Verfahren, Anwendung des Verfahrens und Vorrichtung zum Erzeugen einer in einer Richtung verlaufenden Strömung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen einer in einer Richtung verlaufenden Strömung in einer in einem Behälter oder einem Kanal befindlichen Flüssigkeit. Es sollen insbesondere solche Flüssigkeiten derart bewegt werden, die wegen hoher Temperatur, ungünstiger Strömungseigenschaften oder Beimischungen mittels herkömmlicher Vorrichtungen nur schwer in Bewegung versetzt werden können.
Durch die Erfindung soll ein Verfahren vorgeschlagen werden, mit dem unter anderen Anwendungsmöglich keiten metallurgische Schmelzen gemischt oder homogenisiert werden können. Durch die Erfindung sollen auch chemische und metallurgische Reaktionen beschleunigt und der Wirkungsgrad bei Reaktionen verbessert werden sowie eine Schmelze innerhalb eines Raumes umgewälzt oder während einer Behandlungsfolge von einem Gebiet zu einem anderen befördert werden können. Durch die Erfindung soll auch die Beförderung dicker und schwerfliessender Flüssigkeiten erleichtert werden.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Flüssigkeit eingetauchter Körper im Abstand von den Behälter- oder Kanalwänden im wesentlichen geradlinig hin- und herbewegt wird, wobei der Körper an seiner in die Strömungsrichtung weisenden Seite eine plane oder konkave Fläche und an seiner entgegengesetzten Seite eine konvexe oder solche Fläche aufweist, deren Erzeugende zur Bewegungsrichtung des Körpers parallel ist, und dass bei der Bewegung des Körpers in der Strömungsrichtung ein wesentlich grösserer Widerstand erzeugt wird als bei seiner Bewegung entgegen der Strömungsrichtung und dass bei der Rückwärtsbewegung die in Strömungsrichtung fliessende Flüssigkeit um die Kanten der planen oder konkaven Fläche umgelenkt und zur Mitte dieser planen oder konkaven Fläche geleitet wird.
Die Erfindung kann, unter anderem, wichtige Aufgaben in der metallurgischen Industrie lösen. Das Umwälzen einer Schmelze ist zum Beispiel sowohl in Öfen wie in Pfannen oft gewünscht. Wenn die Schmelze tief ist, ist es vorteilhaft oder sogar notwendig, der Charge eine innere Bewegung aufzuzwingen, entweder um den Arbeitsprozess zu beschleunigen oder um örtliche Ungleichmässigkeiten an Temperatur oder Zusammensetzung zu beseitigen.
Wichtig ist auch die Aufgabe, Schlacke von der Oberfläche einer metallurgischen Schmelze zu entfernen. Diese Aufgabe soll ohne grossen Aufwand an Arbeit, Zeit oder Metallverlusten ausgeführt werden können. Dabei hat es sich als günstig erwiesen, wenn die oberen Schichten der Schmelze zu dem Gebiet des Ofens oder der Pfanne strömen, in dem die Schlacke aus dem Ofen entfernt wird.
Die Erfindung kann auch für die Transportaufgabe bei kontinuierlichen Arbeitsabläufen eine günstige Lösung bieten. Solche Arbeiten werden zum Beispiel bei der Verhüttung von Eisen und Stahl so ausgeführt, dass eine Schmelze in offenen oder geschlossenen Rinnen, Kanälen oder Rohren fliesst und im Laufe des Transportes schrittweise behandelt wird. In der Regel wird nur die Metallschmelze befördert. Es kann aber auch sinnvoll sein, die Reaktionsmittel oder die nichtmetallischen Reaktionsprodukte in fester oder flüssiger Form relativ zu der Metallschmelze in derselben Richtung wie diese oder entgegengesetzt zu dieser Richtung zu bewegen Mit dem erfindungsgemässen Verfahren soll es möglich sein, den gesamten Transport oder nur Teile davon zu bewirken, wobei dann der Transport noch von anderen Kräften, zum Beispiel von der Schwerkraft bewirkt werden kann.
Ein wichtiger Vorgang in der metallurgischen Industrie ist das Einbringen bzw. Entnehmen einer Schmelze in einen bzw. aus einem Behälter. Beim Strang- oder Druckgiessen müssen diese Vorgänge mit genau abgestimmter Geschwindigkeit verlaufen. Auch hierfür kann man die Erfindung mit Vorteil anwenden, da dann der Transport weniger störungsanfällig ist als bei herkömmlichen Transportverfahren, wodurch der Giessvorgang, gegenüber Arbeitsweisen, bei denen Ausgüsse verwendet werden oder bei denen über einen Pfannenrand gegossen wird, verbessert werden kann.
Dies sind nur wenige Beispiele von Aufgaben in der metallurgischen Industrie, bei denen das erfindungsgemässe Verfahren angewandt werden kann.
Dazu kommen zahlreiche Anwendungsfälle bei anderen Industriezweigen, bei denen ebenfalls Flüssigkeiten behandelt werden, denn es gibt sowohl in der metallurgischen als auch bei anderen Verfahrenstechniken viele Rühr- und Bewegungsaufgaben der erläuterten und ähnlicher Arten. Aufgrund dessen tritt das Problem oft auf und es sind auch verschiedene Lösungen bekannt geworden.
Oft wird die Schwerkraft zum Erzielen der Strömung benutzt, so bei den meisten Stranggiessverfahren.
Das Perrinverfahren ist ein eindrucksvolles Beispiel hierfür, bei dem durch Umgiessen aus grosser Höhe eine Rührwirkung erzeugt wird. Professor Howard K.
Worner beschreibt im Juniheft des Jahres 1961 der Zeitschrift The Australian Engineer' einen Vorgang zur kontinuierlichen Stahlerzeugung, bei dem die Schmelze in geneigten Rinnen von einem Behandlungsort zu einem anderen gefördert wird.
Elektromagnetische Kraftfelder rufen auch Bewegungen in Metallschmelzen hervor. Dies wird mit Hilfe der induktiven Rührspule bei elektrischen Lichtbogen öfen und auch bei elektrischen Induktionsöfen bewirkt.
In diesen Fällen wird die Schmelze umgewälzt. Es gibt aber auch Beispiele, bei denen Eisenschmelzen aufgrund dieser Wirkung sogar aufwärts transportiert werden.
Gase, die in eine Schmelze eingebracht werden, können auch Rührwirkung ausüben und Transportaufgaben erfüllen. Die Wirkung beruht darauf, dass durch die Anwesenheit des Gases in der Flüssigkeit die Unterschiede des spezifischen Gewichtes zwischen Gasund Flüssigkeit eine Bewegung der Flüssigkeit hervorrufen Das Gas kann auch durch Adhäsionskräfte eine Flüssigkeit mit sich reissen und dadurch eine lebhafte Rühnvirkung erzeugen.
Schmelzen können auch dadurch indirekt bewegt werden, dass das Schmelzgefäss um eine Achse gedreht wird. Bei Rotieröfen und Schüttelpfannen wird es z. B.
so gemacht.
Im Gegensatz zu den vorerwähnten Verfahren wird nunmehr die erfindungsgemässe Lösung vorgeschlagen.
Die Amplitude und die Frequenz der hin- und hergehenden Bewegung können innerhalb weiter Grenzen gewählt werden und sich auf die Bedingungen jedes praktischen Falles abstimmen. Die Richtung und der Verlauf der Strömung wird hauptsächlich vom Aktionskörper beeinflusst. Zusätzlich haben aber auch Abmessung oder Form des Gefässes einen Einfluss.
Man kann ein gut zu steuerndes und sehr anpassungsfähiges Strömungsmuster erzeugen, so dass auch sonst schwer zugängliche Gebiete einer Schmelze gut bewegt werden können.
Die erfindungsgemässe Anwendung des Verfahrens dient zur Behandlung metallurgischer Schmelzen, nämlich zur Beeinflussung der chemischen Zusammensetzung oder der Temperatur oder zur Mischung, Trennung oder Bewegung verschiedener Phasen der innerhalb eines Behälters befindlichen Schmelze.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist gekennzeichnet durch einen zum Eintauchen in eine Flüssigkeit bestimmten, starren Körper und einen zum Aufnehmen der Flüssigkeit bestimmten Behälter oder Kanal, wobei der Körper im Abstand von den Behälter- oder Kanalwänden im wesentlichen geradlinig hin- und her bewegbar ist, und der Körper in Richtung der Hin- und Herbewegung auf seiner einen Seite eine plane oder konkave Fläche und auf seiner anderen Seite eine konvexe oder solche Fläche aufweist, deren Erzeugende zur Bewegungsrichtung des Körpers parallel ist, und dass am Übergang zwischen den beiden Flächen des Körpers eine Kante vorhanden ist, und dass diejenige Bewegungsrichtung, in der der Körper mit seiner planen oder konkaven Fläche voran bewegbar ist, die Vorwärtsbewegung ist,
die mit der gewünschten resultierenden Strömungsrichtung einer Flüssigkeit übereinstimmt.
Verschiedene Ausführungsformen einer zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Vorrichtung sind in der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1-14 verschiedene Ausbildungen des Aktionskörpers im Längsschnitt und in schaubildlicher Darstellung.
Die Wirkung der Vorrichtung ist besonders auf die zumindest annähernde Geradlinigkeit der Bewegung und auf die Form des in die Flüssigkeit eingetauchten Teiles des Aktionskörpers zurückzuführen, welcher eingetauchte Teil z. B. eine Schale, eine Ringwanne oder ein Zylinder ist. Die Wirkung ist aber auch auf die Art der Bewegung zurückzuführen, ist also z. B abhängig davon, ob eine gleichförmige oder ungleichförmige Bewegung stattfindet. So kann z. B. auf eine hohe Geschwindigkeit in der Vorwärtsrichtung eine langsame Bewegung in der Rückwärtsrichtung folgen.
Es kann auch vorteilhaft sein, der Vorwärtsbewegung an einer zwischenliegenden Wegstelle ein ausgeprägtes Maximum zu geben. Die Wirkung kann auch durch andere Methoden erreicht werden, wie z. B. durch unterschiedliche Reibungskoeffiziente zwischen Aktionskörper und Flüssigkeit, bei den beiden Bewegungsrichtungen.
Nach dieser allgemeinen Darstellung sollen jetzt beispielsweise einige Formen für den Aktionskörper und den Behälter sowie deren Arbeitsweise anhand der Figuren beschrieben werden, wobei gleichzeitig Anwendungsgebiete erwähnt werden.
In Fig. 1 ist ein in einem Flüssigkeitsbad senkrecht arbeitender Körper dargestellt. Am unteren Ende einer Antriebsstange 2 befindet sich eine Schale 4. Der Körper 2, 4 wird von einer oberen Stellung aus, die etwas unterhalb des gezeigten Badspiegels liegt, bis zu einer unteren Stellung vertikal geradlinig auf- und abbewegt, wie dies durch den Doppelpfeil F angedeutet ist. Beim Abwärtshub wird, gemäss den nach unten gerichteten parallelen Pfeilen H, der Teil der Flüssigkeit, der sich vor, d. h. unter der konkaven Fläche 6 der Schale 4 befindet, nach unten bewegt. Über der Schale 4 strömt Flüssigkeit nach, wie dies durch Pfeile G angedeutet ist.
Während der Rückwärtsbewegung des Körpers 2, 4, 6 strömt Flüssigkeit ohne grossen Widerstand entlang der Aussenwand der Schale 4 und rings um die Kanten der Schale 4 zur Mitte der konkaven Fläche 6 zu Die Schale 4 wird hierbei ohne grossen Widerstand gefüllt. Die von der Aussenwand der Schale 4 verdrängte Flüssigkeit strömt also erstens seitlich nach aussen und dann wieder seitlich nach innen. Diese beiden Strömungen üben zwar eine gewisse Verzögerung auf die resultierende Vorwärtbewegung der Flüssigkeit aus. Die Verzögerungen sind aber bei der gezeigten Form des Körpers 2, 4, 6 nach der Figur 1 gering.
Wenn dagegen die rückwärts gerichtete Fläche des Aktionskörpers ungünstig geformt wird, dann wird besonders bei hohen rückwärtigen Geschwindigkeiten die Flüssigkeit so stark seitlich und rückwärts geführt, dass die resultierende Vorwärtsströmung entweder sehr gestört wird oder ganz ausbleibt. Dies würde z. B. der Fall sein, wenn ein wesentlicher Teil der rückwärts gerichteten Fläche des Körpers entweder rechtwinklig zur Bewegungsrichtung des Körpers steht oder einen kleinen Winkel mit dieser Richtung bildet.
Die meisten in der Zeichnung dargestellten Schalen des Aktionskörpers haben eine scharfe Kante. Das ist strömungstechnisch günstig. In der Praxis ist diese Form jedoch besonders bei keramischem Material schwer zu verwirklichen. So kann es bei der Arbeit mit metallurgischen Schmelzen bei hoher Temperatur wirtschaftlich vorteilhaft sein, auf den hydrodynamischen Vorteil, den eine scharfe Kante bringt, zu verzichten und eine Form zu wählen, die besser auf die Eigenschaften eines normalen keramischen Materials abgestimmt ist.
Die Rückwärtsbewegung des Aktionskörpers 2, 4, 6 bewirkt im Bereich der konkaven Fläche 6 und der Kante einen Unterdruck, der bei bestimmten Verhältnissen zu einem hohen Vakuum - das bedeutet oft Kavitation - ansteigen kann. Diese Erscheinung ist wohlbekannt. So gibt es zum Beispiel Waschmaschinen, wo schalenförmige Werkzeuge zum Entfernen von Dampfüberschuss auf einer Kreisbahn geführt werden.
Das ist die Ursache, warum die Ausbildung der Kante des Aktionskörpers, wie eben erwähnt wurde, eine grosse Bedeutung hat. Deshalb muss der Aktionskörper auch genau denselben Weg vorwärts wie rückwärts beschreiben und deshalb muss dieser Weg zumindest annähernd gerade sein. Bei grösseren Abweichungen von dieser Bewegung wird die Strömung um die Aussenflächen des Aktionskörpers gestört. Je nach den Verhältnissen kann eine unregelmässige Turbulenz entstehen oder es kann Flüssigkeit zurückgesaugt werden Die Fig. 7 zeigt ein Beispiel wie von der reinen geradlinigen Bewegung etwas abgewichen werden kann.
Ein Körper, der eine Rinne 20 und die Stange 2 aufweist, ist um eine ortsfeste Lagerstelle schwenkbar. Die Rinne 20 wird somit auf einer Kreisbahn geschwenkt.
Der Schwenkradius wird hierbei gross und der Verschwenkwinkel klein gewählt.
Fig. 14 zeigt eine Längsschnittform des Aktionskörpers, die sich als praktisch günstig erwiesen hat.
Der Krümmungsradius ist an der Kante 10/o oder weniger vom Durchmesser der Schale 37. Fig. 11 zeigt eine alternative Massnahme hierzu, um der Schwierigkeit hinsichtlich der Kantenausbildung zu begegnen.
Ein Mundstück 27 aus keramischen Material ist in ein Rohr 26 eingepasst und diese beiden Teile bilden zusammen den geradlinig hin und her bewegbaren Aktionskörper. Die Flüssigkeit strömt hierbei innerhalb des Rohres 26 und durch das Mundstück 27.
Wie erwähnt, kann bei metallurgischen Schmelzen der Aktionskörper aus keramischem Material hergestellt werden. Alternativ hierzu kann der Körper eine Bewehrung aus Metall aufweisen, die mit keramischem Material überzogen wird. Die Dicke des Überzuges richtet sich unter anderem nach der Zeit, während der der Körper in der Schmelze verweilen muss. Für kontinuierliche Arbeit ist eine gekühlte Metallbewehrung zu empfehlen, wodurch man die besonders beanspruchten Teile auf einer Temperatur halten kann, bei der noch ausreichende Festigkeit des Materials gewährleistet ist.
In den Fällen, in denen auf eine metallene Bewehrung verzichtet wird und ein Körper verwendet wird, der ausschliesslich aus keramischem Material besteht, muss dieses Material ausser einer guten Temperaturwechselbeständigkeit - welche Eigenschaft immer gefordert wird - noch eine hohe Festigkeit bei der verhältnismässig hohen Arbeitstemperatur aufweisen. An und für sich können verschiedene keramische Werkstoffe in Frage kommen. Gegossene Massen, besonders solche, die aus geschmolzenem Material gegossen sind, sind oft gut geeignet. Graphithaltiges Material, bei dem der Graphit nicht aus der Schmelze herausgelöst ist, ist sehr gut geeignet, besonders weil man Oberflächen mit sehr niedrigen Reibungskoeffizienten gegenüber der Flüssigkeit herstellen kann Die Reibung kann oft dadurch beeinflusst werden, dass man die sehr kleinen Hohlräume des Grundmaterials mit einem anderen Material füllt.
Dazu können Ton, Graphit und auch andere Stoffe verwendet werden.
Wenn keramisches Material für den Aktionskörper benutzt wird, ist es zweckmässig, den in die Flüssigkeit einzutauchenden Teil leicht austauschbar zu gestalten.
Auch in günstigen Fällen muss man mit begrenzter Lebensdauer dieses Teiles des Aktionskörpers rechnen.
Dieser Teil des Aktionskörpers soll deswegen so ausgebildet sein, dass er sich für die Massenherstellung eignet. Dieser Umstand kann es möglich und teilweise sogar zweckmässig machen, auf die Forderungen nach Kavitationsfreiheit zu verzichten.
Aus der Grundform nach Fig. 1 können nach Bedarf die verschiedensten Varianten entwickelt werden.
So können auch die Rinnen 20 nach den Figuren 6 und 7 vorgesehen werden.
Die Fig. 3 und 4 zeigen andere Ausführungen. Ein Aktionskörper 12, der an einer nicht gezeigten Antriebsstange befestigt ist, hat die Form eines Rohres, in dem entweder ein Teil 14 mit Schalenform (Fig. 3) liegt oder ein Ringteil 16 mit einem halbschalenförmigen Querschnitt (Fig. 4) als Einsatzstück eingepasst ist.
Oft ist es zweckmässig, den Einsatzteil 16 in der Nähe des Auslaufendes vom Rohr 12 anzubringen.
Fig 2 zeigt, wie eine Schale durch eine Ringwanne 10 ersetzt werden kann, die eine Wannenwand 6 aufweist. Fig. 8 zeigt eine Anordnung mit zwei hintereinander angeordneten Schalen 4.
Die Fig. 5 zeigt einen Aktionskörper 18, mit einer Schale, ähnlich dem Aktionskörper nach Fig. 1, aber mit der konkaven Seite der Schale 18 nach oben. Die resultierende Förderrichtung der Flüssigkeit ist beim Beispiel nach Fig. 5 nach oben. Gemäss den Fig. 9 und 10 ist der Aktionskörper 24 bzw. 25 zylinderförmig und mit einer unten liegenden ebenen bzw. konkaven Seite versehen. Die Bewegung nach unten kann schnell und die Bewegung nach oben langsam erfolgen, so dass eine resultierende Bewegung der Flüssigkeit nach unten erzeugt wird. Die Erzeugende der Mantelfläche des Zylinders 24 und 25 liegt parallel zur Bewegungsrichtung des Akionskörpers.
Die Fig. 12 zeigt einen Aktionskörper 28 mit einer Mittelöffnung 30, die von einer nach unten weisenden Ringrinne 32 umgeben ist. Auch in diesem Fall ist die resultierende Strömung der Flüssigkeit in Fig. 12 nach unten.
Die Rohrform nach den Fig 3 und 4 eignet sich gut für die Arbeit in Herdöfen, zum Beispiel in Licht bogenöfen. Das Rohr 12 kann hierbei dicht an die Ofenwand gebracht werden, ohne dass die Flüssigkeit wegen ihrer hohen Geschwindigkeit Erosion hervorrufen kann. Der Einbau in Kanälen, in Herdöfen, in Pfannen oder in anderen Gefässen kann je nach den örtlichen Verhältnissen sehr unterschiedlich ausgeführt werden. Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Anordnung mit rinnenförmigen Aktionskörpern 20, die bei einer kontinuierlichen Behandlung im Gegenstrom geeignet sein kann. Wenn der Kanal z.
B. im wesentlichen horizontal verläuft und die Fläche der Rinne 20 wenigstens 10 o/o des Kanalquerschnittes entspricht, kann man bei auch im übrigen günstigen Verhältnissen eine so kräftige Strömung in der Flüssigkeit erzeugen, dass sich ein wellenförmiger Badspiegel in der resultierenden Strömungsrichtung ergibt. Infolgedessen fliesst Material, das am einen Ende des Kanals auf den Badspiegel als Reagenz gegeben wird, im Gegenstrom zum Einlaufende der Metallschmelze hin. Eine schon nahezu vollständig raffinierte Schmelze kann derart also mit neuem Zuschlagmaterial in Berührung gebracht werden. Andererseits kann ein nahezu vollständig verbrauchtes Reagenz mit einer solchen Metallschmelze in Berührung gebracht werden, die noch einen hohen Gehalt an Verunreinigungen aufweist.
Dieser Umstand ist sowohl für eine gute Raffinierung als auch für eine gute Ausnutzung der Zuschläge sehr günstig.
Es kann von Vorteil sein, die Wirkung von mehreren verschiedenartig arbeitenden Aktionskörpern zu vereinen. Ein Beispiel hierzu zeigt Fig. 13. Eine Roheisenpfanne 34 ist mit einem nach oben und einem nach unten arbeitenden Aktionskörper 36 ausgestattet.
Diese Anordnung erzeugt in der Pfanne 34 eine Umwälzung des Roheisens um eine horizontale Achse.
Wenn die Aufgabe besteht, eine Schlackenreaktion zu beschleunigen, soll der nach oben arbeitende Aktionskörper 36 nahe an den Badspiegel gebracht werden, wo er die Trennfläche zwischen den Phasen in Turbulenz bringen kann. In den Fällen aber, wo eine Durchmischung der Bodenmasse erwünscht ist, zum Beispiel um schweres Material, wie Schrott oder schwere Legierungselemente, das am Boden liegt, aufzulösen, ist es besser, den nach unten arbeitenden Aktionskörper 36 tief zu stellen, so dass die Strömungsgeschwindigkeit besonders in dem Gebiet gross wird, wo hohe Turbulenz eine vorteilhafte Wirkung bringt. Es kann auch günstig sein, zwei oder mehrere Aktionskörper die in ähnlicher Weise in Fig 13 angeordnet sind, in derselben Richtung arbeiten zu lassen.
Wenn beide Aktionskörper nach unten arbeiten und nahe beim Badspiegel stehen, rufen sie einen Toruswirbel hervor, der oft sehr günstig wirken kann. Wenn dagegen beide Aktionskörper nach oben arbeiten, kann die Oberfläche der schweren Schmelze so verformt werden, dass sie nach oben konkav wird. Diese Erscheinung ist besonders dann vorteilhaft, wenn mit einer Schlacke gearbeitet wird, die die feuerfeste Bekleidung der Gefässwände angreifen kann.
Es gibt auch Fälle, in denen es vorteilhaft ist, die Strömung der Flüssigkeit mit Gasen zu verstärken, die in die Flüssigkeit eingebracht werden. Hierbei kann das Gas ausserhalb des Aktionskörpers in die Flüssigkeit eingeleitet werden, so dass das Gas und der oder die Aktionskörper zusammenwirken. Dies kann besonders beim Aufwärtspumpen in vertikalen oder zur Vertikalen geneigten Kanälen günstig sein. Das Gas kann auch durch den Aktionskörper hindurch der Flüssigkeit zugeführt werden. Das Gas kann entweder gegenüber der zu bewegenden Flüssigkeit neutral sein oder einen Zusatz für die Behandlung der Flüssigkeit enthalten.
PATENTANSPRÜCHE
I. Verfahren zum Erzeugen einer in einer Richtung verlaufenden Strömung in einer in einem Behälter oder einem Kanal befindlichen Flüssigkeit, dadurch gekennzeichnet, dass ein in der Flüssigkeit eingetauchter Körper in Abstand von den Behälter oder Kanalwänden im wesentlichen geradlinig hin- und her bewegt wird, wobei der Körper an seiner in die Strömungsrichtung weisenden Seite eine plane oder konkave Fläche und an seiner entgegengesetzten Seite eine konvexe oder solche Fläche aufweist, deren Erzeugende zur Bewegungsrichtung des Körpers parallel ist,
und dass bei der Bewegung des Körpers in der Strömungsrichtung ein wesentlich grösserer Widerstand erzeugt wird als bei seiner Bewegung entgegen der Strömungsrichtung und dass bei der Rückwärtsbewegung die in Strömungsrichtung fliessende Flüssigkeit um die Kanten der planen oder konkaven Fläche umgelenkt und zur Mitte dieser planen oder konkaven Fläche geleitet wird.
II. Anwendung des Verfahrens nach Patentanspruch I, zur Behandlung metallurgischer Schmelzen, nämlich zur Beeinflussung der chemischen Zusammensetzung oder der Temperatur oder zur Mischung, Trennung oder Bewegung verschiedener Phasen der innerhalb eines Behälters befindlichen Schmelze.
III. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, gekennzeichnet durch einen zum Eintauchen in eine Flüssigkeit bestimmten, starren Körper (4, 10, 12, 18, 20, 24, 25, 26, 28, 36, 37) und einen zum Aufnehmen der Flüssigkeit bestimmten Behälter (34) oder Kanal, wobei der Körper im Abstand von den Behälter- oder Kanalwänden im wesentlichen geradlinig hin- und her bewegbar ist, und der Körper in Richtung der Hin- und Herbewegung auf seiner einen Seite eine plane oder konkave Fläche (6) und auf seiner anderen Seite eine konvexe oder solche Fläche aufweist, deren Erzeugende zur Bewegungsrichtung des Körpers parallel ist, und dass am Übergang zwischen den beiden Flächen des Körpers eine Kante vorhanden ist, und dass diejenige Bewegungsrichtung, in der der Körper mit seiner planen oder konkaven Fläche voran bewegbar ist, die Vorwärtsbewegung ist,
die mit der gewünschten resultierenden Strömungsrichtung einer Flüssigkeit übereinstimmt.
UNTERANSPRÜCHE
1. Vorrichtung nach Patentanspruch III, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper in beiden Richtungen mit im wesentlichen gleicher Geschwindigkeit antreibbar ist.
2. Vorrichtung nach Patentanspruch III, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper bei der Vorwärtsbewegung mit grösserer Geschwindigkeit antreibbar ist als bei der Rückwärtsbewegung
3. Vorrichtung nach Patentanspruch III, dadurch gekennzeichnet, dass der Körper (4, 10, 18) schalenförmig ausgebildet ist, wobei die konkave Seite der Schale in Richtung der Vorwärtsbewegung weist.
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Method, application of the method and device for generating a flow running in one direction
The invention relates to a method for generating a flow running in one direction in a liquid located in a container or a channel. In particular, liquids should be moved in such a way that, due to high temperature, unfavorable flow properties or admixtures, it is difficult to set them in motion by means of conventional devices.
The aim of the invention is to propose a method with which, among other possible applications, metallurgical melts can be mixed or homogenized. The invention is also intended to accelerate chemical and metallurgical reactions and to improve the efficiency of reactions and to be able to circulate a melt within a room or transport it from one area to another during a treatment sequence. The invention is also intended to facilitate the transport of thick and difficult-to-flow liquids.
The method according to the invention is characterized in that a body immersed in the liquid is moved back and forth essentially in a straight line at a distance from the container or channel walls, the body having a flat or concave surface on its side pointing in the direction of flow and on its opposite side Side has a convex or such a surface, the generatrix of which is parallel to the direction of movement of the body, and that when the body moves in the direction of flow, a significantly greater resistance is generated than when it moves against the direction of flow and that the liquid flowing in the direction of flow during the backward movement is deflected around the edges of the flat or concave surface and directed to the center of this flat or concave surface.
The invention can, among other things, solve important problems in the metallurgical industry. For example, the circulation of a melt is often desirable in both furnaces and pans. If the melt is deep, it is advantageous or even necessary to impose an internal movement on the charge, either in order to accelerate the working process or to eliminate local irregularities in temperature or composition.
Another important task is to remove slag from the surface of a metallurgical melt. This task should be able to be carried out without a great deal of work, time or metal losses. It has proven to be beneficial if the upper layers of the melt flow to the area of the furnace or ladle in which the slag is removed from the furnace.
The invention can also offer a favorable solution for the transport task in continuous work processes. Such work is carried out, for example, in the smelting of iron and steel, in such a way that a melt flows in open or closed channels, channels or pipes and is gradually treated in the course of the transport. As a rule, only the molten metal is transported. However, it can also be useful to move the reactants or the non-metallic reaction products in solid or liquid form relative to the molten metal in the same direction as this or opposite to this direction. With the method according to the invention, it should be possible to transport the entire transport or only parts thereof to effect, in which case the transport can also be effected by other forces, for example by gravity.
An important process in the metallurgical industry is the introduction or removal of a melt into or from a container. In the case of extrusion or die casting, these processes must run at a precisely coordinated speed. The invention can also be used with advantage for this, since the transport is then less prone to failure than with conventional transport methods, whereby the pouring process can be improved compared to working methods in which spouts are used or in which pouring is carried out over a pan rim.
These are only a few examples of tasks in the metallurgical industry in which the method according to the invention can be applied.
In addition, there are numerous applications in other branches of industry in which liquids are also treated, because there are many stirring and moving tasks of the types described and similar in both metallurgical and other process technologies. Because of this, the problem often arises and various solutions have also become known.
Often gravity is used to create the flow, as in most continuous casting processes.
The Perrin process is an impressive example of this, in which a stirring effect is generated by pouring around from a great height. Professor Howard K.
In the June 1961 issue of The Australian Engineer magazine, Worner describes a process for continuous steel production in which the melt is conveyed from one treatment site to another in inclined troughs.
Electromagnetic force fields also cause movement in molten metal. This is achieved with the help of the inductive stirring coil in electric arc furnaces and also in electric induction furnaces.
In these cases the melt is circulated. However, there are also examples in which molten iron is even transported upwards due to this effect.
Gases that are introduced into a melt can also have a stirring effect and perform transport tasks. The effect is based on the fact that, due to the presence of the gas in the liquid, the differences in specific gravity between the gas and the liquid cause the liquid to move.The gas can also drag a liquid with it through adhesive forces and thus create a lively stirring effect.
Melts can also be moved indirectly by rotating the melting vessel around an axis. In rotary ovens and shaking pans it is z. B.
made like this.
In contrast to the aforementioned method, the solution according to the invention is now proposed.
The amplitude and the frequency of the reciprocating movement can be chosen within wide limits and match the conditions of each practical case. The direction and course of the flow is mainly influenced by the action body. In addition, the size or shape of the vessel also have an influence.
A flow pattern that is easy to control and very adaptable can be generated so that areas of a melt that are otherwise difficult to access can be moved easily.
The application of the method according to the invention serves to treat metallurgical melts, namely to influence the chemical composition or the temperature or to mix, separate or move different phases of the melt located within a container.
The device according to the invention for carrying out the method is characterized by a rigid body intended for immersion in a liquid and a container or channel intended for receiving the liquid, the body being movable back and forth in a substantially straight line at a distance from the container or channel walls is, and the body in the direction of the back and forth movement has a flat or concave surface on its one side and a convex surface or a surface on its other side whose generatrix is parallel to the direction of movement of the body, and that at the transition between the two surfaces the body has an edge, and that the direction of movement in which the body can be moved with its flat or concave surface forward is the forward movement,
which corresponds to the desired resulting flow direction of a liquid.
Various embodiments of a device suitable for carrying out the method according to the invention are illustrated in the drawing. Show it:
Fig. 1-14 various designs of the action body in longitudinal section and in a diagrammatic representation.
The effect of the device is due in particular to the at least approximate straightness of the movement and to the shape of the part of the action body immersed in the liquid, which part is immersed e.g. B. is a shell, an annular trough or a cylinder. The effect is also due to the type of movement, so it is z. B depending on whether there is a uniform or non-uniform movement. So z. B. A high speed in the forward direction is followed by a slow movement in the reverse direction.
It can also be advantageous to give the forward movement a pronounced maximum at an intermediate path. The effect can also be achieved by other methods, such as B. by different coefficients of friction between action body and liquid, in the two directions of movement.
After this general representation, some shapes for the action body and the container and their mode of operation will now be described with reference to the figures, with areas of application being mentioned at the same time.
In Fig. 1, a body working vertically in a liquid bath is shown. At the lower end of a drive rod 2 there is a shell 4. The body 2, 4 is moved up and down vertically in a straight line from an upper position, which is slightly below the bath level shown, to a lower position, as indicated by the double arrow F. is indicated. During the downward stroke, according to the parallel arrows H directed downwards, the part of the liquid that is in front of, i.e. H. located under the concave surface 6 of the shell 4, moved downwards. Liquid flows in over the shell 4, as indicated by arrows G.
During the backward movement of the body 2, 4, 6 liquid flows without great resistance along the outer wall of the bowl 4 and around the edges of the bowl 4 to the center of the concave surface 6. The bowl 4 is filled here without great resistance. The liquid displaced from the outer wall of the shell 4 thus first flows laterally outwards and then laterally inwards again. These two currents exert a certain delay on the resulting forward movement of the liquid. The delays in the shape of the body 2, 4, 6 shown in FIG. 1 are small.
If, on the other hand, the backward-facing surface of the action body is shaped unfavorably, then, especially at high backward speeds, the liquid is guided so strongly to the side and backward that the resulting forward flow is either very disturbed or completely absent. This would e.g. B. be the case when a substantial part of the rearward facing surface of the body is either perpendicular to the direction of movement of the body or forms a small angle with this direction.
Most of the action body shells shown in the drawing have a sharp edge. This is favorable in terms of flow. In practice, however, this shape is difficult to achieve, especially with ceramic material. For example, when working with metallurgical melts at high temperatures, it can be economically advantageous to forego the hydrodynamic advantage that a sharp edge brings and to choose a shape that is better matched to the properties of a normal ceramic material.
The backward movement of the action body 2, 4, 6 causes a negative pressure in the area of the concave surface 6 and the edge, which under certain conditions can increase to a high vacuum - that often means cavitation. This phenomenon is well known. There are washing machines, for example, where bowl-shaped tools for removing excess steam are guided on a circular path.
This is the reason why the formation of the edge of the action body, as just mentioned, is of great importance. Therefore the action body has to describe exactly the same way forward and backward and therefore this way has to be at least approximately straight. If there are major deviations from this movement, the flow around the outer surfaces of the action body is disturbed. Depending on the conditions, an irregular turbulence can arise or liquid can be sucked back. FIG. 7 shows an example of how something can be deviated from the pure linear movement.
A body, which has a channel 20 and the rod 2, is pivotable about a stationary bearing point. The channel 20 is thus pivoted on a circular path.
The swivel radius is selected to be large and the swivel angle to be small.
Fig. 14 shows a longitudinal sectional shape of the action body, which has proven to be practically favorable.
The radius of curvature at the edge is 10 / o or less of the diameter of the shell 37. FIG. 11 shows an alternative measure to this in order to counter the difficulty with regard to the edge formation.
A mouthpiece 27 made of ceramic material is fitted into a tube 26 and these two parts together form the action body which can be moved back and forth in a straight line. The liquid flows inside the tube 26 and through the mouthpiece 27.
As mentioned, the action body can be made of ceramic material in metallurgical melts. Alternatively, the body can have a reinforcement made of metal, which is coated with ceramic material. The thickness of the coating depends, among other things, on the time during which the body has to stay in the melt. Cooled metal reinforcement is recommended for continuous work, so that the particularly stressed parts can be kept at a temperature at which sufficient strength of the material is still guaranteed.
In those cases in which metal reinforcement is dispensed with and a body is used that consists exclusively of ceramic material, this material must not only have good thermal shock resistance - whichever property is required - but also have high strength at the relatively high working temperature. In and of themselves, various ceramic materials can be used. Cast masses, particularly those cast from molten material, are often well suited. Graphite-containing material, in which the graphite is not dissolved out of the melt, is very suitable, especially because surfaces with very low coefficients of friction with respect to the liquid can be produced.The friction can often be influenced by opening the very small cavities in the base material with a other material fills.
Clay, graphite and other substances can be used for this.
If ceramic material is used for the action body, it is useful to make the part to be immersed in the liquid easily exchangeable.
Even in favorable cases one must reckon with a limited lifespan of this part of the action body.
This part of the action body should therefore be designed so that it is suitable for mass production. This fact can make it possible and in some cases even expedient to dispense with the requirement for freedom from cavitation.
The most varied of variants can be developed from the basic form according to FIG. 1 as required.
The channels 20 according to FIGS. 6 and 7 can also be provided.
3 and 4 show other embodiments. An action body 12, which is attached to a drive rod (not shown), has the shape of a tube in which either a part 14 with a shell shape (FIG. 3) lies or a ring part 16 with a half-shell-shaped cross section (FIG. 4) is fitted as an insert piece .
It is often useful to attach the insert 16 in the vicinity of the outlet end of the pipe 12.
2 shows how a shell can be replaced by an annular trough 10 which has a trough wall 6. 8 shows an arrangement with two shells 4 arranged one behind the other.
FIG. 5 shows an action body 18, with a shell, similar to the action body according to FIG. 1, but with the concave side of the shell 18 upwards. The resulting conveying direction of the liquid is upwards in the example according to FIG. 5. According to FIGS. 9 and 10, the action body 24 or 25 is cylindrical and provided with a flat or concave side lying below. The downward movement can be rapid and the upward movement slow, so that a resulting downward movement of the liquid is created. The generating line of the lateral surface of the cylinder 24 and 25 is parallel to the direction of movement of the action body.
FIG. 12 shows an action body 28 with a central opening 30 which is surrounded by an annular groove 32 pointing downwards. In this case, too, the resulting flow of the liquid in FIG. 12 is downward.
The tubular shape according to Figures 3 and 4 is well suited for work in hearth furnaces, for example in arc furnaces. The tube 12 can be brought close to the furnace wall without the liquid being able to cause erosion because of its high speed. The installation in channels, in hearth ovens, in pans or in other vessels can be carried out very differently depending on the local conditions. FIGS. 6 and 7 show an arrangement with channel-shaped action bodies 20 which can be suitable for continuous treatment in countercurrent. If the channel z.
B. runs essentially horizontally and the area of the channel 20 corresponds to at least 10 o / o of the channel cross-section, one can generate such a strong flow in the liquid under otherwise favorable conditions that a wave-shaped bath level results in the resulting flow direction. As a result, material that is placed on the bath level as a reagent at one end of the channel flows in countercurrent to the inlet end of the molten metal. A melt that is already almost completely refined can thus be brought into contact with new aggregate material. On the other hand, an almost completely used reagent can be brought into contact with such a metal melt which still has a high content of impurities.
This fact is very favorable both for good refining and for good utilization of the aggregates.
It can be advantageous to combine the effects of several differently working action bodies. An example of this is shown in FIG. 13. A pig iron ladle 34 is equipped with an action body 36 that works upwards and one downwards.
This arrangement produces a circulation of the pig iron in the ladle 34 about a horizontal axis.
If the task is to accelerate a slag reaction, the action body 36 working upwards should be brought close to the bath level, where it can bring the interface between the phases into turbulence. However, in cases where a thorough mixing of the soil mass is desired, for example in order to dissolve heavy material such as scrap or heavy alloy elements lying on the ground, it is better to set the action body 36 working downwards so that the flow velocity becomes particularly large in the area where high turbulence has a beneficial effect. It can also be advantageous to let two or more action bodies, which are arranged in a similar manner in FIG. 13, work in the same direction.
When both action bodies work downwards and stand close to the bathroom mirror, they cause a torus vortex, which can often have a very beneficial effect. On the other hand, when both action bodies work upwards, the surface of the heavy melt can be deformed so that it becomes concave upwards. This phenomenon is particularly advantageous when working with a slag that can attack the refractory lining of the vessel walls.
There are also cases in which it is advantageous to increase the flow of the liquid with gases which are introduced into the liquid. Here, the gas can be introduced into the liquid outside the action body, so that the gas and the action body (s) interact. This can be particularly beneficial when pumping upwards in channels that are vertical or inclined to the vertical. The gas can also be supplied to the liquid through the action body. The gas can either be neutral with respect to the liquid to be moved or contain an additive for treating the liquid.
PATENT CLAIMS
I. A method for generating a unidirectional flow in a liquid located in a container or a channel, characterized in that a body immersed in the liquid is moved back and forth substantially in a straight line at a distance from the container or channel walls, wherein the body has a flat or concave surface on its side pointing in the direction of flow and a convex surface on its opposite side, the generatrix of which is parallel to the direction of movement of the body,
and that when the body moves in the direction of flow, a significantly greater resistance is generated than when it moves against the direction of flow and that when moving backward, the liquid flowing in the direction of flow is deflected around the edges of the flat or concave surface and towards the center of this flat or concave surface is directed.
II. Application of the method according to claim I, for the treatment of metallurgical melts, namely for influencing the chemical composition or the temperature or for mixing, separating or moving different phases of the melt located within a container.
III. Device for performing the method according to claim 1, characterized by a rigid body (4, 10, 12, 18, 20, 24, 25, 26, 28, 36, 37) intended for immersion in a liquid and one for receiving the liquid certain container (34) or channel, wherein the body can be moved back and forth substantially in a straight line at a distance from the container or channel walls, and the body in the direction of the back and forth movement has a flat or concave surface on one side (6 ) and on its other side has a convex or surface whose generatrix is parallel to the direction of movement of the body and that there is an edge at the transition between the two surfaces of the body, and that the direction of movement in which the body is planar or concave surface is movable forward, which is forward movement,
which corresponds to the desired resulting flow direction of a liquid.
SUBCLAIMS
1. Device according to claim III, characterized in that the body can be driven in both directions at essentially the same speed.
2. Device according to claim III, characterized in that the body can be driven at a greater speed when moving forward than when moving backward
3. Device according to claim III, characterized in that the body (4, 10, 18) is shell-shaped, the concave side of the shell pointing in the direction of forward movement.
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