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Vorfahren zur Schrottsatzerhöhung bei der
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Erzeugung von Stahl" Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren
zur Schrottsatzerhöhung bei der Stahlerzeugung aus Roheisen und Schrott in einem
Konverter, in dem Sauerstoffeinleitungsdüsen in der feuerfesten Ausmauerung unterhalb
der Badoberfläche angeordnet sind.
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Stahl wird heute zum größten Teil unter Verwendung von technisch reinem
Sauerstoff in Konvertern mit einem Fassunnsvermögen von ca. 30 t bis ca. 00 t hergestellt.
In der Betriebspraxis haben sich zwei grundsätzlich verschiedene Koulverter-Frischmethoden
durchgesetzt. Zum einen handelt es sich um die Sauerstoff-Aufblasmethode, dem bekannten
LD- bzw. für phosphorreiches Roheisen LDAC-Prozeß, und zum anderen um die Sauerstoff-Durchblastechnik,
dem OBM-Verfahren, das außerhalb von Europa mit Q-BOP-Verfahren bezeichnet wird.
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Wie bekannt, verwendet der Sauerstoff-Aufblasprozeß eine wassergekühlte
Kupfer-Lanze, die in den Konverter ragt und durch die der Sauerstoff, mit und ohne
Kalkbeladung, auf die Schmelze geblasen wird. Mit sinkendem Kohlenstoffgehalt in
der Schmelze laufen die Reaktionen zwischen Sauerstoff und den Eisenbegleitern,
insbesondere Kohlenstoff, langsamer ab, und damit verringert sich die Badbewegung,
die im wesentlichen den Konzentrationsausgleich innerhalb der Schmelze bewirkt.
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Der Sauerstoff-Durchblasprozeß wendet Sauerstoffeinleitungsdüsen mit
Kohlenwasserstoffummantelung an, die unterhalb der Badoberfläche in der Konverterausmauerung
eingebaut sind.
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Der Frischsauerstoff wird mit den erforderlichen Schlackenbildnern
beladen, und durch das Einleiten sämtlicher Reaktionspartner in die Schmelze kommt
es im Konverter zu optimalen Bedingungen für die Reaktionskinetik, wobei auch gegen
Ende der Frischreaktion eine starke Badbewegung vorhanden ist. Demgemäß ergeben
sich erhebliche wirtschaftliche und metallurgische Vorteile beim Stahlfrischen.
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Ein wirtschaftlich bedeutungsvoller Unterschied zwischen den beiden
Stahl-Frischverfahren liegt darin, daß etwa 3 Prozentpunkte Schrott, also 30 kg/t
Stahl, im Sauerstoff-Aufblasverfahren mehr geschmolzen werden können als beim Sauerstoff-Durchblas-Verfahren.
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Es hat in der Veryangenheit nicht an Vorschlägen gefehlt, einzelne
Nachteile der beiden Sauerstoff-Konverter-Frischverfahren abzustellen. In diesem
Zusammenhang sind auch Vorschläge bekanntgeworden, die Sauerstoff-Aufblas- und Sauerstoff-Durchblastechnik
für spezielle Zielvorstellungen miteinander zu verknüpfen.
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Das österreichische Patent 168 590 behandelt beispielsweise die Möglichkeit,
zusätzlich zur Aufblaslanze ein stickstoff-freies Rührgas durch eine Seitenwanddüse
unterhalb der Badoberfläche in den Konverter zu leiten. Der Erfindungsgedanke besteht
darin, die mangelnde Badbewegung zu verbessern. Als Nachteil dieser Erfindung ergibt
sich aber, daß das Rührgas der Schmelze Wärme entzieht und somit die Schrotteinschmelzkapazität
sinkt.
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Das US-Patent 3 030 203 beschreibt eine Erfindung, bei der zunächst
mit einer üblichen Lanze auf die Schmelze geblasen wird und dann durch entsprechende
Konverterdrehung die Lanze in die Schmelze eintaucht. Nachteilig macht sich bei
dieser Erfindung der Wärmeentzug der Schmelze durch die wassergekühlte Lanze bemerkbar
und
zum anderen führen die konzentriert eingeleiteten, hohen Sauerstoffmengen zu einem
starken Spritzen und verstärktem Konverterauswurf.
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In einerlweiteren US-Patentschrift 3 259 484 kombiniert man die Sauerstoff-Aufblaslanze
mit einem Konverterboden aus porösem Feuerfest-Material, durch den Sauerstoff in
die Schmelze eingeleitet wird. Nach dem heutigen Stand der Kenntnis führt das Einleiten
von Sauerstoff durch poröse Steine zu einer sehr kurzen Lebensdauer dieser Böden
von nur einigen Schmelzen.
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Das französische Patent 2 121 522 befaßt sich mit einem Verfahren,
das die Anwendung einer Lanze, insbesondere einer Mehrlochlanze, mit Bodendüsen
nach Art der OBM-Technik kombiniert.
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Das Einblasen von oben und unten geschieht dabei in verschiedenen
Badzonen. Es wird beispielsweise in der ersten Frischphase, vorzugsweise der Entsilizierungsperiode,
nur durch die Bodendüsen Sauerstoff in die Schmelze eingeleitet, und anschließend,
nach etwa 3 min Blasezeit, führt man die Lanze in den Konverter und bläst Sauerstoff
auf das Bad. Das Ziel dieser Technik ist es, harte Stähle, d.h. kohlenstoffreiche
Stähle mit ausreichend niedrigen Phosphorgehalten, herzustellen. Dem durch die Lanze
zugeführten Sauerstoff kommt dabei hauptsächlich die Aufgabe zu, den FeO-Gehalt
der Schlacke als Voraussetzung für eine möglichst weitgehende Entphosphorungsreaktion
zu erhöhen. Gleichzeitig soll die Entstehung von braunem Rauch vermindert werden.
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Die deutsche Offenlegungsschrift 22 37 253 bezieht sich auf die Verwendung
von Düsen aus konzentrischen Rohren mit Düsenschutzmedium, die in der feuerfesten
Ausmauerung des Bodens sowie in der Seitenwand eines Konverters eingebaut sind.
Die Düsen im
oberen Teil der Seitenwand dienen der Zufuhr einer
Suspension aus pulverförmigen Schlackenbildnern und Transportgas. Die Seitenwanddüsen
können nach dieser Erfindung so angeordnet sein, daß sie in Blasstellung des Konverters
unterhalb der Badoberfläche liegen oder sic auch oberhalb der Badzone befinden und
schräg auf das Bad blasen. Solange sie auf das Bad blasen, benutzt man sie nur zur
Zufuhr von pulverförmigen Schlackenbildnern.
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Ein Merkmal dieser Erfindung ist es, daß der Impuls der austretenden,
pulverförmigen Stoffteilchen so groß ist, daß diese gut in das Bad eindringen.
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Nach einem weiteren Merkmal dieser Erfindung kann das Transportgas
für den Fall, daß die Düsen unterhalb des Badspiegels angeordnet sind, oxidierendes
Gas, beispielsweise reiner Sauerstoff, sein. Es handelt sich in diesem Fall um die
Anwendung der bekannten OBM-Düsen.
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Der Erfindungsgedanke der deutschen Offenlegungsschrift 22 37 253
besteht im wesentlichen darin, eine Suspension aus Transportgas und pulverförmigen
Schlackenbildnern auf die zu frischende Schmelze zu blasen. Damit kommen die Vorteile
beim Einleiten der schlackenbildenden Substanzen nach der Sauerstoff-Durchblastechnik,
beispielsweise beschrieben im deutschen Patent 19 66 314, nicht mehr zum Tragen.
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Eine weitere deutsche Auslegeschrift 24 05 351 behandelt die Kombination
von Aufblas-Lanzen und Bodendüsen. Es wird gemäß der Erfindung vorgeschlagen, zu
Beginn des Frischprozesses das Frischen im wesentlichen durch Aufblasen von oben
durchzuführen und die Sauerstoffzufuhr von unten zu steigern, sobald die Frischwirkung
nachzulassen beginnt. Dies ist nach der Beschreibung bei
Kohlenstoffgehalten
zwischen 0.2 bis 0.05. der Fall. Durch die bevorzugte Anwendung der Aufblas-Technik
kann das Verfahren die damit verbundenen Nachteile nicht in ausreichendem Maße vermeiden.
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Weiterhin gehören zum Stand der Technik die deutsche Offenlegungsschrift
25 22 467, das DDR-Patent 101 916 und das US-Patent 3 895 784.
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Diese drei Erfindungen beinhalten im wesentlichen die Anwendung von
Düsen mit Kohlenwasserstoffummantelung oberhalb der Badoberfläche in einem sonst
üblichen qurchblas-Konverter, mit der Zielsetzung, eine CO-Nachverbrennung zur Verbesserung
des Wärme haushaltes zu erreichen.
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In der deutschen Offenlegungsschrift 25 22 467 dient die CO-Nachverbrennung
zur gezielten Vergrößerung des Wärmeangebotes im oberen Bereich des Konverters,
dem sogenannten Hut, um damit eine Ansatzbildung zu vermeiden.
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Das DDR-Patent beschreibt die CO-Nachverbrennung im Konverter und
in anderen Stahlfrischgefäßen, beispielsweise Elektrolichtbogenofen. Als wesentliche
Merkmale der Erfindung werden die Einbaulage der Sauerstoffdüsen oberhalb der Badoberfläche
zur CO-Nachverbrennung und die zugeführten Sauerstoffmengen zu den Bodendüsen und
den Nachverbrennungsdüsen in Relation zur CO-Entwicklung der Schmelze herausgestellt.
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Die Einbaulage der Nachverbrennungsdüsen soll nicht mehr als 200,
vorzugsweise nicht mehr als 100, von der Waagerechten nach oben und unten abweichen.
Noch vorteilhafter ist es, wenn der Winkel der.Sauerstoffzugabevorrichtung leicht
nach unten geneigt wird und nicht mehr als 50 von der Horizontalen abweicht, wobei
sich als besonders vorteilhaft ein Winkel von 40 erwiesen
hat. Diese
Ausführungen in der Erfindungsbeschreibung lassen die hohe Bedeutung erkennen, die
man der ungefähr waagerechten Einbaulage der CO-Nachverbrennungsdüsen beimißt.
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Die relative Geschwindigkeit des Sauerstoffeinblasens durch die Boderdüsen
ist so zu regulieren, daß die CO-Entwicklung optimiert wird, und die erforderliche
Sauerstoffmenge ist in einer Zone der CO-Entwicklung, nahe der Oberseite des flüssigen
Bades, zuzuführen, um CO in C02 umzuwandeln. Als bevorzugte Sauerstoffmengen für
die Seitenwanddüsen nennt die Patentschrift 25 % bis 30 %.
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Das US-Patent greift im wesentlichen den Gedanken der gesteuerten
Umwandlung von CO in C02 auf und erläutert einen Regelkreis, der die Abgaszusammensetzung
mißt und entsprechend die Sauerstoffzufuhr in das Frischgefäß steuert, sowie die
Einbaulage der Sauerstoffeinleitungsdüsen oberhalb der Badoberfläche verändert.
Die Düseneinbauposition in der Konverterwand während der Frischzeit zu variieren,
erweist sich in der Betriebspraxis als undurchführbar. Die Öffnungen in der Konverterwand
werden nach kurzer Zeit durch Stahlspritzer und entsprechende Ansätze verlegt und
damit unbrauchbar, die Düsenrohre lassen sich dann nicht mehr bewegen.
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Allen im Vorhergehenden beschriebenen Verfahren ist es gemeinsam,
daß keiner dieser Prozesse bislang Eingang in die Betriebspraxis gefunden hat.
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Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, die Stahlerzeugung
im bodenblasenden Konverter so weiterzuentwickeln, daß der Schrottsatz über den
des Aufblas-Verfahrens hinaus gesteigert wird, und die bekannten Vorteile des bodenblasenden
Verfahrens, insbesondere der zuverlässig steuerbare Frischverlauf, die Vorzüge der
Prozeßmetallurgie, wie beispielsweise die tiefen
Endkohlenstoffgehalte
und der niedrige Eisenoxidgehalt der Abstichschlacke, das gesicherte Schrotteinschmelzvermögen
und das höhere Ausbringen, erhalten bleiben.
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Die Erfindung löst diese Aufgabe dadurch, daß zwischen 20 % bis 80
% der gesamten Sauerstoffmenge von oben durch einen oder mehrere auf die Badoberfläche
gerichtete Gasstrahlen, die über einen wesentlichen Teil des Frischprozesses als
in einem Gasraum blasende Freistrahlen wirken, dem Frischprozeß zugeführt werden.
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Bei Anwendung der Lehren der vorliegenden Erfindung erhöht sich der
Schrottsatz um 5 bis 10 Prozentpunkte, es wird also gegenüber der normalen Betriebsweise
eines Sauerstoff-Durchblaskonverters ein um 50 kg bis 100 kg gesteigerter Schrottanteil
pro Tonne Rohstahl verarbeitet. Der Schrottsatz liegt damit auch wesentlich höher
als bei einem üblichen Sauerstoff-Aufblaskonverter, wobei noch zu bemerken ist,
daß der höhere Schrottsatz beim Aufblas-Verfahren im Vergleich zum Durchblas-Verfahren
teilweise auf die Verschlackung von Eisen zurückzuführen ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren hingegen, bleibt der Eisenoxidgehalt
der Schlacke so niedrig wie beim Sauerstoff-Durchblasprozeß.
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Mit dem Sauerstoffaufblasen alleine, ohne die gleichzeitige Zufuhr
von Sauerstoff unterhalb der Badoberfläche, lassen sich die Vorteile der Erfindung
nicht realisieren. Beim Sauerstoff-Aufblasprinzip ist es für das Erreichen der metallurgischen
Reaktionen erforderlich, möglichst schnell eine Schaumschlacke im Konverter zu bilden.
Diese Schaumschlacke füllt dann einen wesentlichen Teil des freien Konverterraumes
oberhalb der Badoberfläche aus, und der Sauerstoffstrahl bläst während der längsten
Zeit des Frischverlaufes in dieser Schaumschlacke,
also nicht im
freien Gasraum. Bei einer derartigen Betriebsweise kommt es hauptsächlich zu einer
Erhöhung des Eisenoxidgehaltes der Schlacke mit den entsprechenden metallurgischen
Effekten, wie sie vom Sauerstoff-Aufblasverfahren her bekannt sind. Unter diesen
Betriebsbedingungen werden die erfindungsgemäßen Vorteile, d.h. hoher Schrottsatz
und niedrige Eisenoxidgehalte in der Schlacke, nicht erreicht.
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Ein wichtiges Merkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, die
Ausbildung von Schaumschlacke im Konverter zu vermeiden.
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Dieses Ziel wird insbesondere durch die Zufuhr von mindestens 20 %
der Gesamt-Sauerstoffmenge unterhalb der Badoberfläche erreicht, wobei gleichzeitig
ein wesentlicher Teil des für den Frischprozeß benötigten Kalkes durch die unterhalb
der Badoberfläche angeordneten Düsen eingeblasen wird.
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Bei dem Verfahren nach der Erfindung bildet sich der eingeleitete
Sauerstoff als Freistrahl im Gasraum aus, und der Gasstrahl trifft auf die Badoberfläche
der Schmelze. Mit diesem erfindungsgemäßen Prinzip gelingt es, etwa 90 % der über
die Nachverbrennung von Konverterabgasen gewonnenen Energie an das Bad zu übertragen.
3s ist für die erfindungsgemäße Wirkung erforderlich, daß die Freistrahlen im Gasraum
eine bestimmte Strecke durchlaufen, innerhalb der sie beträchtliche Mengen der Konverterabgase
ansaugen. Es kommt dabei zu einer starken Vermischung von Sauerstoff und Konverterabgas,
und auf die Badoberfläche trifft dann nur noch ein heißes Gas, das aus CO und C02
besteht und praktisch keinen freien Sauerstoff mehr enthält. Dementsprechend wird
auch die Bildung von braunem Rauch, d.h. die Eisenverbrennung, vermindert, und das
erfindungsgemäße Verfahren weist, ähnlich wie das Sauerstoff-Durchblasverfahren,
nur einen Verlust aus der Eisenverdampfung von 0.3 % auf.
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Beim Einleiten von Sauerstoff im oberen Teil des Konverters durch
im wesentlichen waagerecht oder bis zu 200 aus der Waagerechten geneigt angeordnete
Düsen zur CO-Nachverbrennung, läßt sich au h bei Sauerstoffmengen von 10 % bis 20
, der gesamten Sauerstoffmenge keine fühlbare Wärme an das Stahlbad übertragen.
Die Nachverbrennung der Konverterabgase führt lediglich zu Schäden am Feuerfest-Material.
Bevorzugt tritt ein voreilender Verschleiß der Ausmauerung im Konverterhut und an
den Wänden gegenüber den Sauerstoffeinleitungsdüsen auf.
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Das erfindungsgemäße Verfahren führt demgegenüber zu keinem erhöhten
Ausmauerungsverschleiß. Dieser Vorteil ist sicherlich darauf zurückzuführen, daß
kein Gasstrahl mit hoher Temperatur auf die feuerfeste Konverterausmauerung trifft
- im Gegenteil, es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, daß die Freistrahlen
im Konverter-Gasraum auf die Badoberfläche der Schmelze gerichtet sind.
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Bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Schrottsatzerhöhung,
an der unteren Grenze des angegebenen Bereiches von 40 bis 50 kg pro Tonne Rohstahl,
bereits erreicht, wenn die auf das Bad geblasene Sauerstoffmenge mindestens 20 bis
30 % der Gesamt-Sauerstoffmenge beträgt. Als besonders vorteilhaft hat es sich jedoch
erwiesen, die gesamte Sauerstoffmenge ungefähr zu gleichen Teilen auf die Düsen
unterhalb der Badoberfläche und das Sauerstoffeinleitungssystem im oberen Konverterraum
aufzuteilen. So kann beispielsweise bei dieser Gleichverteilung des Sauerstoffs
auf die Boden- und Aufblasdüsen ein um mindestens 6 Prozentpunkt erhöhter Schrottsatz
gesetzt werden. Der Schrottsatz, definiert als Gewichtsverhältnis zwischen Schrott
und flüssigem Stahl, erhöht sich demgemäß von üblicherweise 27 % beim bodenblasenden
Verfahren auf 33 X beim erfindungsgemäßen Sauerstoff-Einleiten. Selbstverständlich
ermäßigt sich der Roheisensatz dementsprechend. Der insgesamt
zugeführte
Sauerstoff liegt dabei um ca. 12 % höher gegenüber dem üblichen Sauerstoffsatz von
ca. 60 Nm3/t Roheisen.
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Der Kohlenstoffgehalt der fertigen Stahlschmelze beträgt ca.
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0.02 %, und der Eisenoxidgehalt in der Endschlacke liegt bei 15 %.
Bei Kohlenstoffgehalten von ca. 0.05 % ergibt sich ein Eisenoxidgehalt in der Schlacke
von ca. 8 °z. Dieser Eisenoxidanteil in der Schlacke entspricht den Vergleichswerten
der Chargen, die nach dem Sauerstoff-Durchblasprinzip erzeugt werden.
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Der um etwa 12 % erhöhte Sauerstoff-Verbrauch gegenüber dem Frisch-Sauerstoff
erlaubt es, ca. 24 % CO im Konverterabgas zu CO2 zu verbrennen. Die dabei freiwerdende
Wärmemenge reicht bei einem wärmetechnischen Wirkungsgrad von 90 % dazu aus, den
gesteigerten Schrottsatz von 6 Prozent punkten zusatzlich zu schmelzen. Mit dem
erfindungsgemäßen Verfahren gelingt es also, nahezu die gesarnte Wärmemenge, die
aus der Verbrennung von CO zu C02 resultiert, an die Sclimelze zu übertragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung befinden sich
Sauerstoffeinleitungsdüsen, die aus zwei konzentrischen Rohren bestehen, oberhalb
der Badoberfläche in der Konverterausmauerung. Durch das Zentralrohr der Düse strömt
der Sauerstoff, und der Ringspalt zwischen den beiden Düsenrohren dient zur Einleitung
des Düsenschutzmediums, vorzugsweise gasförmige oder flüssige Kohlenwasserstoffe.
Der in den Konverter geleitete Sauerstoff wird unter den Gesichtspunkten der großtechnischen
Anwendung vollkommen ausgenutzt. Der wesentliche Anteil von ca. 75 % beteiligt sich
an dem Frischvorgang, die restliche Sauerstoffmenge dient zur CO-Nachverbrennung
und resultiert in einem erhöhten Schrottsatz.
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Es liegt im Sinne der Erfindung, eine optimale Laufstrecke des Sauerstoffstrahls
im Gasraum des Konverters anzustreben.
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Um den vollen Vorteil gemäß der Erfindung zu nutzen, soll
der
Abstand zwischen den Austrittsöffnungen der Sauerstoffzuführungssysteme und der
ruhenden Badoberfläche etwa dem 40- bis 80fachen des Durchmessers der Austrittsöffnungen
entsprechen.
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Unter Berücksichtigung der Konvertergeometrie ergibt sich eine Neigung
bei einem Einbau der Sauerstoffeinleitungsdüsen in die Konverterseitenwand, von
mehr als 350, vorzugsweise mehr als 450, aus der Waagerechten in Richtung Badoberfläche.
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Der Gasstrahl, der im wesentlichen aus CO und C02 besteht, trifft
mit einer hohen Temperatur, die erheblich über der Badtemperatur liegt und schätzungsweise
ca. 2500 C beträgt, auf die Badoberfläche im Konverter auf. Zur Reaktion mit der
Schmelze und zur Wärmeübertragung steht eine sehr große Oberfläche zur Verfügung,
die sich aufgrund der unterhalb der Badoberfläche zugeführten Sauerstoffmenge und
der daraus resultierenden, starken Badbewegung herleitet. Soweit Kenntnisse über
die Badbewegung im Konverter vorliegen, beispielsweise aus Modell versuchen, ist
mit einer Spritz- und Eruptionszone an der Badoberfläche von mindestens 1 m Höhe
zu rechnen. Die damit stark vergrößerte Reaktionsoberfläche, die bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren von Frischbeginn bis Frischende erhalten bleibt, ist sehr wahrscheinlich
entscheidend für den hohen Ausnutzungsgrad des zugeführten Sauerstoffs und die gute
Wärmeübertragung auf das Bad bei dem erfindungsgemäßen Verfahren.
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In einem bodenblasenden Sauerstoff-Konverter, von beispielsweise 60
t Kapazität und ungefähr kugelförmiger Gestalt, ist oberhalb der Konverterdrehzapfen
an beiden Seiten je eine Düse unter einem Neigungswinkel von ca. 450 in der feuerfesten
Ausmauerung des Konverters installiert. Die Düsenaustrittsöffnungen liegen an der
Konverterinnenseite, ca. 2 m oberhalb der Badoberfläche bei dem neu ausgemauerten
Geiäß. Mit zunehmender Einsatzzeit
vergrößert sich der Abstand
auf ca. 3 m. Die Sauerstoffeinleitungsdüsen bestehen aus zwei konzentrischen Rohren
mit einem lichten Durchmesser des Zentralrohres für die Sauerstoffzufuhr von 40
mm. Die Ringspaltbreite zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr beträgt ca. 1
mm. Zum Schutz der Düsen gegen voreilenden Verschleiß gegenüber der feuerfesten
Ausmauerung leitet man durch den Ringspalt 1 Vol-% Propan, bezogen auf den Sauerstoffdurchsatz.
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Bei einer Gesamt-Sauerstoffzufuhr von ca. 20 000 Nm3/h, davon strömen
ca. 10 000 Nm3/h durch die Bodendüsen und ca.
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10 000 Nm3/h durch die beiden Seitenwanddüsen oberhalb der Badoberfläche,
beträgt die Frischzeit ca. 10 min. Die Kühlschrottmenge ist bei dieser erfindungsgemäßen
Verfahrensweise ca. 4 t höher gegenüber der gleichen Gesamt-Sauerstoffzufuhr, ausschließlich
durch die Bodendüsen. Die Eisenoxidwerte der Schlacke liegen im Durchschnitt gleich
niedrig, wie bei Anwendung der Bodenblastechnik.
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Gemäß einer weiteren Alternative der vorliegenden Erfindung ist oberhalb
der Badoberfläche eine größere Anzahl von Düsen in der feuerfesten Ausmauerung eingebaut.
Bevorzugt wird eine Einbaulage von über 2 ni über der Badoberfläche. Diese Einbauposition
erlaubt günstige konstruktive Lösungen. Bei der erfindungsgemäßen Forderung, die
Düsen auf das Bad zu richten, ist es einfacher, sie im oberen Teil des Konverters,
dem sogenannten Hut, anzuordnen, da aufgrund der Hutneigung die Durchdringungsstrecken
der Düsen in der Konverterausmauerung kleiner werden. Damit wird es u. a. leichter,
die Ausmauerung an die Düsenrohre anzupassen, hauptsächlich, wenn mehr als eine
Düse auf jeder Konverterseite im Bereich oberhalb der beiden Drehzapfen eingebaut
werden. Beispielsweise sind in einem Konverter 6 Düsen, d. h. auf jeder Konverterseite
3 Düsen, ca. 2 m
oberhalb des Badspiegels eingebaut. Die Düsenmündungen
liegen an der Innenseite des Konverters, im Übergangsbereich von dem zylindrischen
Konverterteil zum oberen Konverterkonus. Die Neigung der Düsen gegenüber der Waagerechten
liegt zwischen 450 bis 70 , und sie sind so ausgerichtet, daß die Auftreffbereiche
der Gasstrahlen ungefähr gleichmäßig auf der Badoberfläche verteilt werden.
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Mit der erhöhten Düsenanzahl oberhalb der Badoberfläche und der beschriebenen
Anordnung, werden die Vorteile der Erfindung optimal genutzt. Es lassen sich damit
die obere Grenze der Schrottsatzerhöhung und niedrige Eisenoxidgehalte in der Schlacke
-errei chen , Eine weitere Variante bei der Düsenanordnung, die zu einer weiteren
Schrottsatzsteigerung, über 5 Prozentpunkte hinaus, führt, besteht darin, die Auftreff-Flächen
der Gasstrahlen so auszurichten, daß sie in dem Bereich mit maximaler Schlakkenschichtstärke
auf die Badoberfläche treffen. Dieser Bereich der Badoberfläche befindet sich in
den Kreisabschnitten neben dem Konverterboden-Mittelstreifen, auf dem die Sauerstoffeinleitungsdüsen
verteilt sind. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme ist es möglich, den Schrottsatz
um insgesamt 10 Prozentpunkte, im Vergleich zum Sauerstoff-Durchblasverfahren, zu
steigern. Der Sauerstoffverbrauch steigt dabei um ca. 20 % gegenüber dem Frischsauerstoff
an. Es wird angenommen, dieser überraschende Effekt ist damit zu erklären, daß die
Gasstrahlen aus den Einleitungsdüsen oberhalb der Badoberfläche nur noch zu einem
geringen Anteil auf Eisenschmelze treffen, und daß über die schräg angeordneten
Sauerstoffstrahlen eine beträchtliche Rotation der Konverterabgase und damit eine
Verbesserung des Ansaugens dieser Abgase erzielt wird.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung wird
die auf das Bad geblasene Sauerstoffmenge durch eine Lanze vorgenommen. Diese Lösung
bietet sich insbesondere dann an, wenn entsprechende Einrichtungen vorhanden sind
und beispielsweise das erfindungsgemäße Verfahren in einem ursprünglich als Sauerstoff-Aufblaskonverter
arbeitenden Frischgefäß nach entsprechender Umrüstung angewendet wird.
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Bei dem Betrieb der Lanze als Sauerstoffeinleitungssystem oberhalb
der Badoberfläche gemäß der Erfindung, sind allerdings wesentliche Änderungen in
der Betriebsweise gegenüber dem Sauerstoff-Aufblasverfahren zu beachten. Von entscheidender
Bedeutung ist es, die Bildung VOtl Schaunschlacke im Konverter zu vermeiden, was
erfindungsgemäß durch das Einblasen eines wesentlichen Teiles der Kalkmenge in Form
von Staubkalk durch die unterhalb der Badoberflache angeordneten Düsen erfolgt.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, kann die Anzahl
der Bodendüsen bei einem Durchblas-Konverter nach seiner Umrüstung auf das erfindungsgemäße
Frisch-Verfahren verringert werden. Mit diesem Schritt sind keine Nachteile verbunden,
solange der unterhalb der Badoberfläche im Konverter installierte Düsenquerschnitt
ausreicht, um während der Frischzeit die Gesamtmenge der staubförmigen Schlackenbildner
in den Konverter zu fördern. Normalerweise läßt sich dabei von Beladungsraten der
Schlackenbildner zum Sauerstoff bis zu etwa 10 kg/Nm3 Sauerstoff ausgehen. Die Mindestanzahl
der Bodendüsen kann demgemäß und unter Berücksichtigung der Betriebsverhältnisse
im Stahlwerk individuell ermittelt werden. Beispielsweise sind beim Frischen von
phosphorarmem Roheisen und den damit verbundenen, geringeren Kalksätzen für die
Schlackenbildung, weniger Düsen unterhalb der Baiioberfläche im Konverter
erforderlich,
als beim Frischen von phosphorreichem Roheisen, das bekanntermaßen höhere Kalksätze
für die Schlackenbildung verlangt.
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In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, daß die Vorteile der
Zugabe von staubförmigen Schlackenbildnern durch die Bodendüsen gemäß einem besonderen
Vorteil der Erfindung, gerade beim Frischen von phosphorarmem Roheisen bedeutungsvoll
sind. Denn erst die Beladung des Sauerstoffs mit den staubförmigen Schlackenbildnern
ermöglicht es, die Bedingungen zu schaffen, die für das Aufblasen des Sauerstoffs
in Form von in einem Gasraum blasenden Freistrahl erfordeslich sind.
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Bei der Anwendung des erfindungsgensäßen Verfahrens in einem bodenblasenden
Konverter, der beispielsweise mit zwei Sauerstoffeinleitungadüsen oberhalb der Badoberfläche
im Bereich der Konverterdrehzapfen ausgerüstet ist, kann die Anzahl der Düsen im
Konverterboden erniedrigt werden. In einem 200 t OBM/ Q-BOP-Konverter, der mit 20
Düsen und einem Gesamtblasquer-2 schnitt von 150 cm ausgerüstet ist und in dem phosphorarmes
Roheisen gefrischt wird, genügen nach dem Verfahren gemäß der Erfindung 10 Bodendüsen
mit einem Gesamtblasquerschnitt von 80 cm2 und jeweils zwei Aufblasdüsen oberhalb
der Konverterdrehzapfen mit einem Gesamt-Sauerstoffblasquerschnitt von 2 50 cm .
Im dem so umgerüsteten Konverter werden in einer um ca. 25 X verkürzten Frischzeit
von ca. 8 bis 10 min 200 t Stahl produziert. Dabei bleiben sämtliche prozeßmetallurgischen
Merkmale des Sauerstoff-Durchblasverfahrens erhalten, und darüber hinaus ergibt
sich als weiterer Vorteil ein erhöhter Kühlschrottsatz von 12 t, entsprechend ca.
6 %.
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Darüber hinaus reduziert sich der Verbrauch an flüssigen bzw.
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gasförmigen Kohlenwasserstoffen zum Düsenschutz um etwa 1/3 gegenüber
dem Sauerstoff-Durchblasverfahren. Dieser geringere
Verbrauch an
Kohlenwasserstoffen setzt sich aus einem um ca.
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50 % ermäßigten Anteil für die Bodendüsen und einer geringeren Schutzmediumrate
von ca. 1 Gew-%, bezogen auf den Sauerstoff, für die Aufblasdüsen zusammen. Die
etwa auf den halben Anteileduzierte Kohlenwasserstoffnenge, die das Bad durchströmt,'
ergibt neben der Kostenersparnis als weiteren Vorteil einen geringeren Wasserstoffgehalt
im Fertigstahl. Während bei dem üblichen Durchblas-Prozeß der Wasserstoffgehalt
im Fertigstahl in der Größenordnung von 4 ppm liegt, beträgt er bei Anwendung des
erfindungsgemäßen Verfahrens im Mittel 3 ppm. Die Auftcilung der gesamten Frisch-Sauerstoffmenge
erfolgt dabei ungefähr zu gleichen Teilen auf die Aufblas- und Durchblas-Düsen.
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Mit der verminderten Anzahl von Durchhlasdüsen im Konverterboden sind
selbstverständlich eine Reihe von Vorzügen verbunden. Bei einer Düsenanordnung im
Konverterboden verkleinert sich die Gesamtfläche, auf der die Düsen verteilt sind,
d.h.
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bei der üblichen Einbauweise auf einem Bodenmittelstreifen ist eine
geringere Streifenbreite erforderlich. Daraus wiederum resultiert ein größeres Volumen
für die Schmelze; der gleiche Konverter eignet sich dann für höhere Einsatzgewichte
bzw. die Konverterkapazität vergrößert sich damit. Bei wenigen Düsen unterhalb der
Badoberfläche wird auch eine Einbaulage im unteren Konverterwandbereich vorteilhaft.
Beispielsweise haben sich dafür sogenannte Ringschlitzdüsen bewährt. Bei diesen
Düsen gemäß dem deutschen Patent 24 38 142, strömt der Sauerstoff mit oder ohne
Kalkbeladung durch einen Ringspalt, der größere Durchsatzraten pro Düse zuläßt.
Ebenso ist die Eindringtiefe dieser Gasstrahlen geringer als bei normalen Doppelrohrdüsen,
und somit treffen die Gasstrahlen der Seitenwanddüsen nicht auf die gegenüberliegende
Konverterwand auf. Dadurch vermeidet man einen voreilenden Verschleiß der Ausmauerung.
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Weiterhin hat eine geringere Düsenanzahl im Konverterboden konstruktive
Vereinfachungen zur Polge. Es genügt ein kleinerer Kalkverteiler, und die Anzahl
der Zuführungsrohre für den Sauerstoff und das Schutzmedium am Konverterboden verringert
sich. Die Querschnitte der Sammelversorgungsleitung bis zum Kalkverteiler und für
das Düsenschutzmedium können dementsprechend verkleinert werden.
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Die Sauerstoffzufuhr zu den Düsen unterhalb der Badoberfläche und
den auf die Badoberfläche gerichteten Einleitungssystemeri erfolgt normalerweise
durch eine getrennt steuerbare Versorgullg, die sich unabhängig voneinander regeln
läßt. Beispielsweise kann bereits nach dem Chargieren, beim Aufrichten des Konverters
in die Blasstellung, das Aufblassystem mit der gewünschten Sauerstoffmenge betrieben
werden, während man die Bodendüsen beim Konverteraufrichten mit Stickstoff beschickt
und erst nach Erreichen der Blasstellung auf Sauerstoff und Düsenschutzmedium umschaltet.
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Gegenüber der normalen Praxis bei Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens, bei der ungefähr gleiche Sauerstoffmengen durch die Aufblas- und Durchblas-Düsen
strömen, kann auch mit unterschiedlichen Sauerstoffdurchflußmengen gearbeitet werden.
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Beispielsweise bei einer Roheisenanalyse mit hohem Siliziumgehalt
von 1.5 bis 2 %, erweist es sich als günstig, in der Anfangsfrischphase ca. 60 %
der Sauerstoffmenge durch die Düsen im Konverterboden zu leiten und mit hoher Kalkbeladung
zu arbeiten, um kieselsäurereiche Schlacken im Konverter zu vermeiden.
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Die getrennte Steuerung der Sauerstoffzufuhr für die Durchblas-Düsen
und das Aufblassystem verleiht dem erfindungsgemäßen Verfahren eine hohe Flexibilität
und ermöglicht es, sich unterschiedlichen Betriebsbedingungen gezielt anzupassen.
Die zugeführte Sauerstoffmenge kann so gesteuert werden, daß die Endtemperatur des
Stahles im Konverter damit geregelt wird.
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Die Erfindung wird nun anhand einiger nichteinschränkender Beispiele,
die bevorzugte Anwendungen des Verfahrens beschreiben, näher erläutert.
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In einer OBM-Konverter mit einem Schmelzengewicht von 60 t, der im
neu ausgemauerten Zustand ein inneres Volumen ven 55 m3 aufweist und ungefähr kugelförmige
Gestalt hat, befinden sich auf einem ca. 90 cm breiten Mittelstreifen 10 Düsen.
Dieser Konverter wird bei Anwendung der üblichen Durchblas-Technik nach dem OBM-Verfahren,
mit ca. 18 t Schrott gemischter Zusammensetzung und ca. 49 t Roheisen beschickt.
Die Schrottzusammensetzung besteht beispielsweise aus 5 t Blechpaketen, 7 t handelsüblichem
Mischschrott und 6 t Walzwerks- und Stahlwerksrücklaufschrott mit Einzelstücken
bis zu 4 t Gewicht:. Die mittlere Roheisenanalyse weist 3.5 % Kohlenstoff, 0.7 %
Silizium, 1 % Mangan, 1.7 % Phosphor auf. Nach einer Gesarr'tfrischzeit von 12 rin,
die sich in eine Hauptblasperiode von 10 min und ein zweiminütiges Nachblasen unterteilt,
ist der Stahl mit einer Zusammensetzung von 0.03 % Kohlenstoff, 0.1 % Mangan, 0.025
% Phosphor erzeugt und wird aus dem Konverter abgestochen. äbrnd dieser Frischzeit
führt man dem Konverter 3000 Nm3 Sauerstoff in Blasraten von 15 000 bis 20 000 Nm3/h
durch die Bodendüsen zu. Als Düsenschutzmedium strömen durch die Ringspalte der
Bodendüsen ca.
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60 Nm3 Propan bei einer Blasrate von 300 bis 350 Nm3/h. Mit dem Sauerstoff
werden ca. 4 t Staubkalk in den Konverter gefördert.
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Die Kalkzugaben erfolgen bevorzugt gleich zu Beginn des Frischprozesses
während der Entsilizierungsperiode und gegen Ende des Frischens bzw. beim Nachblasen.
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In dem gleichen Konverter hat man zur Anwendung des erfindungsgemäßen
Verfahrens zwei Sauerstoffeinleitungsdüsen ca. 2.50 m oberhalb der Badoberfläche
im Bereich über den beiden Konverterdrehzapfen installiert. Die Düsen bestehen aus
zwei konzentrischen
Rohren mit einem Zentralrohr von 50 mm lichtem
Durchmesser für die Sauerstoffzufuhr, umgeben von einem Ringspalt mit etwa 2 mm
Breite. Die Zentrierung der beiden Düsenrohre erfolgt durch 6 Rippen auf dem Sauerstoffrohr.
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Der Konverter wird mit 22 t Schrott1 entsprechend der genannten Mischung,
und 45 t Roheisen der genannten Analyse beschickt.
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Bei Beginn des Frischprozesses werden die Bodendüsen mit 10 000 Nm3/h
Sauerstoff beaufschlagt. Die Propanblasrate beträgt ca.
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165 Nm³/h für die Bodendüsen und ca. 100 Nm³/h für die Aufblasdüsen.
Nach einer Gesamtfrischzeit von 10 min, die sich aus 8 min Hauptblasperiode und
2 min Nachblasen zusammensetzen, wird der fertige Stahl mit der genannten Zusammensetzung
aus dem Konverter abgestochen. Die Zugabe der Kalkmenge von ca. 4 t erfolgt nach
dem gleichen Zugabeschema wie beim Durchblas-Prozeß, ausschließlich durch die Bodendüsen.
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In einem 200 t-Konverter, der gemäß einer weiteren Ausgestaltung der
Erfindung über 4 Sauerstoffeinleitungsdüsen oberhalb der Badoberfläche verfügt,
die jeweils paarweise über den Konverterdrehzapfen mit einem Neigungswinkel von
ungefähr 600 aus der Horizontalen auf das Bad gerichtet sind, werden 70 t Schrott
und 150 t Roheisen mit einer Zusammensetzung von 4 X Kohlenstoff, 1 % Mangan, 1.2
% Silizium, 9.1 % Phosphor chargiert. Über die 16 Düsen im Konverterboden mit einem
Sauerstoffrohrdurchmesser von 28 mm führt man während der Frischzeit von 10 min
5000 Nm3 Sauerstoff und gleichzeitig durch die vier Aufblasdüsen mit einem Sauerstoffrohrdurchmesser
von 50 mm 5000 Nm3 Sauerstoff der Charge zu. Die zur Schlackenbildung benötigte
Kalkmenge von 15 t wird in pulverisierter Form ausschließlich dem Sauerstoff der
Bodendüsen aufgeladen. Die Beladungsraten variieren während der Frischzeit. Durch
das erfindungsgemäße Frisch-Verfahren konnte in diesem Q-BOP-Konverter ein um 12
t höherer Kühlschrottanteil,
entsprechend einer Steigerung von
6 Prozent punkten, verarbeitet werden. Die Frischzeit wird um ca. 20 % kürzer, womit
eine entsprechende Produktionserhöhung verbunden ist.
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Bei einer weiteren Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet
der 200 t-OBM/Q-BOP-Konverter nunmehr mit einer reduzierten Anzahl von Bodendüsen
und zwei oberhalb der Bad oberfläche angeordneten Sauerstoff-Aufblasdüsen. Der Konverter
verfügt jetzt über 10 in zwei Reihen angeordnete Düsen im Konverterboden gegenüber
einer Düsenanzahl von 16 beim Durchblas-Verfahren. Der Durchmesser der Sauerstoffeinleitungsrohre
im Boden beträgt 28 mm, und damit läßt sich die gesamte, zur Schlackenbildung erforderliche
Kalkmenge von 15 t, beim Frischen von phosphorarmem Roheisen, während einer verkürzten
Frischzeit von 8 min der Schmelze zuführen. Die erforderliche Gesamt-Sauerstoffmenge
von 10 000 Nin3 wird bei Blasraten von 70 000 Nm3/h ungefähr gleichmäßig auf die
Boden-und Aufblas-Düsen verteilt. Durch die Bodendüsenanordnlng in zwei Reihen,
d.h. einem schmalen Band parallel zur Konverterdrehachse, erzielt man ein größeres
freies Konvertervolumen für die Schmelze im Konverter, unter Beibehaltung des erforderlichen
Sicherheitsabstandes zwischen der Badoberfläche und den Düsen bei Probenahme- bzw.
Abstichstellung des Konverters. Es werden in diesem Konverter nunmehr Chargen bis
250 t Abstichgewicht erzeugt.
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Bei der Umstellung eines 100 t-Sauerstoff-Aufblaskonverters auf das
erfindungsgemäße Verfahren, hat man in der unteren Konverterseitenwand, ungefähr
20 cm über dem Konverterboden, zwei Ringschlitzdüsen installiert. Diese unterhalb
der Badoberflache angeordneten Düsen haben eine Ringschlitzbreite von 8 mm bei einem
mittleren Ringschlitzdurchmesser von 300 m. Über diese Ringschlitzdüsen werden in
die Schmelze während einer Frischzeit von
10 min 2500 Nm3 Sauerstoff
und die erforderliche Kalkmcnge für die Schlackenbildung von 6 t eingeleitet. Ungefähr
die gleiche Sauerstoffmenge wird mit der gleichen Blasrate von 15 000 Nm3/h über
die vorhandene, wassergekühlte Lanze auf das Bad aufgeblasen. Der Lanzenabstand
beträgt 2.50 m.
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Durch den beschriebenen Umbau des Sauerstoff-Aufblaskonverters nach
den Lehren der Erfindung, werden die prozeßmetallurgischen Vorteile der Durchblas-Technik
bei gleichzeitig erhöhtem Schrottsatz ausgenutzt.
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Es liegt im Sinne der vorliegenden Erfindung, anstelle von Schrott
auch andere Kühlmittel, wie beispielsweise Eisenschwamm, Pellets, Eisenerz und Kalkstein,
einzusetzen. Auch können ihre Merkmale, insbesondere hinsichtlich der Ausbildung
des Freistrahles, bei anderen Stahlfrischprozessen sinngemäß angewendet werden.
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Die Lehren der vorliegenden Erfindung können außerdem allgemein zur
Zuführung von Energie an Eisenschmelzen, wie z. B.
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an die Schmelze in einem Eisenbadreaktor, beschrieben in der deutschen
Offenlegungsschrift 25 20 883, angewendet werden.