DE69607664T2

DE69607664T2 - Segmentierte Sauerstoffblaslanze für einen Elektrolichtbogenofen

Info

Publication number: DE69607664T2
Application number: DE69607664T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Okamoto; Nobuyoshi Takashiba
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1996-01-30
Publication date: 2000-08-10
Anticipated expiration: 2016-01-31
Also published as: EP0725150B1; CN1046765C; EP0725150A1; BR9600265A; CN1183477A; DE69607664D1; US5788920A; KR100208915B1; KR960029746A; TW311621U

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Lanze zum Sauerstoffblasen, und insbesondere eine Sauerstoff-Blaslanze, die in einem elektrischen Schmelzofen verwendbar ist, der geschmolzenes Eisen enthält.

Beschreibung des Stands der Technik

Elektrische Öfen zum Schmelzen von Metallen, das Raffinieren geschmolzener Metalle und ähnliche Verfahren sind bekannt. Elektrische Gleichstromöfen schmelzen Metalle und/oder raffinieren geschmolzene Metalle mit Hilfe eines elektrischen Lichtbogens, der zwischen einer oberen Elektrode erzeugt wird, die über dem Metallmaterial angeordnet ist, und einer unteren Elektrode, die im Unterteil, in der Seitenwand oder an einem ähnlichen Ort im Ofen angebracht ist. Im Gegensatz dazu verwendet man in elektrischen Wechselstromöfen einen elektrischen Lichtbogen, der dadurch erzeugt wird, dass man einen Strom durch drei Elektroden leitet, die über dem Metallmaterial angeordnet sind. Bei beiden Ofenarten beschleunigt man das Schmelzen des Metallmaterials, das Raffinieren des geschmolzenen Metalls und ähnliche Vorgänge dadurch, dass man Sauerstoff oder Pulver mit einer Lanze in das geschmolzene Metall bläst.
Ein Beispiel für eine herkömmliche Lanze ist in dem veröffentlichen japanischen Gebrauchsmuster Nr. 2-38457 offenbart, siehe Fig. 8 der beiliegenden Zeichnungen. Die Lanze 31, die gerade ist, wird mit Hilfe eines selbstfahrenden Wagens 32 durch eine Seitenwand 33 in einen elektrischen Ofen mit einer oberen Elektrode 36 eingeführt. Am äußersten Ende der Lanze 31 ist eine einzige Sauerstoff-Blasdüse 34 ausgebildet.
Die Lanze 31 besteht normalerweise aus einem Rohr mit kleinem Durchmesser (ungefähr 40 mm). Will man den Staudruck im Inneren der Sauerstoff-Blasdüse 34 (d. h., den Gasdruck an der Düsenauslassseite) auf dem kritischen Druck halten (Düseninnendruck/Atmosphärendruck > 1,89) so muss man den Sauerstoffstrom durch das Rohr auf unzweckmäßig hohe Werte anheben. Daher stellt man den Staudruck im Inneren der Düse auf oder unter den kritischen Druck ein, d. h., der aus der Düse 34 ausgestoßene Sauerstoff hat Schallgeschwindigkeit oder eine niedrigere Geschwindigkeit. Da der Sauerstoff mit Schallgeschwindigkeit oder einer niedrigeren Geschwindigkeit ausgestoßen wird, und der Sauerstoff wie beschrieben nur durch eine Düse 34 geleitet wird, führt man den Sauerstoff - damit eine ausreichende Versorgung sichergestellt ist - direkt in das geschmolzene Metall ein, indem man das äußerste Ende der Lanze 31 in das geschmolzene Metall 35 eintaucht.
Taucht man wie beschrieben das äußerste Ende der Lanze 31 in das geschmolzene Metall 35 ein, so wird die Lanze 31 allmählich durch die Hitze des geschmolzenen Metalls 35 aufgezehrt. Folglich muss man dem selbstfahrenden Wagen 32 Ersatzlanzen zuführen; dies ist teuer und mühsam. Zudem kann sich das äußerste Ende der Lanze 31 durch die Hitze verbiegen, so dass Sauerstoff nach oben ausgestoßen wird. Dies kann die Ofenwand so stark beschädigen, dass der Ofen nicht mehr betreibbar ist.
Um diese Probleme zu beseitigen, ist in dem veröffentlichten japanischen Patent Nr. 6-192718 eine wassergekühlte Lanze offenbart.
Fig. 9 der beiliegenden Zeichnungen stellt eine wassergekühlte gerade Lanze 37 dar, die über die Arbeitsöffnung 39 in der Seitenwand 33 des elektrischen Ofens in diesen eingeführt und über der Oberfläche des geschmolzenen Metalls 35 angeordnet wird. Am entfernten Ende der Lanze 37 verwendet man eine Lavaldüse 38 mit einem geringfügig verbreiterten Ende zum Ausstoßen eines Sauerstoffstrahls auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls 35. Da sich die Lavaldüse 38 an ihrem Ende geringfügig verbreitert, siehe die Querschnittsdarstellung in Fig. 10 der beiliegenden Zeichnungen, kann die Düse 38 im Gegensatz zu normalen geraden Düsen und sich abrupt erweiternden Düsen (siehe die Querschnittsdarstellung) den Sauerstoffstrahl mit Überschallgeschwindigkeit ausstoßen.
Die wassergekühlte Lanze 37 erhöht wie beschrieben die dem geschmolzenen Metall 35 zugeführte Sauerstoffmenge dadurch, dass sie den Sauerstoffstrahl mit Hilfe der Lavaldüse 38 bei Überschallgeschwindigkeit ausstößt. Anders ausgedrückt löst man die beschriebenen Lanzenverschleißprobleme dadurch, dass man Sauerstoff aus einer Position über dem geschmolzenen Metall 35 mit Überschallgeschwindigkeit ausstößt. Dadurch erhöht man die Sauerstoffausnutzung, ohne das äußerste Ende der Lanze 37 in das geschmolzene Metall 35 einführen zu müssen.
Beim Raffinieren des geschmolzenen Metalls in einem Konverter führt man die wassergekühlte Lanze über eine obere Ofenöffnung des Konverters ein und stößt über eine Lavaldüse einen Sauerstoffstrahl auf das geschmolzene Metall aus, und zwar bei einer Überschallgeschwindigkeit von 500 m/s oder mehr. Der Abstand zwischen der Oberfläche des geschmolzenen Metalls und der Düse (im weiteren als "Lanzenhöhe" bezeichnet) ist auf 2 bis 4 m eingestellt, so dass die Geschwindigkeit des Sauerstoffstrahls, der die Oberfläche des geschmolzenen Metalls erreicht, bei 50 m/s oder weniger liegt. Damit vermeidet man das Verspritzen von flüssigem Metall und Schlacke, das entsteht, wenn der Sauerstoffstrahl auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls trifft, weil die Strahlgeschwindigkeit auf 50 m/s oder weniger begrenzt ist.
Führt man die wassergekühlte Lanze 37 durch die Arbeitsöffnung 39 in der Seitenwand 33 des elektrischen Ofens ein, so ist die Lanzenhöhe der Lanze 37 durch die Größe der Arbeitsöffnung 39 begrenzt. Damit ist im elektrischen Ofen die Lanzenhöhe verglichen mit dem beschriebenen Konverter stark eingeschränkt. In Betracht gezogene Lösungen für dieses Problem enthalten das Einführen der Lanze 37 durch den oberen Teil des elektrischen Ofens wie beim Konverter oder das Vergrößern der Lanzenhöhe durch das Neigen der ganzen Lanze 37 nach oben, siehe die strichpunktierte Linie in Fig. 9. Da der elektrische Ofen jedoch nur halb so hoch ist wie der Konverter, kann man eine mit dem Konverter vergleichbare Lanzenhöhe nicht erreichen. Es ist zudem schwierig, die Lanze 37 durch den oberen Abschnitt des elektrischen Ofens einzuführen, da dort die Elektrode 36 angeordnet ist. Außerdem verkleinert das Neigen der Lanze 37 nach oben den Winkel, unter dem der Sauerstoffstrahl auf das geschmolzene Metall 35 trifft. Dadurch nimmt die Menge an Schlacke und/oder flüssigem Metall zu, die auf die Seitenwand des Ofens gespritzt wird.
Da die Lanzenhöhe stark eingeschränkt ist, wenn man die gerade Lanze 37 im elektrischen Ofen verwendet, hat der Sauerstoffstrahl an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls eine Geschwindigkeit von 100 m/s oder mehr. Damit nimmt die Auftreffenergie des Sauerstoffstrahls an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls 35 verglichen mit dem Konverter sehr stark zu. Die Auftreffenergie wirkt in nachteiliger Weise als Rühr- und Scherkraft auf das flüssige Metall und die Schlacke ein und bewirkt dadurch, dass eine große Menge an flüssigem Metall und Schlacketeilchen verspritzt werden.
Lagern sich verspritztes flüssiges Metall und Schlacke auf der Wand oder anderen Teilen des elektrischen Ofens ab, so werden die Elektroden oft über dem Ofendeckel kurzgeschlossen. Dadurch kann der Ofendeckel einen Feuerschaden erleiden. Die wassergekühlten Behälter, die normalerweise die Seitenwand des Ofens bedecken, können durch das Verspritzen beschädigt werden, wodurch Wasserlecks auftreten. Zudem bewirkt durch Spritzen abgelagertes Metall, das vom Ofendeckel in das flüssige Metall fällt, einen Temperaturabfall im geschmolzenen Metall und damit Entkohlung und weitere potentielle Probleme. Eine Beschädigung der Elektroden durch Spritzen kann die Lebensdauer der Elektroden verkürzen.
Zudem erhöht die Ablagerung von verspritztem Flüssigmetall auf dem Ofendeckel das Gewicht des Ofendeckels und verhindert damit eine Bewegung des Ofendeckels nach oben und unten. Die Ablagerung von verspritztem Flüssigmetall auf der wassergekühlten Lanze schmilzt diese an und beschädigt sie. Zudem sinkt die Eisenausbeute, wenn größere Mengen flüssigen Metalls verspritzt werden.
Aus dem Beschriebenen geht hervor, dass ein großer Bedarf für eine Sauerstoff-Blaslanze besteht, mit der man diese Schwierigkeiten vermeiden kann.
US-A-4,986,847 beschreibt ein metallurgisches Gefäß, das eine erste Lanze zum Zuführen von Sauerstoff oder einem anderen Gas und eine zweite Lanze zum Zuführen eines feinkörnigen Feststoffs enthält. Die erste Lanze umfasst eine nach unten geneigte Spitze. FR-A-2489841 beschreibt ein metallurgisches Gefäß, das eine Lanze zum Einführen von Gas und Feststoffen in geschmolzenes Metall enthält. Die Lanze endet in einer Anzahl nach unten geneigter Spitzen.
US-A-4, 653,730 offenbart eine schwenkbar befestigte Injektorlanze, die einen wassergekühlten gebogenen Körper aufweist.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine standfeste Sauerstoff-Blaslanze bereitzustellen, die das Verspritzen von flüssigem Metall und Schlacke begrenzt, wenn Sauerstoff durch die Lanze auf geschmolzenes Metall in einem Ofen geblasen wird.
Weitere Aufgaben der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem Merkmal der Erfindung wird eine wassergekühlte Sauerstoff-Blaslanze bereitgestellt, die einen Sauerstoffstrahl auf geschmolzenes Metall in einem elektrischen Schmelzofen richten kann, der eine Seitenwand und eine in der Seitenwand angeordnete Arbeitsöffnung hat, wobei die Lanze eine geneigte Spitze aufweist und durch die Arbeitsöffnung in den elektrischen Schmelzofen eingeführt werden kann, und zwar in eine Position über dem geschmolzenen Metall im elektrischen Schmelzofen, so dass die Spitze auf das geschmolzene Metall gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze umfasst: ein erstes Segment, das einen entfernten Abschnitt und eine Längsachse hat, und
ein zweites Segment, das einen nahen Abschnitt und einen entfernten Abschnitt hat, wobei der nahe Abschnitt des zweiten Segments dem entfernten Abschnitt des ersten Segments benachbart ist, und das zweite Segment in einer Richtung weg von der Achse geneigt ist, so dass es mit dem ersten Segment nicht auf einer geraden Linie liegt, und
die Spitze einen nahen Abschnitt und einen entfernten Abschnitt hat, wobei der nahe Abschnitt der Spitze dem entfernten Abschnitt des zweiten Segments benachbart ist, und der entfernte Abschnitt der Spitze in einer Richtung hin zur Achse geneigt ist, so dass er auf das geschmolzene Metall zeigt, und
das erste Segment, das zweite Segment und die Spitze einen Sauerstoff-Flusskanal und einen Kühlwasser-Flusskanal bestimmen, und sich der Sauerstoff-Flusskanal im wesentlichen über die Länge der Lanze erstreckt und der Kühlwasser- Flusskanal den Sauerstoff-Flusskanal umgibt, und die Lanze zudem enthält
eine Anzahl Düsen, die jeweils eine Engstelle aufweisen, die einen Engstellen-Durchmesser hat, und einen Auslassabschnitt, der einen Auslassdurchmesser hat, wobei die Engstelle einer jeden Düse am entfernten Abschnitt der Spitze angeordnet ist und die Düsen funktional mit dem Sauerstoff- Flusskanal verbunden sind, und mindestens eine der Düsen näher an der Achse angeordnet ist als andere Düsen.
Gemäß einem zweiten Merkmal der Erfindung wird ein Verfahren zum Blasen eines Sauerstoffstrahls auf geschmolzenes Metall in einem elektrischen Schmelzofen bereitgestellt, wobei der elektrische Schmelzofen eine Seitenwand, eine in der Seitenwand angeordnete Arbeitsöffnung und eine obere Elektrode hat, umfassend:
das Einführen einer Sauerstoff-Blaslanze, die eine Spitze wie oben definiert hat, über die Arbeitsöffnung in den Schmelzofen;
das Zuführen von Sauerstoff durch die Lanze, so dass ein Sauerstoffstrahl aus der Spitze der Sauerstoff-Blaslanze ausgestoßen wird; und
das Anordnen der Lanze zwischen Seitenwand und oberer Elektrode, damit der Sauerstoffstrahl auf das geschmolzene Metall gerichtet wird.
Da das zweite Segment der Lanze geneigt ist, liegt das entfernte Ende der Lanze höher als die Arbeitsöffnung, durch die sie eingeführt wird. Dadurch nimmt die Lanzenhöhe zu, ohne dass der Winkel kleiner wird, unter dem der Sauerstoffstrahl auf das geschmolzene Metall trifft, wie dies bei der herkömmlichen Lanze geschieht.
In einer Ausführungsform der Erfindung werden geradlinige Düsen verwendet, d. h. Düsen mit im wesentlichen gleichförmigem Durchmesser. Geradlinige Düsen begrenzen die größtmögliche Ausstoßgeschwindigkeit auf die Schallgeschwindigkeit. Auch wenn der Staudruck im Düseninneren über dem kritischen Druck liegt, wird die Geschwindigkeit des Sauerstoffstrahls an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls verringert. Damit wird die Auftreffenergie kleiner, die der Sauerstoffstrom auf das geschmolzene Metall überträgt. Das Gleiche gilt für eine sich abrupt erweiternde Düse, d. h. eine Düse, deren Durchmesser von der Engstelle zum Auslass zunimmt. Eine solche Düse ist in der Erfindung ebenfalls verwendbar. Man kann die Ausstossgeschwindigkeit auf jede gewählte Geschwindigkeit einstellen, die kleiner oder gleich der Schallgeschwindigkeit ist, indem man das Verhältnis des Abschnitts mit kleinem Durchmesser (Engstellendurchmesser) zum Abschnitt mit großem Durchmesser (Auslassdurchmesser) und den Staudruck im Düseninneren einstellt.
Die Erfindung fördert eine wirksame Reaktion des Sauerstoffs mit dem geschmolzenen Metall, indem sie den möglichen Mangel an Sauerstoff ausgleicht, der dem geschmolzenen Metall zugeführt wird, weil die Sauerstoff-Ausstoßgeschwindigkeit auf die Schallgeschwindigkeit oder weniger eingestellt ist. Man erreicht dies dadurch, dass man mehrere Düsen verwendet.
Durch die zahlreichen Düsen ermöglicht es die Erfindung, einen breiten Sauerstoffstrahl auf einen großen Bereich der Oberfläche des geschmolzenen Metalls zu richten. Damit sinkt die Auftreffenergie pro Flächeneinheit, und es wird weniger flüssiges Metall verspritzt. Man erreicht dies durch das Einstellen der Düsenabmessungen und/oder der Lanzenhöhe. In einer Ausführungsform der Erfindung sind zahlreiche Düsen am entfernten Ende der Lanze angeordnet. Einige dieser Düsen befinden sich so nahe an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls, dass sie möglicherweise ein Verspritzen bewirken könnten. Die Ausstoßgeschwindigkeiten des Sauerstoffstrahls aus den entsprechenden Düsen reguliert man dadurch, dass man die Auslassdurchmesser der Düsen, die näher an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls sind, verglichen mit den Auslassdurchmessern der weiter entfernten Düsen vergrößert, so dass die Ausstoßgeschwindigkeit der näher gelegenen Düsen bezogen auf die weiter entfernten Düsen geringer ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind eine Anzahl Düsen, die geradlinig verlaufen und sich abrupt erweitern, am entfernten Abschnitt der Lanze angeordnet. Dabei liegen einige dieser Düsen so nahe an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls, dass sie möglicherweise ein Verspritzen bewirken könnten. Die Durchmesser der sich abrupt erweiternden Düsen, die man so verändern kann, dass sie jede beliebige Sauerstoff- Ausstoßgeschwindigkeit bis zur Schallgeschwindigkeit erzeugen, werden so eingestellt, dass die Sauerstoff-Ausstoßgeschwindigkeit der sich abrupt erweiternden Düsen bezogen auf die Sauerstoff-Ausstoßgeschwindigkeit der geradlinigen Düsen verkleinert wird. Man erreicht dies normalerweise dadurch, dass man den Auslassdurchmesser gegenüber dem Engstellendurchmesser vergrößert.
Der Fachmann kann der folgenden ausführlichen Beschreibung der Erfindung weitere Ausführungsformen entnehmen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Es zeigt:
Fig. 1 die Skizze einer seitlichen Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Sauerstoff-Blaslanze, die in einem elektrischen Ofen angeordnet ist;
Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts in Fig. 1, die die Sauerstoff-Blaslanze ausführlicher darstellt;
Fig. 3 eine Draufsicht von Fig. 2;
Fig. 4 eine Querschnittsdarstellung einer erfindungsgemäßen Sauerstoff-Blaslanze;
Fig. 5 eine Ansicht der Sauerstoff-Blaslanze in Fig. 4 ohne Querschnittsdarstellung gesehen aus der Richtung des Pfeils Y in Fig. 4;
Fig. 6 eine Querschnittsdarstellung einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sauerstoff-Blaslanze;
Fig. 7 eine Querschnittsdarstellung einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Sauerstoff-Blaslanze;
Fig. 8 eine skizzenhafte Darstellung einer herkömmlichen Sauerstoff-Blaslanze;
Fig. 9 eine skizzenhafte Darstellung einer weiteren herkömmlichen Sauerstoff-Blaslanze; und
Fig. 10 eine Querschnittsdarstellung des entfernten Endes der herkömmlichen Sauerstoff-Blaslanze in Fig. 9.

BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung wird nun anhand von Fig. 1-7 beschrieben. Die Beschreibung und die Abbildungen erläutern die Erfindung; es ist jedoch nicht beabsichtigt, dadurch den Bereich der Erfindung einzuschränken, der in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist.
Ein Gleichstromofen 1 (im weiteren einfach als elektrischer Ofen 1 bezeichnet), siehe Fig. 1, umfasst einen Ofenkörper 2 aus feuerfestem Material, einen wassergekühlten Behälter 3, der die Seitenwand 4 des Ofenkörpers 2 bedeckt, einen Ofendeckel 5, der auf dem oberen Teil des Ofenkörpers 2 angeordnet ist, und eine obere Elektrode 6, die senkrecht verläuft und über einen kleinen Deckelabschnitt 7 in der Mitte des Ofendeckels 5 beweglich in den elektrischen Ofen 1 eingeführt ist. An der oberen Elektrode 6 erzeugt man einen elektrischen Lichtbogen, indem man in die obere Elektrode 6 und eine untere Elektrode (nicht dargestellt), die am oder nahe am Bodenbereich 8 des Ofenkörpers 2 montiert ist, einen Gleichstrom einleitet. Die Wärme, die der elektrische Lichtbogen erzeugt, verwendet man zum Schmelzen von Schrott, der in den elektrischen Ofen 1 eingefüllt ist, zum Raffinieren des geschmolzenen Metalls 9 und zum Steigern der Temperatur des flüssigen Eisens usw.
Anschließend führt man eine Pulverblaslanze 11 und zwei wassergekühlte Sauerstoff-Blaslanzen 12a und 12b (in Fig. 3 dargestellt) über eine Arbeitsöffnung 10, die sich in der Seitenwand 4 des Ofenkörpers 2 befindet, in den elektrischen Ofen 1 ein, um das Erhitzen des geschmolzenen Metalls 9 zu erleichtern. Die Lanzen 11, 12a und 12b kann man mit einer Antriebseinheit (nicht dargestellt) zuverlässig relativ zueinander einstellen und sie in den elektrischen Ofen 1 einfahren bzw. daraus ausfahren.
Die wassergekühlten Sauerstoff-Blaslanzen 12a und 12b werden nun anhand von Fig. 2 bis 5 beschrieben. Da die Lanzen 12a und 12b untereinander gleich sind und in waagrechter Richtung symmetrisch zueinander angeordnet sind, siehe Fig. 3, trifft die folgende Beschreibung der Lanze 12a natürlich auch auf die Lanze 12b zu.
Die Sauerstoff-Blaslanze 12a umfasst einen Körper 13, der über die Arbeitsöffnung 10 in den elektrischen Ofen 1 eingeführt wird, siehe Fig. 2 und 3. Der Körper 13 enthält ein im wesentlichen waagrechtes erstes Segment 15, das eine Längsachse X&sub1; besitzt, und ein zweites Segment 16, und wird über die Arbeitsöffnung 10 im wesentlichen waagrecht in den elektrischen Ofen 1 eingeführt. Das zweite Segment 16 besitzt einen nahen Abschnitt, der dem entfernten Abschnitt des ersten Segments 15 benachbart ist. Der nahe Abschnitt ist aufwärts gerichtet und zeigt von der Längsachse X&sub1; weg. Damit liegen das zweite Segment 16 und das erste Segment 15 nicht auf einer geraden Linie.
Im Körper 13 ist ein Sauerstoff-Flusskanal 17 bereitgestellt, siehe Fig. 4, der von einem Kühlwasserkanal 18 umgeben ist. Die Lanzenspitze 14 ist mit dem entfernten Abschnitt des abgewinkelten zweiten Segments 16 verbunden.
Die Lanzenspitze 14, siehe Fig. 2 und 4, ist ab dem entfernten Abschnitt des abgewinkelten Segments 16 abwärts zur Längsachse X&sub1; hin geneigt, und verläuft ab dem Segment 16 so, dass das entfernte Ende der Lanzenspitze 14 der Oberfläche des geschmolzenen Metalls 9 gegenüberliegt, die sich zwischen der Seitenwand 4 und der oberen Elektrode 6 befindet, (siehe Fig. 3). Die Lanzenspitze 14 enthält einen Sauerstoff-Flusskanal 19 und einen Kühlwasserkanal 20, die jeweils mit dem Sauerstoff-Flusskanal 17 und dem Kühlwas serkanal 18 des Körpers 13 zusammenwirken. Das entfernte Ende der Lanzenspitze 14, siehe Fig. 2, ist über der Längsachse X&sub1; des ersten Abschnitts 15 (die in der Lanzeneinführrichtung verläuft) angeordnet und kann in senkrechter Richtung über einen weiten Bereich bewegt werden, ohne dass der Auftreffwinkel des Sauerstoffstrahls 25 auf dem geschmolzenen Metall 9 nachteilig klein wird.
Die Lanzenspitze 14 besitzt vier Düsen 21, die an ihrem entfernten Ende ausgebildet sind, siehe Fig. 5. Die Düsen 21 erweitern sich abrupt, siehe Fig. 4. Jede Düse 21 besitzt einen Engstellenabschnitt 22 mit kleinem Durchmesser und einen Auslassabschnitt 23 mit großem Durchmesser. Die Ausstoßgeschwindigkeit des Sauerstoffstrahls 25 kann man auf jeden beliebigen Wert bis hin zur Schallgeschwindigkeit (einschließlich) einstellen, indem man das Verhältnis des Durchmessers des Engstellenabschnitts 22 zum Durchmesser des Auslassabschnitts 23 und den Staudruck in der Düse reguliert.
Zwei der vier Düsen 21 sind im unteren Abschnitt der entfernten Endfläche der Lanzenspitze 14 angeordnet, siehe Fig. 5, d. h., näher an der Achse X&sub1; und der Oberfläche des geschmolzenen Metalls 9. Die anderen beiden Düsen sind im oberen Abschnitt der entfernten Endfläche der Lanzenspitze 14 angeordnet, d. h. weiter von der Achse X&sub1; und der Oberfläche des geschmolzenen Metalls 9 entfernt als das erste Paar. Die Einzeldüsen eines jeden beschriebenen Düsenpaars haben seitlichen Abstand zueinander, siehe auch Fig. 5. Zudem ist bei den beiden Düsen 21, die näher an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls 9 liegen, der Auslassdurchmesser größer als bei den beiden Düsen 21, die weiter von der Oberfläche des flüssigen Metalls entfernt sind. Durch diese Anordnung ist die Ausstoßgeschwindigkeit des Sauerstoffstrahls 25 aus dem näher gelegenen Düsenpaar 21 niedriger als die Ausstoßgeschwindigkeit des Sauerstoffstrahls 25 aus dem weiter entfernten Düsenpaar 21, so dass die Geschwindigkeiten der Sauer stoffstrahlen 25 am geschmolzenen Metall 9 im wesentlichen gleich sind.
Die Lanzen 12a und 12b sind so angeordnet, siehe Fig. 3, dass sie Sauerstoffstrahlen 25 zwischen der Seitenwand 4 und der oberen Elektrode 6 auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls 9 richten. Damit treffen die aus der Düse 21 ausgestoßenen Sauerstoffstrahlen 25 nicht direkt auf die obere Elektrode 6.
An Stelle der genannten, sich abrupt erweiternden Düsen 21 kann man am entfernten Ende der Lanzenspitze 14 auch gerade Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern verwenden. Fig. 6 zeigt ein Beispiel für eine gerade Düse 24. Da die geraden Düsen 24 einen gleichförmigen Querschnitt haben, d. h., der Engstellen-Durchmesser ist im wesentlichen so groß wie der Auslassdurchmesser, kann die Ausstoßgeschwindigkeit nicht größer sein als die Schallgeschwindigkeit, und zwar auch dann nicht, wenn der Staudruck in der Düse größer ist als der kritische Druck.
Zudem haben die näher an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls 9 angeordneten Düsen 24 einen größeren Auslassdurchmesser als die weiter von der Oberfläche des geschmolzenen Metalls 9 entfernt angeordneten Düsen 24.
Am entfernten Ende der Lanzenspitze kann man sowohl sich abrupt erweiternde Düsen 21 als auch gerade Düsen 24 verwenden, siehe Fig. 7. Die sich abrupt erweiternde Düse 21 ist an der Unterseite der entfernten Endfläche der Lanzenspitze angeordnet, d. h. näher an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls. Die Düse 24 ist weiter von der Oberfläche des flüssigen Metalls entfernt als die sich abrupt erweiternde Düse 21.
Mit der erfindungsgemäßen Sauerstoff-Blaslanze entsprechend der Beschreibung anhand von Fig. 1 bis 5 wurde ein Versuch unternommen. Bei einer Lanzenhöhe der Sauerstoff- Blaslanzen von 300-1250 mm und einer Sauerstoffmenge von 60 m³-norm/min wurde die Geschwindigkeit des Sauerstoffstrahls an der Oberfläche des geschmolzenen Metalls auf 50 m/s oder weniger reguliert, wenn die Ausstoßgeschwindigkeit aus einer Anzahl sich abrupt erweiternder Düsen auf 150 m/s eingestellt wurde.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Blasen von Sauerstoff durch Sauerstoff-Blaslanzen wird nun in Verbindung mit dem Betriebsablauf in einem elektrischen Ofen beschrieben.
Das in den elektrischen Gleichstromofen eingefüllte Material bestand aus Stahlschrott, der mit einem an der oberen Elektrode erzeugten elektrischen Lichtbogen teilweise geschmolzen wurde. Anschließend wurde geschmolzenes Eisen in den elektrischen Gleichstromofen eingefüllt, und es wurden Sauerstoff-Blaslanzen durch eine Arbeitsöffnung in der Seitenwand in den elektrischen Gleichstromofen eingeführt. Durch die sich abrupt erweiternden Düsen der Sauerstoff- Blaslanzen wurde ein Sauerstoffstrahl auf die geschmolzene Eisen-Schrott-Mischung in der Nähe der Arbeitsöffnung gerichtet. Dadurch wurde das Schmelzen des Schrotts beschleunigt. Dieser Vorgang ist als Schneidevorgang bekannt.
Nach dem Schmelzen des Schrotts in der Nähe der Arbeitsöffnung wurde die Sauerstoff-Blaslanze in das Innere des elektrischen Ofens vorgeschoben, um damit nacheinander den Schrott von der Arbeitsöffnung bis zum Innenbereich des elektrischen Ofens zu schmelzen.
Nach dem vollständigen oder nahezu vollständigen Schmelzen des Schrotts wurden die Sauerstoff-Blaslanzen angehoben (siehe die doppelt strichpunktierte Linie in Fig. 2), um die Lanzenhöhe zu vergrößern. Es erfolgte eine Temperaturerhöhung und/oder Raffinierung des geschmolzenen Metalls, indem aus den sich abrupt erweiternden Düsen der Sauerstoff-Blaslanzen ein Sauerstoffstrahl auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls gerichtet wurde.
Die Geschwindigkeit des Sauerstoffstrahls auf der Oberfläche des flüssigen Metalls wurde auf 50 m/s oder weniger geregelt, also auf die Hälfte der herkömmlichen Geschwindigkeit, indem der Sauerstoffstrahl aus einer erhöhten Position auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls gerichtet wurde, ohne den Auftreffwinkel des Sauerstoffstrahls auf dem geschmolzenen Metall wesentlich zu verkleinern. Die Geschwindigkeit des Sauerstoffstrahls auf der Oberfläche des geschmolzenen Metalls wurde auch dadurch geregelt, dass die Ausstoßgeschwindigkeiten der Sauerstoffstrahlen aus den sich abrupt erweiternden Düsen wie beschrieben auf die Schallgeschwindigkeit oder weniger begrenzt wurde. Dadurch wurde die auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls übertragene Auftreffenergie deutlich geringer.
Auch bei auf Schallgeschwindigkeit begrenzten Ausstoßgeschwindigkeiten wurde genügend Reaktionssauerstoff zugeführt, da von der Lanzenspitze mit mehreren sich abrupt erweiternden Düsen Sauerstoff eingespeist wurde. Der Sauerstoffstrahl deckte zudem wegen der größeren Lanzenhöhe und der zahlreichen Düsen einen großen Oberflächenanteil des geschmolzenen Metalls ab. Damit nahm der Oberflächenbereich des geschmolzenen Metalls zu, auf den der Sauerstoffstrahl traf. Folglich wurde die Auftreffenergie pro Flächeneinheit des geschmolzenen Metalls geringer, und das problematische Verspritzen von flüssigem Metall und Schlacke war verglichen mit Verfahren, bei denen herkömmliche Lanzen eingesetzt werden, wesentlich geringer.
Durch die Sauerstoff-Blaslanzen der Erfindung wurde auch der Verschleiß der oberen Elektrode geringer, weil der aus den Düsen ausgestoßenen Sauerstoffstrahl auf die Oberfläche des geschmolzenen Metalls zwischen der Seitenwand und der oberen Elektrode gerichtet war. Damit traf der potentiell zerstörerische Sauerstoffstrahl nicht direkt auf die obere Elektrode. Da zudem die Sauerstoff-Blaslanzen über der Oberfläche des geschmolzenen Metalls angeordnet waren, wurden die Lanzen nicht durch die Hitze des flüssigen Metalls aufgezehrt, wie dies bei herkömmlichen Lanzen der Fall ist. Die Erfindung wurde anhand besonderer Einrichtungsformen und Verfahrensschritte beschrieben. Man kann natürlich statt dessen zahlreiche gleichwertige Formen und Schritte verwenden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen, der in den beigefügten Ansprüchen bestimmt ist.

Claims

1. Wassergekühlte Sauerstoff-Blaslanze (12a), (12b), die einen Sauerstoffstrahl (25) auf geschmolzenes Metall (9) in einem elektrischen Schmelzofen (1) richten kann, der eine Seitenwand (4) und eine in der Seitenwand angeordnete Arbeitsöffnung (10) hat, wobei die Lanze eine geneigte Spitze (14) aufweist und durch die Arbeitsöffnung in den elektrischen Schmelzofen eingeführt werden kann, und zwar in eine Position über dem geschmolzenen Metall im elektrischen Schmelzofen, so dass die Spitze auf das geschmolzene Metall gerichtet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lanze umfasst:

ein erstes Segment (15), das einen entfernten Abschnitt und eine Längsachse (X1) hat, und

ein zweites Segment (16), das einen nahen Abschnitt und einen entfernten Abschnitt hat, wobei der nahe Abschnitt des zweiten Segments dem entfernten Abschnitt des ersten Segments benachbart ist, und das zweite Segment in einer Richtung weg von der Achse geneigt ist, so dass es mit dem ersten Segment nicht auf einer geraden Linie liegt, und

die Spitze (14) einen nahen Abschnitt und einen entfernten Abschnitt hat, wobei der nahe Abschnitt der Spitze dem entfernten Abschnitt des zweiten Segments benachbart ist, und der entfernte Abschnitt der Spitze in einer Richtung hin zur Achse geneigt ist, so dass er auf das geschmolzene Metall zeigt, und

das erste Segment, das zweite Segment und die Spitze einen Sauerstoff-Flusskanal (17) und einen Kühlwasser- Flusskanal (18) bestimmen, und sich der Sauerstoff-Flusskanal im wesentlichen über die Länge der Lanze erstreckt und der Kühlwasser-Flusskanal den Sauerstoff-Flusskanal umgibt, und die Lanze zudem enthält eine Anzahl Düsen (21), die jeweils eine Engstelle aufweisen, die einen Engstellen-Durchmesser (22) hat, und einen Auslassabschnitt, der einen Auslassdurchmesser (23) hat, wobei die Engstelle einer jeden Düse am entfernten Abschnitt der Spitze angeordnet ist und die Düsen funktional mit dem Sauerstoff-Flusskanal verbunden sind, und mindestens eine der Düsen näher an der Achse angeordnet ist als andere Düsen.

2. Sauerstoff-Blaslanze nach Anspruch 1, wobei der Engstellen-Durchmesser der Düsen kleiner ist als Auslassdurchmesser der Düsen, so dass der Querschnitt der Düsen abrupt zunimmt.

3. Sauerstoff-Blaslanze nach Anspruch 1, wobei der Engstellen-Durchmesser der Düsen im wesentlichen gleich dem Auslassdurchmesser der Düsen ist, so dass die Düsen gerade Düsen sind.

4. Sauerstoff-Blaslanze nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Düsen den Engstellen-Durchmesser hat, der kleiner ist als der Auslassdurchmesser, damit eine sich abrupt erweiternde Düse gebildet wird, und bei mindestens einer Düse der Engstellen-Durchmesser und der Auslassdurchmesser im wesentlichen gleich groß sind, damit eine gerade Düse gebildet wird, wobei die sich abrupt erweiternde Düse näher an der Achse liegt als die gerade Düse.

5. Sauerstoff-Blaslanze nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei mindestens eine der näher an der Achse liegenden Düsen einen größeren Auslassdurchmesser hat als andere Düsen.

6. Elektrischer Schmelzofen, der eine Seitenwand (4), eine in der Seitenwand angeordnete Arbeitsöffnung (10) und eine Sauerstoff-Blaslanze (12a), (12b) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5 aufweist, wobei die Sauerstoff-Blaslanze durch die Öffnung so in den Schmelzofen eingeführt wird, dass die Längsachse (X&sub1;) des ersten Segments (15) im wesentlichen waagrecht ist.

7. Verfahren zum Blasen eines Sauerstoffstrahls auf geschmolzenes Metall in einem elektrischen Schmelzofen (1), wobei der elektrische Schmelzofen eine Seitenwand (4), eine in der Seitenwand angeordnete Arbeitsöffnung (10) und eine obere Elektrode (6) hat, umfassend:

das Einführen einer Sauerstoff-Blaslanze (12a) (12b) gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 5, die eine Spitze (14) hat, über die Arbeitsöffnung in den Schmelzofen; das Zuführen von Sauerstoff durch die Lanze, so dass ein Sauerstoffstrahl (25) aus der Spitze der Sauerstoff-Blaslanze ausgestoßen wird; und

das Anordnen der Lanze zwischen Seitenwand und oberer Elektrode, damit der Sauerstoffstrahl auf das geschmolzene Metall gerichtet wird.