DE4238020A1 - Verfahren für den Betrieb einer Multimediendüse und das Düsensystem - Google Patents

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.