CN103069015A - 应用在冶金设备中的超音速喷嘴以及用于确定超音速喷嘴尺寸的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种应用在冶金设备中的超音速喷嘴，尤其用于在氧气顶吹转炉(BOF)或电弧炉(EAF)中顶吹氧气，其带有会聚的截段和扩散的截段，它们在喷嘴口(DK)处彼此邻接，其中，超音速喷嘴由喷嘴形状的以下组在其相应的设计情况中来限定：(T1)。

Description

应用在冶金设备中的超音速喷嘴以及用于确定超音速喷嘴尺寸的方法

技术领域

本发明涉及一种应用在冶金设备中的超音速喷嘴(Ueberschallduese)以及一种用于确定这样的超音速喷嘴的尺寸的方法。

背景技术

超音速喷嘴或者还有Laval超音速喷嘴在冶金应用的领域中找到广阔的使用范围。例如，在制钢时在BOF转炉(氧气顶吹转炉)中借助于喷枪(Blaslanze)将氧气顶吹(aufblasen)到金属池中。

也在电弧炉(EAF)的领域中，超音速喷嘴被应用在用于吹入氧气的喷射器中或者在用于熔融废料的燃烧器中。

例如从文件WO 00/28096 A1中已知一种用于喷入氧气或其它工程气体的装置的超音速喷嘴，其可被应用在冶金工艺中、尤其在熔化金属时。这里说明了一种用于设计Laval超音速喷嘴的会聚的和扩散的喷嘴件的壁轮廓的数学方法，其中，应用了基于双曲线气体方程的逆向的方法。

通常例如在文件DE 101 26 100 A1(其说明了一种用于冷气体喷射的方法和装置)中说明了传统的Laval超音速喷嘴。

另外从文件WO 00/28097 A1中已知一种用于注射工程气体和用于处理金属池的粉末状材料的集成的装置。另外文件EP 1 506 816 A1说明了一种用于热喷射或动力喷射的Laval超音速喷嘴。

以前的用于冶金系统的超音速喷嘴关于在超音速喷嘴内出现的压缩冲击或膨胀波不是流动最佳和磨损最佳的。由此目前的喷枪的使用寿命例如为大约150-250次转炉熔化(Konverterschmelzen)。在该时间之后，喷嘴棱边磨损成使得存在水冷的超音速喷嘴的水击穿(Wasserdurchbruch)的危险而必须更换枪头。

发明内容

相应地，本发明的目的是说明一种应用在冶金设备中的超音速喷嘴以及一种用于确定参数的方法，借助于该方法可降低超音速喷嘴的磨损。

该目的借助于根据带有接下来所说明的特征的权利要求的超音速喷嘴来实现。

相应地，设置有一种应用在冶金设备中的超音速喷嘴，尤其用于在氧气顶吹转炉(BOF)中、在氩氧脱碳(AOD)转炉或者电弧炉(EAF)中顶吹氧气，其带有会聚的截段和扩散的截段，它们在喷嘴口(Duesenkehle)处彼此邻接。该超音速喷嘴由喷嘴形状的下列组在其相应的设计情况中来限定：

该目的此外通过一种应用在冶金设备中的超音速喷嘴来实现，其尤其用于在氧气顶吹转炉(BOF)中、在氩氧脱碳(AOD)转炉或者电弧炉(EAF)中顶吹氧气，其带有会聚的截段和扩散的截段，它们在喷嘴口处彼此邻接。超音速喷嘴的内部轮廓相应于以数字途径利用修正的特征法(Charakteristikenverfahren)所确定的轮廓。

超音速喷嘴的内部轮廓尤其对应于该所确定的轮廓，其通过气体动力学的偏微分方程的数字求解来确定，在偏微分方程中在考虑相应的兼容性条件的情况下借助于空间上离散的特征方程来表示稳定的、等熵的、旋转对称的气体流动。该方法在文献中还作为“特征法”或“特性曲线法”已知。

换句话说，数字上对于每个轴向位置(x位置)沿着超音速喷嘴如此来确定所属的径向上的值(r位置)，使得在超音速喷嘴内构造有无干扰的气体流动。这意味着，在超音速喷嘴的膨胀部分中的壁轮廓不能通过明确的(eindeutig)数学函数来确定。

当超音速喷嘴被在设计状态中运行时，借助于相应地确定的超音速喷嘴可实现氧气射流(Sauerstoffstrahl)在超音速喷嘴之内和之外不显示或仅显示非常小的压力干扰。相应地，膨胀的气体射流还紧密地贴靠在喷嘴轮廓处并且因此冷却喷嘴壁。此外，由于该特性，使在喷嘴出口的区域中的不希望的流动分离(Stroemungsabloesung)变得困难，从而改善了超音速喷嘴在设计点中的耐磨性能。以该方式可实现耐磨优化，因为超音速喷嘴的冷却由于更好的内部流动特性以及通过减小在出口区域中流动分离的倾向来改善。

另外，通过根据本公开的超音速喷嘴的轮廓化(Konturierung)实现，喷嘴长度在射流特性改善的情况下可被减小大约20-30%，由此节约了昂贵的铜材料、减小了超音速喷嘴的重量以及减小了安装深度。相应地，喷枪或喷射器或燃烧器可更小且更轻地来实施，这简化了它的安装或操作。

此外，CFD仿真(CFD-计算流体动力学)证明，射流速度沿着用于根据本公开的超音速喷嘴的射流轴线(Strahlachse)提高了大约3-5%。但是射流的可利用的超音速区域的长度因此也提高。

得出，相应于本公开设计的超音速喷嘴不仅在耐磨性能方面、而且在材料消耗、安装特性、操作以及相对于传统的超音速喷嘴的效果方面被改善。

根据本公开的超音速喷嘴例如可被用于为了限定地应用于冶金设备(电弧炉、还原炉、转炉、铸钢桶)中的喷射器、燃烧器、喷枪等。

优选地，喷嘴长度l与最狭窄的横截面中的半径r^*的比、即比l/r^{* ，}处在2.1与11.6之间、优选地在2.1与8.3之间、还更优选地在2.1与5.4之间、还更优选地在2.1与5.0之间，并且尤其具有11.6、8.3、5.4、5.0、4.8、4.2、4.1、3.6、3.3、3.1或2.1的值。在该超音速喷嘴中，最窄的横截面位于喷嘴口中。通过相应的喷嘴几何尺寸可制造相对于传统的喷嘴缩短的超音速喷嘴。

在另一优选的构造方案中，超音速喷嘴的会聚的截段具有钟状的轮廓并且扩散的截段具有钟状的轮廓，其中，会聚的截段和扩散的截段的钟状的轮廓在喷嘴口处始终过渡到彼此中。通过钟状的轮廓确保，可无干扰地且磨损小地来应用该喷嘴，射流脉冲在喷嘴出口处最大且实现气体射流的长的超音速长度。

附图说明

接下来基于附图再次详细阐述本公开。其中：

图1显示了在Laval超音速喷嘴(其以氧气来运行)之内和之外的原理上的马赫数分布；

图2显示了用于传统的Laval超音速喷嘴(A)以及用于根据本公开的Laval超音速喷嘴(B)的Laval超音速喷嘴的旋转对称的、一半的几何结构；

图3显示了对传统的Laval超音速喷嘴(A)以及根据本公开的Laval超音速喷嘴的CFD仿真的结果；

图4显示了根据本公开的Laval超音速喷嘴的不同的图示(区域、半径、特性曲线)；

图5显示了根据本公开的Laval超音速喷嘴的几何尺寸的不同的计算；

图6显示了一表格，从其中直接得出根据本公开的两个Laval超音速喷嘴的几何尺寸。

具体实施方式

接下来说明本公开的不同的实施形式，其中，对于相同或相似的部件使用相同的附图标记并且部分地放弃重复的说明。

图1显示了在Laval超音速喷嘴(其以氧气来运行)之内和之外的原理上的马赫数分布。氧气在此以1650℃进入大气中。

在此明显的是，在图1a中所示的设计状态中、即当出口横截面处的压力p_e等于环境压力p_u时，实现基本无干扰的流动。

在图1b中显示了不足膨胀(Unterexpansion)，在其中环境压力p_u小于出口横截面处的压力p_e。这里可明显地识别出存在干扰的射流走向(Strahlverlauf)。

在图1c中显示了过膨胀(Ueberexpansion)，即在其中环境压力p_u大于出口横截面p_e处的压力。这里也存在干扰的射流走向。

已在该图示中直接清楚的是，不在其设计状态中运行的超音速喷嘴始终具有干扰的射流走向。仅仅在设计状态中运行的超音速喷嘴可示出平滑的射流走向。

在图2A中显示了传统的Laval喷嘴A，其具有平的会聚的入口区域、基本保持不变的喷嘴口以及平的扩散的出口区域。总喷嘴长度l=142mm。

图2B显示了根据本公开的Laval超音速喷嘴，其不仅在会聚的入口区域中而且在扩散的出口区域中具有钟状弯曲的壁。喷嘴长度l=100mm。

钟状弯曲的壁理解为一种壁，在其中壁轮廓从凹的区域转变成凸的区域并且相应地具有转折点。对于在图2B中所示的超音速喷嘴是该情况，这里该壁走向、来自左边沿着流动方向首先是凹的走向，其然后过渡成凸的走向。从喷嘴口DK的区域出来首先穿过凸的区域，其朝向出口横截面AQ越过转折点WP到凹形的区域中又变凹。相应地，根据本公开的超音速喷嘴、不仅会聚的区域而且扩散的区域相应具有钟形。钟状的会聚的区域和钟状的扩散的区域在喷嘴口DK中始终相碰，使得壁轮廓在该部位处得以继续。

在制钢时在BOF转炉(氧气顶吹转炉)中借助于喷枪将氧气顶吹到金属池中。在喷枪的头部中存在多个、以一定的角度布置的、会聚-扩散的超音速喷嘴(Laval喷嘴)，其将氧气加速到超音速。图1A显示了一种这样的超音速喷嘴。在喷枪的头部中超音速喷嘴的数量取决于所希望的流量，典型地在头部中存在5至6个超音速喷嘴。氧气以大约两倍的音速和高的脉冲从超音速喷嘴出来并且根据运行决定的在熔池上方的枪间距在大约1.5m至3.0m碰到熔液。其在那里产生了振荡的吹槽(Blasmulde)并且由此负责强化的脱碳反应。喷枪的枪头由铜来铸造或者锻造并且由水来冷却，其中，通过在枪的内部中的环形的通道实现流入而通过在枪的外部中的环形的通道实现流回。

通过氧气在超音速喷嘴的扩散的喷嘴件中的膨胀，气体直至喷嘴出口冷却到大约-100℃，使得枪头也从气体侧这里被冷却。只要射流固定地贴靠在喷嘴壁处、维持冷却水供给并且不存在枪的结瘤(Verbaerung)，喷嘴磨损就较小。喷枪的典型的使用寿命目前处于大约150至250次转炉熔化。

在用于吹入氧气的喷射器或用于在电弧炉(EAF)中熔融废料的燃烧器中类似地应用超音速喷嘴。喷射器/燃烧器是同一仪器，其中，仅运行方式改变。该仪器由中间的超音速喷嘴构成，其被环状间隙喷嘴(Ringspaltduese)围绕。

在喷射器模式中，纯氧由超音速喷嘴吹送而热的废气(CO₂)由环状间隙喷嘴吹送。通过环状的、热的包裹气体射流(Huellgassstrahl)希望，中间的氧气射流在较大的长度上保持稳定且由此获得大的超音速长度。也在燃烧器模式中，氧气经由中间的超音速喷嘴来运输，然而附加地经由环状间隙来输送天然气(CH₄)，使得在喷嘴之外引起带有长的火焰形成的化学计算燃烧。

在喷射器模式中、即在经由中间的超音速喷嘴将氧气顶吹到熔液表面上时，首要目的是使熔液尽可能迅速地脱碳、但是同时在EAF中还产生有效的泡沫渣(Schaumschlacke)，以便遮蔽周围的炉几何结构(冷却板)免于极其热的电弧辐射。因为氧气喷射器安装在前置的炉板中并且以大约40°的确定的角度来布置，氧气射流可能必须克服长达3m的路段，以便到达熔液表面。因此重要的是产生尽可能长的、聚合的超音速射流并且以高的射流脉冲碰到熔液表面上。仅在该情况中，在熔液的强化混合的同时良好的脱碳是可能的。为了超音速长度尽可能长，气体射流在超音速喷嘴之内和之外都绝不允许具有干扰，但是这对于未充分设计的喷嘴壁轮廓是该情况。同时，超音速喷嘴的使用寿命必须高。

喷嘴磨损主要取决于两个因素：

a)预压(Vordruck)/体积流量

每个超音速喷嘴在冶金仪器中可仅被设计用于关于预压p₀、体积流量和环境压力p_u的运行点。这些参数在运行中不断被调整，使得对于或长或短的持续时间的真实的喷嘴流动与理想的设计状态不同。作为其结果，在超音速喷嘴之内和之外形成了以膨胀波和压缩冲击(其导致了喷嘴棱边的磨损)的形式的复杂的干扰模型(Stoerungsmuster)(钻石图案)。这也示例性地在于图1的右侧上所示的图示中绘出。

尤其关键的是将预压p₀减小到设计压力之下，因为在喷嘴棱边处的倾斜的压缩冲击会导致冷的氧气射流从喷嘴壁分离并且形成了再循环区，热的转炉气体经由其到达铜壁。就在该部位处然后(尽管有完好的水冷却)开始喷嘴磨损。如果该局部的磨损首先在扩散的喷嘴件中开始，则该部位在另外的转炉运行中越来越强地被热的转炉气体冲击。由于不断扩大的再循环区，铜磨损得越来越厉害并且水击穿的危险提高。

图1在此显示了环境压力p_u对于马赫数分布的主要影响。当压力p_e在出口横截面中不等于环境压力p_u时，将该超音速喷嘴称为不匹配的，其中，环境压力p_u例如是在转炉中或在电弧炉中的静态压力。与次音速射流(其始终在等压时在喷嘴通入口处出现)相比，因为通入口压力给流动施加了调节的影响，超音速射流不仅可逆着等压和逆着任意强度的低压而且直至一定的程度上逆着超压流出。

如果p_e>p_u(参见图1b中的不足膨胀)，这要求在出口横截面后的再膨胀(Nachexpansion)。在喷嘴排出棱边处放置了膨胀风扇，并且射流在超音速喷嘴外扩张。膨胀风扇的相交的波在自由射流边界处作为压缩波被反射。在射流核心中，在膨胀波下游的压力小于环境压力，在压缩波下游的压力大于环境压力。膨胀和压缩的周期性的相互作用(Wechselspiel)延续直至达到次音速。

如果p_e<p_u(参见图1c中的过膨胀)从超音速喷嘴的排出棱边产生倾斜的压缩冲击的系统。压缩冲击与参数p、T、ρ、s、Ma和u的不连续的变化相联系；在p、T、ρ和s增大时，Ma和u减小。在竖直的压缩冲击后面始终存在次音速。自由射流被收束并且射流中心的压力在下游上升到超过背压的值。压缩波在气体射流的自由射流棱边处作为膨胀波被反射并且射流中的静态压力下降。该过程周期性地重复，直至在射流边缘处的成长的混合区掌控流场并且超音速射流被转化成次音速射流。

现在p_u或p₀是否被改变不重要，因为在任何情况中设计状态的彼此相协调的值p^*/p₀和A^*/A_e被改变。

b)喷嘴几何结构

喷嘴几何结构对氧气射流中的干扰的构造具有类似的影响。用于喷枪或用于燃烧器/喷射器技术的超音速喷嘴在会聚部分和扩散部分中至今几乎总是被制造有旋转对称的、平的、也就是说锥形的壁，参见图2，超音速喷嘴A。在所谓的喷嘴口的中间部分中通常存在带有恒定直径的大约20mm长的区域。该在制造技术上确定的形状由制造商借助于等熵的流线理论来确定，其以在超音速喷嘴中沿着单个流线的等熵的(可逆绝热的)、一维的流动为前提。该方法包含不充分性，因为原则上既不能考虑通由靠近壁的流动边界层的摩擦影响，也不能考虑在超音速喷嘴内的三维的流动效应。通过那么未优化的喷嘴几何结构，之前所说明的流动以压力、速度、温度和密度的物理参数形成。当这些干扰在喷嘴壁处被反射时，其导致了带有提前的喷嘴磨损的流动分离和在超音速喷嘴下游的无效的气体射流。

图3，喷嘴A显示了对利用传统的等熵流线理论所设计的Laval喷嘴的CFD仿真(CFD－计算流体动力学)的结果，如它典型地在EAF中被用于氧气喷射并且其恰好在设计点中工作(设计点：氧气，入口压力p₀=8.4 bar，入口体积流量＝51.13 Nm³/min，环境压力p_u＝1.23 bar)。

尽管有正确的、恰好与面积比A^*/A_e相匹配的在喷嘴入口处的预压p₀，轻微的压力干扰在超音速喷嘴之内和之外形成，其使射流效率恶化。当该超音速喷嘴此外还被在设计点以外(偏离设计点)运行时，流动干扰还变得更强。一些制造商尝试通过自由选择的样条函数、双曲线函数或通过不同圆弧的彼此结合(Aneinanderreihung)来近似计算喷嘴轮廓。通过CFD仿真然而可辨识出，在这些情况中在超音速喷嘴内也出现压力干扰。

根据本公开，该目的在于基于纯数字方法(其建立在修正的特征法上)来确定Laval喷嘴的最佳的、钟状的、旋转对称的形状。该方法考虑了流动边界层中的摩擦影响和由此流动边界层对于核心流动的挤压作用。即考虑多维的流动效应。通过钟状的轮廓确保超音速喷嘴无干扰地且磨损小地工作，射流脉冲在喷嘴出口处最大并且实现了气体射流的非常长的超音速长度。另一主要优点是，喷嘴长度在效率改善的情况下还可被减小大约20－30%且可节约铜材料。喷枪或喷射器的重量被显著降低，这简化了仪器的安装。

出于该目的，利用特别的、修正的特征法以纯数字途径来确定用于相应的冶金仪器的超音速喷嘴的理想的壁轮廓。特征法是用于求解气体动力学偏微分方程的方法。在此，马赫线、即弱的压力干扰的线(其以音速传播并且其以一定的角度相对于局部的速度向量来布置)被设置为用于所谓的右旋和左旋的特性曲线的基础。沿着该特性曲线，已知偏微分方程的解。特征法在该情况中被与边界层修正相联系，由此考虑了在Laval喷嘴中流动边界层的减少脉冲的影响。借助于该纯数字方法设计一类喷嘴轮廓，其良好地适合于使用在冶金设备中。

超音速喷嘴的典型的轮廓在图4a中示出。其由会聚的次音速部分和扩散的超音速部分构成。超音速部分经常还称为膨胀部分。

在图4a中示出了构造的流动边界层。在边界层内，气体从在边界层边缘处的最大速度被减速直至在壁处的速度零。所谓的附着条件(无滑动条件)直接在壁处适用。在图中标出了喷嘴流动的各个区域(Ma<1、Ma=1、Ma>1)。

整个方法的数学途径是复杂的并且因此这里仅初步地来说明。该求解此外基于下列方程：

a) 稳态的、等熵的、旋转对称的气体流动的基本方程。

u,v：在轴向和径向上的流速

x,r：轴向坐标和径向坐标

a：音速

b) 特征方程的和沿着特性曲线的兼容性条件的数字求解。

特征方程：

和

c-,c+：右旋的和左旋的特性曲线

θ：局部的速度向量与坐标系之间的角度；流动角度

α：马赫角

沿着特性曲线的兼容性条件

和

Ma：马赫数

γ：普朗特-迈耶角

c) 利用用于旋转对称的可压缩的流动的干扰势能方程来确定喷嘴喉部中的声线和初始线(Initiallinie)。

φ´：干扰势能

d) 利用临界的音速a*来计算干扰速度，也就是说u'＝φ'_x和ν'=φ'_r。

和

K：常数

从初始线直至初始-特性来计算初始值。在此，使用特别的迭代方法用于确定网格点和所属的流动参数以及用于考虑特性曲线的曲率。

e) 从初始特性直至最后的膨胀特性来计算带有正的轮廓曲率的超音速喷嘴的膨胀部分。在此对形状应用特殊的轮廓函数：

和

a、b、c：常数

最后，基于特性曲线和轮廓函数来确定流动参数。在射流轴线上的设计马赫数在此被控制。

f) 通过最后的膨胀特性和轴线点的马赫线来确定带有负的轮廓曲率的超音速喷嘴的膨胀部分。基础是所谓的向后-特性曲线c^-和壁流线。

g) 对于r_k、R₁、R₂和ß的给定的值，通过以圆弧的形式的特别的轮廓函数来确定超音速喷嘴的次音速部分，因为这里不能出现压力干扰，参见图4b。

r=f(x_k,r_k,R₂)　对于x≤x₂

r=f(x₁,x₂,r₁,r₂)　对于x₂≤x≤x₁

r=f(x_t,r_t,R₁,R₂)　对于x₁≤x≤x_t

作为迭代计算的结果，获得优化的、钟状的喷嘴轮廓，如其例如在图2中作为超音速喷嘴B所示。

对于所示的应用情况，喷嘴长度例如从l=142mm减小到100mm，即减小了大约30%。在氧气射流的效率改善的同时，即可实现缩短了大约30%且由此也轻了大约30%的超音速喷嘴。这明显地简化了喷嘴头的更换。

图3A显示了用于传统的超音速喷嘴(其带有平的会聚的入口、保持不变的喷嘴口和平的扩散的出口)的CFD仿真(CFD-计算流体动力学)。超音速喷嘴精确地在其设计点中来运行并且包括下列流动参数：气体介质是氧气、入口压力p₀=8.4 bar、入口体积

=51.13 Nm³/min(Nm³相应于标准立方米)、环境压力p_u=1.23 bar。在仿真中可清楚地辨识出，对于根据图3A的超音速喷嘴在流出时出现干扰，其作为干扰波行进穿过出来的射流。

在图3B中，同样通过CFD仿真来模拟根据本公开的带有它的数字确定的、钟状的壁的Laval超音速喷嘴。直接可辨识出，该超音速喷嘴(尽管其结构型式明显更短)在出口处产生均匀的流，在其中辨识不出干扰。

在图4C中显示了马赫线，其是气体动力学基本方程的特征曲线。带有流动角度(θ－α)的特性曲线c ^－ 被称为右旋的特性曲线，即在流线右边。带有流动角度(θ+α)的特性曲线c⁺被称为左旋的特性曲线，即在流线左边。v在此是局部的速度向量。

在图3中相应于超音速喷嘴B显示了对于该设计情况的借助CFD仿真的喷嘴流动。超音速喷嘴中的整个氧气射流相对于图3中的超音速喷嘴A现在是无干扰的。换句话说，有利于流动分离的压力干扰(其在超音速喷嘴中在其它的相同的数字边界条件中还可看见)消失并且射流无干扰地从超音速喷嘴B中流出。在该情况中，气体从超音速喷嘴的流出角度θ_ex等于零度。利用该特征法，然而也可以不等于零度地来设计喷嘴流出角度。

图4A显示了带有它的次音速区域和它的超音速区域以及相应的边界层的超音速喷嘴。

图4B显示了带有相应的半径标识(其导致几何结构的经典构造)的超音速喷嘴的次音速区域，其由用于次音速区域的圆弧块组合而成。在喷嘴的次音速区域中不能出现压力干扰。

用于在提到的冶金设备中超音速喷嘴的运行的典型的流动技术的边界条件如下所示：

用于电弧炉(EAF)的喷射器/燃烧器：

气体：氧气、氮气、氩气、天然气、CO₂

到超音速喷嘴中的入口压力：p₀=4-12 bar

入口体积流量：

＝20-100 Nm³/min

图5a示例性地显示了根据数字方法所设计的以氧气运行的EAF喷射器/燃烧器喷嘴，利用入口压力p₀=10 bar、入口体积流量＝50 Nm³/min和环境压力p_u=1.013bar来计算。示出了带有和不带边界层修正的计算。在体积流量相同时，超音速喷嘴由于边界层的挤压效应必须略微更大地来设计，这比不带边界层修正的情况更接近实际。

用于转炉(AOD,BOF)的喷枪喷嘴：

气体：氧气、氮气

到超音速喷嘴中的入口压力：p₀=6-14 bar

入口体积流量：

=80-200 Nm³/min(在枪头中的各超音速喷嘴)

图5b示例性地显示了根据数字方法所设计的、用于以氧气运行的喷枪的单个喷嘴，利用入口压力p₀=12 bar，入口体积流量

＝140 Nm³/min和环境压力p_u=1.013 bar来计算。又示出了带有和不带边界层修正的计算。

从之前提到的边界条件中得出了下列类别的超音速喷嘴(喷嘴组)：

气体：氧气、氮气、氩气、天然气、CO₂

到超音速喷嘴中的入口压力：p₀=4-14 bar

入口体积流量：

＝20-200 Nm³/min

由此得出了喷嘴形状的下列组(对于p_u＝1.013 bar＝常数的情况)。

图6显示了对图5中的两个超音速喷嘴的轴向和径向坐标的表格。

Claims (13)

1. 一种应用在冶金设备中的超音速喷嘴，尤其用于在氧气顶吹转炉(BOF)中、在氩氧脱碳(AOD)转炉或者电弧炉(EAF)中顶吹气体，其带有会聚的截段和扩散的截段，它们在喷嘴口(DK)处彼此邻接，其特征在于，所述超音速喷嘴由喷嘴形状的下列组在其相应的设计情况中来限定：

。

2. 一种应用在冶金设备中的超音速喷嘴，尤其用于在氧气顶吹转炉(BOF)、在氩氧脱碳(AOD)转炉或者电弧炉(EAF)中顶吹氧气，其带有会聚的截段和扩散的截段，它们在喷嘴口(DK)处彼此邻接，其特征在于，所述超音速喷嘴的内部轮廓相应于以数字途径利用修正的特征法所确定的轮廓。

3. 根据权利要求2所述的超音速喷嘴，其中，所述超音速喷嘴的内部轮廓相应于所确定的所述轮廓，其通过气体动力学的偏微分方程的数字求解来确定，在所述偏微分方程中，在考虑相应的兼容性条件的情况下借助于空间上离散的特征方程来表示稳定的、等熵的、旋转对称的气体流动。

4. 根据权利要求3所述的超音速喷嘴，其中，在数字偏微分方程的求解中考虑摩擦附着的、靠近壁的边界层流动的影响。

5. 根据前述权利要求中任一项所述的超音速喷嘴，其中，喷嘴长度l与最狭窄横截面中的半径r^*的比、即l/r^*处在2.1与11.6之间，优选地在2.1与8.3之间，还更优选地在2.1与5.4之间，还更优选地在2.1与5.0之间，并且尤其具有11.6、8.3、5.4、5.0、4.8、4.2、4.1、3.6、3.3、3.1或2.1的值。

6. 根据前述权利要求中任一项所述的超音速喷嘴，其中，所述会聚的截段具有钟状的轮廓且所述扩散的截段具有钟状的轮廓，其中，所述会聚的截段的和所述扩散的截段的钟状的轮廓在所述喷嘴口处始终过渡到彼此中。

7. 根据前述权利要求中任一项所述的超音速喷嘴，其中，所述超音速喷嘴具有冷却通道。

8. 根据前述权利要求中任一项所述的超音速喷嘴，其中，所述超音速喷嘴的扩散的截段的内部轮廓不能通过明确的数学函数来表示。

9. 一种用于确定根据前述权利要求中任一项所述的超音速喷嘴的尺寸的方法，其中，所述方法包括：

以数字途径利用修正的特征法来确定轮廓，和

根据所确定的轮廓来构造所述超音速喷嘴的内部轮廓。

10. 根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述轮廓通过气体动力学的偏微分方程的数字求解来确定，在所述偏微分方程中，在考虑相应的兼容性条件的情况下借助于空间上离散的特征方程来表示稳定的、等熵的、旋转对称的气体流动。

11. 根据权利要求10所述的方法，其中，以摩擦附着的、靠近壁的边界层流动的影响来修正数字偏微分方程的求解。

12. 一种应用在冶金设备中的超音速喷嘴，尤其用于在氧气顶吹转炉(BOF)中、在氩氧脱碳(AOD)转炉中或者在电弧炉(EAF)中顶吹气体，其特征在于在下列设计情况中如下确定尺寸的内部轮廓：

。

13. 一种应用在冶金设备中的超音速喷嘴，尤其用于在氧气顶吹转炉(BOF)中、在氩氧脱碳(AOD)转炉中或者在电弧炉(EAF)中顶吹气体，其特征在于在下列设计情况中如下确定尺寸的内部轮廓：

。

Images