"DÜSeneinrichtung bei bodenblasenden Konvertern" Die Erfindung
bezieht sich auf eine Düseneinrichtung bei bodenblasenden Konvertern zum Frischen
von Roheisen zu Stahl, in deren Boden Düsen aus konzentrischen Rohren zum Einblasen
von jeweils von einem Mantelgas umgebenen Sauerstoffstrahlen angeordnet sind. In
der Vergangenheit sind zahlreiche Versuche gemacht worden, den herkömmlichen bodenblasenden
Konverter mit reinem Sauerstoff zu betreiben. Diese Versuche haben jedoch bislang
nur insofern zum Erfolg geführt, als eine Reihe von Verfahren zum Betrieb von Konvertern
mit sauerstoffangereichertem Wind bekannt geworden sind. Die Erhöhung des Sauerstöffgehaltes
im Blaswind führte jedoch zu einem wesentlich schnelleren Verschleiß des Konverterbodens,
obgleich der Blaswind durch aus je einem Kupferrohr bestehenden Düsen eingeblasen
wurde. Wegen des starken Bodenverschleißes und des mit dem erhöhten Sauerstoffangebot
verbundenen verstärkten Anfalls an braunem Rauch sind in der Praxis Sauerstoffgehalte
von 4096 nicht überschritten worden. Diese Obergrenze für den Sauerstoffgehalt führte
dazu, daß der als schädlich bekannte Stickstoffgehalt des Konverterstahls nicht
unter ein bestimmtes Niveau gesenkt
werden konnte. Aus diesem Grunde
ist der bodenblasende Konverter in den letzten Jahren im zunehmenden Maße durch
das Sauerstoffaufblas-Verfahren verdrängt worden. Es sind auch bereits Versuche
gemacht worden, über einen mit Kupferrohren versehenen Düsenboden reinen Sauerstoff
in einen Konverter einzublasen. Diese Versuche haben jedoch zu keinem Erfolg geführt,
da die Kupferrohre innerhalb kürzester Frist verbrannten, so daß der Konverterboden
nicht weiter verwendet werden konnte. Um ein vorzeitiges Abbrennen der Kupferrohre
zu vermeiden, sind auch bereits Versuche gemacht worden, einen wassergekühlten Kupferboden
zu verwenden. Diese Versuche haben aber wegen der mit der Verwendung einer Wasserkühlung
im Konverterboden verbundenen großen Gefahren, insbesondere bei den heute üblichen
Konvertereinheiten nicht zum Erfolg geführt. Nach einem aus der US-Patentschrift
2 855 293 bekannten Verfahren wird reiner Sauerstoff mit so hohem Druck über Kupferdüsen
in einen Konverter eingeblasen, das sich an der Düsenmündung aufgrund des bekannten
Joules-Thompson-Effektes beim Entspannen des Sauerstoffs Kühlung ergibt. Dieses
Verfahren erfordert in der Praxis jedoch Drücke über 80b und damit besondere Anlagen
für die Sauerstofferzeugung bzw. -kompression. Weiterhin besitzt das bekannte Verfahren
den Nachteil, daß der extrem hohe Sauerstoffdruck zu einem sehr -unruhigen Blasverlauf
und zu einem im Vergleich zum herkömmlichen-Windfrischen sehr starken Anfall an
braunem Rauch führt.. Aus der US-Patentschrift 3 330 645 ist es bekannt, über im
Konverterboden angeordnete Düsenrohre Sauerstoff einzublasen
und
kreisförmig um jedes Düsenrohr von einem gemeinsamen Ringkanal ausgehende Kühl-
bzw. Mantelgaskanäle beispielsweise für Wasserdampf oder Kohlendioxyd anzuordnen.
Bei einem solchen Konverterboden ergeben sich jedoch dieselben Schwierigkeiten wie
beim Einblasen reinen Sauerstoffs über Porössteine, da die mehr oder minder starke
Verschlackung des Porösmaterials sehr bald zu einem verminderten Gasdurchlaß führt.
Aus der französischen Patentschrift 1 450 718 ist schließlich ein Konverter bekannt
geworden, in dessen Bodenmitte eine Düse aus einem Innenrohr für Sauerstoff und
einem konzentrischen Außenrohr für ein Kühl- bzw. Mantelgas angeordnet ist. Auch
bei einem solchen Konverter ergeben sich angesichts der außerordentlich heftigen
Reaktion des eingeblasenen Sauerstoffs mit der Schmelze hinsichtlich der Düsen-
und Bodenhaltbarkeit erhebliche Schwierigkeiten.
So haben Versuche gezeigt, daß die Düse zwar wirksam geschützt werden
konnte, daß sich gleichzeitig aber Ansätze an der Düse bildeten, rle mit der Zeit
zu einem Verschließen der Düsen führten. Außerdem wurde beobachtet, daß der Verschleiß
des Konverterbodens größer war als der Düsenverschleiß und demzufolge die Düsenenden
bald über das BodennJmau hinausragten. Dies bringt die Gefahr eines Verbf egens
und Verschließens der Düsenöffnungen beim Chargieren fester@Stoffe, insbesondere
Schrott mit sich. Jede Beeinträchtigung des Blasquerschnitts wirkt sich aber bei
einem mit Sauerstoff betriebenen Konverter besonders schwerwiegend aus, weil wegen
des Fehlens des Ballaststickstoffs der Konverterboden nur mit wenigen Düsen besetzt
ist. Der Ausfall einer einzigen Düse macht sich daher bei einem solchen Konverter
in viel stärkerem Maße bemerkbar als bei einem herkömmlichen Konverter, dessen Boden
zur Gänze mit
einer Vielzahl von Einzeldüsen besetzt ist. Die der
Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, eine Düseneinrichtung der
eingangs erwähnten Art zu schaffen, deren Düsen weder zu schnell noch zu langsam
abbrennen, so daß sich die Düsenöffnungen stets etwa auf demselben Niveau mit dem
Konverterboden befinden. Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, die Düsenrohre
erfindungsgemäß aus einem Werkstoff zu fertigen, dessen Abbrandbeständigkeit im
umgekehrten Verhältnis zur Kühlwirkung des Mantelgases steht. Die Wahl des Düsenwerkstoffs
unter Berücksichtigung der Kühlwirkung des jeweiligen Mantelgases bringt den Vorteil
mit sich, daß eine zu starke Kühlwirkung des Mantelgases durch eine geringe Beständigkeit
des Düsenwerkstoffs oder eine zu geringe Kühlwirkung des Mantelgases durch eine
größere Beständigkeit des Düsenwerkstoffs ausgeglichen werden können, Auf diese
Weise wird sowohl ein Hervorstehen der Düsenenden über den Konverterboden als auch
die Bildung von trichterförmigen Ausnehmungen infolge einer zu geringen Kühlwirkung
des Mantelgases vermieden. Eine weitere Verbesserung der Bodenhaltbarkeit ergibt
sich, wenn die Düsenrohre erfindungsgemäß aus einem Werkstoff gefertigt sind, dessen
Abbrandgeschwindigkeit dem Verschleiß des die Düsen umgebenden Futterwerkstoffs
entspricht. Die Berücksichtigung des normalen Bodenverschleißes einerseits und der
Kühlwirkung des Mantelgases andererseits bei der Wahl des Werkstoffs für die Düsenrohre
führt dazu, daß ein mit einer erfindungsgemäßen Düseneinrichtung versehener Konverterboden
eine Lebensdauer besitzt, die das Fünffache der Haltbarkeit herkömmlicher Konverterböden
übersteigt.
Dies gilt, wie die Praxis gezeigt hat, insbesondere
dann, wenn das Sauerstoffrohr aus einem Stahl mit 15% Chrom oder aus einem Chrom-Nickel-Stahl
mit 23% Chrom und 10% Nickel besteht. Versuche haben ergeben, @daß bei der Verwendung
von Düsenrohren aus reinem Kupfer mit einem Innendurchmesser von 12 mm und bei 5Vol%
Propan, bezogen auf den Sauerstoff als Mantelgas in einem-Konverterboden 6 (Fig.
6) mit mehreren konzentrisch angeordneten Mantelgasrohren 7 und Sauerstoffrohren
8 die Düsen infolge der für den Düsenwerkstoff zu starken Kühlung bereits nach wenigen
Schmelzen aus dem Boden herausragten. Außerdem bildeten sich an den hervorstehenden
Düsenenden Ansätze, wie sie in Fig. 1 schematisch dargestellt sind. Die Ansätze
führen zu einer Veränderung des Düsenquerschnitts und beeinträchtigen zudem die
Bildung eines gleichmäßigen Mantelgasschleiers um den zentrischen Sauerstoffstrahl.
Als Folge davon ergibt sich eine verstärkte Bildung von braunem Rauch. Um eine gleichmäßige
Dicke des Mantelgasschleiers zu erreichen, sind zwischen dem Sauerstoff- und dem
Mantelgasrohr 7, 8 Abstandhalter, beispielsweise Drahtwendeln 10 oder Stützrippen
11 angeordnet. So ergeben die in den Fig. 2 und 3 dargestellten Abstandhalter 10,
11 einen gleichbleibenden Abstand zwischen Sauerstoff- und Mantelgasrohr. Insbesondere
die Drahtwendel 10 der Düse nach Fig. 2 führt dazu, daß das Mantelgas den Sauerstoffstrahl
beim Austritt aus dem Sauerstoffrohr 8 dicht und gleichmäßig umschließt, da dem
Mantelgas durch die Drahtwendel 10 ein Drall verliehen wird. Der Ringraum 12 zwischen
dem Sauerstoff- und Mantelgasrohr kann jedoch, wie
in Fig. 4 dargestellt,
auch mit einem porösen Werkstoff 13, beispielsweise mit einem porösen Sintermetall
oder einem einem feuerfesten Stoff gefüllt sein. Zur Erhöhung der Betriebssicherheit
und um ein Eindringen von Sauerstoff in das Mantelgassystem bei aus irgendeinem
Grunde verschlossenem Sauerstoffrohr 8 zu verhindern, ist insbesondere bei Verwendung
von Wasserstoff oder Wasserstoff enthaltenden Gasen, wie beispielsweise Propan,
in der Zuleitung 14 des Mantelgasrohrs 7 ein Rückschlagventil 15, 18 angeordnet
(Fig. 4,6). Dieses Rückschlagventil 15, 18 ist auf einen bestimmten Druck eingestellt,
oberhalb dessen es sich sofort schließt. Die Sauerstoffrohre sind an eine gemeinsame
Sauerstoffleitung angeschlossen, während jedes Mantelgasrohr eine eigene Zuleitung
besitzt (Fig. 6). Auf diese Weise läßt sich die Mantelgaszufuhr individuell regeln
und können die Düsen mit unterschiedlichen Mantelgasen beschickt werden. Zwischen
den Rückschlagventilen 18 und Regelventilen sind zu diesem Zweck Durchflußmengenmesser
19 angeordnet. Besteht das Sauerstoffrohr erfindungsgemäß aus einem Stahl. mit 1596
Chrom, dann ergibt sich bei der Verwendung von Propan als Mantelgas ein Abbrand
des Sauerstoffrohrs, der etwa dem mittleren Verschleiß des Konverterbodens entspricht.
Bei einem mittleren Bodenverschleiß von 2 mm je Charge und einem maximal möglichen
Verschleiß von 70 cm ergibt sich eine theoretische Bodenhaltbarkeit von 350 Schmelzen.
Ist die Kühlwirkung des Mantelgases geringer wie beim Blasen mit Edelgas, dann muß
die Haltbarkeit des Sauerstoffrohres entsprechend größer sein und besteht dieses
vorzugsweise aus einem Chrom-Nickel-Stahl mit 23% Chrom und
1096
Nickel oder aus Kupfer. Wird der Werkstoff des Sauerstoffrohrs erfindungsgemäß dem
jeweiligen Mantelgas angepaßt oder wird das Mantelgas auf den Rohrwerkstoff abgestellt,
dann ergibt sich ein dem Bodenverschleiß entsprechender Rohrabbrand bei weitgehender
Unterdrückung des braunen Rauchs. Unter diesen Bedingungen können bei dem erfindungsgemäßen
Verfahren mit einem Boden mindestens 250 Schmelzen gefrischt werden, während die
Bodenhaltbarkeit beim herkömmlichen Windfrischen nur etwa 50 Schmelzen beträgt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels des näheren erläutert:
Bei einem bodenblasenden Konverter mit einer erfindungsgemäßen Düseneinrichtung
befanden sich im Boden 20 Düsen aus konzentrischen Rohren auf einem Innendurchmesser
des Sauerstoffrohrs von 12 mm. Das Sauerstoffrohr bestand aus einem Stahl mit 1896
Chrom und 1096 Nickel; es wies eine Wandstärke von 1 mm auf. Zum Einleiten von Propan
befand sich zwischen dem Innenrohr aus dem Chrom-Nickel-Stahl und einem 2 mm starken
Außenrohr aus Stahl ein 1 mm breiter Spalt. In diesen Konverter wurden im gekippten
Zustand zuerst 6 t Schrott und dann 21 t flüssiges Thomasroheisen eingefüllt. Anschließend
wurden die Zuleitungen für Propan und Sauerstoff geöffnet, wobei die Propangasmenge
170 Nm3/h und die Sauerstoffmenge 4000 Nm3/h betrug. Dann wurde der Konverter aufgerichtet
und 3200 kg Stück Kalk von oben zugegeben. Von der neunten Blasminute atxwurden
weitere
2 t Schrott von oben in den blasenden Konverter gefüllt. Die Sauerstoffmenge Wurde
dann auf etwa 5000 Nm 3 je Stunde erhöht, wobei die Propangasmenge ungefähr auf
dem früheren Wert von 170 Nm3 je Stunde blieb. Der. Konverter blies während
der Gesamtzeit ruhig und ohne . Auswurf. Nach etwa 17 Minuten Blaszeit wurde der
Konverter umgelegt und eine Probe zur Bestimmung der che= mischen Zusammensetzung
entnommen. Etwa 60 Sekunden mußte nachgeblasen werden, um die gewünschte iusammentr
Setzung des Stahls zu erreichen. Anschließend wurde abgeschlackt. Der Eisengehalt
der Schlacke betrug 1296. Die Restschlacke wurde mit Stückkalk abgesteift und die
Schmelze in eine Gießpfanne ausgeleert. Die Prüfung des Konverterbodens zeigte,
daß sich sämtliche Düsen in einwandfreiem Zustand befanden und weder über den Boden
hervorstanden, noch trichterförmig abgebrannt waren. Wie der zuvor geschilderte
Versuch zeigt, gestattet die erfindungsgemäße Düseneinrichtung ein Frischen von
Roheisen zu Stahl mit reinem Sauerstoff unter Verwendung eines Mantelgases, wobei
sich trotz der Verwendung des Sauerstoffs Bodenhaltbarkeiten ergeben, die weit über
der Bodenhaltbarkeit des herkömmlichen, mit Luft oder sauerstoffangereicherter Luft
betriebenen Konverters liegen, so daß der Boden während einer Konverterreise nur
etwa ein- oder zweimal ausgewechselt zu werden braucht. Dies bedeutet, abgesehen
von einer erheblichen Materialersparnis, eine wesentliche Verringerung der durch
den sonst üblichen Bodenwechsel anfallenden Ausfallzeiten.