EP0377597A1

EP0377597A1 - Verfahren und vorrichtung zur minimierung des prozessgasverbrauches bei metallurgischen prozessen

Info

Publication number: EP0377597A1
Application number: EP19880907095
Authority: EP
Inventors: Horst Kappes
Original assignee: Mannesmann AG
Current assignee: Vodafone GmbH
Priority date: 1987-08-24
Filing date: 1988-07-22
Publication date: 1990-07-18
Also published as: WO1989001982A1; JPH02504651A; ES2010323A6

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR MINIMIERUNG DER PROZESSGASVERBRAUCHES BEI METALLURGISCHEN PROZESSEN

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Minimierung des

Prozeßgasverbrauches bei metallurgischen Prozessen, bei denen Gase wie Argon, Sauerstoff, Luft, und dergl., in Schmel durch eine unterhalb des Flüssigkeitsspiegels endende, aus einem Innen- und einem dazu konzentrischen Außenrohr be¬ stehende Zuleitung eingeblasen werden.

In den letzten Jahren haben sich eine Fülle von Anwendungs¬ fällen für Verfahren der eingangs genannten Art ergeben.

Dementsprechend sind auch Untersuchungen durchgeführt worden, deren Ziel es war, Hinweise für die Minimierung des Haupt- und Spülgasverbrauches zu geben, weil der Gasverbrauch bei derartigen Verfahren selbstverständlich von ausschlaggebender

Bedeutung für die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens ist.

So wird beispielsweise in "Steel Research 55 (1984)", Heft 12,

Seite 537 bis 579, wissenschaftlich die Grundlage für die Auslegung von Düsen zum Gaseinblasen in Schmelzen unter¬ sucht und darauf hingewiesen, daß es für die praktische Durchführung derartiger Verfahren zur Gaseinleitung erforder¬ lich ist, einen Bereich zwischen einem minimalen und maximalen Gasstrom einstellen zu können. Ein minimaler Massenstrom von Gas darf selbstverständlich nicht unter¬ schritten werden, weil sich sonst das Zuleitungsrohr bzw. die Düse zusetzt. Die nach der genannten Literaturstelle bekannte Auslegungsvorschrift sieht vor, daß ein

Mindestvolumenstrom durch Ringspalt und Düse geblasen werden muß, so daß sich in den Austrittsquerschnitten gerade die

Schallgeschwindigkeit als Austrittsgeschwindigkeit einstellt. Damit wird es möglich, am Düsenaustritt einen Druck einzu¬ stellen, der größer als der ferrostatische Druck des Metallbades ist. Ein Zulaufen der Düsen ist daher unmöglich. Bisher wird in den Fachkreisen einhellig die Meinung vertreten, daß Gas bei Prozessen der hier interessierenden

Art in Form eines Strahles und nicht in Form von Blasen in das Bad eindringen sollte. Dabei wird die Grenze für den Übergang von bubbling zu jetting spätestens bei Erreichen der Schallgeschwindigkeit erreicht.

In diesem Zusammenhang ist aber auch zu berücksichtigen, daß bei der Erzeugung von z.B. Edelstahl im Konverter technisches Gas wie Argon, Sauerstoff oder Stickstoff in erheblichen Mengen verbraucht wird.

Die benötigte Sauerstoffmenge wird durch die Schmelzen¬ größe und hauptsächlich durch den zu entfernenden Kohlen¬ stoff bestimmt.

Der benötigte Sauerstoffström wird dann durch den Zeittakt, der z.B. vom Lichtbogenofen vorgegeben wird, bestimmt. Damit ist die Düsengeometrie festgelegt, da, wie beschrieben, in einem Bereich gearbeitet wird, der nach oben und unten begrenzt ist.

Das bedeutet jedoch, daß auch die teuren Inertgase, vor allem Argon, mit der durch die Düsengeometrie festgelegten Min.-Menge ins Bad geleitet werden müssen, auch wenn die metallurgische Arbeit, die durch das Einleiten verrichtet werden soll, mit kleineren Mengen erreicht werden kann.

Somit würde eine Vorrichtung, die den Regelbereich der Düse zu kleineren Maεsenströmen hin ausdehnen könnte, zu deutlichen Kosteneinsparungen führen. Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, nicht nur ein Zusetzen der unterhalb des Flüssigkeitsspiegels endenden Zuleitung für Gase wie Argon, Sauerstoff oder Stickstoff zu verbinden, sondern auch den Verbrauch von diesen Gasen zu minimieren.

Gelöst wird diese Aufgabe erfindungsgemäß mit den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruchs 1.

In Anwendung des bekannten physikalischen Gesetzes, daß sich das Volumen eines Gases proportional zu dessen Temperatur verhält, ist es möglich, den Prozeßgasverbrauch bis ca. auf die Hälfte des bisherigen und möglicherweise noch darunter zu senken. Hier zeigen sich nun die beson¬ deren Vorteile der Erfindung. Für das Freihalten der Düsen bzw. Gasaustrittsöffnungen ist nur eine Gasmenge erforderlich, die einen Gasstrom in Form eines Gasstrahles erzeugt, wofür nicht der "Massenstrom", sondern das Erreichen der Schallge¬ schwindigkeit an der Düsenspitze verantwortlich zeichnet.

Da "sich der Wert der Schallgeschwindigkeit a = f^RT ( , R; Konstanten) proportional YT verändert, die Geschwindigkeit des Gases bei konstantem Massenstrom jedoch proportional T wächst, wird die Schallgeschwindigkeit bei einer Temperatur T_ > T, bei einem Massenstrom rh„ < m. erreicht, so daß die Düse bei der Temperatur T_ mit einem verminderten Massenstrom gegenüber dem bei T, freigehalten werden kann. Aber selbst während einer aktiven Spül- oder Behandlungszeit ist das Erwärmen des Gases von Vorteil. Düsenquerschnitt und Betriebsdruck des Gases stehen für eine bestimmte Wirkungsweise des Spülgases in einem bestimmten Verhältnis zueinander und sind auf ein Maximalangebot des Gases ausgelegt. Der Regelbereich ist hierbei sehr eng begrenzt. Durch das erfindungsgemäße Erwärmen des Gases läßt sich in einfacher Weise der Regelbereich erweitern, indem der Regelbereich nach unten ausgedehnt wird.

Für die Aufheizung des Prozeßgases stehen in einem Schmelzbetrieb für Metall ohne weiteres genügend Wärmequellen zur Verfügung, die womöglich anderweitig kaum ausgenutzt werden. So kann das aufzuheizende Prozeßgas vor dem Einleiten in das flüssige Metall durch einen Wärmetauscher geleitet werden, in welchem seine Temperatur, je nach den Möglichkeiten, auf mehrere hundert Grad über die Umgebungstemperatur aufgeheizt wird. Beim Gaseinblasen in Schmelzen ergeben sich Einsparungen bei Erhöhung der Gastemperatur auf etwa 500 Grad C von 35?ό bis 5ü% .

Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Ansprüche 2 und 3. Von besonderem Vorteil ist die kombinierte Maßnahme nach Anspruch 4.

Zusätzlich werden bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren die als nachteilig angesehenen, beim bubbling auftretenden

Druckschwankungen zur Überprüfung des minimal zulässigen Prozeßgasstromes verwendet.

Die Erfindung macht sich nun die Erkenntnis zunutze, daß die gut erfaßbaren Druckschwankungen im Innenrohr zur Minimierung des Gasverbrauchs verwendet werden können.

Bei der praktischen Ausführung des erfindungsgemäßen

Verfahrens wurde an dem Innenrohr der Gaszuführdüse ein Druckaufnehmer angebracht. Damit wurden die Druckschwan¬ kungen, die durch Bilden und Abreißen einzelner Blasen entstehen, erkannt.

Die Druckschwankungen sind stark genug, um sie aufzeichnen und als Signal weiterverarbeiten zu können. Das Signal zeigt zuverlässig die Druckschwankungen an. Daher ist es möglich, das Regelventil für den Gasstrom mit Hilfe dieses Signals so zu steuern, daß der Gasstrom von einem Startwert aus stetig verringert wird, bis ein Schwellwert der Druckschwankungen überschritten wird. Danach wird das

Ventil um einen bestimmten Betrag geöffnet und der Zyklus beginnt von neuem.

Mit dieser erfindungsgemäßen Regelung paßt sich der minimale

Gasstrom an alle bestimmenden Parameter an, nämlich die Verschleißkurve der Ausmauerung, der Temperatur und dem

Inhalt des metallurgischen Gefäßes, sowie hauptsächlich an die eingestellte Temperatur des einzuleitenden Gases. An apparativer Ausstattung ist zusätzlich nur ein Druck¬ aufnehmer und ein Frequenzfilter erforderlich. Der Druckaufnehmer kann an einem beliebigen Ort ange¬ schlossen werden, wenn eine Druckleitung, die evtl. mit einer Flüssigkeit gefüllt ist, von dem Düsenrohr bis zum Druckaufnehmer geführt wird.

Bei der praktischen Erprobung des erfindungsgemäßen Ver¬ fahrens wurden die Gasdurchsätze unabhängig voneinander in Ringspalt und Düse soweit reduziert, bis nachteilige Auswirkungen auftraten oder zu erwarten waren. Dabei wurde festgestellt, daß bei einem Volumenstrom von weniger als 1,75 m N/min ein vollständiges Freihalten der Innendüse nicht möglich war, wenn die Temperatur des einzuleitenden Gases nicht erhöht wurde. Wie erwartet, konnte dieser

Grenzwert anhand der Druckschwankungen, die durch das bubbling verursacht werden, erkannt werden.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Minimierung des Prozeßgasverbrauches bei metallurgischen Prozessen, bei denen Gase wie Argon,

Sauerstoff oder Stickstoff in Schmelzen durch eine unterhalb des Flüssigkeitsspiegels endende, aus einem

Innen- und einem dazu konzentrischen Außenrohr bestehenden Zuleitung eingeblasen werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Gas vor dem Einleiten aufgeheizt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Gas auf eine Temperatur von mehreren hundert Grad über die Umgebungstemperatur aufgeheizt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß das Gas auf eine Temperatur von ca. 500 C aufgeheizt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dap man zusätzlich die Druckschwankungen das Gases, vorzugs¬ weise im Innenrohr der Zuleitung, ermittelt, diese als Signale einer Frequenzfilterung unterzieht, bei der der oszillierende Anteil der Druckschwankungen herausgefiltert wird, und daß man das die Druckεchwankungen anzeigende Signal zur Steuerung des Gasstromes hinsichtlich der minimal benötigten Menge verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Gasstrom von einem Startwert aus stetig bis zu einem Schwellwert verringert wird, und daß dann der Gasstrom um einen vorgegebenen Betrag vermehrt und der Vorgang erneut eingeleitet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 und/oder 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man die Frequenz der Druckschwankungen im Gaszuleitungsrohr in einem vorgängigen Versuch ermittelt und die Frequenzfilterung der ermittelten Druckschwankungsfrequenz anpaßt.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 4 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß man das bei der Frequenzfilterung ermittelte Signal verstärkt und aus ihm einen Mittelwert bildet.

8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, g e k e n n z e i c h n e t d u r h einen Druckaufnehmer, der den Gasdruck in der in die Mtellschmelze führenden Leitung ermittelt und einen

Frequenzfilter, der den oszillierenden Anteil des

Gasdrucks herausfiltert und einen Mittelwert der

Druckschwankungen als Steuergröße einem Regelventil für das Prozeßgas zuführt.