Diese Erfindung bezieht sich allgemein auf das Metallraffinieren, wobei dem schmelzflüssigen Metall von einer Stelle über der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls Sauerstoff zugeführt wird, und sie ist bei einer Verwendung mit Stahlraffinierverfahren wie z. B. dem Sauerstoffaufblasverfahren besonders nützlich.

Bei dem Raffinieren von Metallen wie z. B. der Herstellung von Stahl unter Verwendung des Sauerstoffaufblasverfahrens (BOP) wird Sauerstoff in das schmelzflüssige Metallbad eingeleitet, um mit Bestandteilen des schmelzflüssigen Metalls zu reagieren, von denen einige in einer schmelzflüssigen Schlacke enthalten sind, die zusammen mit dem schmelzflüssigen Metall das schmelzflüssige Bad ausbildet. Diese Reaktionen dienen zur Zufuhr von Wärme zu dem schmelzflüssigen Metall, um einerseits dazu beizutragen, das Metall in einem schmelzflüssigen Zustand zu halten, und andererseits dazu zu dienen, unerwünschte Bestandteile zu entfernen, um die für das Endprodukt erwünschte chemische Zusammensetzung der Schmelze zu erreichen.

Der Sauerstoff kann dem schmelzflüssigen Bad von einer Stelle über der Badoberfläche wie z. B. in der BOP-Praxis oder von einer Stelle unter der Oberfläche des schmelzflüssigen Bades wie z. B. in der Praxis des Schnellsauerstoffaufblasverfahrens (Q-BOP) und in der Praxis der Argon-Sauerstoff-Entkohlung (AOD) zugeführt werden.

Die Zufuhr von Sauerstoff zu dem schmelzflüssigen Bad von einer Stelle über der schmelzflüssigen Badoberfläche ist weniger kompliziert und weniger kostspielig als eine Sauerstoffzufuhr zu dem schmelzflüssigen Bad von einer Stelle unterhalb der schmelzflüssigen Badoberfläche, da das letztere Verfahren den Verschleiß der feuerfesten Materialen erhöht, eine häufige Ersetzung der untergetauchten Einblasvorrichtungen wie z. B. der Blasformen aufgrund der durch die untergetauchte Sauerstoffeinblasung erzeugten rauen Umgebung erfordert und die Verwendung eines inerten oder Kohlenwasserstoff-Umhüllungsgases zum Schutz der Blasformen notwendig macht. Die hohen Kosten kommen zustande durch den höheren Verbrauch an feuerfesten Materialen, durch die Kosten der Umhüllungsgase und Ersatzblasformen, und die durch die erforderliche Blasformenersetzung auftretende Stillstandszeit. Allerdings ist ein Sauerstoffeinblasen von oben bei dem Metallraffinieren weniger effektiv als ein Einblasen von unten her, da mit Einblaspraktiken von oben her ein geringeres Vermischen des schmelzflüssigen Metallbades bewerkstelligt wird. Dies führt im allgemeinen zu niedrigeren Erträgen für Metallraffinier-Einblasverfahren von oben gegenüber vergleichbaren Einblasverfahren von unten her. Zum Beispiel ist der Eisen- und Manganertrag bei Konverterverfahren eines Sauerstoffeinblasens von oben wie z. B. dem BOP niedriger als die jeweiligen Erträge bei Konverterverfahren eines Sauerstoffeinblasens von unten wie z. B. dem Q-BOP, da für ein adäquates Vermischen des Metalls und der Schlacke eine nur ungenügende Gasumrührenergie zur Verfügung steht. Weiterhin ist der Verbrauch von Aluminium für die Stahldesoxidation bei dem BOP im Vergleich zu dem Q-BOP aufgrund eines höheren Gehalts von gelöstem Sauerstoff an dem Ende des Raffinierverfahrens höher.

Eine Möglichkeit zur Adressierung dieses Problems besteht in einem Einblasen des Sauerstoffs von sowohl ober- wie unterhalb der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls. Dies verringert zwar etwas die Kosten, die mit einer Sauerstoffeinblasung von unterhalb der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls und der Häufigkeit der Blasformenersetzung verbunden sind, jedoch wäre nun der Betrieb von zwei separaten Sauerstoffzufuhrsystemen erforderlich. Eine weitere Möglichkeit zur Adressierung dieses Problems besteht in einem Einblasen des Sauerstoffs in den Ofenkopfraum von einem nur kurzen Abstand von der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls aus, um eine zusätzliche Vermischung des Metalls und der Schlacke mindestens über einen Teil des Sauerstoffeinblaszeitraums hinweg bereitzustellen. Jedoch ist diese Praxis aufgrund des erhöhten Verschleißes der Sauerstoffeinblaslanze immer noch unbefriedigend.

Insofern das BOP bei etwa 60% der weltweiten Stahlherstellung benutzt wird, wäre jede Verbesserung bezüglich Verfahren eines Sauerstoffeinblasens von oben wie z. B. dem BOP hoch erwünscht.

Dementsprechend besteht eine Aufgabe dieser Erfindung in der Bereitstellung eines verbesserten Verfahrens zum Raffinieren von Metall, das eine Sauerstoffzufuhr zu dem schmelzflüssigen Metall von oberhalb der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls verwendet und welches dem schmelzflüssigen Metallbad auf effektive Weise eine Gasrührenergie zuführen kann, ohne die Integrität der Sauerstoffeinblaslanze zu beeinträchtigen.

Die obigen und weitere Aufgaben, die dem Fachmann anhand dieser Beschreibung deutlich werden, werden durch die vorliegende Erfindung gelöst, die ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zum Raffinieren eines schmelzflüssigen Metallbades ist, das Eisen, Silizium und Kohlenstoff enthält.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Kopfraum" denjenigen Raum, der über der ruhenden schmelzflüssigen Badoberfläche und unter derjenigen Ebene liegt, die durch die oberste Öffnung des Metallraffinierofens ausgebildet wird.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "kohärenter Strahl" einen Gasstrom, der seiner Länge entlang einen im wesentlichen konstanten Durchmesser aufweist.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Entkohlen" die Kohlenstoffentfernung von schmelzflüssigem Metall, indem Kohlenstoff mit Sauerstoff zur Reaktion gebracht wird, damit Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid ausgebildet wird.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Überschall-Strahllänge" die Länge eines Strahls aus einer Düse, dessen Axialgeschwindigkeit, gemessen bei Umgebungsatmosphärenbedingungen, Überschallgeschwindigkeit beträgt.

Wie hier verwendet bezeichnet der Begriff "Axialgeschwindigkeit" die Geschwindigkeit eines Gasstroms an seiner axialen Mittellinie entlang.

Wie hier verwendet bezeichnet "Strahlkraft" die berechnete Eindringkraft des Strahls, die proportional ist zu dem Produkt der Gasdichte und des Quadrats der Gasgeschwindigkeit, integriert innerhalb der durch die ursprüngliche Düsenfläche definierten Fläche des Gasstroms, die gleich &pgr;d²/4 ist.

Wie hier verwendet bezeichnen "Umgebungsatmosphärenbedingungen" das Vorliegen von Umgebungsluft bei einer Temperatur in dem Bereich von –17,8°C bis 37,8°C (0 bis 100° Fahrenheit). Für die Zwecke dieser Erfindung sind die hier nützlichen Gasstrahlen 23 und 30 solche Strahlen, die die im folgenden festgelegten Kriterien bezüglich der Axialgeschwindigkeit und der Aufrechterhaltung der Strahlkraft bei einer Strahllänge von 30 d erfüllen, wenn sie unter Modelltestbedingungen und Umgebungsatmosphärenbedingungen getestet werden. Gasstrahlen mit einer Axialgeschwindigkeit von weniger als Mach 1 und einer Strahlkraft von weniger als 20% der ursprünglichen Strahlkraft bei einer Strahllänge von 30 d werden im folgenden dadurch gekennzeichnet, dass sie eine "breite Kontaktfläche mit dem schmelzflüssigen Metall" aufweisen. Gasstrahlen mit einer Axialgeschwindigkeit von größer als Mach 1 und einer Strahlkraft von größer als 50% der ursprünglichen Strahlkraft bei einer Strahllänge von 30 d werden im folgenden dadurch gekennzeichnet, dass sie über eine "kleinere Kontaktfläche mit dem schmelzflüssigen Metall" verfügen.

Wie hier verwendet bezeichnen "Modelltestbedingungen" die folgenden Bedingungen. Die Strahlen werden in einer Freiluft-Testeinrichtung Himmel charakterisiert. Die Strahlen werden ausgebildet und in die Umgebungsluft eingeblasen, wobei die Struktur des Strahls unter Verwendung eines Pitot-Rohrs abgetastet wird. Das Pitot-Rohr misst den dynamischen Druck des strömenden Gases, aus dem verschiedene Strahleigenschaften bestimmt werden können. Diese Abtastung kann sich im dreidimensionalen Raum bewegen, sodass eine vollständige räumliche Bestimmung möglich wird. Typischerweise wird nur einer der Strahlen abgetastet und es wird davon ausgegangen, dass die nicht abgetasteten Strahlen identisch zu dem abgetasteten Strahl ausfallen. Die erstellten Messungen betreffen 1) das axiale dynamische Druckprofil (Mittellinie) und 2) das radiale dynamische Druckprofil (entnommen an verschiedenen axialen Positionen). Die Machzahl, Geschwindigkeit und Kraftprofile werden aus den Pitot-Rohr-Messungen unter Verwendung wohlbekannter gasdynamischer Beziehungen berechnet.

1 ist eine repräsentative Illustration und stellt die erste Phase bzw. weiche Einblasperiode des Metallraffinierverfahrens dieser Erfindung dar.

2 ist eine repräsentative Illustration und zeigt die zweite Phase bzw. harte Einblasperiode des Metallraffinierverfahrens dieser Erfindung.

3 ist eine frontale Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer für die Praxis dieser Erfindung nützlichen Lanze.

Die Bezugsziffern in den Zeichnungen sind für die allgemeinen Elemente die Gleichen.

Die Erfindung wird nun ausführlich mit Bezug auf die Zeichnungen sowie mit Bezug auf ihre Verwendung in einem BOP beschrieben werden.

1 illustriert einen Sauerstoffaufblasofen 20, in dem eine Charge 21 raffiniert wird, um Stahl zu erzeugen.

Die Charge weist typischerweise schmelzflüssiges Eisen wie z. B. heißes Metall aus einem Hochofen, Stahlschrott, und Schlacke ausbildende Mittel wie z. B. Kalk, dolomitischen Kalk oder Fluorit auf. Die Charge hat typischerweise eine Siliziumkonzentration von etwa 0,05 bis 2,0 Gew.-% und eine Kohlenstoffkonzentration von etwa 4 bis 4,5 Gew.-%.

Während der ersten Phase bzw. weichen Einblasperiode des gesamten Sauerstoffeinblaszeitraums wird Raffiniersauerstoff von einer Sauerstofflanze 22 in einem oder mehreren Gasströmen 23 in den Kopfraum 24 des Ofens 20 eingeblasen. In der in 1 illustrierten Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Gasströmen 23 verwendet. In dieser ersten Phase des gesamten Sauerstoffeinblaszeitraums wird ein sauerstoffhaltiger Gasstrom, der mindestens etwa 80% Sauerstoff und vorzugsweise reinen Sauerstoff aufweist, in der Form von Sauerstoffstrahlen 23 ausgestoßen, die eine breite Kontaktfläche mit der Oberfläche des schmelzflüssigen Metallbades bereitstellen. Wie noch ausführlicher beschrieben werden wird, ist in dieser ersten Phase des Sauerstoffraffinierverfahrens eine relativ breite Kontaktfläche mit der Oberfläche des schmelzflüssigen Metallbades und jeglichem nicht geschmolzenen Schrott erwünscht, um die Ausbildung von FeO und SiO₂ zu unterstützen, die den Schmelzpunkt der Schlacke absenken, und um die mit diesen Reaktionen verbundene Wärme freizusetzen, damit ein schnelles Schmelzen und eine Ausbildung des schmelzflüssigen Schlacketeils des schmelzflüssigen Bades unterstützt wird. Die Reaktion eines Teils des eingeblasenen Sauerstoffgases mit CO in dem Kopfraum des Behälters stellt zusätzliche Wärme bereit, damit die schmelzflüssige Schlacke rasch ausgebildet und der Schrott zusätzlich geschmolzen wird. Die Gasstrahlen 23 treten durch Lavaldüsen aus, die einen konvergierenden Abschnitt, einen sich verengenden Abschnitt und einen divergierenden Austrittsabschnitt mit einem Auslassdurchmesser d und einer Austrittsgeschwindigkeit aufweisen, welche Mach 1 übersteigt und typischerweise in dem Bereich von Mach 1,5 bis Mach 2,5 liegt. Für ein gesteigertes Mitreißen der Umgebungsatmosphäre in die Sauerstoffstrahlen 23 und eine dadurch stattfindende Verbreiterung der Kontaktfläche dieser Strahlen werden die Gasstrahlen 23 durch eine Gashülle 25 umgeben, die ein sekundäres sauerstoffhaltiges Gas und mindestens ein inertes Gas aufweist. Das bevorzugte inerte Gas ist Stickstoff. Weitere in der Praxis dieser Erfindung anwendbare inerte Gase beinhalten Argon, Kohlendioxid und Helium. Die Durchflussraten des sekundären sauerstoffhaltigen Gases und des inerten Gases liegen jeweils typischerweise in dem Bereich von zwei (2) bis zehn (10) Prozent des gesamten Stroms aller Gasstrahlen 23. Die Sauerstoffstrahlen 23 interagieren mit der Umgebungsatmosphäre, um ein Gebiet mit turbulentem Vermischen zu erzeugen, welches die Umgebungsatmosphäre mitreißt und bewirkt, dass die Sauerstoffstrahlen 23 ihre Strahlgeschwindigkeit und -kraft verlieren, sodass bei einem Abstand von 30 d von dem Düsenaustritt bei Umgebungsatmosphärenbedingungen die Axialgeschwindigkeit der Gasstrahlen 23 weniger als Mach 1 und die Strahlkraft weniger als 20%, vorzugsweise jedoch weniger als 10% der ursprünglichen Strahlkraft an dem Düsenaustritt beträgt. Dieser Verlust an Strahlkraft ist ein Maß dafür, wie weit die Gasstrahlen 23 ausgebreitet werden, damit sie weniger weit eindringen, einen größeren Oberflächenkontakt und eine höhere chemische Reaktion mit der Umgebungsatmosphäre, mit nicht geschmolzenem Schrott und mit der Oberfläche des schmelzflüssigen Bades bereitstellen.

Die Sauerstoffgasströme 23 weisen bei ihrer Injektion in den Kopfraum 24 von der Lanze 22 aus eine Überschallgeschwindigkeit auf, aber aufgrund des inerten Gases in der Gashülle, die den/die Raffiniersauerstoff-Gasstrom/ströme von der Atmosphäre innerhalb des Ofenkopfraums abschirmt, fällt die Geschwindigkeit der Gasströme 23 rasch und signifikant auf Unterschallgeschwindigkeit ab, bevor die Ströme 23 die Oberfläche der Metallcharge 21 erreichen. Die Überschall-Strahllänge jeder der Gasströme 23 beträgt weniger als 30 d. Wenn die Geschwindigkeit der Gasströme 23 die Schallgeschwindigkeit unterschreitet, breitet sich jeder der Gasströme 23 mit einem Halbwinkel von etwa 10° aus, wodurch ihre Durchmesser erhöht werden und ein weicher, d. h. weniger stark eindringender Strom sowie ein großes Ausmaß an Oberflächenkontakt mit der Umgebungsatmosphäre und mit der Oberfläche des schmelzflüssigen Bades bewerkstelligt wird. Da der Kopfraum oxidierbare Spezies wie z. B. Kohlenmonoxid enthält, würde, wenn die Strömung des inerten Gases nicht in der Nähe des/der Raffiniersauerstoffstroms/ströme vorhanden wäre, die Raffiniersauerstoffströme einer begrenzten Verbrennungsreaktion unterzogen werden, die ein Ausbreiten verhindern würde.

Während oder vor dieser ersten Phase bzw. weichen Einblasperiode des Sauerstoffeinblaszeitraums werden Flussmittel wie z. B. Kalk und Dolomit zu der Charge hinzugefügt, um die erwünschten chemischen Eigenschaften der Schlacke zu bewerkstelligen und um ausgebildetes Siliziumdioxid zu neutralisieren. Die weich eingeblasenen Sauerstoffströme treten mit einem größeren Teil der Chargenoberfläche in Kontakt, um rascher und gleichförmiger mit Kohlenstoff, Silizium und anderen metallischen Komponenten in der Charge zu reagieren, damit die Flussmittel geschmolzen werden und eine schmelzflüssige Schlacke 26 innerhalb des Kopfraums über der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls ausgebildet wird, welche die erwünschten chemischen Eigenschaften aufweist, um die Ofenauskleidung zu schützen und die Entfernung von Verunreinigungen wie z. B. Phosphor und Schwefel zu erleichtern. Weiterhin werden die weich eingeblasenen Sauerstoffströme weniger wahrscheinlich durch nicht geschmolzenen Schrott reflektiert, der zu Beginn des Sauerstoffblaszeitraums vorliegen kann, was andernfalls zu einer Beschädigung der Lanze oder der Ofenauskleidung führen könnte. Darüber hinaus dient die sich ausbreitende Beschaffenheit der weich eingeblasenen Sauerstoffströme dazu, eine signifikante Menge an Kopfraumatmosphäre in den Strömen 23 mitzureißen. Die Kopfraumatmosphäre enthält einen hohen Prozentsatz an Kohlenmonoxid und ein Teil des mitgerissenen Kohlenmonoxids wird mit dem Sauerstoff in den Gasströmen 23 zur Ausbildung von Kohlendioxid verbrannt. Die sich ergebende Wärme, die durch diese Verbrennung freigesetzt wird, erhöht die Menge an Schrott, der geschmolzen werden kann, was die Kosten verringert und die Produktivität erhöht. Der in der Gashülle 25 enthaltene zusätzliche Sauerstoff reagiert auch mit Kohlenmonoxid, was das Ausmaß an während dieser anfänglichen bzw. weichen Einblasperiode erzeugter Wärme zusätzlich erhöht. Die erste Phase bzw. weiche Einblasperiode wird fortgeführt, solange mindestens 50% und vorzugsweise mindestens 75% des Siliziums in dem schmelzflüssigen Metall oxidiert und zu Siliziumdioxid umgewandelt worden ist.

Auf die erste Phase bzw. weiche Einblasperiode des Sauerstoffeinblaszeitraums folgt eine zweite Phase bzw. harte Einblasperiode. Im allgemeinen macht die weiche Einblasperiode einen Anfangsanteil von 10 bis 90% und vorzugsweise von 20 bis 80% des gesamten Zeitraums aus, der aus der anfänglichen weichen Einblasperiode und der nachfolgenden harten Einblasperiode ausgebildet wird. Die Übergangsperiode von weichem zu hartem Einblasen hängt von der Ansprechzeit des Gassteuerungssystems ab und liegt typischerweise in dem Bereich von 5 bis 90 s.

2 illustriert den Betrieb des Verfahrens dieser Erfindung während der zweiten Phase bzw. Der harten Einblasperiode. Ein wichtiger Vorteil dieser Erfindung besteht darin, dass die Lanze 22 während der harten Einblasperiode nicht so nahe an die Oberfläche der schmelzflüssigen Bades wie bei der konventionellen BOF-Praxis gebracht werden muss und zugleich immer noch Vorteile durch eine hohe Vermischungsenergie ermöglicht werden.

Nun auf 2 Bezug nehmend wird während der zweiten Phase bzw. harten Einblasperiode Raffiniersauerstoff in einem oder mehreren Gasströmen 30 von der Lanze 22 in den Kopfraum 24 eingeblasen. In der in 2 illustrierten Ausführungsform wird eine Mehrzahl von Gasstrahlen 30 verwendet. Die Gasstrahlen 30 treten durch Lavaldüsen aus, die mit einem konvergierenden Abschnitt, einem sich verengenden Abschnitt und einem divergierenden Austrittsabschnitt versehen sind und eine Austrittsgeschwindigkeit aufweisen, die Mach 1 übersteigt und typischerweise in dem Bereich von Mach 1,5 bis Mach 2,5 liegt. Im Unterschied zu der ersten Phase, in der Sauerstoff und inertes Gas in einer Hülle um die Gasstrahlen herum bereitgestellt wurden, werden in der zweiten Phase Sauerstoff und ein brennbares Fluid um die Gasstrahlen 30 herum zugeführt. Dieser Sauerstoff und das brennbare Fluid verbrennen, um eine Flammenhülle 31 um die Gasstrahlen 30 herum auszubilden. Die Durchflussrate des Sauerstoffs und des brennbaren Gases werden so gewählt, dass eine Flammenhülle erzeugt wird, die ein Mitreißen der Umgebungsatmosphäre in den Gasstrahlen 30 minimiert und die Aufrechterhaltung hinsichtlich der Axialgeschwindigkeit, der Bewegungs- und der Vermischungsenergie der Strahlen maximiert. Typischerweise liegt jeder dieser Gasströme in dem Bereich von zwei (2) bis zehn (10) Prozent des gesamten Stroms aller Gasstrahlen 30. Die Flammenhülle 31 dient dazu, eine Barriere zwischen den Gasstrahlen 30 und der Atmosphäre des Kopfraums 24 auszubilden, wodurch die Kopfraumatmosphäre davon abgehalten wird, in den Gasstrahlen 30 mitgerissen zu werden. Infolgedessen ist die Axialgeschwindigkeit der Gasstrahlen 30 bei einem Abstand von 30 d zu dem Düsenaustritt, wenn sie unter Umgebungsatmosphärenbedingungen getestet wird, durch eine Axialgeschwindigkeit charakterisiert, die größer als Mach 1 und in der bevorzugten Ausführungsform im wesentlichen gleich wie die Entwurfsaustrittsgeschwindigkeit der Gasstrahlen 30 ist, und die Strahlkraft ist größer als 50% und vorzugsweise größer als 70% der ursprünglichen Strahlkraft an dem Düsenaustritt. Diese größere Aufrechterhaltung der Strahlaxialgeschwindigkeit und der Strahlkraft während der zweiten Phase ist eine Maßangabe für den Grad, mit dem die Gasstrahlen 30 ihr Vermögen zu einem Auftreffen auf die Badoberfläche mit einer sehr hohen Bewegungsenergie über eine relativ kleinere Fläche hinweg beibehalten, wodurch dem schmelzflüssigen Bad mehr Vermischungsenergie zugeführt wird. Diese größere Vermischungsenergie der Gasstrahlen 30 verbessert die Entkohlung des schmelzflüssigen Metallbades und dadurch die Effizienz des Raffinierverfahrens.

Jeder Gasstrahl 30 wird in den Kopfraum von einer Düse aus injiziert, die typischerweise eine konvergierende/divergierende Düse mit einem Auslassdurchmesser (d) ist. Jeder Gasstrahl 30 weist eine Überschall-Strahllänge von mindestens 30 d und bis zu 50 d oder mehr auf. Darüber hinaus ist jeder Gasstrahl 30 kohärent und behält seine Kohärenz über mindestens einen Teil des Abstands innerhalb des Kopfraums von der Einblasstelle der Lanze 22 zu der Oberfläche der Charge 21 hinweg bei. Im allgemeinen ist jeder Gasstrahl 30 kohärent und behält seine Kohärenz über einen Abstand von mindestens 30 d und bis zu 50 d oder mehr von seiner Injektion in den Kopfraum aus seiner Einblasdüse an der Lanze 22 aus bei. Der/die Gasstrahlen) 30 kann können eine Überschall-Strahllänge aufweisen und kann können über im wesentlichen den gesamten Abstand innerhalb des Kopfraums von der Lanze zu der Oberfläche des schmelzflüssigen Bades hin kohärent bleiben.

Die axiale Überschallgeschwindigkeit und die kohärente Natur des/der Sauerstoffstrahls/en während der harten Einblasperiode ermöglichen es, dass der/die Sauerstoffstrahlen mit einer sehr hohen Bewegungsenergie auf die Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls über eine relativ kleine Fläche hinweg auftreffen, die kleiner als die Kontaktfläche während der ersten Phase ist, wodurch die verfügbare Vermischungsenergie, die durch den/die Gasstrahlen) zu dem schmelzflüssigen Metall geführt wird, maximiert und konzentriert wird. Dies wird in 2 durch die tiefe Eindringung 32 der Sauerstoffstrahlen in das schmelzflüssige Metall dargestellt, was zu einem verbesserten Vermischen von Schlacke und Metall mit einem geringeren Eisenoxidgehalt in der Schlacke und/oder gelöstem Sauerstoff in dem raffinierten Metall, einem höheren Ertrag, geringeren Spritzern und Funken, einer höheren Produktivität und einem niedrigeren Kohlenstoffgehalt des raffinierten Metalls führt. Die zweite Phase des gesamten Raffinierens oder die Sauerstoffkontaktdauer wird fortgeführt, bis das schmelzflüssige Metallbad entkohlt worden ist, um im wesentlichen einen angestrebten Kohlenstoffpegel aufzuweisen, der typischerweise von etwa 0,03 bis 0,15 Gew.-% beträgt.

An dem Ende der zweiten Phase bzw. harten Einblasperiode wird die Lanze aus dem Ofen herausgezogen und der/die Raffiniersauerstoffstrahl/strahlen sowie das Oxidationsmittel und das brennbare Fluid für die Flammenhülle werden abgeschaltet. Anschließend wird der Ofen geneigt, um den raffinierten Stahl in eine Gießpfanne zu gießen. Zum Erhalt der erwünschten chemischen Endeigenschaften des Stahls und zum Entfernen von unerwünschtem Sauerstoff, der in dem Stahl gelöst ist, werden Legierungen und Desoxidationsmittel wie z. B. Aluminium und Silizium hinzugefügt.

3 illustriert eine bevorzugte Anordnung eines Lanzenkopfes, der zur Durchführung des Verfahrens dieser Erfindung benutzt werden kann. Nun auf 3 Bezug nehmend sind vier Sauerstoffdüsen 5 gezeigt, die an einer Stirnseite 7 einer Lanze 22 angeordnet sind. In der Praxis dieser Erfindung werden vorzugsweise von 1 bis 6 und am bevorzugtesten von 3 bis 5 Sauerstoffdüsen verwendet, wobei jede Sauerstoffdüse einen weich eingeblasenen Gasstrom und anschließend einen hart eingeblasenen kohärenten Überschall-Gasstrahl bereitstellt. Die Sauerstoffdüsen 5 werden vorzugsweise unter einem von der Mittellinie der Lanze aus nach außen weisenden Winkel angeordnet, der in dem Bereich von etwa 6 bis 20° liegen kann. Wie in 3 dargestellt sind die Sauerstoffdüsen 5 vorzugsweise in einem Kreis an der Stirnseite 7 der Lanze 22 angeordnet. Sauerstoffströme werden aus den Düsen 5 sowohl während der anfänglichen weich eingeblasenen wie während den nachfolgenden harten Einblasperioden des Verfahrens der Erfindung ausgestoßen.

An der Stirnseite 7 der Lanze 22 befinden sich ebenfalls ein innerer Ring von Löchern 8 und ein äußerer Ring von Löchern 9. Vorzugsweise und wie in 3 dargestellt sind die äußeren Löcher 9 zu den inneren Löchern an jeweiligen Radien an der Lanzenstirnseite ausgerichtet. Sowohl der innere Ring von Löchern wie der äußere Ring von Löchern liegen in einer kreisförmigen Anordnung um die Sauerstoffdüse(n) herum vor. Während der anfänglichen weichen Einblasperiode wird Sauerstoff aus dem äußeren Ring von Löchern 9 und inertes Gas wie z. B. Stickstoff wird aus dem inneren Ring von Löchern 8 herausgeleitet, um die Gashülle auszubilden, welche den/die weich eingeblasenen Gasstrom/ströme umgibt und die Expansion des/der weich eingeblasenen Gasstroms/ströme ermöglicht. Der durch den äußeren Ring von Löchern 9 ausgeleitete Sauerstoff ist ein mindestens 80 Molprozent Sauerstoff aufweisendes Fluid. An dem Ende der weichen Einblasperiode wird die Inertgasströmung durch die Löcher 8 angehalten und durch den Strom von brennbarem Fluid, d. h. Brennstoff ersetzt. Der bevorzugte Brennstoff ist Methan oder Erdgas. Weitere in der Praxis dieser Erfindung verwendbare Brennstoffe beinhalten Propan, Butan, Butylen, Wasserstoff, Koksofengas und Öl. Der Brennstoff vermischt sich mit dem durch die äußeren Löcher 9 zugeführten Sauerstoff und verbrennt mit diesem, um die Flammenhülle auszubilden. Diese umgibt den/die hart eingeblasenen Sauerstoffstrahl/en und dient dazu, letztere kohärent und über mindestens einen Teil des Abstands hinweg bei einer Überschallgeschwindigkeit zu halten, wenn der/die Strahl/en von der Lanze zu der Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls laufen.

Obgleich die Erfindung ausführlich mit Bezug auf eine bestimmte bevorzugte Ausführungsform im Zusammenhang mit der BOP-Praxis beschrieben worden ist, verstehen sich für den Fachmann weitere Ausführungsformen der Erfindung, die in den Rahmen der Ansprüche fallen. Zum Beispiel kann die Erfindung mit unter der Oberfläche stattfindenden Einblasverfahren wie z. B. dem Q-BOP und dem AOD-Verfahren angewendet werden. Weiterhin könnte dort, wo das inerte Gas oder das brennbare Fluid und der Sauerstoff durch alternierende Löcher der Zufuhranordnung strömen, diese Zufuhranordnung einen einzelnen Ring von Löchern um die Raffiniersauerstoffdüse(n) herum aufweisen. Anstelle von Ringen von Löchern 8 und 9 wie in 3 dargestellt könnte zudem auch eine andere Zufuhranordnung wie z. B. ringförmige Öffnungen um die Raffiniersauerstoffdüse(n) herum verwendet werden.