeiten eingespeist werden, was eine Erleichterung bei den Verschleißproblemen bedeutet; - das Eintragen der Suspension kann über einen einzigen Kanal erfolgen, so daß ein Verteilen auf mehrere Kanäle entfällt;

- da das Zerteilungsgas keine Feststoffe enthält, kann es mit hohen Geschwindigkeiten eingeblasen werden, so daß bereits mit einer geringen

Gasmenge eine hohe Zerteilungs-, Misch- und Stabilisierungsleistung erzielt wird,.
Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen naher beschrieben. In den

*° Zeichnungen zeigen Fig. l^eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung in aufgeschnittener Form in schematischer Seitenansicht, Fig. 2 ein vergrößertes Detail aus Fig. 1 ,Fig. 3 den gleichen Gegenstand wie in Fig. 2 in einer alternativen Ausführungsform und

^a5 Fig. 4 bis 7 zur Ermittlung der Spritzverluste ausgearbeitete Diagramme, die auf im Kleinmaßstab durchgeführten Wassermodellversuehen basieren, deren Versuchsanordnung der in der Zeitschrift »Steel in the USSR«, vol. 1, Nr. 5 (1^U71) S. 344 bis 345 heschriebenen Methode entsprach, mit der Abweichung, daß die Lanze in das Modell-Sehmelzebad eingetaucht wurde, und in diesen Diagrammen der in einem bestimmten Zeitabschnitt ermittelte Spritzmengenanteil an der im Tiegel befindlichen Gesamtschmelzemenge (Am₁Zm) als Funktion des pro Zeiteinheit zugeführten Gasstromes ( Ϋ) dargestellt ist.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, befindet sich das untere Ende der vertikalen Lanze 3 unterhalb der Oberfläche des im Tiegel 4 befindlichen Schmelzbades 5, wobei mit Hilfe dieser Lanze 3 über getrennte Kanäle Reagenz-Gas-Suspension I sowie Zerteilungsgas 2 - bei letzteren kann es sich um das gleiche Gas wie beim Trägergas handeln - in das Bad injiziert werden.

Wie aus Fig. 2 deutlich hervorgeht, wird die Lanze 3 von zwei konzentrischen Rohren 10 und 11 gebildet, die einen im Querschnitt kreisringförmigen Zwischenraum 9 begrenzen, welcher an seinem unteren Ende durch die Stirnwand 12 verschlossen ist, während der vom inneren Rohr 10 begrenzte Kanal 8 an seinem unteren Ende 6 offen ist. Am unteren Ende des Zwischenraumes 9, unmittelbar oberhalb der Stirnwand 12, sind in der Wandung des äußeren Rohres 11 in gleichmäßigen Abständen ein oder mehrere radiale Bohrungen 7 von geringem Durchmesser angebracht.

Bei in die Schmelze 5 eingetauchtem unteren Ende der Lanze 3 wird durch die Öffnung 6 hindurch über den Kanal 8des Innenrohres 10 zugeführtes, in einem Trägergas suspendiertes, feinkörniges Reagenz in die Schmelze geblasen, wobei sich in der Schmelze Ciasblasen bilden, die zur Oberfläche des Schmelzbades aufsteigen. Diese Blasen werden durch kräftige Gasstrahlen zerteilt, die am unteren Ende der Lanze 3 durch die Bohrungen 7 etwa horizontal in radialer Richtung aus dem Lanzen-Zwischenraum 9 austreten und bei ihrem Auftreffen auf die im Schmelzebad aufsteigenden Blasen diese wirksam zerteilen.

Selbstverständlich kann die vorangehend beschrie-

be nc Konstruktion auch dahingehend modifiziert werden, daß das zu dispergierende Gas in dem von den konzentrischen Rohren begrenzten Zwischenraum nach unten geleitet wird, wobei dieser Zwischenraum dann an !seinem unteren Ende geöffnet ist, während das etwas; längere Innenrohr unten verschiossen, dafür abcir mit einer oder mehreren radialen Bohrungen versehen ist, welche so gerichtet sind, daß die aus dem Zwischenraum austretenden Blasen durch die Wirkung der aus diesen Bohrungen austretenden Gasstrahlen zerteilt werden.

Bei der in Fig. 3 dargestellten alternativen Ausführungsform ist die Lanze 3 durch eine längslaufcnde Trennwand 10 in zwei Kanäle 8 und 9 unterteilt. Der Kanal 8 endet etwas oberhalb des geschlossenen unteren Endes 12 des anderen Kanals 9 in der Öffnung 6, und das über das untere Ende des Kanals 8 hinausreichende Ende des Kanals 9 weist eine oder mehrere waagerecht nach innen gerichtete Bohrungen 7 auf; aus diesen unterhalb der Öffnung 6 befindliehen Bohrungen 7 treten kräftige Gasstrahlen aus - die Gaszufuhr erfolgt über den Kanal 9 -, welche die aus der Öffnung 6 austretenden, zu dispergicrenden Gasblasen zerteilen.

Die in Fig. 4 bis 7 verwendeten Zeichen haben folgende Bedeutung:

a - gerade rohrförmige Lanze 0 3 mm

(A = 7,1 mm²)

b - gerade rohrfönmige Lanze 0 3 mm

(A — 7,1 mm²)

c" - gerade rohrförmige Lanze 0 4 mm

(A = 12,6 mm²)

(I - gerade rohrförmige Lanze 0 5 mm

(A = 19,6 mm²)

c - gerade rohrförmige Lanze 0 7 mm

(A = 38,5 mm²)

/ - gerade rohrförmige Lanze 0 10 mm

(A = 78,5 mm²)

Ii - am Lanzenende 4 gerade, in Richtung der Lanzenachsc weisende Bohrungen, 0 2,5 (A = 19,6 mm²)

h - wie g, jedoch rotiert die Lanze um ihre Achse

/ - wie g, jedoch streben die Bohrungen unter einem Winkel von 30° von der Lanzenachse weg nach außen

j - WirbclIanzc;dasGaswirdbcimAustretenausder Lanze und Eintreten in die Schmelze in tangentialc Drehbewegung versetzt, 0 5 mm (A = 19,6 mm^:)

k - crfindungsgcrriäße Lanze mit einem vertikalen Rohr, 0 3 mm (A = 7,1 mm²), in der Mitte und sechs von der Lanzenachse radial nach außen gerichteten geraden Rohren, 0 0,5 mm (A = 1,2 mm²) (Bild 2)

/ - erfindungsgemäße Lanze mit einem vertikalen Rohr, 0 4 mm (A = 12,6 mm²) und einem rechtwinklig zu diesem verlaufenden (waagerechten) Rohr, 0 2 mm (A = 3,14 mm²) (Bild 3)

in- erfindungsgemäße Lanze mit einem vertikalen Rohr,0 10mm(/4 = 78,5 mnr),indcrMitte und sechs waagerechten, von der Lanzenachse radial nach außen gerichteten geraden Rohren, 0 1 mm (A = 4,71 mm²) (Bild 2)

η erfindungsgemäße Lanze mit vertikalem Rohr, 0 10mm(/l = 78,5mm²)undcincm rechtwinklig /u diesem verlaufenden (waagerechten) geraden Rohr. Ο 1 mm (A = 0.79 mm²) (Bild 3)

Aus Fig. 4 geht hervor, daß - bei gleicher Gasmenge - mit abnehmender Lanzenrohrweite die Spritzmengen zurückgehen, und aus Fig. 5 ist ersichtlich, daß, wird die gleiche Gasmenge über mehrere

Öffnungen (Gcsamtquerschnittsflächc gleichbleibend) in die Schmelze gedrückt, kleinere Gasblasen entstehen; d.h. die Spritzmenge geht zurück, sofern verhindert wird, daß sich die Blasen zu früh vereinigen. Die Figur läßt ferner erkennen, daß durch Drch-

»o bewegung entweder der Lanze oder des Gases das Schmclzebad stabilisiert und die Spritzmenge dadurch verringert wird.

In Fig. ο werden zwei erfindungsgemäße Lanzenausführungen (Fig. 2 und 3) mit geraden Lanzen verglichen, wobei die Fläche der nach unten gerichteten Lanzenöffnung in allen Fällen gleich groß ist. Wie aus der Darstellung hervorgeht, läßt sich die Spritzmenge durch Arbeiten mit einer genügend großen Zcrteilungsluflmcngc senken, wobei insgesamt beträchtlich

ao größere Gasmengen eingetragen und trotzdem gleichzeitig die Spritzmengen reduziert werden können.

In Fig. 7 ist die mit entsprechender Vcirsuchsanordnung an einem anderen Reaktortyp gemessene Abhängigkeit der Spritzvcrlustc von dem Verhältnis

( V_nI K,) aus Zerteilungsgasstrom und zu /.erteilendem Gasstrom beim Arbeiten mit erfindungsigemäßen Lanzen dargestellt. Fig. 7 zeigt, daß, haben die Zertcilungsgasstrahlen einmal eine so hohe Geschwindigkeit erreicht, daß sie die zu zerteilenden Gasblasen zerteilen, trotz erhöhten Gesamlgasstrorncs eine deutliche Verringerung der Sprilzvcrlustc erzielt wird. Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Beispielen näher beschrieben:

Beispiel 1

Aus stark kohlenstoffhaltigem Ferrochrom wurde Schwefel durch direktes Injizieren eines Gemisches ausgebranntem Kalk und Aluminiumpulver über eine rohrförmige, kontinuierlich arbeitende Lanze in die im Tiegel befindliche Schmelze entfernt.
Mctallmcnge: 9,6 t
Reagenzien: 288 kg CaO

32 kg Aluminiumpulver

Temperatur der Schmelze vor dem Blasen 1570 "C Metall-Analyse (%)

Cr Si C S

vordem Blasen 52,4 2,5 7,2 0,055 _{A Q} _ ,. <■„ nach dem Blasen 52,2 2,5 7,0 0,036 ^{Δ b} ~ ^"
Reagenz-Wirkungsgrad 1,1%
50

Beispiel 2

Unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Lanze (Fig. 2) erfolgte die Entschwefelung von stark kohlenstoffhaltigem Ferrochrom im Tiegel durch Injizicren eines Gemisches aus gebranntem Kalk und Aluminiumpulver in die Schmelze.
Metallmcngc: 9,81
Reagenzien: 90 kg CaO

IO kg Aluminiumpulver

Die Temperatur der Schmelze vor dem Blasen betrug 1560 "C.
Metall-Analyse (%)

Cr Si C S

vordem Blasen 51,6 2,3 7,2 0,044 . „ ,, „„ nach dem Blasen 50,6 2,3 6,9 0,023 <♦'·«"■

Reagenz-Wirkungsgrad 4,0%

Bemerkenswert ist, daß, verglichen mit Beispie! 1. der Reagenz-Wirkungsgrad hier auf das nahezu Vier-

7 8

fache stieg, das Blasen gleichmäßiger verlief und die Reagenz: 380 kg CaO

Spritzveiluste niedriger lagen. Temperatur der Schmelze vor dem Blasen !57

Metall-Analvse (%) Beispiel 3 ' _ίν >;; <- ο

Die Knlsclnvelelung von stark kohlenstoffhaltigem 5 vor dem Blasen 52.1 1.7 7.(ι 0.042 _ Ieirochrom erfolgte gemäß Beispiel 2. nach dem Blasen 51.7 I .S 7.5 0,015 ~~

Metallmenge: 11.5t Reagenz-Wirkungsgrad 1.4'"<

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

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Patentansprüche:

1. Methode zum Dispergieren von gasförmigem Stoff in einem flüssigen Medium, wobei das zu: ciis- S pergierende Gas zwecks Bildung von Blasen im flüssigen Medium über wenigstens eine unterhalb des Spiegels des Flüssigkeitsbades angeordnete Öffnung in das flüssige Medium eingetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die im flüssi- *° gen Medium befindlichen, aus zu dispergieremdem Gas bestehenden Blasen durch einen oder mehrere auf sie gerichtete Gas- oder Flüssigkeitsstrahien in kleinere Bläschen zerteilt werden.

2. Methode nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gasförmige Stoff in zwei Teile aufgegliedert wird, wobei der eine Teil zum Dispergieren des anderen Teils im flüssigen Medium verwendet wird.

3. Methode nach Patentanspi ach 1 oder 2, da- ^ao durch gekennzeichnet, daß zwecks Zerteilens der aus der nach unten gerichteten Öffnung austretenden Blasen auf eine Stelle unterhalb der im Medium-Bad befindlichen Öffnung wenigstens ein etwa waagerechter Gas- oder Flüssigkeitsstrahl ^a5 gerichtet wird.

4. Methode nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Zerteilens der aus der im Medium-Bad angeordneten Öffnung austretenden, nach oben treibenden Blasen auf eine Stelle oberhalb dieser öffnung wenigstens ein Gas- oder Flüssigkeisstrahl gerichtet wird, der im wesentlichen nach der Seite gerichtet ist.

5. Methode nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gas- oder Flüssigkeitsstrahlen zwecks Zerteilens der um die nach unten gerichtete Öffnung herum aufsteigenden Blasen

im wesentlichen radiale, von dieser Öffnung wegführende Richtungen haben.

(■>. Methode nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß pulverförmiger S*off zusammen mit einem Trägergas in das Schmelzebad eingetragen wird, und die entstandenen Blasen mit Gasstrahlen, die von Trägeroder einem anderen Gas gebildet werden können, im Schmelzebad gleichmäßig zer- und verteilt werden.

7. Apparat zum Arbeiten nach der in Patentanspruch I niedergelegten Methode, welcher einen Behälter zur Aufnahme des flüssigen Mediums und wenigstens ein Rohr zum Eintragen von gasförmigem Stoff in das Medium-Bad an eine Stelle unterhalb des Badspiegels zwecks Bildens von Blasen umfaßt, gekennzeichnet durch eine oder mehrere Düsen, aus welchen unterhalb des Badspiegeis Gas oder Flüssigkeit auf die vorgenannten Blasen gespritzt wird, um diese zu /erteilen.

<S. Apparat nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohr wenigstens zwei Kanüle aufweist, von denen der eine in einer öffnung von verhältnismäßig großem Durchmesser endet mn! /um Eintragen von Gas in Blasenform in das flüssige Medium dient und der andere in einer oder mehreren Öffnungen von verhältnismäßig kleinem Durchmesser endet und dazu dient, in im wcscnllichcn seitlicher Richtung Gas oder Flüssigkeit in das flüssige Medium und gegen die vorgenannten Blasen zu spritzen, um diese zu zerteilen.

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