CN104014440B - 用于喷射液体‑气体混合物的双物质喷嘴和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用来喷射液体‑气体混合物的双物质喷嘴和方法，所述双物质喷嘴包括：喷嘴外壳，包括通往混合室内的至少一个液体入口和通往混合室内的至少一个气体入口；涡旋插件；以及，在涡旋插件与出口室的下游端上的出口开口之间的出口室；其中在所述混合室的下游端上设置限流器和在所述限流器与所述涡旋插件之间设置中间室。本发明还涉及喷射液体‑气体混合物的方法。

Description

用于喷射液体-气体混合物的双物质喷嘴和方法

技术领域

本发明涉及一种用于喷射液体-气体混合物的双物质喷嘴，包括：喷嘴外壳，其包括通往混合室内的至少一个液体入口并且包括通往混合室内的至少一个气体出口；涡旋插件；以及在涡旋插件与出口室的下游端上的出口开口之间的出口室。本发明还涉及一种用于喷射液体-气体混合物的方法。

背景技术

这样的双物质喷嘴公开于欧洲专利文献EP 1 243 343 B1中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用来喷射液体-气体混合物的改进的双物质喷嘴和改进的方法。

根据本发明提供一种用来喷射液体-气体混合物的双物质喷嘴，包括：喷嘴外壳，其包括通往混合室的至少一个液体入口并且包括通往混合室的至少一个气体入口，包括涡旋插件，并且包括在涡旋插件与出口室的下游端上的出口开口之间的出口室，其中限流器（restrictor）位于出口室的下游端上，并且中间室设置于限流器与涡旋插件之间。

令人意外的是，将限流器设置于混合室的下游端上和将中间室设置于涡旋插件的上游允许实施双物质喷嘴，双物质喷嘴具有经由出口开口而输出的喷射射流的基本上恒定的射流角。在供应的气体的压力和/或供应的液体的压力变化期间，维持所述基本上恒定的射流角。由此，根据本发明的双物质喷嘴能在可变或不稳定的水压期间提供基本上恒定的射流角。这是特别重要的，例如在根据该发明的双物质喷嘴用来冷却用于较长产品的连铸单元中的铸坯（strand）的情况下。连铸单元中二次冷却的主要要求是实现受控制的、均匀的冷却。利用双物质喷射喷嘴来执行这样的冷却。冷却是为了导致无缺陷的铸坯的凝固，无缺陷的铸坯为通常不具有裂纹和偏析（segregation）的无缺点的铸坯。例如，所谓的方坯（billet）、初轧坯或圆形锭（round format ingot）在连铸单元中生产并且使用双物质喷嘴加以冷却。由于大量不同的钢品质和其不同特征，并且由于较大的铸造速率范围，需要向这样的双物质喷嘴提供较大的喷嘴控制范围。这意味着一方面，利用高体积流量的较大程度的主要冷却，和另一方面，利用低体积流量的很缓和冷却应是可行的。如果在体积流量变化和例如水压变化的情况下，在二次冷却中的双物质喷射喷嘴的射流角也将变化，然后其结果将为在所产生的铸坯中的缺陷，例如由于在其总外表面上不充分的冷却。根据本发明的双物质喷射喷嘴克服了这个问题，因为即使在可变或不稳定的水压的情况下，输出喷射射流的射流角保持基本上恒定。由于变化的液体压力和/或变化的气体压力，仅发生在喷射射流内的体积分布（即，液体在输出喷射射流中的分布）变化。可有意地利用这个性质来通过改变液体压力和/或水压来调整在喷射射流中限定的不同液体分布和因此这样处理的铸坯的不同的冷却。令人意外的是，可通过以很简单的方式在混合室的下游端上设置限流器和在限流器与涡旋插件之间设置中间室来获得基本上恒定的射流角。在限流器下游为液体和气体在液体-气体混合物中的均匀分布，并且防止偏析。由于限流器，取决于所观察到的射流角，存在着压力的显著降低。中间室的尺寸使得在限流器与涡旋插件之间并不出现偏析。利用涡旋插件，可使液体-气体混合物旋转，并且在出口开口的下游，可例如产生密实锥和空心锥。

在本发明的改进的实施例中，限流器包括穿孔板。

利用穿孔板，可以以很简单的方式来设置用于混合室中的液体-气体混合物的限流器。

在本发明的一改进的实施例中，穿孔板仅具有安置于板周围附近的多个通孔。

观察到仅在穿孔板周围附近设置多个通孔造成在中间室中很均匀的液体-气体分布，和因此获得所希望的射流角相对于液体压力和气体压力的独立性。其中，通孔可为安置成离周围一定距离的内孔，或者可甚至为例如设置于穿孔板周围上的凹槽。

在本发明的改进的实施例中，限流器具有孔口/节流器（orifice），节流器包括单个中心通孔。

这样的限流器特别地与穿孔板一起可造成在中间室中很有利的液体-气体分布。

在本发明的改进的实施例中，如在流动方向上观察，穿孔板位于节流器上游。有利地，如在流动方向上所观察，节流器与穿孔板间隔开。

如在流动方向上所观察，节流器可在离穿孔板大约穿孔板的半径的距离处。在节流器中的中心通孔的大小有利地被选择为使得通孔具有比介于穿孔板中通孔之间的距离更小的直径。换言之，在投影中，通孔完全被节流器覆盖。

在本发明的改进的实施例中，涡旋插件包括安置于周围区中或安置于外周上的多个内孔或凹槽，其中内孔或凹槽相对于出口室的中心纵向轴线倾斜地或螺旋地延伸。

在本发明的改进的实施例中，涡旋插件包括伸入到流动方向内并且位于插件的下游侧上的中心区中的柱销。

通过提供这样的柱销，可改变根据本发明的双物质喷嘴的喷射特征。提供这样的柱销造成密实锥喷射射流生成。在并无柱销设置于涡旋插件上的情况下，生成一种空心锥喷射射流。其中，在涡旋插件上的柱销朝向出口室，因此在流动方向上延伸。在喷射射流内的液体分布可通过柱销的长度来调整。柱销延伸的长度越长，在射流中心中所导向的液体就越多。

在本发明的改进的实施例中，柱销的外周具有非圆形的形状。

在本发明的改进的实施例中，柱销至少在始于涡旋插件的其端部附近由凹槽包围。其中凹槽为环形，但有利地具有非圆形的周边。例如，凹槽可包括安置在圆上的多个相邻的盲孔。因此，盲孔限定柱销的外周和凹槽的外周。

在本发明的改进的实施例中，混合室具有中心纵向轴线，并且至少一个液体入口在围绕中心纵向轴线的虚圆的大体上近似切向通往混合室内。

通过将液体在切向进给到混合室内，在混合室中已经实现了液体与气体的很均匀混合。如本文所用的术语在大体上切向表示垂直于中心纵向轴线，但并不在混合室下游端上的限流器的方向上导向、并且也不在相反方向上导向。因此，由于液体入口终止于大体上切向取向，液体相对于混合室的中心纵向轴线被引入从而使得液体围绕中心纵向轴线而自旋地被引入。因此，液体也可倾斜于切向方向引入于混合室内，即，在中心纵向轴线的方向上倾斜地偏移。

在本发明的改进的实施例中，设置至少两个液体入口，每个液体入口在中心纵向轴线周围的虚圆的大体上切向但相对于彼此在相反方向通往混合室内。

以此方式，进一步改进了在混合室中液体与气体的混合。

本发明的目的还通过一种使用双物质喷嘴来喷射液体-气体混合物的方法来实现，其中在包括至少一个液体入口和至少一个气体入口的混合室中产生液体-气体混合物，并且其中利用涡旋插件使液体-气体混合物围绕中心纵向轴线旋转并且通过输出开口输出，其中经由在混合室的下游端上的限流器来传导述液体-气体混合物，以及通过在限流器与涡旋插件之间的中间室来传导液体-气体混合物。

在本发明的改进的实施例中，通过改变气体和/或液体的压力来改变在输出喷射锥中液体-气体混合物分布，其中，输出喷射锥的喷射角在气体和/或液体的压力变化期间保持基本上恒定。

以此方式，可以选择性并且故意地实现在输出喷射锥中液体-气体混合物的分布，例如以允许使用双物质喷射喷嘴所喷射的铸坯的差分冷却的限定变化。

附图说明

本发明的另外的特点和优点从下文本发明的优选实施例的描述以及附图将变得显然。在附图的各个图中示出的个别特点可以以任何任意的组合来组合，而不偏离本发明的范围。在附图中示出了：

图1为根据本发明的双物质喷嘴的侧视立视图；

图2为图1的双物质喷嘴的侧视立视图，其中移除了在图1的右边示出的锁定螺钉；

图3为图2的截面平面A-A的视图；

图4为图1的双物质喷嘴的顶视图；

图5为从上方观察的图1的双物质喷嘴的斜视图；

图6为图1的双物质喷嘴的分解图；

图7为图1的双物质喷嘴的短管的截面图；

图8为从上方观察的图1的双物质喷嘴的穿孔板的斜视图；

图9为从上方观察的图1的双物质喷嘴的节流器的斜视图；

图10为从上方观察的图1的双物质喷嘴的涡旋插件的斜视图；

图11为图10的涡旋插件的侧视立视图；

图12为图10的涡旋插件的顶视图；

图13为图12的截面平面A-A的截面图；

图14为图1的双物质喷嘴的液体入口部分的侧视立视图；

图15为图14的液体入口部分的前视图；

图16为截面平面D-D的视图；

图17从上方观察的图14的液体入口部分的斜视图；

图18为在第二实施例中根据本发明的双物质喷嘴的涡旋插件的斜前视图；

图19为图18的涡旋插件的侧视立视图；

图20为图18的涡旋插件的前视图；

图21为图20的截面平面A-A的视图；

图22为在图1中的根据本发明的双物质喷嘴的射流角随水压变化的图；以及

图23为在图1中的根据本发明的双物质喷嘴所产生的喷射射流内的水分布随水压和空气压力变化的图。

具体实施方式

图1的图示展示了包括喷嘴外壳12的根据本发明的双物质喷嘴10，其中喷嘴外壳12包括表现为基本上矩形形状的第一外壳部段14和固定到第一外壳部段上的短管或管嘴16。在管嘴16内设置出口开口18（在图1中不可看到）以输出喷射射流。喷射射流20具有圆锥形状，如在图1中以虚线示出。喷射射流具有射流角α。用来供应待喷射的液体，特别地水的液体连接件24和用来供应加压气体，特别地加压空气的加压气体连接件22设置于第一外壳部段14上。锁定螺钉25设置于图1中的外壳的右侧。

图2中的图示以侧视立视图展示了图1的双物质喷嘴，其中并未示出锁定螺钉26。因此，可以看到液体入口部分28在第一外壳部段14内，并且将在下文中参考图3和图14至图17更详细地讨论。

图3的截面图展示了图2的截面平面A-A的顶视图。加压气体经由加压气体连接件22被供给到混合室30内，其中混合室设置于第一外壳部段14内。待喷射的水经由液体连接件24被供给到第一外壳部段14的横孔内并且然后也经由液体入口部分28供给到混合室30内。位于图3中右边的横孔的端部由锁定螺钉26闭合。液体入口部分28具有用于液体的两个孔口开口33a、33b，由在伸入到液体入口部分28的混合室30内的柱销中的横孔32形成。所述横孔32在图14和图16的图示中可以看出。液体经由纵孔31进入到液体入口部分28内以便然后以垂直取向冲击于横孔32上。由此，液体在液体入口部分内偏转90°角，经由横孔32的两个孔口开口33a、33b离开液体入口部分，并且然后以近似切向取向进入混合室30。其中，仅横孔32的中心严格地在切向，横孔的端部相对于孔口开口33a、33b的切向方向向外偏移流出。如图3所示，经由加压气体连接件22进入的气体射流和经由液体入口部分28进入的液体并不立即会聚。液体通过横孔32在大体上切向在两个相反方向引入到混合室30内。其结果导致液体和气体在混合室30内适当并且均匀的混合。

始于混合室30，液体-气体混合物然后转移到中间室40内，从而经过穿孔板38。中间室40在穿孔板38与涡旋插件42之间延伸。节流器44安置于中间室内。在如图所示的实施例中，穿孔板包括总共五个通孔46，在图8的穿孔板38的图示中可以看到。其中，通孔46在与中心纵向轴线36同心的圆上彼此以均匀的间隔布置。通孔46安置于穿孔板38的周围区附近。穿孔板38并不包括除了通孔46之外的任何其它的穿孔或通路。由此，能允许来自混合室30的液体仅经由通孔46进入中间室40。

节流器44包括仅一个通孔48，通孔48相对于中心纵向轴线而同心安置并且被设计为呈环形的形状。在节流器44中通孔48的直径的尺寸使得在沿着中心纵向轴线36的投影中，在穿孔板38中的通孔46由节流器44覆盖。

因此，经由穿孔板38的通孔46进入到中间室40内的液体-气体混合物由节流器44偏转并且通往节流器44的通孔48内。穿孔板38和节流器44构成用于液体-气体混合物的限流器。

在节流器44的下游，中间室40的直径再次增加并且液体-气体混合物一直通往涡旋插件42。利用涡旋插件42，液体-气体混合物移动成围绕中心纵向轴线36自旋并且然后进入到出口室50，其中，出口开口18安置于所述室的下游端上。出口开口18具有始于出口室50的圆柱形部段和邻接该圆柱形部段的圆锥形扩口部段，如在流动方向上所观察。出口开口18设置于短管或管嘴16中，并且由疏放区或下降边缘52同心地包围。

穿孔板38设置于旋拧到第一外壳部段14内的管嘴的端部上，并且节流器44和涡旋插件42也安置于管嘴16中。参考图7，管嘴16具备多个台阶，每个台阶分别匹配穿孔板38、节流器44和涡旋插件42的直径。朝向出口开口18的方向，管嘴16的内径变得更小。如在流动方向上观察，穿孔板38安置于第一周向台阶52上。节流器44安置于第二周向台阶54上，并且涡旋插件42安置于第三周向台阶56上。由于管嘴16的内径从第一台阶52向第三台阶56减小，涡旋插件42、节流器44和穿孔板38可随后没有难度地插入于管嘴16内，并且分别由于周向台阶56、54和52而占据了在管嘴16内的限定位置。在周向台阶52、54、56之间存在基本上呈圆柱形而设计的管嘴16的内部空间。其中，可设置额外更窄的周向台阶，每个在朝向流动的节流器44和涡旋插件42的表面的高度处。

图4的图示展示了双物质喷嘴10的顶视图，并且图5展示了从双物质喷嘴10的上方观察的斜视图。

图6以分解图展示了双物质喷嘴10。在将涡旋插件42、节流器44和穿孔板38插入于短管16内之后，所述管被旋拧到第一外壳部段14内。图6显示了液体-气体混合物首先离开混合室30并且全部必须通过穿孔板38中的通孔46，并且然后偏转到节流器44的中心通孔48内。在通孔48的下游，液体-气体混合物再次被允许在径向向外传播，并且然后经由在涡旋插件42的外周上的涡旋管道60进入到出口室50内，然后作为喷射锥经由出口开口18输出。涡旋通道60布置于涡旋插件42的外周上，彼此以均匀的间隔而隔开，并且相对于中心纵向轴线36倾斜地安置。由此，由于涡旋插件42，使液体-气体混合物绕中心纵向轴线36自旋，并且因此通过相对于中心纵向轴线36同心安置的出口开口18离开，并且在出口开口18的下游形成喷射射流20，参考图1。

通过将限流器设置于混合室30的下游，在图示实施例中，限流器由穿孔板38和离穿孔板38一定距离安置的节流器44构成，双物质喷嘴10适于允许基本上独立于被供应的气体和被供应的液体的压力的喷射锥20的射流角α，参考图1。在任何情况下，根据本发明的喷射喷嘴10允许实现在液体压力和气体压力的较宽范围基本上恒定的射流角α。其中，如果省略了节流器44，限流器可仅由穿孔板38构成。

通常，喷射角在4巴与8巴之间的水压和1巴的空气压力的情况下基本上恒定。在2巴的空气压力的情况下，在水压在4巴与8巴之间变化时，射流角的变化仅为略微小于10°。但是，在水压变化时，在喷射锥20内的液体-气体混合物的分布变化。实际上，随着空气压力增加，更多的液体-气体混合物位于喷射锥20的中心。而随着水压增加，更少的液体-气体混合物位于围绕中心纵向轴线36的喷射锥20的中心区中。使用根据本发明的双物质喷嘴10，分别对喷射锥20内液体分布和液体-气体混合物分布进行目标控制是可行的。

图10的图示以斜前视图展示了涡旋插件42。显示了安置于涡旋插件42的外周上并且相对于中心纵向轴线36而倾斜地延伸的凹槽。在背向流动的侧部上，参考图3，涡旋插件42具备相对于中心纵向轴线同心安置的柱销62。柱销突伸超过涡旋插件42的底部，参考图3。柱销62的外周具有非圆形的形状。在涡旋插件42上所述柱销62的基点附近，柱销由周向凹槽64包围。通过平行于中心纵向轴线将多个盲孔打入于涡旋插件42内形成凹槽。在如图所示的实施例中，存在着平行于中心纵向轴线36打入于涡旋插件42内的总共七个盲孔。因此，凹槽64的外周包括总共七个圆区段。盲孔的中心位于同心地包围着中心纵向轴线36的圆上，参考图12。可经由柱销62的长度来控制液体-气体混合物在喷射锥20中的分布。如果省略了柱销62并且背向流动的涡旋插件42的表面为平面的，喷射锥20将呈空心锥的形状。设置柱销62使得喷射射流20形成为密实锥的形状。

图11、图12和图13的图示展示了涡旋插件42的另外的视图。

图18至图21的图示展示了涡旋插件170，与图10至图13的涡旋插件42相比，涡旋插件170被修改但计划用于根据本发明的图1的双物质喷嘴10上的相同位置。将在下文中讨论与图12和图13的涡旋插件42的差异。

与涡旋插件42不同，涡旋插件70并不包括包围着柱销62的凹槽64。因此，柱销62安置于涡旋插件的平面表面72上，其中，在涡旋插件的安装条件下，参考图3，表面72位于涡旋插件的下游侧上。因此，柱销62具有非圆形的形状，如同涡旋插件42的情况，柱销周边由圆形圆柱的彼此邻接的凹入部分表面构成。总之，柱销62的周边由七个彼此邻接的部分圆柱形表面形成。在涡旋插件70的周边上相对于流动方向而倾斜地延伸的凹槽与涡旋插件42上的凹槽相同。如同涡旋插件42的情况，总共七个倾斜延伸的凹槽设置于外周上。

图22的图示展示了描绘图1中根据本发明的双物质喷嘴的射流角随着变化的水压而变化的总共四个曲线。不同的曲线对应于不同的空气压力。由菱形表示的曲线描绘了在1巴的空气压力下射流角的变化，由正方形表示的曲线描绘了在2巴的空气压力下射流角的变化，由三角形表示的曲线描绘了在2.5巴的空气压力下射流角的变化，并且由圆形表示的曲线描绘了在3巴的空气压力下射流角的变化。

可以看出，在水压变化时，独立于空气压力，射流角在比较窄的范围内变化。因此，根据本发明的双物质喷嘴在射流角方面并不易受水压变化的影响。

图23的图示以示意图展示了分别在可变的空气压力和水压下图1中的根据本发明的双物质喷嘴的喷射射流内的水分布的定性变化。附图标记74、76和78标记在喷射射流内的不同的水分布，并且可以看出随着空气压力增加，在射流中心存在更多的液体。水分布74、76和78总体上围绕喷射射流的中心轴线而近似轴向对称。

如在图23中所描绘，随着水压增加，始于水分布78，首先发生水分布76并且然后发生水分布74。随着空气压力升高，首先发生水分布74，并且然后发生水分布76，并且最后发生水分布78。线80和82分别标记在不同水分布74、76和78的个别范围之间的近似分割线。

因此，根据本发明的双物质喷嘴允许通过以基本上恒定的射流角来调整水压和/或空气压力而调整所希望的水分布。以此方式，在连铸单元中较长的产品可通过改变根据本发明的双物质喷嘴的水压和/或空气压力而经受不同的冷却体制/状况。

Claims (14)

1.一种用于喷射液体-气体混合物的双物质喷嘴（10），包括：喷嘴外壳，包括通往混合室（30）内的至少一个液体入口和通往所述混合室（30）内的至少一个气体入口；涡旋插件（42）；出口室（50），在所述涡旋插件（42）与所述出口室（50）的下游端上的出口开口（18）之间，

其特征在于，

还包括，在所述混合室（30）的下游端上的限流器和在所述限流器与所述涡旋插件（42）之间的中间室（40），并且其中所述混合室具有中心纵向轴线（36），并且所述至少一个液体入口在所述中心纵向轴线（36）周围的虚圆的大体上近似切向通往所述混合室（30）。

2.根据权利要求1所述的双物质喷嘴，其特征在于，所述限流器包括穿孔板（38）。

3.根据权利要求2所述的双物质喷嘴，其特征在于，所述穿孔板（38）仅具有安置于所述板周围附近的多个通孔（46）。

4.根据权利要求1所述的双物质喷嘴，其特征在于，所述限流器具有节流器（44），所述节流器（44）包括单个中心通孔（48）。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的双物质喷嘴，其特征在于，所述限流器具有至少一个穿孔板（38）和至少一个节流器（44），所述至少一个穿孔板（38）包括安置于所述板周围附近的多个通孔（46），所述至少一个节流器（44）包括单个中心通孔（48）。

6.根据权利要求5所述的双物质喷嘴，其特征在于，如在流动方向上观察，所述穿孔板（38）位于所述节流器（44）上游。

7.根据权利要求6所述的双物质喷嘴，其特征在于，如在流动方向上观察，所述节流器（44）与所述穿孔板（38）间隔开。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的双物质喷嘴，其特征在于，所述涡旋插件（42）包括安置于周围区中的多个内孔或安置于外周上的凹槽，其中所述内孔或凹槽相对于所述出口室（50）的中心纵向轴线（36）倾斜地或螺旋地延伸。

9.根据权利要求1至4中任一项所述的双物质喷嘴，其特征在于，所述涡旋插件（42）包括伸入到流动方向内并且位于所述插件的下游侧上的中心区中的柱销（62）。

10.根据权利要求9所述的双物质喷嘴，其特征在于，所述柱销（62）的外周具有非圆形的形状。

11.根据权利要求9所述的双物质喷嘴，其特征在于，所述柱销（62）至少在始于所述涡旋插件（42）的其端部附近由凹槽（64）包围。

12.根据权利要求1所述的双物质喷嘴，其特征在于，设置至少两个液体入口，每个液体入口在所述中心纵向轴线（36）周围的虚圆的大体上切向但相对于彼此在相反方向通往所述混合室（30）内。

13.一种使用双物质喷嘴来喷射液体-气体混合物的方法，其特征在于，在包括至少一个液体入口和至少一个气体入口的混合室（30）中产生所述液体-气体混合物，并且其中利用涡旋插件（42），使所述液体-气体混合物围绕中心纵向轴线（36）旋转并且通过出口开口（18）输出，

其特征在于，

经由在所述混合室（30）的下游端上的限流器来传导所述液体-气体混合物，以及通过在所述限流器与所述涡旋插件（42）之间的中间室（40）来传导所述液体-气体混合物，并且其中所述混合室具有中心纵向轴线（36），并且所述至少一个液体入口在所述中心纵向轴线（36）周围的虚圆的大体上近似切向通往所述混合室（30）。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，通过以喷射射流（20）的基本上恒定的锥角（α）改变供应气体的压力和/或所述供应液体的压力来改变喷射射流中所述液体-气体混合物的分布。