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Wassergekühlte Düse, insbesondere zum Frischen von Metallen
Die Erfindung betrifft Düsen, insbesondere zum Frischen von Metallen durch Aufblasen eines Stromes von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas auf die Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls.
Wenn derartige Düsen in den Schmelzbehälter eingesetzt werden, sind sie einer starken Wärmestrahlung von der Oberfläche der Schmelze her ausgesetzt. Daher ist es üblich, die Düse durch Wasser von Luft-
Temperatur zu kühlen, das durch in den Wänden der Düse vorgesehene Kanäle im Kreislauf geführt wird.
Die zum Frischen von Metallen verwendeten Düsen haben gewöhnlich einen Eintrittskanal für den Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas und eine Drosselstrecke, deren Querschnitt wesentlich kleiner ist als der des Eintrittskanals, wobei die Verbindung zwischen dem Eintrittskanal und der Drosselstrecke durch eine allmähliche Verjüngung der Kanalwandung hergestellt wird. Die Drosselstrecke kann direkt an der Düsenspitze endigen und selbst die Austrittsöffnung bilden, oder die Austrittsöffnung kann einen grösseren Querschnitt haben als dieDrosselstrecke und mit dieser durch eine sich erweiternde Strecke verbunden sein (diese Bauart ist als Venturidüse bekannt).
In den bisher für wassergekühlte Düsen vorgeschlagenen Konstruktionen erstreckten sich die Kühlwasserkanäle soweit zur Düsenmündung, dass die Drosselstrecke mindestens in dem grössten Teil ihrer Länge gekühlt wurde. Eine theoretische Betrachtung der Gasströmung in Düsen mit parallelwandiger Bohrung zeigt jedoch, dass bei einer eindimensionalen Gasströmung die Geschwindigkeit des Gases in der parallelen Austrittsstrecke (Drosselstrecke) bei einem über einem bestimmten kritischen Wert liegenden Druck des Gases am Ddseneintritt (bei Sauerstoff 0, 928 atit) das Gas in der parallelen Austrittsstrecke (Drosselstrecke) immer mit Schallgeschwindigkeit strömt und bei einer adiabatischen Gasströmung die Temperatur des Gases in der Drosselstrecke das 0,
833-fache der Stillstandstemperatur des Gases beträgt. Die Stillstandstemperatur des Gases ist die Temperatur des nicht strömenden Gases, das sich z. B. in dem Gasbehälter befindet.
Wenn das Gas eine Stillstandstemperatur von etwa 17 C hat, müsste das Gas in der Drosselstrecke theoretisch eine Temperatur von etwa-320 C haben. In der Praxis sind natürlich keine vollkommen adiabatischen Bedingungen vorhanden, weil in den Leitungen, über welche die Düse an den Gasbehälter angeschlossen ist, immer eine gewisse Wärmeübertragung von der Atmosphäre stattfindet. Trotzdem hat es sich in der Praxis gezeigt, dass die Kühlwirkung genügt, um die Temperatur des Gases in der Drosselstrecke unter die des Kühlwassers herabzusetzen. In der Drosselstrecke wirkt das Kühlwasser auf das Gas daher im Gegensatz zu seinem Bestimmungszweck als Wärmequelle.
Die gleichen Bedingungen für die Temperatur des Gases in der Drosselstrecke gelten auch fürVenturi- düsen. Ausserdem ist bei adiabatischen Bedingungen die Temperatur des Gases in der sich erweiternden Austrittsstrecke noch niedriger als in der Drosselstrecke, weil in der Austrittsstrecke ein niedrigerer Druck herrscht.
Die Erfindung bezweckt die Schaffung einer wassergekühlten Düse, in der das Kühlwasser nicht als Wärmequelle wirken kann.
Erfindungsgemäss ist eine wassergekühlte Düse, insbesondere zum Frischen von Metallen durch Aufblasen eines Stromes von Sauerstoff oder sauerstoffhaltigem Gas auf die Oberfläche des schmelzflüssigen Metalls, mit einem Gaseintrittskanal, einer Drosselstrecke, deren Querschnittsfläche wesentlich kleiner ist als der des Eintrittskanals, und in der Düsenwand ausgebildeten Kanälen für den. Kreislauf von Kühlwas-
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ser dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kiihikanäle nicht über den Anfang der Drosselstrecke hinaus erstrecken.
Die Erfindung kann in Düsen mit parallelwandiger Bohrung und Venturidüse angewendet werden. Da dieDrosselstrecke (bei Ventur1düsen auch die sich erweiterndeAustrittsstrecke) nicht im Bereich des Kühlwassers liegt, kann dieses auf das in der Drosselstrecke bzw. der sich erweiternden Austrittsstrecke befind-
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tisch, rechteckig oder quadratisch sein.
Bei Venturidüse wird die genaue Grösse und Form der Gaskanäle durch den Zuführungsdruck des Gases und die erforderliche Strömungsmenge bestimmt. Allgemein müssen jedoch folgende Bedingungen erfüllt sein : a) Das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des Eintrittskanal und der der Drosselstrecke darf nicht kleiner sein als 1 : 4 ; b) Das Verhältnis zwischen derQuerschnittsfläche derAustrittsöffnung und der der Drosselstrecke muss zwischen 1. 2 : 1 und 4, 5 : 1 betragen. c) Die Länge der sich erweiternden Austrittsstrecke darf nicht weniger als das Sechsfache des Durchmessers der Drosselstrecke betragen.
Die sich erweiternde Austrittsstrecke kann jede geeignete, sich erweiternde Form haben und z. B. ko- nisch oder glockenförmig ausgebildet sein.
In der Zeichnung sind zwei Ausführungsformen der erfindungsgemässen Düse im Längsschnitt dargestellt, wobei Fig. l einen Teil einer Düse mit parallelwandiger Düsenbohrung und Fig. 2 einen Teil einer Venturidüse zeigt. ja. beiden Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In dem in Fig. l dargestellten AusfHhrungsbeispiel ist der Düsenkörper 10 mit einem zentralen Eintrittskanal 11 für den Sauerstoff oder das sauerstoffhaltige Gas und mit einer koaxialen Drosselstrecke 12
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deren QuerschnittsflächeDüse weist ferner eine sich verengende Strecke 13 auf, die den Eintrittskanal mit der Drosselstreckeverbindet. Die Drosselstrecke 12 endet in einer Austrittsöffnung 15 an der Düsenspitze 14. In der Starke der Düsenwandung sind Längskanäle 16 und 17 ausgebildet, in denen Kühlwasser zur Düsenspitze und bzw. von
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näle durch einen Kanal 18 miteinander verbunden.
Die Aussenwandung dieses Kanals 18 ist in der Düsenwand mit dem Anfang der Drosselstrecke 12 fluchtend angeordnet, so dass das Kühlwasser nicht durch jenen Teil des Düsenkörpers 10 strömt, in dem die Drosselstrecke 12 ausgebildet ist.
In dem in Fig.2 dargestellten Ausführungsbeispiel endet die Drosselstrecke 12 nicht direkt in derAustrittsöffnung 15 an der Düsenspitze 14, sondern ist mit dieser Austrittsöffnung über einen sich konisch erweiterndenkoaxialen Kanal 19 verbunden. Im übrigen entSpricht die Konstruktion der nach Fig. 1.
In beiden Fällen kann das Kühlwasser nicht als Wärmequelle für das in der Drosselstrecke 12 bzw. in der Düse nach Fig. 2 auch in der sich erweiternden Austrittsstrecke 19 befindliche Gas wirken, wie vorstehend beschrieben wurde, da sich die Drosselstrecke bzw. die Austrittsstrecke nicht im Bereich des Kühlwassers befinden.