B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft ein Abstichrohr für ein metallurgisches Schmelzgefäß. Unter einem metallurgischen Schmelzgefäß wird ein Aggregat verstanden, in dem eine metallurgische Schmelze hergestellt, behandelt und/oder transportiert wird, beispielsweise ein Konverter oder ein Lichtbogenofen.

Dabei wird eine im Schmelzgefäß befindliche Metallschmelze entlang des Abstichrohres in ein nachgeschaltetes Aggregat geleitet. Beispielsweise wird der Stahl aus dem Konverter über eine Pfanne einer nachgeschalteten Stranggussanlage zugeführt.

Die Metallschmelze soll möglichst ohne Verunreinigungen transportiert werden. Beispielsweise soll ein Kontakt mit der Umgebungsatmosphäre (Sauerstoff, Stickstoff) ebenso vermieden werden wie ein Mitführen von Schlacke.

Aus der EP 0 057 946 B l ist ein Konverterabstich bekannt, der sich - in Axialrichtung - aus mehreren feuerfesten Blöcken oder Scheiben zusammensetzt. Der einlaufseitige Block soll einen trichterförmigen Durchlasskanal aufweisen und am auslaufseitigen Ende soll der Durchlasskanal des Abstichrohrs den kleinsten Durchmesser haben. Derartig gestaltete Abstichrohre sind seit 20 Jahren im Markt und haben sich bewährt. Ebenfalls bewährt haben sich Abstichrohre, deren Geometrie am auslaufseitigen Ende den Vorgaben der DE 42 08 520 C2 entspricht. Dabei liegt der Berechnung des Auslaufquerschnittes ein Strömungsprofil der korrespondierenden Schmelze zugrunde, und zwar unter der Annahme eines Mittelwertes für die Höhe der Schmelze über dem Abstichrohr.

Bei einem Konverter-Abstichrohr ist die Höhe der Metallschmelze (Badhöhe) während des Abstichs häufig nahezu konstant, weil der Konverter mit zunehmender Abstichzeit gekippt (nachgeführt) wird. Insbesondere zum Ende eines Abstichs verringert sich jedoch die Badhöhe zwangsläufig. Damit erhöht sich gleichzeitig die Gefahr, dass Schlacke mit der Metallschmelze in das Abstichrohr und durch dieses hindurch geführt wird. Ferner kann es zur Bildung von Turbulenzen und zur Ausbildung eines Unterdrucks im Abstichrohr kommen. Gleichzeitig erhöht sich dadurch die Gefahr einer Reoxidation und Aufstickung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Abstichrohr der genannten Art dahingehend zu optimieren, dass es während der gesamten Abstichzeit den gewünschten („stetigen") Massedurchfluss sicherstellt und ein Mitführen von Schlacke verhindert wird. „Stetig" heißt, dass der Massestrom im Abstichkanal des Abstichrohrs möglichst bis zum Ende der Abstichzeit nicht abreißt. Ebenso ist die Aufnahme von Sauerstoff oder Stickstoff soweit wie möglich zu vermeiden. Schließlich soll die Auslegung des Abstichrohrs so erfolgen, dass unabhängig von dessen Verschleiß (innerhalb technisch akzeptierbarer Grenzen) ein weitestgehend gleichmäßiger Massenstrom entlang des Abstichrohrs transportiert werden kann. Gemäß DE 42 08 520 C2 lässt sich das Strömungsprofil einer Schmelze aus nachstehender Formel ermitteln:

A(x) = m/(p - (2gx) 1 /2 )

mit A(x) = erforderlicher Strömungsquerschnitt im Abstand x vom Badspiegel m = Massenstrom der Schmelze g = Erdbeschleunigung = 9,81 m/s2 x = gewählter Abstand vom Badspiegel p = Dichte der Schmelze

Dabei wird nur die durch die Beschleunigung des Schmelzenstrahls verursachte Querschnittsänderung in Abhängigkeit der Fallhöhe berücksichtigt. Zur Bewahrung der Übersichtlichkeit und Verständlichkeit der Berechnungen werden sowohl hier als auch bei den weiteren in dieser Beschreibung angeführten Berechnungen Einflüsse wie Viskosität der Schmelze oder die Wandreibung vernachlässigt beziehungsweise außer Acht gelassen.

Für eine spezifische Schmelze lässt sich damit der erforderliche Durchmesser des Durchflusskanals am Auslaufende bei senkrechter Lage des Durchflusskanals, einer vorgegebenen Durchflussmenge und vorgegebenem Abstand zwischen Badspiegel und Auslaufende exakt bestimmen. Dies soll an einem Beispiel verdeutlicht werden:

m = 700 kg/s x = 2,7 m p = 7.200 kg/m3 (für Stahl)

A(x = 2,7 m) = 700/7.200 • (2 • 9,81 ■ 2,7)1 /2 = 0,01335 m2 Aus A = d2 . π / 4 errechnet sich für einen Abstich mit Kreisquerschnitt am Auslauf der Austrittsdurchmesser zu d =(A . 4 / π) 1 /2

d = [(0,01335 • 4) / π] 1 /2 = 0, 1304 m

Bei vorgegebenem Durchmesser des Abstichkanals am Auslaufende ist aber ein entscheidender Gesichtspunkt für die Durchflussmenge und das sich ergebende Strömungsprofil die jeweilige Badhöhe (Höhe der Schmelze über dem Auslaufende des Abstichrohrs). In FIG. 1 ist beispielsweise für verschiedene Badhöhen der erforderliche Radius eines kreisförmigen Querschnitts des Durchlasskanals des Abstichrohrs in Abhängigkeit vom Abstand vom Auslaufende aufgetragen, wobei „0" das Auslaufende des Abstichrohrs definiert, 1 ,35 Meter die Gesamtlänge des (neuen) Abstichrohrs ist und eine maximale Badhöhe von 2,70 Metern angenommen wird (gerechnet vom Auslaufende). Die effektive maximale Höhe des Schmelzbades über dem Absticheinlauf beträgt demnach: 1 ,35 Meter. Unter Zugrundelegung einer vorgegebenen Durchflussmenge zeigt die dargestellte Kurve für die maximale Badhöhe (=2700 mm) den theoretisch mindestens notwendigen Radius des Abstichkanals (Durchlasskanal im Abstichrohr) in verschiedenen Entfernungen vom Auslaufende beginnend bei einem Radius = 65 mm am Auslaufende. Die übrigen Kurven zeigen den theoretisch mindestens notwendigen Radius des Abstichkanals in verschiedenen Entfernungen vom Auslaufende für unterschiedliche Badhöhen unter der Annahme des gleichen Querschnitts (Radius 65 mm) am Auslaufende.

Man erkennt, dass bei einer Badhöhe zwischen 2.700mm und 2.400mm im Einlaufbereich des Abstichrohrs ein Radius von 80 Millimetern für den Querschnitt des Durchlasskanals ausreichend ist, um einen kreisförmigen Querschnitt des Abstichrohres am Auslaufende mit einem Radius von 65mm vollständig mit dem Schmelzenstrahl auszufüllen. Sinkt der Badspiegel jedoch weiter, beispielsweise auf eine ebenfalls dargestellte minimale Badhöhe von 1.600 Millimetern (effektive Höhe des Schmelzbades über dem Absticheinlauf jetzt: 250 mm), so ergibt sich bei gleichem Querschnitt des Abstichrohres am Auslaufende für den notwendigen Radius des Querschnitts des Durchlasskanals im Einlaufbereich des Abstichrohrs ein Wert von ca. 1 10mm.

In der DE 42 08 520 C2 wird nur ein Badspiegelbereich von 30 % bis 70 % für die Auslegung der Abstichgeometrie berücksichtigt.

Aus der DE 42 08 520 C2 ergibt sich für vorstehendes Beispiel mit Berücksichtigung eines minimalen Badspiegels von 30 % und einer Länge des verschlissenen Abstichs von 750 mm ein Einlaufdurchmesser von 75 mm. Daraus folgt, dass die Lehre der DE 42 08 520 C2 zu Abstichrohren führt, deren Durchlasskanal am Einlaufende zu klein ist.

Die Erfindung führt demgegenüber zu völlig anderen Geometrien des Durchlasskanals eines Abstichrohrs.

Durch Berücksichtigung geringer Badhöhen (effektive Höhe der Metallschmelze über dem Einlaufbereich des Abstichrohrs: < 30 % des Maximalwertes) wird der erforderliche Querschnitt am Einlaufende größer und weicht deutlich von dem Querschnitt ab, der sich gemäß DE 42 08 520 C2 ergibt.

Fig. 2 zeigt als Kurve ( 1 ) nochmals das bei einer Badhöhe von 1600 mm und einem Radius des Auslaufquerschnitts von 65 mm erforderliche Profil des Auslaufkanals im Längsschnitt (theoretisch mindestens notwendiger Radius). Kurve (2) zeigt die Strömungsverhältnisse bei einem Abstichrohr gemäß Stand der Technik (Radius des Einlaufquerschnitts: 80 mm). Durch den im Vergleich zum erfindungsgemäß erforderlichen Einlaufquerschnitt (Radius = 1 10 mm) zu geringen Einlaufquerschnitt kommt es beim Stand der Technik zu einer starken Einengung des Strahls im Abstichrohr. Bei freier Ausbildung des Strahls entspricht dies am Auslaufende nur noch einem Radius der Querschnittsfläche von 50 mm. Im Bereich unterhalb des Einlaufquerschnitts kann daher nicht mehr der gesamte Querschnitt des Abstichkanals gefüllt und für das Auslaufen der Schmelze genutzt werden. Die Folge sind die bereits erwähnten erhöhten Turbulenzen und Unterdrücke im Abstichrohr mit der Gefahr, dass auf der Schmelze schwimmende Schlacke mitgerissen wird. Gleichzeitig führen die entlang des Rohrweges entstehenden Turbulenzen zu einer (weiteren) Reduzierung der Durchflussmenge und damit wird die Abstichzeit länger als nötig. Daraus folgt eine Reduzierung der Temperatur der Metallschmelze. Dies macht es notwendig, die Schmelze in den nachfolgenden Behandlungsstufen wieder auf das gewünschte Temperaturniveau zu erwärmen, wodurch zusätzliche Energiekosten entstehen.

Die Vermeidung der Turbulenzen und Aufrechterhaltung eines kompakten Strahls im Abstichkanal löst die Erfindung durch eine solche Gestaltung des Abstichkanals, dass während der gesamten Abstichzeit, also auch bei geringen Badhöhen (effektive Höhe des Badspiegels über dem Einlaufende des Abstichrohrs: unter 30 % der maximalen Höhe), der gesamte Abstichkanal vollständig mit Schmelze gefüllt ist.

Die Erfindung umfasst in ihrer allgemeinsten Ausführungsform ein Abstichrohr für ein metallurgisches Schmelzgefäß, dessen axial verlaufender Durchlasskanal zwischen dem Auslaufende und dem Einlaufende einen Kanalquerschnitt A (y) mit folgender Abhängigkeit aufweist:

A (y) = A hk)/( h, + hk - y)

m i t A = Querschnittsfläche am Auslaufende [m2] h| = effektive Höhe des Schmelzbades über dem Einlaufende [m] - in axialer Verlängerung des Abstichkanals - hk = Länge des Abstichrohres zwischen Einlaufende und Auslaufende [m] y = axialer Abstand [m] zwischen dem Auslaufende und einer Stelle entlang des Abstichrohres mit 0 < y < (h| + hk)

„h|" soll kleiner oder gleich dem 0,3-fachen der maximalen Höhe (hmax) einer Schmelze im Schmelzgefäß in axialer Verlängerung des Abstichrohres sein. Der variable Faktor ( hi / hmax ) berücksichtigt das unterschiedliche Strömungsverhalten insbesondere bei geringer Badhöhe. Aus dem Faktor "<0,3" ergibt sich, dass dabei ein Zustand erfasst wird, bei dem die effektive Höhe des Schmelzenspiegels über dem Einlaufende des Abstichrohrs um mindestens 70% geringer ist als die effektive Höhe des Schmelzenspiegels bei der maximalen Badhöhe.

„hk" gibt die jeweils vorhandene Länge des Abstichrohrs zwischen Einlaufende und Auslaufende wieder. Während das Auslaufende des Abstichrohrs zwangsläufig dessen unteres freies Ende ist und über die Zeit unverändert bleibt, verändert sich die Position des Einlaufendes mit der Benutzungsdauer des Abstichrohres. Verantwortlich dafür ist ein Verschleiß des Feuerfestmaterials am Einlaufende. Das Einlaufende entspricht definitionsgemäß dem Niveau des benachbarten Feuerfestmaterials einer feuerfesten Auskleidung des metallurgischen Schmelzgefäßes. Mit zunehmender Erosion verkürzt sich entsprechend die Länge des Abstichrohrs.

Mit „y" wird schließlich der axiale Abstand zwischen dem Auslaufende und einer Stelle entlang des Abstichrohres bezeichnet. Für das Auslaufende ist y = 0, so dass sich aus vorgenannter Formel ergibt: A(y=0) = A.

Als Spezialfall eines kreisförmigen Abstichquerschnitts ergibt sich für den Durchmesser d(y) des Abstichquerschnitts zwischen Auslaufende und Einlaufende nachstehende Abhängigkeit

d(y) = d W (h,+hk) / (h,+hk -y)

mit

d = Durchmesser am Auslaufende hi = 0,3 hmax oder weniger der maximalen Höhe (hmax) einer Schmelze im Schmelzgefäß über dem Absticheinlass in axialer Verlängerung des Abstichrohres, hk = Länge des Abstichrohres zwischen Einlaufende und Auslaufende, y = axialer Abstand zwischen dem Auslaufende und einer Stelle entlang des Abstichrohres.

Dabei beschreibt „d" den Durchmesser am Auslaufende unter Vorgabe einer gewünschten Durchflussmenge. Je höher die gewünschte Durchflussmenge ist, um so größer ist der Durchmesser „d".

Die erfindungsgemäße Lehre wird anhand verschiedener Ausführungsbeispiele nachstehend erläutert. Die Länge des Abstichrohres (hk) wird mit 1 ,35 Metern angenommen, die Höhe des Badspiegels (hi) - ab Einlaufende des Rohres - mit 0,25 Meter (= 18,5 % der maximalen Höhe des Schmelzbades von 1 ,35 Meter über dem Absticheinlauf). Der Durchmesser „d" am Auslaufende wurde mit 0, 13 Meter festgelegt, um eine gewünschte Durchflussmenge „X" sicherzustellen. Mit vorgenannter Formel berechnet sich der Innendurchmesser des Durchlasskanals am Einlauf wie folgt:

d(y, = 0, 13 • 4V (0,25 + 1 ,35) / (0,25 + 1 ,35 - 1 ,35) = 0,21 m

In einem Abstand von 1 Meter zum Auslaufende ergibt sich für den Durchlasskanal ein Durchmesserwert von:

= 0, 17 m

während am Auslauf - wie ausgeführt - d(y> = d, also 0, 13 m.

Unter Zugrundelegung einer Rohrlänge von 2,0 Meter (bei ansonsten unveränderten Rahmendaten wie Auslaufquerschnitt, Auslaufdurchmesser, effektive Höhe des Badspiegels über dem Einlaufende) ergibt sich der erforderliche Durchmesser am Einlaufende zu 0,23 Meter, der in einem Abstand von 1 Meter zum Auslauf zu 0, 15 Meter, während der am Auslaufende unverändert 0, 13 Meter beträgt.

Daraus ist abzuleiten, dass mit zunehmender Länge des Abstichrohres die erforderliche Öffnungsweite am Einlaufende größer wird.

Führt man die obigen Berechnungen alternativ für eine Rohrlänge von 1 ,35 Meter und einen Durchmesser am Auslaufende von 0, 13 Meter mit einer effektiven Höhe des Schmelzenspiegels über dem Einlaufende von 0,4 Meter durch (entsprechend ca. 30% der maximalen Badhöhe), so berechnet sich der Durchmesser des Durchlasskanals im Einlaufbereich zu 0, 19 Meter und der in 1 Meter Höhe zum Auslaufende zu 0, 16 Meter. Nach einer Ausführungsform wird der Faktor ( hι / hmax ) mit > 0,05 und/oder < 0,3 angenommen (hmax ist die maximale Höhe der Schmelze im Schmelzgefäß über dem Einlaufbereich des Abstichrohrs in axialer Verlängerung des Abstichrohrs). Nach einer weiteren Ausführungsform liegt der Wert zwischen > 0, 1 und/oder < 0,2.

Wie ausgeführt, kommt es vor allem auf die Dimensionierung des Abstichrohrs im einlaufseitigen Teil an. Dabei sind vor allem die Verhältnisse bei geringen effektiven Höhen des Badspiegels (< 30 % der maximalen effektiven Höhe des Badspiegels über dem Einlaufende) bestimmend. Die Querschnittsgeometrie am auslaufseitigen Ende wird überwiegend vom Sollwert der Durchflussmenge (Massestrom bei maximaler Badhöhe) bestimmt.

Nach einer Ausführungsform bezieht sich die Querschnittsberechnung für den Durchlasskanal deshalb auf werte „y" > 50% der Gesamtlänge des Abstichrohres. Nach einer weiteren Ausführungsform werden diese Werte auf Bereiche >70% heraufgesetzt. Dies bedeutet, dass im Wesentlichen die einlaufseitige Hälfte beziehungsweise das einlaufseitige Drittel der Gesamtlänge des Rohres erfindungsspezifisch ausgelegt werden soll.

Dabei kann dieser Abschnitt kontinuierlich konisch verjüngend ausgebildet werden; die notwendige Verjüngung in Richtung auf das auslaufseitige Ende kann aber gegebenenfalls auch stufenartig erfolgen. Ebenfalls ist (im Längsschnitt gesehen) eine Anpassung an die optimale Geometrie des Durchlasskanals in Form von Polygonzügen (siehe Fig 3 bis 5) oder gewölbten Abschnitten möglich. In den Fig. 3-5 sind neben den erfindungsgemäß berechneten Idealgeometrien auch an diese technisch angepasste stufenförmige Wandverläufe dargestellt, mit denen sich die gewünschten Effekte ebenso realisieren lassen und die technisch leichter herstellbar sind.

Insbesondere die untere auslaufseitige Hälfte des Abstichrohres kann der Konizität des (oberen) einlaufseitigen Teils folgen; es ist aber auch möglich, diesen Teil mit geringerer Konizität (Steigung) auszubilden, bis hin zu einer zylindrischen Form des Durchlasskanals. Dies gilt insbesondere für die auslaufseitig letzten 10 bis 20% der Länge des Abstichrohrs.

Bezüglich der Steigung des Durchlasskanals gibt die Erfindung nach einer Ausführungsform (kreisförmiger Kanalquerschnitt und symmetrische Ausbildung der Innenkontur zur Kanalachse) die Lehre, den Wandbereich so zu gestalten, dass die Steigung (S) der Innenkontur des Durchlasskanals (im Längsschnitt) nachstehender Abhängigkeit folgt:

S = r/4 • 4V (h, + hk) / (h, + hk - y)'

mit r = Radius des Kanalquerschnitts am Auslaufende

Die Steigung S beschreibt in diesem Fall die Änderung des Radius r<y) eines kreisförmigen Querschnitts des Abstichkanals in Abhängigkeit vom Abstand y zum Auslaufende des Abstichs.

Beispielsweise ergeben sich damit für unterschiedliche effektive Badhöhen für die mindestens erforderliche Steigung S in verschiedenen Entfernungen vom Auslassende des Abstichrohrs die in nachstehenden Tabellen angeführten Werte

mit hk - 1 ,35 m

r = 0,065 m

mit

hk = 2,0 m hmax = 1 ,35 m r = 0,065 m

m it

hk = 0,75 m (z.B. verringerte Abstichlänge bei verschlissener Konverterauskleidung)

r = 0,065 m

Die Beispiele zeigen, dass im einlaufseitigen Bereich (erstes Drittel der

Kanallänge) für die Steigung S die Werte > 0,02 sein sollten. Bei sehr geringen

effektiven Badhöhen und kürzeren Abstichlängen erstreckt sich der Bereich, in

dem S > 0,02 sein sollte, bereits auf die einlaufseitige Hälfte des

Abstichkanals. Dieser Wert S kann auf > 0,025, > 0,05 oder > 0,25

heraufgesetzt werden.

Er gilt zumindest für die obere Hälfte (dem Einlaufende benachbart)

beziehungsweise das obere Drittel (dem Einlaufende benachbart) des

Abstichkanals, kann sich aber auch über die gesamte Länge des Abstichkanals

erstrecken. Unmittelbar am Einlaufende (über eine Länge von 0,05 der

Gesamtlänge des Abstichrohrs), kann der Wert » 0,25, beispielsweise 1 , 5 , 10,

30, 50, 70 oder 100 betragen. Wird der Wandverlauf des Abstichkanals ganz

oder teilweise stufenförmig ausgebildet oder entsprechend vorhandenen Produktionsanlagen angenähert so bedeutet „Steigung" die Steigung der im Längsschnitt zwischen den Kanten aufeinander folgenden Stufen eintragbaren geraden Verbindungslinie.

Die erfindungsgemäße Dimensionierung eines Abstichrohres berücksichtigt auch die Längenänderung des Abstichrohres abhängig vom Verschleißzustand der benachbarten Auskleidung, indem die jeweiligen Werte für die Abstichlänge und Höhe der darüber liegenden Schmelze in die Berechnung einfließen.

Betrachtet man für die idealisierten Strömungsverhältnisse die Änderung des Querschnitts des Durchlasskanals entlang der Achse vom Auslassende zum Einlassende und normiert diese Änderung auf den Querschnitt, so ergibt sich

SA(y)/A = V2 VCh. + hO / dn + hk - y)3 '

mit SA(y) = Änderung des Querschnitts in m2/m an der Stelle y A = Querschnittsfläche des Durchgangskanals am Auslaufende des Abstichrohrs hi = 0,3 hmax oder weniger der maximalen Höhe (hmaχ) einer Schmelze im Schmelzgefäß über dem Absticheinlass in axialer Verlängerung des Abstichrohres, hk = Länge des Abstichrohres zwischen Einlaufende und Auslaufende, y = axialer Abstand zwischen dem Auslaufende und einer Stelle entlang des Abstichrohres.

Mit folgender Annahme: Schmelzspiegel maximal 30 % der maximalen effektiven Badhöhe über dem Einlaufende des Abstichkanals ergibt sich für die einlassseitige Hälfte des Abstichkanals ein Wert von SA(y)/A >= Vi V2,4 / (2,4 - I )3 SA(y)/A >= 0,468 [ l/m] mit hk = 2 m hι = 0,4 m y = 1 m

Dies bedeutet, dass in der einlassseitigen Hälfte des Abstichkanals die Querschnittsfläche um mindestens 47 % je Meter Kanallänge zunehmen muss um strömungstechnisch günstige Bedingungen zu schaffen.

Die erfindungsgemäße Gestaltung des Abstichrohrs ermöglicht es, den Abstichvorgang auch bei geringen Badhöhen mit verringerten Turbulenzen und stetigem Schmelzenstrom zu betreiben und so das Mitziehen von Schlacke erheblich zu reduzieren. Außerdem ergeben sich durch die Verringerung der Temperaturverluste und den verringerten Verschleiß weitere wirtschaftliche Vorteile wie Energieeinsparung und verlängerte Lebensdauer des Abstichs.