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Verfahren und Vorrichtung zur Durchführung von metallurgischen Prozessen, insbesondere Windfrischprozessen
Die bekannten Konverter-Verfahren, z. B. Thomas-und Bessemer-Verfahren in der Eisenindustrie, sind sehr leistungsfähige Verfahren, haben aber den Nachteil, dass die Qualität des nach ihnen erzeugten Stahls immer weniger den heutigen Anforderungen genügt. Sie verlangen ferner eine bestimmte Zusammensetzung des zu verblasenden Roheisens und beschränken daher vielfach die Anwendbarkeit dieser Verfahren auf breiter Grundlage.
Durch Anreicherung des Windes mit Sauerstoff, gegebenenfalls bis nahezu 100, lo, und Übergang zum Oberwindfrischen konnten die engen Grenzen der Zusammensetzung des Rohstoffes bei den klassischen Konverter-Verfahren etwas weiter gezogen werden.
Bei einem neuerdings bekanntgewordenen Verfahren erfolgt das Frischen mit Sauerstoff oder sauerstoffangereicherter Luft in einem rotierenden Gefäss, um offenbar eine bessere Durchmischung des Einsatzes zu erreichen. Die Einführung des Windes zum Teil in das Bad, zum andern oberhalb des Bades, bewirkt ein Verbrennen des bei der Entkohlung entstehenden Kohlenoxyds zu Kohlensäure, so dass ein erheblicher Teil der hiebei freiwerdenden Wärme für den Prozess nutzbar gemacht wird. Mit diesem Verfahren konnte bereits eine erhebliche Verbesserung der Qualität des erblasenen Stahls erreicht werden.
Es wurde nun gefunden, dass sich bei metallurgischen Prozessen, z. B. Windfrischen, im Hinblick auf die Durchsatzleistung, das Ausbringen und die Qualität des Endproduktes ein umso grösserer Erfolg erreichen lässt, wenn der Ablauf der Reaktion möglichst gleichmässig über das ganze Bad verteilt erfolgt, wobei die reagierenden Medien rasch ihre gegenseitige Stellung zueinander wechseln und die Endprodukte der Reaktion unverzüglich voneinander getrennt werden.
Bei den bekannten Verfahren trifft dies mehr oder weniger unvollkommen zu. Der Reaktionsablauf erfolgt nur in einem begrenzten Teil des Badvolumens, wodurch die Beschaffenheit des Bades ungleichmässig wird. Die Bewegung des Bades, die sich keineswegs gleichmässig über das ganze Bad erstreckt, kann hier nur zum Teil einen Ausgleich herbeiführen, weshalb Durchsatz, Qualität und Ausbringen durchaus noch erheblich verbessert werden können.
Ziel der Erfindung ist es, die erwähnte Forderung möglichst weitgehend zu erfüllen. Dies wird bei einem Verfahren zur Durchführung von metallurgischen Prozessen, insbesondere Windfrischprozessen, in einem aus flüssigen Rohstoffen gebildeten Bad, dessen mittlere Ausdehnung in horizontaler Richtung zu der in senkrechter Richtung sich wie etwa 2 : 1 verhält, wobei dem Bad Reaktionsmittel zugeführt werden,
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durch erreicht, dass die Reaktionsmittel durch gleichmässig über den Umfang der Reaktionszone verteilte und gleichgestelltedüsen in das Bad eingeführt werden in Richtung tangential auf die Umgänge einer gedachten, in sich geschlossenen Schraubenlinie, die sich etwa horizontal um die senkrechte Badachse über den gesamten Badraum erstreckt.
Dadurch wird neben einer Rotation des Bades um die vertikale Konverterachse eine Umwälzung desselben in dem Sinne erreicht, dass-wenn man das Bad als Rotationskörper im geometrischen Sinn betrachtet-die Schwerpunktlinie der das Bad erzeugenden Fläche die Walzenachse ist. Die Resultierende dieser beiden Bewegungen ergibt eine Bewegung des Bades längs einer in sich geschlossenen, etwa horizontal um die vertikale Badachse verlaufenden Schraubenlinie, die den gesamten Badraum erfüllt. Die bei ausreichender Geschwindigkeit der Bewegung auftretende Turbulenz sorgt für eine ständige intensive und gleichmässige Durchmischung des Bades.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfah- rens, bestehend aus einem Reaktionsgefäss für die Aufnahme der flüssigen Rohstoffe und Reaktionsmittel, in dessen Begrenzungswänden Düsen für die Einführung von Reaktionsmitteln vorgesehen sind. Diese Vor- richtung ist erfindungsgemäss dadurch gekennzeichnet, dass die Düsen gleichmässig über den ganzen Umfang der Begrenzungswände verteilt angeordnet sind und in die Bewegungsrichtung des Bades gestellt sind.
Die horizontale Querschnittfläche des Badraumes wird in der Regel kreisförmig sein. In gewissen Fäl- len kann es zweckmässig sein, dem horizontalen Querschnitt des Bades eine elliptische oder dieser ähn- liche Form zu geben, wenn besondere Bewegungsverhältnisse des Bades erreicht werden sollen oder bau- liche Verhältnisse dies nützlich erscheinen lassen.
Die vorgeschlagene Bewegung des Bades fördert besonders wirksam den ständigen Wechsel zwischen
Bad und Schlacke an deren Grenzfläche. Er wird noch unterstützt durch die aus dem Bad austretenden gasförmigen Reaktionsprodukte und die saugende Wirkung der Wirbelsenke im Zentrum der Badoberfläche oder an der Gefässwand derselben entsprechend dem Drehsinn der schraubenförmigen Bewegung.
Gemäss der Erfindung wird die turbulente Bewegung des Bades durch die Strömungsenergie der zuge- führten Reaktionsmittel aufrechterhalten. Durch Wahl der Eintrittsgeschwindigkeit, der Eintrittsrichtung und des Eintrittsortes der Reaktionsmittel in das Bad kann dessen Bewegung dem jeweiligen Reaktionsab- lauf angepasst werden. Hiebei wird durch die unmittelbare Berührung des Bades mit den Reaktionsmitteln praktisch deren gesamte Strömungsenergie dem Bad mitgeteilt und die günstigsten Bewegungsverhältnisse des Bades erzielt. Die hiefür benutzten Reaktionsmittel sind im allgemeinen gasförmig, wie Luft, sauer- stoffangereicherte Luft, Sauerstoff oder andere Gase. Auch die Durchführung von Prozessen mit flüssigen
Reaktionsmitteln ist auf diese Weise möglich.
Feste, in staubförmiger oder feinkörniger Form vorliegende
Reaktionsmittel können mit Hilfe von Trägergasen, die gleichzeitig Reaktionsmittel sein können, in das
Bad eingeführt werden. Trägergase oder andere Gase, die sich an der Reaktion nicht beteiligen, wirken demnach nur als Energieträger nebenbei können sie auch als Wärmeträger dienen, wenn sie im erhitzten
Zustand eingeführt werden.
Es können aber auch Brennstoffe in den Reaktionsraum eingeführt werden, die zur Aufheizung der Ein- satzstoffe oder/und zur Deckung des Wärmebedarfs des Prozesses oder/und zur Reduktion des Rohstoffes oder eingesetzter Reaktionsmittel ganz oder teilweise verbrannt werden. Hiefür sind sowohl gasförmige als auch flüssige oder feste Brennstoffe geeignet. Diese Massnahme gestattet eine universelle Anwendung des vorliegenden Verfahrens. Die Einsatzstoffe können im Reaktionsraum eingeschmolzen und weitgehend erhitzt werden, bevor der metallurgische Prozess stattfindet. Auch während des metallurgischen Prozesses ist auf diese Weise die Zufuhr von Wärme möglich, wenn die Reaktion nicht ausreichend exotherm oder wenn sie endotherm abläuft. Die Brennstoffe gestatten ferner, wenn sie nicht oder nur zum Teil verbrannt werden, eine reduzierende Wirkung auf Einsatzstoffe auszuüben.
Sie kann zur Vorbehandlung oder Nach- behandlung von eingesetzten Stoffen sowie zur Verarbeitung mit eingesetzter Erze dienen.
Beim Windfrischen nach dem Verfahren gemäss der Erfindung als Beispiel zur weiteren Erläuterung ist man daher nicht mehr an Roheisensorten bestimmter Zusammensetzung gebunden. Die Verbrennungswärme der eingeführten Brennstoffe vermag den Mangel des Roheisens an Silicium, Phosphor oder Kohlenstoff zu kompensieren. Es ist daher möglich, minderwertiges Roheisen und Stahlschrott zu verarbeiten. Der Prozess lässt sich auch so leiten, dass Zusätze an Zunder oder Eisenerzen zu metallischem Eisen reduziert werden.
Ein weiterer Vorteil wird dadurch erreicht, dass Reaktionsmittel, Zuschläge, Legierungsstoffe oder/und Erze, die in feinkörniger oder staubförmiger Form vorliegen, mit Hilfe von gasförmigen Reaktionsmitteln oder inerten Gasen als Trägergas in den Reaktionsraum eingeführt werden können. Ihr Schmelz- und Lö- sungsprozess vollzieht sich im heissen Bad infolge ihrer geringen Abmessungen und gleichmässigen Vertei- lung sehr rasch. Ihre Reaktion mit Bestandteilen des Bades setzt daher unmittelbar danach ein und läuft in kürzester Frist ab. Auch flüssige Stoffe können auf ähnliche Weise in das Bad eingeblasen werden. Das
Trägergas dient dann gleichzeitig als Zerstäubungsmittel.
Entweichen aus dem Bad während der Durchführung der metallurgischen Prozesse brennbare, gasförmige Reaktionsprodukte, so können sie durch un- mittelbar über dem Bad eingeführte und über dessen Oberfläche gleichmässig verteilte Verbrennungsmittel, z. B. Luft, sauerstoffangereicherte Luft oder Sauerstoff, verbrannt werden. Ein Teil der hiebei freiwerdenden Wärme wird auf das Bad übertragen, wodurch eine bessere Wärmeausnutzung erreicht wird.
Das Verfahren gemäss der Erfindung gestattet, mehrere Prozesse in einem Arbeitsgang auszuführen.
Neben metallurgischen sind auch Prozesse physikalischer Art durchführbar, z. B. könnendieEinsatzstoffe, wenn sie nicht in flüssiger Form in das Reaktionsgefäss eingebracht werden, zunächst geschmolzen werden. sodannkönnenderEinsatz oder Bestandteil desselben, wie Metalloxyde, einer Reduktion unterworfen werden. Anschliessend erfolgt das Windfrischen und schliesslich können noch Legierungsbestandteile dem Bad
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zugeführt werden. Selbstverständlich sind auch vorbereitende Arbeitsgänge, wie Rösten, Verdampfen von flüchtigen Bestandteilen, Herstellen der für die Prozesse geeigneten Schlacken sowie alle andern metal- lurgischen Prozesse durchführbar, die in flüssiger Phase stattfinden können.
Die bei der Durchführung des Verfahrens entstehenden gasförmigen Reaktionsprodukte werden zweck- mässig über Wärmeaustauscher und Trocken-oder/und Nassentstaubei bekannter Bauart abgesaugt. In den
Wärmeaustauschern geben die Gase ihre fühlbare Wärme zur Vorwärmung der Reaktionsmittel, Dampfer- zeugung od. dgl. ab. Die Entstauber befreien die Gase von den mitgeführten Stäuben, die vorteilhaft wie- der in den metallurgischen Prozess zurückgeführt werden. Die abgekühlten und entstaubten Gase werden einer Weiterverarbeitung zugeführt, wenn sie verwertbare Bestandteile enthalten. Bei der Abführung der
Gase ins Freie sind keine Immissionsschäden zu befürchten.
In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss Erfindung schematisch dargestellt, u. zw. zeigen Fig. 1 und 2 ein Reaktionsgefäss in Längsschnitt und Querschnitt A-B, in welchem dem Bad eine in sich geschlossene, schraubenförmige Bewegung etwa um den Schwerpunktskreis der erzeugenden Querschnittfläche des Bades erteilt wird. Es sind auch Einrich- tungen vorgesehen, um die brennbaren, aus dem Bad entweichenden gasförmigen Reaktionsprodukte un- mittelbar über dem Bad zu verbrennen. ur Aufheizung des Reaktionsgefässes oder/und des Einsatzes oder
Deckung des Wärmebedarfs sind Einrichtungen vorhanden, um Brennstoff und Verbrennungsmittel zuzu- führen.
Diese Einrichtungen sind auch wahlweise für die Zuführung von in staubförmiger oder feinkörniger
Form vorliegenden Reaktionsmitteln, Zuschlägen, Legierungsmitte1n u. dgl. zu benutzen.
Das Reaktionsgefäss 1 enthält ein Bad 2 aus beispielsweise flüssigem Roheisen, über dem sich eine Schlackenschicht 3 befindet, die aus Kalk und Erz gebildet wird. Durch über den Umfang des Reaktionsgefässes gleichmässig verteilte Düsen 4, in der Zeichnung durch Pfeile angedeutet, wird sauerstoffangereicherte Luft eingeblasen. Diese Düsen sind schräg zum Radius des Gefässquerschnitts gestellt. Ihre Richtung tangiert einen konzentrisch gedachten Kreis 5, der kleiner als die Begrenzungslinie der Wand des Gefä- sses 1 ist (Fig. 2). Die Strömungsenergie des eingeblasenen Windes überträgt sich grösstenteils auf das Bad, das in heftige Bewegung versetzt wird.
Betrachtet man ein unendlich kleines Badelement 6 und zerlegt seinen Geschwindigkeitsvektor 7 in zwei Komponenten 8 und 9 in Richtung des Radius des Gefässes und senkrecht dazu, dann ergibt sich zunächst, dass das Badelement, in der Projektion auf eine horizontale Fläche gesehen, um die senkrechte Achse des Gefässes rotiert und gleichzeitig zur Gefässmitte strebt. Da ferner an den Öffnungen der Düsen 4 und dahinter durch den strömenden Wind eine Saugwirkung auftritt, wird dem Bad auch eine kreisende Bewegung in Pfeilrichtung 10 um eine horizontale Achse 11 vermittelt. Diese Achse ist eine um die senkrechte Gefässachse verlaufende Kreislinie, die etwa durch den Schwerpunkt der erzeugenden Badquerschnittsfläche gebildet wird.
Aus den geschilderten Bewegungsverhältnissen des Bades resultiert der Weg eines Badelementes in einer geschlossenen, schraubenlinienförmig gewundeden Kreisbahn um die senkrechte Gefässachse, die sich auf den ganzen Badraum gleichmässig erstreckt. Durch die turbulente Strömung treten noch sekundäre Wirbelbildungen auf, die sich gleichfalls über das ganze Bad gleichmässig verteilen, so dass eine ständige intensive Durchmischung des Bades erreicht wird. Die gleichmässig heftige Badbewegung fördert den ständigen Wechsel zwischen Schlacke und Bad sehr wirkungsvoll, weshalb Reaktionen zwischen den beiden rasch und gleichmässig über deren Grenzfläche verteilt stattfinden.
Die aus dem Bad austretenden Reaktionsgase, die hauptsächlich aus Kohlenoxyd und Stickstoff bestehen, werden durch sauerstoffangereicherte Luft, die durch die über den Umfang des Reaktionsgefässes gleichmässig verteilten Düsen 12 über die Badoberfläche geblasen wird, verbrannt und aus dem Reaktionsgefäss durch den Abgasaustritt 13 abgeführt.
Die Düsen 14 und 15 sind für die Zuführung von Brennstoffen und Verbrennungsmitteln sowie wahlweise Reaktionsmitteln, Zuschlägen oder Legierungsstoffen vorgesehen. Sie sind abwechselnd über den Umfang des Reaktionsgefässes gleichmässig verteilt angeordnet und unter einem Winkel von kleiner als 900, vorzugsweise 45 bis 600, auf die Badoberfläche gerichtet. Sie sind ausserdem, ähnlich wie die Düsen 4, schräg zum Gefässradius gestellt. Die Brennstoffe werden durch die Düsen 14, die Verbrennungsmittel, z. B. Luft, Sauerstoff, durch die Düsen 15 eingeführt. Die Düsen 14 können auch als Brenner ausgebildet sein, durch die der Brennstoff gemeinsam mit dem Verbrennungsmittel im gewünschten Verhältnis in das Reaktionsgefäss eingeblasen wird.
Es entsteht eine heisse, gut durchwirbelte Flamme, die in innige Berührung mit der Badoberfläche gebracht wird. Durch die Düsen 15 werden bei Bedarf Reaktionsmittel oder
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mit gasförmigen Reaktionsmitteln oder inerten Trägergasen in das Bad geblasen.
DieFunktion der verschiedenen Düsen wird man den jeweiligen Bedürfnissen anpassen, und sie können
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anders sein als im vorstehenden Beispiel beschrieben. So können z. B. mit dem Wind durch die Düsen 4
Reaktionsmittel, Zuschläge u. dgl. in das Bad gefördert werden. Die Funktionen der Düsen 12, 14 und 15 können beliebig vertauscht werden, wenn die Verhältnisse es erfordern oder günstiger erscheinen lassen.
Für das Einbringen der Einsatzstoffe in flüssiger oder fester Form ist eine Arbeitstür 16 oder mehrere i vorgesehen. Die Entleerung des Reaktionsgefässes erfolgt durch Abstichöffnungen 17 für das Metall, z. B.
Stahl, und durch Abstichöffnungen 18 für die Schlacke. Zweckmässig werden mehrere Abstichöffnungen, insbesondere für die Schlacke, in verschiedener Höhe des Reaktionsgefässes angeordnet. Das Reaktionsgefäss kann auch mit einer Kippvorrichtung versehen werden, so dass sein Inhalt in bekannter Weise durch Kip- pen entleert wird. Die Zuführung der Reaktionsmittel und Stoffe zu den Düsen erfolgt dann in üblicher
Weise durch Leitungen, die durch die Tragzapfen des Reaktionsgefässes gelegt werden.
Die Beschaffenheit der Auskleidung des Reaktionsgefässes ist in bekannter Weise den Einsatzstoffen und den Betriebsbedingungen anzupassen. Das Futter wird-den zu verarbeitenden Stoffen gemäss - entweder basisch, sauer oder neutral ausgeführt unter Berücksichtigung der auftretenden Arbeitstemperaturen. Eine längere Haltbarkeit kann durch Kühlung der Aussenwand erreicht werden. Hiezu dient ein Doppelmantel oder ein Röhrensystem, durch den oder das ein Kühlmittel geleitet wird. Als Kühlmittel können Luft,
Wasser oder andere Gase oder Flüssigkeiten verwendet werden. Das Reaktionsgefäss kann auch als Dampf- kessel ausgebildet sein.
Die weiteren Ausführungsbeispiele, die in den Fig. 3-10 dargestellt sind, zeigen einige ausgewählte
Düsenanordnungen, die für die Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeignet sind. Sie be- schränken sich nur auf jene Düsen, welche die Badbewegung herbeiführen. Alle andern Einrichtungen, die bereits erwähnt wurden, sind der klaren Übersicht wegen fortgelassen werden.
Fig. 3 und 4 stellen im Längsschnitt und Querschnitt nach Linie C-D ein Reaktionsgefäss 21 dar, in dem das Bad 22 durch die Einführung von Reaktionsmitteln unmittelbar über dem Boden 23 des Gefässes in
Bewegung gehalten wird. Von einer Ringleitung 24 zweigen Leitungen 25 für die Reaktionsmittel zu den
Düsen 26 ab, die schräg zu den Radien des Reaktionsgefässes ausmünden. Die hiedurch erzielbare Bewe- gung des Bades ist durch die Pfeile P und Q angedeutet.
Fig. 5 und 6 zeigen im Längsschnitt und Querschnitt nach Linie E-F ein Reaktionsgefäss 31, in dem der Frischprozess durch Aufblasen des Windes auf das Bad 32 erfolgt, wobei die Blasrichtung der Düsen 33 unter steilem Winkel auf das Bad und schräg zu den Radien des Reaktionsgefässes gewählt wurde. Dem- zufolge wird das Bad in eine gleichzeitig drehende (nach Pfeil P) und rollende (nach Pfeil Q) Bewegung versetzt, die eine innige Durchmischung bewirkt und durch die dem Wind dauernd neue Angriffsflächen dargeboten werden.
In den Fig. 7 und 8 ist im Längsschnitt und Querschnitt nach der Linie G-H ein Reaktionsgefäss 41 mit zentraler Einführung des Frisch-oder Reaktionsmittels durch die Leitung 42 veranschaulicht. Das untere
Ende dieser Leitung endigt in Düsen 43, die seitlich am Leitungsumfang gleichmässig verteilt in Richtung schräg zu den Radien des Gefässes ausmünden. Die Bewegung des Bades 44 ist wieder durch die Pfeile P und Q in der Zeichnung gekennzeichnet. Die Leitung 42 kann verschiebbar angeordnet sein. Bei Stellung der Düsen etwa in mittlerer Höhe des Bades erreicht man zwei übereinanderliegende, gegenläufige Roll- bewegungen bei gleichzeitiger Drehung des Bades. In höherer Lage der Düsen ist die Rollbewegung der in der Zeichnung dargestellten gegenläufig.
Ob die eine oder andere Stellung vorzuziehen ist, hängt von der erforderlichen Dauer der Berührung zwischen Bad und Wind ab. Massgeblichen Einfluss hierauf haben die Reaktionsgeschwindigkeiten und die Viskosität des Bades, die im allgemeinen beide temperaturab- hängig sind. Lässt man ferner das Düsenrohr 42 rotieren, kann die Drehung des Bades gemäss Pfeil P ver- stärkt werden.
Führt man das Düsenrohr 42 durch einen abhebbaren Deckel des Reaktionsgefässes, kann es ganz her- ausgezogen werden. Die entstehende Öffnung kann zur Beschickung dienen und bei kippbarer Anordnung des Gefässes auch zur Entleerung.
Die Fig. 9 und 10 zeigen im Längsschnitt und Querschnitt nach Linie L-M ein Reaktionsgefäss 51, durch dessen Deckel 52, gleichmässig über den Umfang verteilt, längsverschiebbare unddrehbareDüsen- lanzen 53 von oben her in das Bad 54 eingeführt werden. Sie können auch so beschaffen sein, dass sie über dem Bad enden und der Blasvorgang von oben her erfolgt. Die Stellung der Düsen gemäss der Erfindung bewirkt wieder die charakteristische Bewegung des Bades, die durch Pfeile P und Q angedeutet ist. Der Deckel 52 ist abhebbar und kann mit den Düsenlanzen herausgezogen und entfernt werden, wodurch das Bad zugänglich wird. Durch Kippen des Gefässes findet die Entleerung statt.
Die Düsen selbst sind je nach Art der zu verarbeitenden Stoffe und der herrschenden Temperatur aus Baustoffen hergestellt, die deren Einflüssen widerstehen. Im allgemeinen werden bei hohen Temperaturen
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Düsen aus Stahl oder Kupfer verwendet, die vorzugsweise bestiftet sind und mit einem Überzug aus geeignetem Baustoff oder Schlacke, die bei der Durchfürhung des Prozesses vorliegt, versehen sind. Im letzteren Fall taucht man die Düsen in die flüssige Schlacke ein. Durch die Wasserkühlung überzieht sich die Düse mit einer festen Schlackenschicht, die durch die Stifte festgehalten wird.
PA TENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zur Durchführung von metallurgischen Prozessen, insbesondere Windfrischprozessen, in einem aus flüssigen Rohstoffen gebildeten Bad, dessen mittlere Ausdehnung in horizontaler Richtung zu der in senkrechter Richtung sich wie etwa 2 : 1 verhält, wobei dem Bad Reaktionsmittel zugeführt werden, deren Strömungsenergie eine Bewegung des Bades bewirkt, z.'B.
Luft, Sauerstoff oder inerte Gase, die auch mit Legierungsstoffen, Brennstoffen oder Zuschlagstoffen beladen sein können, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmittel durch gleichmässig über den Umfang der Reaktionszone verteilte und gleichgestellte Düsen in das Bad eingeführt werden in Richtung tangential auf die Umgänge einer gedachten, in sich geschlossenen Schraubenlinie, die sich etwa horizontal um die senkrechte Badachse über den gesamten Badraum erstreckt.