DE4238020A1 - Verfahren für den Betrieb einer Multimediendüse und das Düsensystem - Google Patents
Verfahren für den Betrieb einer Multimediendüse und das DüsensystemInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren für den Betrieb von
Multimediendüsen bei metallurgischen Prozessen und diese Düse, die
mindestens über zwei Einleitungskanäle für verschiedene gasförmige,
flüssige, pneumatisch förderbare, feste Stoffe und beliebige Mischun
gen dieser Medien verfügt, und bei ihrer Anwendung eine oder
mehrere dieser Düsen unterhalb und/oder oberhalb der Badoberfläche
einer metallurgischen Schmelze in dem zugehörigen Reaktionsgefäß
angeordnet sind.
Bei vielen modernen metallurgischen Prozessen, die mit einer
Metallschmelze arbeiten, wie z. B. Raffinierverfahren bei der Blei-
und Kupfererzeugung und beim Stahlfrischen, kommen Düsen für die
Zufuhr von Reaktionspartnern unterhalb und oberhalb der Badober
fläche zum Einsatz. Bei der heutigen Stahlerzeugung mit reinem
Sauerstoff setzt man bei den LD-Konvertern wassergekühlte Lanzen
mit entsprechenden Düsenköpfen zum Sauerstoffaufblasen ein, und
zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Badbewegung wird Inert
gas durch Bodenspülelemente mit rohr- oder schlitzförmigen Gasein
leitungskanälen der Schmelze zugeführt.
Mit der Einführung des bodenblasenden Stahlfrischprozesses, dem
OBM-Verfahren, und dessen Weiterentwicklung, dem KMS-Prozeß,
haben Düsen zum Einleiten von Sauerstoff mit und ohne Kalkbela
dung, ummantelt von einem kohlenwasserstoffhaltigen Schutzmedium,
an Bedeutung gewonnen. Auch Aufblasdüsen, angeordnet oberhalb
der Stahlbadoberfläche in der Ausmauerung der Frischgefäße, für
die Zufuhr sauerstoffhaltiger Gase, um damit die Reaktionsgase im
Gasraum der Stahlproduktionskonverter nachzuverbrennen und die
Schrotteinschmelzkapazität zu erhöhen, sind in das Interesse der
Fachwelt gerückt.
Die deutsche Patentschrift 15 83 968 ist die Grundanmeldung für das
OBM-Verfahren und beschreibt das Frischen von Roheisen in einem
bodenblasenden Konverter, bei dem Sauerstoff und ein stickstofffreies
Mantelgas über im Konverterboden angeordnete Düsenrohre in die
Schmelze geblasen werden, und gekennzeichnet ist dieser Prozeß
durch die Kombination der an sich bekannten Maßnahmen mittels in
einer Bodenhälfte angeordneter Düsen eine gerichtete Umlaufbewegung
der Schmelze zu erzeugen und die Düsen mit Kohlenwasserstoffgas
als Mantelgas zu speisen. Der KMS-Prozeß, erstmals durch das
deutsche Patent 27 55 165 charakterisiert, ist gekennzeichnet durch
die Schrottsatzerhöhung beim Frischen von Roheisen in einem
Konverter, der Sauerstoffeinleitungsdüsen mit Schutzmediumummante
lung unterhalb und oberhalb der Badoberfläche aufweist, und bei
dem während eines wesentlichen Teiles der Frischzeit 20% bis 80%
der Frischsauerstoffmenge durch einen oder mehrere auf die
Badoberfläche gerichtete Gasstrahlen, die im Konvertergasraum als
Freistrahl wirken, der Schmelze zugeführt werden.
Neben diesen genannten Frischverfahren für die Stahlerzeugung
macht sich die Kohlevergasung im Eisenbad, wie u. a. in der
deutschen Offenlegungsschrift 25 20 883 beschrieben, die Eisenmetal
lurgie zunutze. Dieses Verfahren zur kontinuierlichen Vergasung von
Kohle oder kohlenstoffhaltigen Brennstoffen in einem Eisenbadreaktor
mit einer Schlackenschicht zu einem im wesentlichen aus CO und H2
bestehenden Gas, wobei Brennstoff und Vergasungsmittel unterhalb
der Badoberfläche des Eisenbades durch eine oder mehrere Düsen
eingeleitet werden, ist dadurch gekennzeichnet, daß Kohle oder
kohlenstoffhaltige Brennstoffe und Sauerstoff oder sauerstoffhaltige
Gase, letztere von Kohlenwasserstoffen ummantelt, der Schmelze
zugeführt werden.
Obgleich es bei den genannten Prozessen um unterschiedliche
Zielsetzungen geht, ist ihnen die Anwendung von Medieneinleitungs
düsen unterhalb und oberhalb der Metallschmelze gemeinsam. Aus
diesem Tatbestand ergibt sich die große Bedeutung dieser Medienein
leitungsdüsen hinsichtlich Konstruktion und Betrieb für die metallur
gischen Prozesse. Es sind demgemäß im Stand der Technik auch eine
Reihe von Düsensystemen und Betriebsverfahren für diese Düsen zu
finden.
Für das Stahlfrischen mit Unterbaddüsen kommen nach wie vor
hauptsächlich Systeme aus zwei konzentrischen Rohren zum Einsatz,
wie sie bereits das genannte erste OBM-Patent beschreibt. Die
schlackenbildenden Feststoffe, insbesondere Staubkalk, werden dem
Sauerstoff, der durch das Zentralrohr der Düse strömt, aufgeladen
und erfordern somit keinen getrennten Düseneinleitungskanal. Die
deutsche Patentschrift 23 24 086 bezieht sich auf eine Düsenkon
struktion mit einem dritten konzentrischen Rohr, in dem die
eigentliche Düse aus zwei konzentrischen Rohren verschiebbar
angeordnet ist. Die Vorteile dieser Erfindung bestehen u. a. in der
Reparaturmöglichkeit des Feuerfestmaterials in der unmittelbaren
Düsenumgebung.
Die deutsche Patentschrift 24 38 142 betrifft eine Düse zum Einleiten
von Reaktionsgas, dessen Düsenzentrum aus einem von Reaktionsgas
nicht durchströmtem festem Kern besteht, und die Medienzuführungs
kanäle sind Ringspalte oder weisen eine ringspaltähnliche Form auf.
In den Reaktionsgaseinleitungskanälen können sich auch Führungs
elemente, beispielsweise wendel- und schraubenförmige Leitbleche
befinden, die dem Reaktionsgas einen Drall verleihen und dazu
dienen, den Austrittswinkel dieser Gase zu vergrößern.
Im Zusammenhang mit der Kohlevergasung im Eisenbad sind weitere
Düsenkonstruktionen und Betriebsweisen genannt. So beschreibt die
deutsche Offenlegungsschrift 25 20 883 u. a. Düsen aus vier und
mehr konzentrischen Rohren und das Mischen der Reaktionspartner
Sauerstoff und Kohle vor der Düsenmündung, d. h. innerhalb der
Düse. Um diesen Mischvorgang zu bewirken, befindet sich innerhalb
der ersten beiden, gleich langen, konzentrischen Rohre, durch deren
Ringspalt das Düsenschutzmedium strömt, ein gegenüber diesen
beiden Außenrohren verkürztes Zentralrohr, und die Reaktionspartner
strömen einmal durch den Ringspalt neben dem Zentralrohr und zum
anderen durch das Zentralrohr selbst. Zur Beeinflussung der
Strömungscharakteristik der in die Schmelze zu leitenden Medien
nennt diese Anmeldung ebenfalls Leitelemente in den Ringspalten.
In den bekannten Veröffentlichungen über den Betrieb der Einlei
tungsdüsen für verschiedene Medien und Gas/Feststoff-Suspensionen
wird insbesondere betont, den Druck in jedem Einleitungskanal der
Düse ausreichend hoch zu halten, z. B. sind spezielle Steuerungen
bekannt, die bei einem Medienwechsel in einem Einleitungskanal den
geforderten Druck aufrechterhalten. Stellvertretend für eine Vielzahl
entsprechender Beschreibungen und Patente sei hier die Drucksteue
rung eines speziellen Ventils für die Medienversorgung von Düsen
gemäß der deutschen Patentschrift 31 43 795 genannt.
Aus der ständigen Durchströmung eines jeden Einleitungskanals einer
Medienzuführungsdüse resultieren auch Nachteile für den Betrieb der
metallurgischen Prozesse. Zum Beispiel, wenn man über einen
gesonderten Düsenkanal eine Gas/Feststoff-Suspension in die Metall
schmelze einbläst, und nach einer bestimmten Verfahrenszeit der
Feststoff, dies können unter anderem Schlackenbildner oder Brenn
stoffe sein, nicht mehr benötigt wird, ist nach den bekannten
Verfahren der Düsenkanal weiterhin mit dem Trägergas oder einem
anderen Inertgas mit ausreichend hohem Druck zu beaufschlagen, um
ihn betriebsbereit zu halten. Dies führt zu einem relativ hohen
Gasverbrauch und den damit verbundenen Kosten. Außerdem kühlt
das Gas auch gleichzeitig die Schmelze, und dieser Wärmeverlust
wirkt sich ungünstig auf die Prozeß-Wärmebilanz aus.
Die vorliegende Erfindung hat sich demzufolge die Aufgabe gestellt,
ein vorteilhaftes Verfahren für den Betrieb einer Medienzuführungs
düse und ein Düsensystem für die Zufuhr von zwei und mehr Medien
zu entwickeln, die es möglich machen, wirtschaftlich und mit hoher
Betriebssicherheit zu arbeiten, ohne die genannten Nachteile der
bekannten Düsen in Kauf zu nehmen. Dabei sollten die Einsatzmög
lichkeiten, die zuverlässige Regelung und die sichere Betriebsweise
der bekannten Düsensysteme erhalten bleiben und darüber hinaus
die Anwendung der neuen Medieneinleitungsdüsen den Medienver
brauch sowohl beim Betrieb oberhalb als auch unterhalb der
Metallbadoberfläche senken, und eine verbesserte Prozeßwärmebilanz
gewährleisten.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß bei einem Verfahren
der eingangs erwähnten Art während der Durchführung des
metallurgischen Prozesses mit wenigstens einer dieser Multimedien
düsen in mindestens einem der Medieneinleitungskanäle der Düse die
Medienzufuhr ausgeschaltet oder der Mediendruck auf weniger als
die Hälfte des Einschaltdruckes reduziert wird.
Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren für den Betrieb von
Multimediendüsen bei metallurgischen Prozessen, wobei die Düse über
mindestens zwei Einleitungskanäle für verschiedene gasförmige,
flüssige, pneumatisch förderbare, feste Stoffe und beliebige Mischun
gen dieser Medien verfügt, und bei ihrer Anwendung eine oder
mehrere dieser Düsen unterhalb und/oder oberhalb der Badoberfläche
einer metallurgischen Schmelze in dem zugehörigen Reaktionsgefäß
angeordnet sind, das dadurch gekennzeichnet ist, daß während der
Durchführung des metallurgischen Prozesses mit wenigstens einer
dieser Multimediendüsen in mindestens einem der Medieneinleitungs
kanäle der Düse die Medienzufuhr ausgeschaltet oder der Medien
druck auf weniger als die Hälfte des Einschaltdruckes reduziert
wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Multimediendüse zur
Durchführung des Verfahrens, die über mindestens zwei Einleitungs
kanäle verfügt und diese Kanäle im wesentlichen aus ineinander
geschachtelten, rohrförmigen Medieneinleitungsvorrichtungen, bevor
zugt aus konzentrisch angeordneten Rohren, bestehen und daß diese
Multimediendüse dadurch gekennzeichnet ist, daß in der äußeren
rohrförmigen Medieneinleitungsvorrichtung mit dem lichten Durchmes
ser a eine zweite Medieneinleitungsvorrichtung so angeordnet ist,
daß sie mindestens um die Länge b, die dem Durchmesser a
entspricht, in der äußeren Medieneinleitungsvorrichtung zurücksteht.
Gegenstand der Erfindung ist ferner die Anwendung des genannten
Verfahrens und der Multimediendüse zur Stahlerzeugung in beliebi
gen Frischgefäßen, bei der Raffinierung von Nichteisenschmelzen,
bei der Kohlevergasung, bei der Schmelzreduktion von Metallerzen
und bei der Entsorgung von Abfallstoffen, wie kontaminierten
Stäuben.
In nicht vorhersehbarer Weise ermöglicht das Verfahren gemäß der
Erfindung, in einer Multimediendüse, d. h. einer Einleitungsdüse mit
mindestens zwei Einleitungskanälen für verschiedene Medien, die
unterhalb und/oder oberhalb einer Metallbadoberfläche in einem
Reaktorgefäß eingebaut sein kann, das vollständige Ausschalten
eines Mediums oder mindestens die Zurücknahme des Förderdruckes
auf weniger als die Hälfte des Einschaltdruckes für dieses Medium.
Aus dieser überraschenden Erkenntnis, die geradezu im Gegensatz zu
der bekannten Auffassung steht, in jedem Medienzuführungskanal
einer Düse einen ausreichend hohen Gasdruck aufrechtzuerhalten,
ergeben sich für das erfindungsgemäße Verfahren eine Reihe von
sehr positiven Ausgestaltungen. Neben den gewünschten wirt
schaftlichen Verbesserungen, insbesondere durch die Einsparung von
Spülgas für die Düsenkanäle, wie es die bekannte Düsenbetriebs
weise verlangt, und der deutlichen Verringerung der Wärmeverluste,
da diese Spülgase nicht mehr aufzuheizen sind, erreicht man
insbesondere in Hinblick auf die Prozeßsteuerung, durch die
Einsparung von Regeleinrichtungen und Ventilen mit ihren Antriebs
vorrichtungen, weitere Vereinfachungen, die sich günstig auf die
Wirtschaftlichkeit und die Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen
Verfahrens auswirken.
Gemäß der Erfindung kann bei einer Unterbaddüse, die aus drei
konzentrischen Rohren besteht, wobei in dem äußeren Düsenrohr die
beiden anderen Düsenrohre etwa um die doppelte Länge des äußeren
Düsenrohrdurchmessers versetzt nach innen in dem äußeren Düsen
rohr angeordnet sind, nach beliebiger Betriebszeit die Zufuhr eines
der drei Medien vollständig abgeschaltet werden. Dient diese
Unterbaddüse beispielsweise zum Einleiten kohlenstoffhaltiger fester
Brennstoffe, wie beispielsweise Koks oder Kohle in Suspension mit
einem Trägergas (Stickstoff), sowie Sauerstoff und einem Düsen
schutzmedium, läßt sich die Brennstoffzufuhr nach vorberechneter
Einleitzeit ausschalten, ohne das Fördergas weiterströmen zu lassen.
Es kann auch beispielsweise zur Temperaturkorrektur der Metall
schmelze nach einer gewissen Unterbrechungszeit die Brennstoffzufuhr
wieder aufgenommen und erneut abgeschaltet werden. Die Anzahl
dieser Zufuhrunterbrechungen eines Mediums bis hin zur pulsieren
den Förderung ist beliebig wählbar. Bei dem Betrieb dieser
beschriebenen Unterbaddüse strömt normalerweise im äußeren Ring
spalt das Düsenschutzmedium, hauptsächlich gasförmige oder flüssige
Kohlenwasserstoffe, wie Erdgas, Propan, leichtes Heizöl, und durch
den nächsten Ringspalt leitet man Sauerstoff und durch das
Zentralrohr die Brennstoff/Fördergas-Suspension, beispielsweise
Anthrazitkohle und Stickstoff. Es kann aber auch durch das
Zentralrohr der Sauerstoff und durch den benachbarten Ringspalt
die Brennstoffzufuhr erfolgen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung muß die Medienzufuhr
nicht komplett abgeschaltet werden, sondern es kann eine Rest
strömung aufrechterhalten bleiben. Beispielsweise beträgt der Druck
am Eingang der Multimediendüse für die Brennstoff/Gas-Suspension
etwa 4 bar, und bei einer Teilabschaltung kann das Fördergas
beispielsweise mit einem Druck von 1,5 bar weiterströmen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfah
rens kann die beschriebene Düse auch über vier Medieneinleitungs
kanäle verfügen und somit im einfachsten Fall aus vier konzentri
schen Rohren aufgebaut sein, wobei zusätzlich z. B. im Ringspalt
neben dem Zentralrohr Luft oder vorgewärmte Luft in die Metall
schmelze geleitet wird und beim Ausschalten der Brennstoffzufuhr
kann auch die Luftströmung unterbrochen oder auf eine minimale
Restmenge reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann ebenso erfolgreich für das
Aufblasen unterschiedlicher Medien auf die Metallbadoberfläche
angewendet werden. Beispielsweise läßt es sich erfolgreich für die
Nachverbrennung der aus einer Metallschmelze austretenden
Reaktionsgase, hauptsächlich CO und H2, einsetzen und verbessert
sogar von Fall zu Fall die Rückübertragung der aus der
Nachverbrennung gewonnenen Wärme an die Metallschmelze. Unter
anderem wird das Verfahren gemäß der Erfindung bei dem
KES-Prozeß, beschrieben in dem deutschen Patent 36 39 055, zum
gesteigerten Energieeinbringen erfolgreich eingesetzt. Es ließ sich
damit auch die Wärmeübertragung aus der Reaktionsgasnachverbren
nung steigern.
Die erfindungsgemäße Multimediendüse kann als Aufblasdüse auch
aus drei oder mehr konzentrischen Rohren aufgebaut sein, wobei die
inneren Rohre im äußeren Düsenrohr um mindestens dem Durchmesser
des äußeren Düsenrohres zurückliegend angeordnet sind, und bei der
erfindungsgemäßen Anwendung dieser Multimediendüse wird minde
stens in einem der Medieneinleitungskanäle der Medienstrom während
des Prozesses mindestens einmal ausgeschaltet oder erheblich
zurückgenommen, d. h. der Mediendruck auf weniger als die Hälfte
des Einschaltdruckes reduziert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung verfügt die
oberhalb der Badoberfläche angeordnete Multimediendüse über ein
zwangsgekühltes, z. B. luft- und/oder wassergekühltes, Außenrohr,
und darin zurückversetzte Innenrohre, beispielsweise drei zurück
versetzte konzentrische Rohre, wobei durch den ersten Ringspalt
neben dem wassergekühlten Außenrohr Luft strömt, durch den
zweiten Ringspalt Kohlestaub und durch den dritten Ringspalt neben
dem Zentralrohr Erdgas und durch das Zentralrohr Sauerstoff. Je
nach Betriebsweise, können einer, zwei oder drei dieser Medien
ströme ausgeschaltet werden. Zum Beispiel hat es sich beim Betrieb
der Multimediendüse bewährt, nach einer Einschaltphase, in der die
vier Medien wie beschrieben strömen, ungefähr nach der halben
Chargenzeit, alle anderen Medien bis auf den Sauerstoff abzuschal
ten, und nur noch Sauerstoff zur Nachverbrennung der Reaktionsgase
in den Gasraum des Frischgefäßes einzuleiten.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung ist es möglich, zur
Erzielung höherer Austrittsgeschwindigkeiten und damit gesteigerter
Mediendurchsatzraten, die Düsenmündung, die Mündungen der
einzelnen Medienzuführungskanäle und insbesondere die Mündung des
Zentralrohres als Laval-Düse auszubilden. Es liegt weiterhin im
Sinne der Erfindung, die Oberflächen der einzelnen Medien
einleitungskanäle verschleißfest zu gestalten. Dies kann z. B. durch
Hartverchromen oder Auftragsschweißung erfolgen. Als vorteilhaft
haben sich eingekittete Keramikrohre erwiesen, insbesondere in den
Kanälen, die dem Transport von Gas/Feststoff-Suspensionen dienen.
Weiterhin liegt es im Sinne der Erfindung, gleiche oder unterschied
liche Materialien für die Medienzuführungskanäle, d. h. bevorzugt
für die konzentrischen Rohre, einzusetzen. Zum Beispiel kann bei
wassergekühlten Außenrohren Kupfer Verwendung finden, während die
anderen Rohre aus normalem Stahl oder Edelstahl bis hin zu
verschleißfesten Sonderstahllegierungen hergestellt sind.
In den Versorgungsleitungen für die einzelnen Medien bewährt es
sich, Rückschlagventile bzw. Rückschlagklappen einzubauen. Bevor
zugt werden diese Rückschlagventile zwischen der Sammelversor
gungsleitung und der Multimediendüse, d. h. in der Zuführungslei
tung für jeden einzelnen Medienkanal, angeordnet.
Bei der erfindungsgemäßen Anwendung der Multimediendüse als
Aufblasdüse ist sie oberhalb der Metallbadoberfläche, bevorzugt die
feuerfeste Ausmauerung des Reaktionsgefäßes durchdringend, ange
ordnet, beispielsweise in der Seitenwand oder im oberen konischen
Teil eines Stahlerzeugungskonverters oder im Gewölbe eines langge
streckten Kupferraffinierofens. Meistens ist die Multimediendüse dann
aus drei oder mehreren konzentrischen Rohren aufgebaut und über
die einzelnen Ringspalte und das Zentralrohr werden die verschie
denen Medien, wie sie der metallurgische Prozeß erfordert, auf die
Badoberfläche geblasen. Die Düse weist mindestens zwei Medieneinlei
tungskanäle auf, wovon gemäß dem Verfahren für den Betrieb der
Multimediendüse ein Medium während der Betriebszeit des metallurgi
schen Prozesses mindestens ein- oder mehrmals ausgeschaltet werden
kann. Bei mehr als zwei Einleitungskanälen in einer Multimedien
düse lassen sich demgemäß bis auf ein Medium alle anderen
abschalten.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Multimedien
düse besteht darin, sie lanzenförmig auszubilden und beweglich in
der Wand bzw. im Deckel des metallurgischen Reaktionsgefäßes
einzubauen. Diese bewegliche Anordnung der Multimediendüse erlaubt
es, sie vor jeder Betriebsreise in einer optimalen Aufblasposition zu
stationieren oder die Blasrichtung der Düse zwischen den einzelnen
Prozeßabschnitten und auch während des Prozeßablaufes in bezug
auf die Metallbadoberfläche zu variieren. In gewissen Grenzen läßt
sich auch die Einbauhöhe der Multimediendüse durch Verschieben in
Richtung ihrer Längsachse verändern. Es haben sich beispielsweise
Aufblaswinkel für die Gasstrahlen der Multimediendüse zwischen 20°
bis 90° gegenüber der ruhenden Badoberfläche bewährt. Die
Variation der Aufblashöhe, d. h. die Höhe zwischen der ruhenden
Badoberfläche und der Mündung der Multimediendüse ist abhängig
von der Gefäßhöhe relativ frei wählbar. In der Praxis haben sich
hier Veränderungsbereiche um etwa 1 m, beispielsweise von einer
Höhe 1,50 bis 2,50 m oberhalb der Badoberfläche oder von 2,50 bis
3,50 m bis hin zu etwa 9 m bis 10 m als günstig erwiesen.
Erfindungsgemäß wird bei der lanzenförmigen Ausbildung der
Multimediendüse eine Zwangskühlung des äußeren Düsenrohres
bevorzugt.
Es liegt im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens, neben dem
äußeren Düsenrohr maximal ein weiteres Düsenrohr vorzuziehen, so
daß diese beiden äußeren Düsenrohre von ungefähr gleicher Länge
einen Ringspalt bilden, durch den während des Betriebes der
metallurgischen Prozesse vorzugsweise ein Düsenschutzmedium strömt.
In diesen zwei äußeren vorgezogenen Düsenrohren ist mindestens ein
weiteres, zurückversetztes Düsenrohr angeordnet. Der Mündungsraum
bei dieser Düsenausführung wird durch das innere der beiden
vorgezogenen äußeren Düsenrohre und dem zurückversetzten einen
oder weiteren Düsenrohren gebildet. Dabei ist dieses Innenrohr um
den Abstand b, der mindestens dem Durchmesser a des inneren
vorgezogenen Rohres entspricht, gegen über der Düsenspitze zurück
versetzt angeordnet. Diese Ausführungsform der Multimediendüse hat
sich bei dem Verfahren für ihren Betrieb bei metallurgischen
Prozessen sowohl als Aufblasdüse und auch als Unterbaddüse
bewährt. Bevorzugt setzt man sie jedoch zum Einleiten der
Reaktionsmittel unterhalb der Badoberfläche ein.
Bei der Unterbadausführung der erfindungsgemäßen Multimediendüse
können die im äußeren Düsenrohr oder die innerhalb der zwei
vorgezogenen äußeren Düsenrohre angeordneten, weiteren konzentri
schen Rohre in Düsenlängsachse verschiebbar eingebaut sein,
vorzugsweise derart, daß man die inneren Rohre in Richtung zur
Gefäßaußenseite hin bewegen kann. Mit dieser Rückzugsmöglichkeit
der Medieneinleitungskanäle in den maximal zwei äußeren vorgezoge
nen Düsenrohren ist die Voraussetzung geschaffen, einen Abstand b,
der mindestens dem Durchmesser des inneren vorgezogenen Düsen
rohres entspricht, zwischen der Mündung der Düse und der
zurückliegenden Innenrohre jederzeit aufrechtzuerhalten. Dadurch
wird erfindungsgemäß vermieden, daß eines oder mehrere der
inneren Düsenrohre gegenüber den äußeren vorgezogenen Düsenrohren
hervorstehen, d. h. weiter als das äußere Düsenrohr in die
Metallschmelze hineinragen, wie es u. a. in der deutschen Patent
schrift 17 58 816 in Fig. 1 dargestellt ist. Dieser Betriebszustand
der Multimediendüse ist unerwünscht und erfindungsgemäß bei der
Anwendung einer Multimediendüse zu vermeiden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren für den Betrieb einer
Multimediendüse hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Abschalt-
bzw. Drosselvorrichtungen, um die Medienzufuhr zu den Einleitungs
kanälen auszuschalten oder den Mediendruck auf weniger als die
Hälfte des Einschaltdruckes zu reduzieren, nicht direkt am
Reaktionsgefäß oder unmittelbar am Düsenflansch zu montieren,
sondern in den Bereich normaler Umgebungstemperatur zu verlegen.
Zum Beispiel sind bei einem Konverter zur Stahlherstellung diese
Schaltorgane von den Düsen stromaufwärts gesehen vor den
Konverterdrehzapfen einzubauen, durch den dann die Leitungen zu
den Düsen geführt werden. Für die Funktion dieser Abschalt- bzw.
Drosselventile hat es sich in Hinblick auf ihre Betriebssicherheit
bewährt, sie in einer Umgebung mit üblicher Raumtemperatur
anzuordnen.
Eine mögliche Erklärung für die überraschende Wirkung des
erfindungsgemäßen Verfahrens für den Betrieb einer Multimediendüse
kann darin gesehen werden, daß beim Abschalten der Medienzufuhr
für einen Medieneinleitungskanal die stark turbulente Strömung im
vorderen Raum der Düse, der über eine Länge b (mindestens
entsprechend dem Durchmesser a des äußeren Düsenrohres oder bei
zwei vorgezogenen äußeren Düsenrohren dem Durchmesser a des
inneren dieser beiden vorgezogenen Düsenrohre) nur von den
vorgezogenen äußeren Düsenrohren gebildet wird, ein Einströmen von
Metallschmelze in diesen sogenannten Mündungsraum der Multimedien
düse verhindert wird. Beim Abschalten einer Medienzufuhr strömt
mindestens ein, oder abhängig von der Düsenbeaufschlagung, weitere
Medien mit ungefähr Schallgeschwindigkeit in den Mündungsraum der
Multimediendüse. Um diese relativ hohe Mediengeschwindigkeit zu
gewährleisten, liegt es im Sinne der Erfindung, mit einem
Medienvordruck von mindestens 3 bar am Düseneingang zu arbeiten.
Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung kann z. B. das
Zentralrohr der Multimediendüse als Laval-Düse ausgebildet sein und
damit strömt das Medium aus diesem Medieneinleitungskanal mit
Überschallgeschwindigkeit in den Mündungsraum der Düse ein.
Eine weitere, denkbare Begründung für die gute Haltbarkeit der
Multimediendüse bei ihrer Unterbadanordnung ist eventuell durch die
Vormischung von oxidierenden Gasen, beispielsweise Sauerstoff oder
Luft, mit dem Düsenschutzmedium, beispielsweise Erdgas, im
Düsenmündungsraum gegeben. Eine der Erklärungen für die Wirkung
der Kohlenwasserstoffe zum Schutz der Unterbaddüsen besteht nämlich
darin, daß sie eine Reaktionsverzögerung zwischen Sauerstoff und
Metallschmelze bewirken und dies kann gegebenenfalls durch das
Vormischen dieser beiden Medien im Düsenmündungsraum verbessert
werden. Darüber hinaus ist es bekannt, daß bei normalen
Unterbaddüsen aus zwei konzentrischen Rohren ein hoher Anteil des
Düsenschutzmediums als vagabundierendes Gas in der feuerfesten
Ausmauerung für den Düsenschutz verlorengeht. Bei der erfindungs
gemäßen Multimediendüse kann durch das Einleiten des Düsenschutz
mediums in den Mündungsraum gegebenenfalls die Ausnutzung der
Kohlenwasserstoffe für den direkten Düsenschutz besser sein.
Nunmehr werden das erfindungsgemäße Verfahren und die Multi
mediendüse durch Darstellungen und nichteinschränkende Beispiele
näher erläutert.
Fig. 1 zeigt den Längsschnitt durch eine unterhalb der Metallbad
oberfläche im feuerfesten Mauerwerk des metallurgischen Reaktions
gefäßes eingebaute Multimediendüse.
Fig. 2 stellt den Längsschnitt durch eine wassergekühlte Multi
mediendüse dar, wie sie normalerweise oberhalb der Metallbadober
fläche im Reaktorgefäß eingebaut ist.
Nach Fig. 1 befindet sich unterhalb der Metallschmelze 1 im
feuerfesten Mauerwerk 2 das äußere Düsenrohr 3 der Multimedien
düse. In dem äußeren Düsenrohr 3 ist ein weiteres vorgezogenes
Düsenrohr 7 angeordnet, und diese beiden Düsenrohre 3 und 7
bilden den äußeren vorgezogenen Ringspalt 9, durch den während
der Betriebszeit vorzugsweise ein Düsenschutzmedium strömt. Das
Düsenrohr 7 weist einen Durchmesser 4 mit der Bezeichnung "a" auf.
An der Düsenmündung ist der typische Düsenansatz 5, auch
Mushroom genannt, zu erkennen. Die feuerfeste Ausmauerungsober
fläche ist durch die Linie 6 markiert.
In den beiden vorgezogenen äußeren Rohren 3 und 7 der
Multimediendüse sind zwei weitere konzentrische Rohre 35 und 8
angeordnet, die von außen nach innen gesehen die zurückversetzten
Medieneinleitungskanäle 10 und 36 mit kreisringförmigem Querschnitt
bilden. Der zentrale Medieneinleitungskanal 11 hat einen kreisförmi
gen Querschnitt mit dem Innendurchmesser des Rohres 8. Die Rohre
35 und 8 sind um die Länge 12 mit der Bezeichnung "b" in den
beiden äußeren Rohren 3 und 7 zurückversetzt eingebaut.
Der Mündungsraum der Multimediendüse ist demgemäß durch die
Länge bzw. Höhe 12 mit der Bezeichnung "b" und den Innendurch
messer des Rohres 7 mit der Bezeichnung "a" definiert.
Diese Multimediendüsen, angeordnet in der feuerfesten Ausmauerung
unterhalb der Metallbadoberfläche, haben sich u. a. bei der
Stahlerzeugung in Sauerstoffdurchblaskonvertern bewährt. In einem
60-t-KMS-Konverter arbeitet man mit unterschiedlichen Schrottsätzen
und paßt sich damit den Produktionsforderungen an. Um den
Schrottsatz von 10 t auf 20 t zu erhöhen, bläst man ca. 2200 kg
Koks und zusätzlich ca. 2000 Nm3 Sauerstoff in die Schmelze. Im
Boden des KMS-Konverters sind sechs der beschriebenen Multimedien
düsen eingebaut. Beim Stahlfrischen strömen durch ihre äußeren
Medienkanäle 9 ca. 20 Nm3/min Erdgas, was einer Menge von ca.
8%, bezogen auf den Sauerstoffdurchsatz, entspricht. Durch den
zweiten Medieneinleitungskanal 10 führt man der Schmelze Luft,
durch den dritten Kanal 36 Sauerstoff und durch den zentralen
Medienkanal 11 gemahlenen Koks in Suspension mit Stickstoff zu. Die
Blasraten für den Koks betragen ca. 180 kg/min und für den
Sauerstoff ca. 250 Nm3/min. Nach ca. 12 Minuten Blasezeit wird die
Kokszufuhr durch den Medieneinleitungskanal 11 und die Luftzufuhr
durch den Kanal 10 ausgeschaltet. Von diesem Zeitpunkt an strömen
nur noch Sauerstoff durch den Medieneinleitungskanal 36 und Erdgas
durch den äußeren Medieneinleitungskanal 9. Nach weiteren 5 Minu
ten, d. h. einer Gesamtblasezeit von 17 Minuten, ist die Charge
fertiggefrischt und wird mit einem Kohlenstoffgehalt von ca. 0,02%
aus dem Konverter abgestochen.
Die beschriebenen Multimediendüsen im Boden eines Konverters für
die Stahlerzeugung verschleißen gleichmäßig mit dem umgebenden
feuerfesten Mauerwerk 2. Die beiden äußeren Düsenrohre 3 und 7
brennen normalerweise mit einer Verschleißrate von weniger als
1 mm/Charge zurück. Die beiden inneren konzentrischen Düsenrohre
35 und 8 können mit einer nicht dargestellten Vorrichtung nach
außen hin verschoben werden, um die Länge 12 mit der Bezeichnung
b auf ein gewünschtes Maß für den Düsenmündungsraum einzustellen.
Erfahrungsgemäß zieht man die Düsenrohre 35 und 8 ungefähr alle
30 bis 50 Schmelzen um etwa den Wert des Durchmessers 4 mit der
Bezeichnung a zurück.
Die Multimediendüse gemäß Fig. 2 besteht aus dem äußeren
Düsenrohr 15, das zwangsgekühlt wird. In diesem Fall handelt es
sich um eine Wasserkühlung, und das Kühlmittel strömt durch den
Kanal 16. Weiterhin verfügt diese Düse über zwei konzentrische,
innere Düsenrohre 17 und 18, und somit entstehen von außen nach
innen gesehen, die Medieneinleitungskanäle 19, 20 und 21. Der
Düsenmündungsraum weist den Durchmesser 22 mit der Bezeichnung a
und die Länge 23 mit der Bezeichnung b auf. Zusätzlich ist das
Düsenrohr 18 noch einmal um die Länge 24 mit der Bezeichnung c im
Düsenrohr 17 zurückversetzt angeordnet.
Die in Fig. 2 dargestellte Multimediendüse weist eine lanzenähnli
che Form auf, die sich hauptsächlich durch das äußere wasserge
kühlte Düsenrohr 15 ergibt, und diese erfindungsgemäße Düse eignet
sich bevorzugt als Aufblasdüse für die verschiedenen metallur
gischen Prozesse. So wird sie beispielsweise bei der Stahlerzeugung
nach dem KES-Verfahren im Deckel des Ofens montiert und als Heiz-
bzw. Nachverbrennungsdüse eingesetzt. Dabei kann die Multimedien
düse durch ihre bewegliche Aufhängung auf beliebige Aufblaswinkel
in bezug auf die Metallbadoberfläche eingestellt werden.
Vorteilhaft hat es sich beim Betrieb im Frischgefäß erwiesen, die
Medieneinleitungskanäle von außen nach innen mit Erdgas durch den
Kanal 19, Kohlestaub durch den Kanal 20 und Sauerstoff durch das
Zentralrohr 21 zu beschicken. Nach ungefähr der halben Chargenzeit
bei der Stahlerzeugung werden alle Medien, bis auf Sauerstoff,
abgeschaltet, und es strömt dann nur noch Sauerstoff durch den
Kanal 21 der Multimediendüse. Mit dieser Betriebsweise ließ sich
eine sehr vorteilhafte Wärmeausnutzung durch die Nachverbrennung
der Reaktionsgase im Gasraum des Ofens erreichen und eine
deutliche Einsparung an elektrischer Energie erzielen.
Die Multimediendüse für den Aufblasbetrieb bei metallurgischen
Prozessen kann selbstverständlich abweichend von Fig. 2 über vier
und mehr Einleitungskanäle verfügen. Bei vier Medieneinlei
tungskanälen strömt im äußeren Ringspalt Erdgas, im nächsten
Kanal Luft, dann Kohlestaub und im Zentralrohr Sauerstoff.
Es hat sich bei der großtechnischen Anwendung des Verfahrens zum
Betrieb einer Multimediendüse als zweckmäßig herausgestellt, die
Düse beim Einsatz oberhalb der Schmelze, also als Aufblasdüse oder
Lanze, im Zentralkanal mit Sauerstoff zu betreiben und beim Einsatz
als Unterbaddüse durch den zentralen Medieneinleitungskanal die
kohlenstoffhaltigen Brennstoffe zu leiten.
Gemäß der Erfindung kann man das Verfahren für den Betrieb von
Multimediendüsen und die Multimediendüse selbst den verschiedenen
Betriebsbedingungen der metallurgischen Prozessen anpassen, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Als Beispiel sei hier die
Entsorgung von kontaminierten Stäuben genannt. Dabei können die
Stäube einmal dem Brennstoff, wie pulverisierter Koks, den man zum
Ausgleich der Prozeßwärmebilanz in die Metallschmelze leitet,
beigemischt werden, oder zum anderen läßt sich ein kontaminiertes
pulverförmiges Material oder lassen sich gleichzeitig mehrere dieser
gefährlichen Stäube durch einen oder weitere zusätzliche Medienein
leitungskanäle der Multimediendüse in ein Metallbad einleiten oder
auf dieses aufblasen. Es liegt somit im Sinne der Erfindung, die
vielfältigen Möglichkeiten der Multimediendüse und ihres Betriebsver
fahrens entsprechend zu variieren und gleichzeitig für das einzelne
metallurgische Verfahren zu optimieren.
Claims (13)
1. Verfahren für den Betrieb von Multimediendüsen bei metallur
gischen Prozessen, wobei die Düse über mindestens zwei Einleitungs
kanäle für verschiedene gasförmige, flüssige, pneumatisch förderbare
feste Stoffe und beliebige Mischungen dieser Medien verfügt, und bei
ihrer Anwendung eine oder mehrere dieser Düsen unterhalb und/oder
oberhalb der Badoberfläche einer metallurgischen Schmelze in dem
zugehörigen Reaktionsgefäß angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
daß während der Durchführung des metallurgischen Prozesses mit
wenigstens einer dieser Multimediendüsen in mindestens einem der
Medieneinleitungskanäle der Düse die Medienzufuhr ausgeschaltet oder
der Mediendruck auf weniger als die Hälfte des Einschaltdruckes
reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Medienzufuhr in mindestens einem Einleitungskanal der Multimedien
düse mehrfach abgeschaltet und wieder in Betrieb genommen wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Mediendruck in mindestens einem Einleitungskanal der Multimediendüse
mehrfach auf weniger als die Hälfte des Einschaltdruckes reduziert
und wieder heraufgesetzt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß die Medienzufuhr gleichzeitig in
mindestens zwei Einleitungskanälen der Multimediendüse abgeschaltet
oder der Druck auf weniger als die Hälfte des Einschaltdruckes
reduziert wird.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, daß beim Betrieb der Multimediendüse
oberhalb der Badoberfläche in einem metallurgischen Gefäß insbesonde
re bei dem Betrieb als Nachverbrennungsdüse für die Reaktionsgase
aus der metallurgischen Schmelze, die Multimediendüse lanzenförmig
ausgebildet ist und die Aufblashöhe und/oder der Aufblaswinkel
verstellbar sind.
6. Multimediendüse zur Durchführung des Verfahrens nach den
Ansprüchen 1 bis 5, die über mindestens zwei Einleitungskanäle
verfügt und diese Kanäle im wesentlichen aus ineinander geschachtel
ten, rohrförmigen Medieneinleitungsvorrichtungen, bevorzugt aus
konzentrisch angeordneten Rohren, bestehen, dadurch gekennzeichnet,
daß in der äußeren rohrförmigen Medieneinleitungsvorrichtung mit dem
lichten Durchmesser a eine zweite Medieneinleitungsvorrichtung so
angeordnet ist, daß sie mindestens um die Länge b, die dem
Durchmesser a entspricht, in der äußeren Bedieneinleitungsvorrichtung
zurücksteht.
7. Multimediendüse nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß in der zweiten Medienzuführungsvorrichtung eine weitere oder
mehrere Medienzuführungsvorrichtungen angeordnet sind, die in der
zweiten Medieneinleitungsvorrichtung zurückstehen oder mit ihr
ungefähr auf gleicher Höhe enden.
8. Multimediendüse nach den Ansprüchen 6 und 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die Medienzuführungsvorrichtungen Rohre in
konzentrischer Anordnung sind und aufgrund der unterschiedlichen
Rohrdurchmesser zwischen den einzelnen Rohren Ringspalte entstehen,
deren gleichmäßige Ringspaltbreite durch Abstandshalter zwischen den
Rohren gewährleistet wird.
9. Multimediendüse nach einem oder mehreren der Ansprüchen 6
bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des Zentralrohres
(zentrale Medienzuführungsvorrichtung) als Laval-Düse ausgebildet
ist.
10. Multimediendüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 6
bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre/Medienzuführungsvor
richtungen verschleißfeste Oberflächen aufweisen.
11. Multimediendüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 6
bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Medienzuführungsvor
richtung zwangsgekühlt, vorzugsweise wassergekühlt, wird.
12. Multimediendüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 6
bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Medienzuführungsvorrichtun
gen aus gleichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt sind.
13. Multimediendüse nach einem oder mehreren der Ansprüche 6
bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß in den Versorgungsleitungen für
die Medienzuführungsvorrichtungen Rückschlagventile eingebaut sind.
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