Sauerstofflanze

  Eine Sauerstofflanze (auch thermische Lanze genannt) ist ein technisches Verfahren, in dem gasförmiger Sauerstoff mit hohem Druck auf einen Brennstoff trifft und mit diesem dort reagiert, wobei je nach Brennstoff sehr hohe Temperaturen entstehen. Technische Konstruktionen mit einer Sauerstofflanze finden für verschiedene Zwecke Anwendung.

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Schneidbrennen

Neben dem Verfahren bezeichnet der Begriff auch oft direkt diesen Typ von Schneidbrenner, das heißt eines der technischen Geräte, in der das Verfahren der Sauerstofflanze Anwendung findet.

Die Brennerkonstruktion einer Sauerstofflanze besteht aus einem langen, mit Stahldrähten gefüllten (=> große Oberfläche) Hohlstab, der von gasförmigem Sauerstoff mit hohem Druck und hoher Geschwindigkeit durchflossen wird. Nach der Entzündung am Rohraustritt beginnt das Rohrmaterial unter dem Sauerstoff zu verbrennen.

Die entstehende Feuerlanze hat eine sehr hohe Temperatur und durchtrennt oder durchbohrt demnach auch Materialien mit sehr hohem Schmelzpunkt. Sie wird verwendet für das Durchschweißen u.a. von Stahl, Beton und Stahlbeton, bzw. Ausmauerung. Sauerstofflanzen werden im Katastrophenschutz, aber auch in Eisen- und Stahlwerken eingesetzt (Probeentnahme Anstich Hochofen). Durch die extrem heiße Verbrennung des Eisenrohrs (bzw. eines Eisenstückes im Rohr) unter Sauerstoff sowie dem Strömungsdruck von Flamme und Gas entsteht ein Schneidbrennereffekt, geschmolzenes Material und Verbrennungsgase werden durch die Gasströmung aus der Brennstelle entfernt. Da sich das Rohr am Brennschneid-Gerät durch den Einsatz verzehrt, muss es periodisch ersetzt werden.

Sauerstofflanzen können ohne allzu große Modifikation auch unter Wasser eingesetzt werden; hierzu wird lediglich das verbrennende Stahlrohr z.B. mit Isolierband umwickelt, um eine zu starke Auskühlung, die zu einem Abbruch der Verbrennung führen könnte zu verhindern.

Stahlerzeugung

Bei der Stahlerzeugung nach dem LD-Verfahren findet sich eine ähnliche Konstruktion zum Frischen des Stahls. Dabei wird Sauerstoff auf die flüssige Schmelze aufgeblasen, durch die Entkohlung (Verbrennen des überschüssigen Kohlenstoffs) wird Roheisen zu Stahl gewandelt.

Mess- und Analysetechnik

Sauerstofflanzen werden im technischen Bereich auch in Messsonden eingesetzt. Es sind dies in erster Linie "Kurzzeitlanzen" für Temperaturmessungen, EMK-Messungen und zur Entnahme von Proben. Die Messung erfordert einen geringen Zeitaufwand von 10 bis 30 Sekunden. Elektro-Motorische-Kraft-Messungen werden durchgeführt, um kontinuierlich die Aktivität der Eisenbegleiter, insbesondere des Sauerstoffs zu erfassen. Das Messverfahren beruht darauf, dass bei jeder chemischen Reaktion in den äußeren Schalen der Reaktionspartner ein Elektronenaustausch stattfindet (Ionenbindung). Wird nun ein Elektrolyt zwischen die beiden Reaktionspartner geschaltet, so entsteht ein galvanisches Element, wobei der Ionenaustausch als Strom (EMK) gemessen werden kann. Diese Messsonden werden in steigenden Umfang in den Stahlwerken für Kontroll- und Steuerungsmaßnahmen eingesetzt. Als Festelektrolyte für Sauerstoffmesssonden sind nur Oxide geeignet, die gegenüber der Metallschmelze thermodynamisch stabil sind, eine überwiegende, hohe Ionenleitfähigkeit aufweisen und eine ausreichende Temperaturwechselbeständigkeit besitzen. Das reine ZrO₂ ist ein Halbleiter mit einer ausgeprägten Volumenänderung bei der Umwandlung von monokliner zu tetragonaler Struktur im Temperaturintervall zwischen 800 °C und 1200 °C. Durch Zusatz z.B. von CaO kann das ZrO₂ in die stabile Form vom CaF₂-Typ übergeführt werden, die bei der Abkühlung bis Raumtemperatur metastabil erhalten bleibt. Verschiedene Zellaufbauten, mit Referenzelektroden aus gleichem Elektrolyten (ZrO₂-MgO, ZrO₂-CaO oder ZrO₂-ThO₂) werden verwendet. Für den Zellenschaft und die Hülle der Elektrode sind verschiedene Materialien und Materialkombinationen im Einsatz. Es werden verwendet:

• Pappe
• Pappe und Kaowool
• Pappe oder gewickelte Kaolinschicht und Zement
• mit feuerfesten Zement beschichtete Pappe
• Keramik.

Sauerstofflanzen werden in der Stahlindustrie in der Sekundärmetallurgie eingesetzt.