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Lanze zur Behandlung schlackenbedeckter Metallbäder mit einem gasförmigen oder gasgetragenen Behandlungsmittel
Die Erfindung betrifft eine Lanze zur Abgabe eines gasförmigen oder gasgetragenen Behandlungsmittels auf die schlackenbedeckte Oberfläche eines schmelzflüssigen Metallbades in einem metallurgischen
Ofen zur Behandlung des Bades.
Die Verwendung von Sauerstoff oder andern Gasen zur Behandlung von Stahl, der sich noch im Siemens-Martin-Ofen oder im Elektroofen befindet, ist seit langem bekannt. Die nachstehende Betrachtung befasst sich zwar nur mit der Verwendung von Sauerstoff als Behandlungsgas, doch ist die Erfindung darauf nicht eingeschränkt, weil mit der geoffenbarten Vorrichtung jedes beliebige Gas abgegeben werden kann.
In der Industrie hat man allgemein erkannt, dass die direkte Einleitung von Sauerstoff und/oder andern strömungsfähigen Medien in das schmelzflüssige Bad nicht nur die zum Frischen erforderliche Zeit beträchtlich verkürzt, sondern auch zu einem fertigen Metallprodukt höherer Qualität führt. Diese Massnahme findet daher in zunehmendem Masse Anwendung.
Eines der wesentlichen Probleme, die mit der Einleitung von Sauerstoff in ein schmelzflüssiges Bad in Verbindung stehen, ist daruaf zurückzuführen, dass man der Meinung war, dass zur richtigen Wirkung des Sauerstoffs dieser mit einer solchen Geschwindigkeit an das Bad abgegeben werden muss, dass er die sich normalerweise auf der Badoberfläche ansammelnde Schlacke durchdringt. Man kann dies beispielsweise durch Anwendung eines Gasdruckes erzielen, der so hoch ist, dass der oder die Ströme des schnell strömenden Mediums die Schlacke durchdringen und in das Bad hineingedrückt werden. Es hat sich gezeigt, dass derartige Ströme aus mehreren kleinen, divergierend abgegebenen Strahlen oder einem einzigen Strom von grossem Durchmesser bestehen können.
In jedem Fall ist vor allem beabsichtigt, den Sauerstoff zum Dllrchdringen der Schlackenschicht und zum Beaufschlagen der freigelegten Schmelzoberfläche zu veranlassen. Im Gegensatz dazu verwendet die Erfindung eine Sauerstoffströmung mit einer sehr hohen Winkelgeschwindigkeit und einer relativ geringen axialen Komponente, so dass die Schlacke nicht einfach von dem sie beaufschlagenden Medium durchdrungen, sondern ihr eine Kreisbewegung erteilt wird.
In der Praxis wird eine Lanze zur Einführung von Sauerstoff oder anderem Behandlungsgut so angeordnet, dass sich die Austrittsdüse in relativ geringem Abstand von der sehr heissen Badoberfläche befindet, damit die hohe Geschwindigkeit des abgegebenen Mediums voll ausgenutzt wird. Das führt natürlich zu einer beträchtlichen Badbewegung, wobei Teilchen des schmelzflüssigen Metalls und der Schlacke heftig herumgespritzt werden. Viele dieser Teilchen treffen auf der Aussenfläche der Lanze auf und haften daran, so dass sich dort allmählich eine Metallansammlung bildet, besonders in der Nähe der Düse der Lanze. Es hat sich gezeigt, dass eine der zweckmässigsten Massnahmen zum Schutz der Lanze gegen die intensive Ofenwärme in einer genügenden Kühlung der Vorrichtung, vorzugsweise durch ein Kühlmittelumlaufsystem besteht.
In einem solchen System wird Druckwasser durch die Lanze und insbesondere durch deren düsenartigen, freiliegenden vorderen Teil geführt, um so viel Wärme wie möglich abzuziehen. Anderseits gibt es noch kein allgemein als brauchbar anerkanntes Verfahren zur Herabsetzung der schädigenden Wirkungen des Spritzens auf die Lanze oder die Ofenwandungen.
Die Erfindung betrifft eine Lanze zur Behandlung schlackenbedeckter Metallbäder mit einem gasförmigen oder gasgetragenen Behandlungsmittel, mit einem strömungsgekühlten Gasleitungssystem, bestehend aus drei koaxialen Leitungen, innerhalb welcher ein Gaszuführungskanal und Einlass- und Aus-
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trittskanäle für das Kühlmedium vorgesehen sind, wobei ein Düsenkörper mit dem genannten Leitungsystem verbunden ist, der einen Gasausströmungskanal aufweist, der mit dem Gaszuführungskanal in Verbindung steht, und ein Kanalsystem vorgesehen ist, das die Kühlkanäle des erwähnten Leitungssystems verbindet, die dadurch gekennzeichnet ist, dass der Gasausströmkanal des Düsenkörpers mit dem Gaszuführungskanal des Leitungssystems durch einen oder mehrere Einlasskanäle,
die tangential zu dem Ausströmkanal angeordnet sind, verbunden ist.
In den Zeichnungen zeigt Fig. 1 einen vertikalen Querschnitt durch die erfindungsgemässe Lanze, Fig. 2 ebenfalls im Querschnitt in grösserem Massstab eine andere Ausführungsform der Lanzendüse, Fig. 3 einen Querschnitt nach der Linie 4-4 der Fig. 1 und Fig. 4 einen Querschnitt nach der Linie 5-5 der Fig. 1.
Gemäss Fig. 1 weist eine erfindungsgemäss ausgebildete Lanze 10 eine zentrale Leitung 12 zur Einführung eines strömungsfähigen Mediums wie Erdgas oder eines zerkleinerten Behandlungsstoffes in das schmelzflüssige Metallbad auf. Zur Vereinfachung der nachstehenden Erklärung wird angenommen, dass Sauerstoff als Zusatzstoff verwendet wird. Konzentrisch angeordnete langgestreckte Rohre 14,16 und 18 sind oben mit einem Verteiler 20 abgeschlossen, der seitliche Öffnungen hat, die biegsame Leitungen aufnehmen können, mit denen Sauerstoff in die Lanze eingeführt und ein Kühlmittel in der Lanze umgewälzt werden kann. Die zentrale Leitung 12 ist an der Oberseite des Verteilers mit einer Verschraubung 22 befestigt, an die ebenfalls eine Quelle eines strömungsfähigen Mediums angeschlossen werden kann.
Im Betrieb der Lanze kann die zentrale Leitung 12 auch eine Ansaugleitung für die Wirbelkammer 32 bilden.
Am unteren Ende sind die konzentrischen Rohre mit einer Düse versehen, die so angeordnet ist, dass sie Kanäle zur Aufnahme von Kühlmittel und Zusatzstoff bildet. Gemäss Fig. 1 und 2 weist die Düse einen zylindrischen Kern 30 auf, in dem eine vorzugsweise mit der Lanze konzentrische, langgestreckte Wirbelkammer 32 ausgebildet ist. Ein die Rückwand des Kerns durchsetzender Kanal 34 steht mit dem unteren Ende der Leitung 12 in Verbindung, so dass ein Zusatzstoff, wie z. B. ein pulverisiertes Entschwefelungsoder Desoxydationsmittel oder ein Brenngas, in die Kammer 32 eingeleitet werden kann. Die Kammer selbst besitzt vorzugsweise eine Rückwand 33 und zylindrische Seitenwände, die an einer ziemlich weit vorn an der Stirnfläche gelegenen Austrittsöffnung 36 enden.
Im normalen Betrieb ist diese Stirnfläche so nahe wie möglich bei der Schmelzbadoberfläche angeordnet und daher, wie vorstehend erwähnt, durch die Ofenhitze und das spritzende Metall einem starken Verschleiss ausgesetzt.
An das untere Ende des Rohrs 16 ist eine seitlich angeordnete zylindrische Wand 38 angesetzt, die sich von dem vorderen Teil des Kerns 30 nach hinten erstreckt, so dass eine ringförmige Sammelkammer 40 gebildet wird. Diese Kammer erhält Sauerstoff oder ein anderes Zusatzmedium aus dem Ring-
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lässen 42, 44,46 und 48 in Verbindung. Diese seitlichen Durchlässe stellen ein wichtiges Merkmal der Erfindung dar, weil sie in bezug auf die Kammer 32 so angeordnet sind, dass aus ihnen austretender, rasch strömender Sauerstoff von den Wandungen der Wirbelkammer geführt und dadurch verwirbelt wird, so dass er einen tornadoartigen Sauerstoffstrom bildet, der ein teilweise evakuiertes Zentrum besitzt.
Dieser aus der Austrittsöffnung 36 der Kammer austretende Strom hat eine so hohe Winkel-und Axialgeschwindigkeit, dass das evakuierte Zentrum trachtet, die Wirbelbewegung aufrecht zu erhalten, wenn sich das Gas der schlackenbedeckten Badoberfläche nähert und auf ihr auftrifft.
Eine andere Ausführungsform des Düsenteils einer Lanze ist in Fig. 2 gezeigt, in welcher der zentrale Kern 30 im wesentlichen dem Kern der Düse in Fig. 1 entspricht und mit den Sauerstoffdurchlässen 42,44, 46 und 48 ausgebildet ist, die in die zentrale Wirbelkammer 32 gerichtet sind. Diese Kammer ist, wie dargestellt, im wesentlichen zylindrisch, wobei die Rückwand 33 einer Austrittsöffnung 36 entgegengesetzt angeordnet ist. Eine an die Austrittsöffnung hinten anschliessende Längsstrecke der Kammer hat eine sich nach vorn erweiternde Fläche 39. Eine Düse dieser Art eignet sich vor allem zur Abgabe eines Stromes von Sauerstoff oder eines ähnlichen Behandlungsgases an das Bad. ohne dass in dem Strom des Mediums ein weiterer Zusatzstoff enthalten ist.
Infolge des tornadoartigen Charakters des austretenden Stromes herrscht in seinem Zentrum ein verschieden starkes Vakuum. Wenn man daher dem oberen Ende der Kammer 32 durch den Kanal 34 einen pulverförmigen Zusatzstoff oder ein Behandlungsgas zuführt, wird dieser bzw. dieses abwärtsgesaugt und dann innerhalb des Zentrums, in dem ein Unterdruck herrscht, zur Austrittsöffnung der Düse mitgenommen.
Gemäss Fig. 1 und 4 münden die seitlich angeordneten, verengten Durchlässe 42,44, 46 und 48 (von denen in Fig. 4 nur 44 gezeigt ist) in den hinteren Teil der Kammer 32 und sind vorzugsweise zur Austrittsöffnung 36 hin geneigt, so dass sie dem eintretenden Sauerstoffstrom eine zur Längsachse der Kammer parallele Geschwindigkeitskomponente erteilen. Der Neigungswinkel A kann zwischen 7 und 830 betragen
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und wird in erster Linie so bestimmt, dass die eintretenden Sauerstoffströme beim Auftreffen auf den zy- lindrischen Seitenwandungen der Kammer 32 genügend Gelegenheit zur Annahme der gewünschten Wir- belbewegung haben, so dass sie sich vor dem Austritt aus dem Austrittsende der Düse zu einer einheitli- chen Masse vereinigen.
Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass bei einer zylindrischen Kammer mit einem Durchmesser von 51 mm eine Länge von 279 mm zur Bildung des gewünschten tornadoartigen
Stroms genügt, wenn der Neigungswinkel150 beträgt.
Gemäss Fig. 4 münden die seitlichen Durchlässe wie 44 im wesentlichen tangential zur Wandung der
Kammer 32, so dass ein Sauerstoffstrom beim Eintritt in die Kammer sofort gegen die zylindrische Wan- dung gerichtet ist und dadurch seine Wirbelbewegung eingeleitet wird. Gemäss Fig. 4 sind die Durchlässe in Abständen von 900 dargestellt, doch ist dies kein wesentliches Erfordernis. Die Anzahl und die Anord- nung dieser Durchlässe sindom erster Linie von der Menge des abzugebenden Sauerstoffs und von dem für diese Abgabe zur Verfügung stehenden Gasdruck abhängig. Gemäss Fig. 1 und 2 sind die Durchlässe in
Längsabständen in der Wand der Kammer 32 angeordnet. Die gewünschte Kreisströmung kann aber auch mit andern Mitteln erzielt werden, beispielsweise mit in der Nähe des oberen Endes der Kammer in einem einzigen Ring angeordneten Durchlässen.
Gemäss Fig. 4 münden die Sauerstoffdurchlässe vorzugsweise in der Nähe der Rückwand 33 in die
Kammer 32 und sind längs der Kammerwandung in Abständen angeordnet, so dass eine einheitliche Strö- mung des wirbelnden Gases gewährleistet wird. Wie vorstehend erwähnt, treten die Sauerstoffströme zwar vorzugsweise tangential zur Wirbelkammerwandung ein, doch ist dies in der Praxis nicht immer möglich.
Der gewählte Eintrittswinkel der Sauerstoffströme muss daher nur gewährleisten, dass die Durchlässe nicht zu sehr radial zur Längsachse der Kammer angeordnet sind, damit sich die Ströme nicht gegenseitig stö- ren, was die Bildung einer tornadoartigen Sauerstoffströmung erschweren oder sogar verhindern könnte.
Zur Erzielung einer hohen Strömungsgeschwindigkeit haben die Sauerstoffdurchlässe vorzugsweise einen gegenüber der Austrittsöffnung 36 ziemlich kleinen Durchmesser oder sind düsenartig ausgebildet, so dass die dem Gas beim Eintritt in die Wirbelkammer 32 erteilte vorwärtsgerichtete Komponente die
Wirbelbewegung aufrechterhält. Wenn die Austrittsgeschwindigkeit an der Stirnseite der Lanze zu klein ist, so dass das zentrale Vakuum auf ein Minimum herabgesetzt wird, hat der austretende tornadoartige Gasstrom die Tendenz, vor dem Erreichen der Badoberfläche zusammenzufallen, so dass er im wesentli- chen nicht mehr imstande ist, die Schlacke zu verdrängen.
Es hat sich beispielsweise gezeigt, dass die
Strömungsgeschwindigkeit des Sauerstoffs an der Austrittsöffnung 36 in Richtung der Lanzenachse bei einer Winkelkomponente von 3500 Radiant/sec nur 305 m/sec zu betragen braucht, während bei andern Lanzen ohne Winkelgeschwindigkeit normalerweise eine Austrittsgeschwindigkeit von 1524 bis 3 050 m/sec angewendet wird.
Gemäss Fig. 1 wird ein Kühlmittel, im allgemeinen eine Flüssigkeit, vorzugsweise Wasser, dem oberen Ende der Lanze durch den Verteiler 20 zugeführt und über den Ringkanal 50 nach vorn zur Düse geleitet. Dieser Kanal mündet unten an der Rückseite 52 des Kerns, in dessen Oberfläche Kühlrinnen 54 ausgebildet sind, die sich in der Längsrichtung des Kerns und im Bereich der Wirbelkammer auswärts er-' strecken. Diese Kanäle stehen mit einem Ringraum 56 in Verbindung, dessen Unterseite die Rückseite der Stirnwand der Düse bildet. Diese Stirnwand ist im allgemeinen der schädigenden Wirkung der Ofenhitze und des verspritzten Metalls am stärksten ausgesetzt.
Die Ringkammer 56 hat eine gekrümmte untere Begrenzungsfläche, damit die Verwirbelung des abwärtsströmenden Kühlmittels beim Eintritt in die Kammer auf ein Minimum reduziert wird. Das Kühlmittel wird aus der Kammer 56 in den äusseren Ringkanal 58 abgegeben, der, wie gezeigt, von den einander benachbarten zylindrischen Wänden 38 und 60 begrenzt ist, die sich vom vorderen Ende der Düse nach rückwärts erstrecken. Durch das die äusseren Wandungen des Kanals 58 bestreichende Kühlmittel wird von der Aussenfläche der Lanze Wärme abgeführt. Wenn man das Kühlmittel, wie vorstehend angegeben, mit relativ hoher Geschwindigkeit umwälzt, wird die Möglichkeit der Bildung einer Dampfschicht auf der Innenwandung verringert.
Es hat sich gezeigt, dass eine wirksamere Kühlung erzielt werden kann, wenn in dem Kanal 58 eine Prallfläche vorgesehen ist, welche die Querschnittsfläche des Ringkanals begrenzt, so dass die Strömungsgeschwindigkeit und damit auch die Wärmeübertragungskapazität des Wassers erhöht werden. Eine Ausführungsform einer im Rahmen der Erfindung anwendbaren Prallfläche weist eine geformte Wendel 64 auf, die so in dem genannten Kanal angeordnet ist, dass sie der Strömung einen Umweg aufzwingt. Die Prallfläche selbst braucht sich nicht über die ganze Länge der Lanze zu erstrecken und ist vorzugsweise auf den düsenartigen unteren Teil beschränkt, in dem die Kühlung am notwendigsten ist.
Wie gezeigt, kann die Prallfläche durch eine einzige Länge eines draht- oder stabförmigen Körpers gebildet werden, dessen
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Durchmesser annähernd der Breite des Ringkanals entspricht, doch können auch andere Mittel dazu ver- wendet werden, die freie Querschnittsfläche des Kanals 58 herabzusetzen und dadurch die erforderliche
Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit zu erzielen. Nach dem Durchströmen des Kanals 58 kann das
Kühlmittel über eine geeignete Austrittsöffnung des Verteilers 20 an einen Verbindungsschlauch abge- geben werden.
Man kann die in Fig. 1 gezeigte Lanze auch dazu verwenden, ein strömungsfähiges Medium, bei- spielsweise Erdgas, zu Heizzwecken an ein schmelzflüssiges Bad abzugeben. In einem solchen Fall wird durch das zentrale Rohr 12 ein Strom eines Brenngases axial in die Kemmer 32 eingeleitet, aus der es in das evakuierte Zentrum des Sauerstoffstroms gelangt.
Die beim Zünden entstehende Gasflamme ist dann von dem wirbelnden Sauerstoff umgeben, der, wie vorstehend erwähnt, die Schlacke zu den Ofenwandungen hin verdrängt und die Badoberfläche freilegt.
Diese Ausführungsform der Lanze hat ferner den Vorteil, dass die Wände der Kammer 32 trotz der zentra- len Gasflamme relativ kühl bleiben, weil die Flamme die Wandungen nie tatsächlich berührt und durch den umgebenden Sauerstoffstrom wirksam isoliert wird. Bei genauer Untersuchung des aus der Lanze aus- tretenden zusammengesetzten Stroms hat es sich gezeigt, dass längs der ganzen Länge der Wirbelkam- mer 32 Flammenringe stabil brennen und an der Austrittsöffnung in Form eines rotierenden Kegels austre- ten, so dass die charakteristische Form eines echten Wirbels oder Tornados erhalten wird.
Unter normalen Bedingungen, unter denen die Lanze zur Abgabe eines zur Behandlung des Bades die- nenden Zusatzstoffs, beispielsweise eines pulverförmigen Entschwefelungsmittels verwendet wird, kann dieses Mittel über den Verteiler 20 dosiert in die Leitung 12 eingeführt werden. In einem Versuch, der in einem typischen Stahlschmelzofen durchgeführt wurde, wurde Sauerstoff in einer Menge von 298 m3/h in die Lanze eingeführt. Nach ihrem Eintritt in die Wirbelkammer wurden die Sauerstoffströme spiralig ge- führt, so dass sie eine tornadoartige, wirbelnde Masse bildeten, in deren Zentrum ein Unterdruck von
381 mm Quecksilbersäule festgestellt wurde.
In nachfolgenden Versuchen mit derselben Lanze wurde bei einer Vergrösserung der Sauerstoffmenge von 56, 6 auf298 m3/h im Zentrum ein Vakuum zwischen 254 mm
Wassersäule und 381 mm Quecksilbersäule festgestellt. Daraus geht hervor, dass die Bildung eines Vakuums im Zentrum der tornadoartigen Sauerstoffströmung sowohl von der Menge des verwendeten Sauerstoffs als auch von dem Winkel abhängt, in dem die Sauerstoffströme in die Wirbelkammer eintreten.
Auf jeden Fall wird an das schlackenbedeckte schmelzflüssige Bad ein rotierender Sauerstoffstrom abgegeben, der zwei wesentliche Zwecke hat. Der eine besteht darin, der Schlacke infolge der Rotationskomponente des Sauerstoffstroms eine Drehbewegung zu erteilen, so dass die Badoberfläche freigelegt wird. Zweitens soll auf die freigelegte Fläche ein relativ langsamer Strom eines strömungsfähigen Mediums abgegeben werden, so dass eine ziemlich ruhige Atmosphäre aufrechterhalten werden kann und nur ein minimales Spritzen auftritt. Beispielsweise hat es sich gezeigt, dass bei einer äusseren tornadoartigen Sauerstoffströmung mit einer Rotationsgeschwindigkeit von etwa 3 500 Radiant/sec das Zusatzmedium mit einer Geschwindigkeit von 4, 6 bis 91, 4 m/sec eingeführt wurde, so dass es der freiliegenden Badoberfläche nur eine geringe Bewegung erteilte.
Mit einer Lanze der hier geoffenbarten Art durchgeführte weitere Versuche haben gezeigt, dass bei Verwendung eines Sauerstoffdrucks von 2 kg/cm und bei Sauerstoffdurchlässen, die in einem Winkel A von 150 zur Lanzenachse angeordnet sind, aus der Austrittsöffnung ein tornadoartiger Strom mit einer Winkelgeschwindigkeit im Bereich von 3500 Radiant/sec austritt. Dabei wurde die axiale Komponente des austretenden Stroms stark herabgesetzt, um das Spritzen des Bades auf ein Minimum zu verringern, während die Winkelkomponente stark vergrössert wurde, um der Badschlacke eine Drehbewegung zu erteilen.
Ein ebenfalls zu der Durchführung eines vorteilhaften Behandlungsverfahrens beitragendes Merkmal der Erfindung besteht in der Einführung eines Wasserstroms in den Sauerstoffstrom oder in den Strom des Zusatzstoffs. Zu diesem Zweck kann man einen Wasserstrom über einen geeigneten Eintrittsanschluss am hinteren Ende der Vorrichtung oder direkt in das zentrale Rohr für den Zusatzstoff einleiten. Es hat sich gezeigt, dass das Wasser beim Eintritt in die rohrförmige vordere Kammer trachtet, die Wände zu überziehen und dadurch vor dem Angriff der Hitze zu schützen. Ferner hat es sich gezeigt, dass in die Reaktionszone des Ofens eingeleitete diskrete Wassermengen den erwünschten Effekt haben, dass sie die in dem Verfahren erzeugte Rauchmenge herabsetzen, ohne dabei den Gesamtwirkungsgrad zu verringern.
Dabei wurde gefunden, dass die Wassermenge auf Gewichtsbasis doppelt so gross sein kann wie die Menge des in den Ofen eingeführten Sauerstoffs. Es ist zwar schon ein Wasserzusatz zur Rauchunterdrückung angewendet worden, doch war die Wirkung dieses Zusatzes infolge der gewöhnlich wenig geeigneten Mittel, die zur Einführung verwendet wurden, nur gering. Durch die Einführung von Wasser in Form von Tröpfchen,
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wie sie bei der Einleitung des Wasserstroms in das Zentrum des wirbelnden Sauerstoffstroms erzeugt werden, kann die Menge des durch das Behandlungsverfahren gebildeten Rauches um wenigstens 75% verringert werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Lanze zur Behandlung schlackenbedeckter Metallbäder mit einem gasförmigen oder gasgetragenen Behandlungsmittel, mit einem strömungsgekühlten Gas-Leitungssystem, bestehend aus drei koaxialen Leitungen, innerhalb welcher ein Gaszuführungskanal und Einlass- und Austrittskanäle für das Kühlmedium vorgesehen sind, wobei ein Düsenkörper mit dem genannten Leitungssystem verbunden ist, der einen Gasausströmkanal aufweist, der mit dem Gaszuführungskanal in Verbindung steht, und ein Kanalsystem vorgesehen ist, das die Kühlkanäle des erwähnten Leitungssystems verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasausströmkanal des Düsenkörpers mit dem Gaszuführungskanal des Leitungssystems durch einen oder mehrere Einlasskanäle,
die tangential zu dem Ausströmkanal angeordnet sind, verbunden ist.