DE102009025873A1

DE102009025873A1 - Verwendung einer höhenkompensierenden Düse

Info

Publication number: DE102009025873A1
Application number: DE102009025873A
Authority: DE
Inventors: Ralf Czingon
Original assignee: SAAR-METALLWERKE GmbH; Saar Metallwerke GmbH
Current assignee: SAAR-METALLWERKE GESELLSCHAFT MIT BESCHRAENKTE, DE
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2010-12-02
Also published as: EP2435588A2; ZA201108277B; CA2763552A1; WO2010136029A3; WO2010136029A2; US20120067983A1

Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer oder mehrerer in der Luft- und Raumfahrttechnik als "höhenkompensierend" bezeichneter Düsen als Auslassdüsen einer Zuführeinrichtung für technische Gase in einen Behälter bei der Erschmelzung und/oder metallurgischen Behandlung von Metallen.

Description

Die Erfindung betrifft die Verwendung einer höhenkompensierenden Düse.
Das in einem Hochofenprozess entstandene Roheisen enthält verschiedene unerwünschte Verunreinigungen wie Kohlenstoff, Mangan, Silizium, Phosphor, Schwefel. Diese können zu Versprödung, schlechter Schmiedbarkeit oder einem ungewollt niedrigen Schmelzpunkt führen.
Es ist bekannt, in die Konverter zur Stahlschmelze Blaslanzen oder Frischlanzen einzuführen, über die technische Gase, insbesondere Sauerstoff, in das flüssige Roheisen eingebracht werden können. Diese Lanzen sind die Grundlage für verschiedene bekannte metallurgische Verfahren wie beispielsweise das LC- oder LDAC-Verfahren. Hierbei werden die unerwünschten Anteile der Verunreinigungen bis auf ein gewünschtes Maß aus der Schmelze „herausoxidiert” und unter Zugabe von Zusatzstoffen gebunden. Dies geschieht durch das gezielte Aufblasen von Sauerstoff in Form von O₂ auf das Metallbad, wobei die Sauerstofflanze den Sauerstoff auf der gewünschten Höhe in den Schmelzenbehälter entlässt. Die Lanze wird dabei abhängig vom Prozessfortschritt in prozessabhängigen Stufen senkrecht in das Schmelzengefäß über die Schmelze abgesenkt.
Die Sauerstofflanze besteht im wesentlichen aus einer zentralen O₂-Gasleitung mit meist zwei konzentrisch darum angeordneten Ummantelungen. Diese werden als Zuführung und Ableitung eines Kühlmittels verwendet. Das Kühlmittel nimmt die Wärmeenergie zu einem großen Teil auf, die hauptsächlich durch Wärmestrahlung und Konvektion von Lanze und Lanzenkopf aufgenommen wird, und transportiert sie vom thermisch gefährdeten Lanzenkopf aus dem Konverter hinaus. Der den thermischen Energien direkt ausgesetzte Teil des Lanzenkopfs besteht aus Kupfer bzw. Kupferlegierungen. Damit wird eine ausreichende Wärmeleitung erreicht. Das derzeit dem Stand der Technik entsprechende, zum Einsatz kommende Kühlmittel ist Wasser.
Hauptzweck einer Sauerstofflanze und insbesondere des Lanzenkopfes ist das gerichtete Aufblasen des Sauerstoffs auf die Metallschmelze und in die Metallschmelze. Hierzu wird der Sauerstoffmassenstrom verfahrensgemäß auf den Umgebungsdruck des Konverters expandiert, wobei das Gas innerhalb einer Lavaldüse oder seltener einer Glockendüse auf zum Teil mehrfache Überschallgeschwindigkeit beschleunigt wird. Durch die Beschleunigung ist es möglich, den Sauerstoff auf und in die Schmelze einzublasen, wo komplexe metallurgische Vorgänge in Gang gesetzt werden.
Da die Lanze in der Konverteratmosphäre extremen Bedingungen ausgesetzt ist, kommt es trotz der Kühlung zu einem Verschleiß des unteren Bereiches der Sauerstofflanze. Hiervon sind insbesondere die Düsen betroffen. Werden die Düsen nicht korrekt berechnet, oder wird die Sauerstofflanze prozessbedingt nicht auslegungsgemäß betrieben, kommt es zu einer Unter- bzw. Überexpansion des Sauerstoffs gegen die Konverteratmosphäre. In dem einen Fall kommt es zu einem unkontrollierten Verhalten des Sauerstoffstrahls, der mit Verlusten einhergeht und in dem anderen Fall zu einer Beschädigung der Düsengeometrie durch Ansaugeffekte und Eindringen der Konverteratmosphäre in die innere Düsengeometrie.
Als kennzeichnend für die Qualität von Lanzenköpfen werden in der Hauptsache folgende Punkte benannt:

• Hohe Standzeit oder Anzahl der mit einem Kopf durchführbaren Schmelzvorgänge
• Gleichmäßiges Blasverhalten über die Einsatzlebensdauer zur Erhöhung der Prozesssicherheit
• Auf den Prozess abgestimmte Blashärte
• Dichtigkeit des Bauteils gegenüber dem Kühlmittel über alle Zyklen

Es ist bekannt und Stand der Technik, die Druckanpassung des Sauerstoffs gegen die Konverteratmosphäre durch eine Expansion innerhalb des Lanzenkopfes durchzuführen.
Dies wird erreicht, indem man den O₂-Massenstrom durch mindestens eine im Kopf integrierte Düse mit anschließendem Diffusor führt. Dadurch erfolgt eine Innenexpansion. Das Gas expandiert also innerhalb einer vorgegebenen Ausformung innerhalb des Lanzenkopfes an einer nach außen gerichteten divergierenden Ausformung. Als Bauform ist hier insbesondere die Laval-Düse zu nennen, welche sich als Standard durchgesetzt hat.
Als Berechnungsgrundlage für die Düsen wird der Idealfall herangezogen, bei dem das in den Konverter eingebrachte Gas am Düsenaustritt oder kurz dahinter Umgebungsdruck aufweist.
Unter „innenexpandierenden Düsen” versteht man sinngemäß Düsen, bei denen die Expansion des Gases im idealen Auslegungspunkt (nahezu) vollständig innerhalb der Düsengeometrie abläuft. Das Gas ist an der Düsenaustrittskante im theoretisch idealen Punkt an den Umgebungsdruck der diffusorseitigen Systemgrenze angepasst.
In der Düse durchfließt das Gas ausgehend von einem Überdruckvolumen die Düse nach außen, wobei neben einer Beschleunigung auch eine Anpassung des Gases an die äußeren Druckverhältnisse erfolgt.
Zu den typischen Vertretern von innenexpandierenden Düsen zählen beispielsweise:
Lavaldüsen mit geradliniger Expansionsgeometrie oder „Glockendüsen” mit rotationssymmetrischen, parabelförmigen Austrittsgeometrien.
Lanzenkopf-Düsen mit Innenexpansion – wie die Laval-Düse mit konischer oder Parabelkontur – werden bei Ihrer mathematischen Berechnung auf einen angenommenen, statischen Umgebungsdruck und einen angenommenen Massenstrom des O₂ bzw. des Düsenvordrucks ausgelegt. Das führt dazu, dass es einen prinzipbedingten optimalen Betriebspunkt gibt, der diesen zu Grunde gelegten Randbedingungen entspricht. Ändern sich diese Randbedingungen, für die die Düse ausgelegt wurde, so wird die Düse außerhalb ihrer Spezifikation betrieben. Auf Grund von unvorhersehbaren Druckschwankungen innerhalb des Konverters oder auch auf Grund von Änderungen des O₂-Massenstroms entsprechend des Prozesses ist das Betreiben der Düse außerhalb des idealen Auslegungspunkts in der Praxis der Regelfall. Gerade die Änderungen des O₂-Massenstromes im laufenden Prozess spielen in der Praxis eine große Rolle.
Da die Düsen von Sauerstofflanzen bekannter Bauarten auf einen idealisierten, statischen Prozess ausgelegt werden, die realen Vorgänge jedoch dynamisch sind, kommt es während des Betriebs meist zu Überblasen oder Unterblasen der Lanzendüsen.
Insbesondere das Beaufschlagen der Düsen mit zu geringem Druck (Unterblasen) hat erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer, den Verschleiß des Lanzenkopfes, die Formstabilität der Düse und somit auf die Beherrschung der metallurgischen Prozesse. Das Unterblasen führt zu Eindringen der Konverteratmosphäre in den Düseninnenraum. Die Strömung reißt verfrüht unter Ausbildung von unerwünschten Verdichtungsstößen ab. An diesen Verdichtungsstößen bildet sich eine Einschnürung der Strömung aus, die anschließend wieder expandiert. Hierbei kommt es zu einem unerwünschten und unkontrollierten Verhalten des Gasstrahls, der sowohl optimalen metallurgischen Konverterprozessen entgegen stehen kann, als auch den Wirkungsgrad der Düse herabsetzt.
Bedingt durch den Unterdruck kann es in den für die Expansion ungenutzten Diffusorbereichen zu einem Ansaugen im Bereich des Düsenaustritts kommen. Durch die in den Diffusorraum eindringende Konverteratmosphäre entstehen Beschädigungen. Dadurch werden die Düsen dahingehend verändert, dass sich eine weitere stark weitende Diffusorgeometrie am Ende des ursprünglichen Diffusors ausbildet. Hierdurch kommt es in vielen Fällen zu einer weiteren Beeinträchtigung und Abweichung vom gewünschten Blasverhalten. Grund ist die entstandene zusätzliche Aufweitung, welche den Sauerstoffstrahl zusätzlich unkontrolliert beeinflusst und die Länge der nutzbaren Expansionsgeometrie verkürzt. Durch die Beschädigung der Düsengeometrie entsteht somit meist eine permanente Verschlechterung des Blasverhaltens des Lanzenkopfes. Dies gilt dann auch für den „Betriebspunkt”, der für die berechnete Auslegung der Düse zu Grunde gelegte wurde.
Wird der Volumenstrom über den idealen Auslegungspunkt hinaus erhöht (Überblasen), kann das Gas nicht mehr vollständig in der Düse expandieren. Durch unkontrollierte Ausgleichsvorgänge kann es zudem zu einem ”Flattern” des Gasstroms kommen.
Zwar kommt es in diesem Fall zu einer äußeren Expansion des Gases, diese Expansion ist jedoch in der Regel weder erwünscht noch entspricht sie kontrollierten, auslegungskonformen Zuständen.
Wird der Konverterdruck bereits innerhalb der Düsengeometrie erreicht, so reißt die Strömung vor Erreichen der Düsenmündung ab und es kommt zu einer Überexpansion.
Hierbei kann die Atmosphäre des Konverters in den Düsenraum eindringen. Dabei kommt es zu ungewolltem Verschleiß insbesondere im Mündungsbereich der Düse.
Das ungewollte Verändern der Düsengeometrie hat sich als besonders schädlicher Einflussfaktor erwiesen. Diese Veränderung führt dazu, dass sich die Strömung des Gases nach dem Diffusoraustritt in unerwünschter Weise verändert und somit Einfluss auf die Prozesse im Konverter hat. Daher werden unterschiedliche Lösungsansätze und Wege mit teilweise hohem Aufwand beschritten, um die Geometrie der Düse über einen langen Betriebszeitraum zu erhalten und vor Verschleiß zu schützen.
Hierzu zählen beispielsweise Verbesserungen in der Kühlwasserführung ( DE 696 03 485 T2 ). Damit soll ein Erweichen und ein Verschleiß des Materials in den Mündungsbereichen und somit der der Düsengeometrie verhindert werden. Weiterhin soll mittels des Einbringens von Keramikringen in den gefährdeten Bereich ( DE 101 02 854 C2 ) der gefährdete Bereich durch eine geeignete Materialauswahl besser geschützt werden.
Es gibt auch die Vorgehensweise, die Düse von vorne herein auf Parameter auszulegen, welche nicht den Nenn-Vorgaben entsprechen. Damit wird die Auslegung auf einen einzigen optimalen Betriebspunkt aufgegeben. Es wird dabei versucht, für die in Frage kommenden Betriebspunkte einen einheitlichen Kompromiss zu finden.
Da Sauerstofflanzen Extrembedingungen ausgesetzt sind, insbesondere das dem Metallbad zugewandte Ende der Sauerstofflanze, wird dieser Teil – der ”Lanzenkopf” – als Verschleißteil betrachtet. Ist ein alter Lanzenkopf verschlissen oder beschädigt, wird er abgetrennt und ein neuer Lanzenkopf angeschweißt. Bei einer stärkeren Belastung des Lanzenkopfes durch einen stärkeren Verschleiß ist ein solcher Austausch entsprechend häufiger notwendig.
Dem Idealfall eines beherrschten Prozesses über die gesamte Lebensdauer des Lanzenkopfes stehen verschiedene Störgrößen entgegen. Unwägbarkeiten und veränderliche Parameter während der Blasprozesse führen zu den unerwünschten Effekten und den damit verbundenen Auswirkungen wie dem erhöhten Verschleiß des Lanzenkopfes oder einem suboptimalen Prozessverhalten. Hierbei spielen besonders Druckänderungen und Schwankungen eine Rolle, durch die die Düsen außerhalb der Auslegung betrieben werden. Das führt zu dem beschriebenen „Unterblasen” oder „Überblasen”.
Beispielsweise wird der O₂-Massenstroms während eines Sublanzen-Einsatzes reduziert. Die Sublanze wird eingesetzt, um Messungen durchzuführen. Während der Messungen unterschiedlicher Prozess-Parameter mittels Sublanze wird der Sauerstoff-Massenstrom in der Praxis häufig durch den Konverterbetreiber auf ca. 50% reduziert, um die Sublanze zu schützen.
Während unterschiedlicher Prozesse des Frischens (Zublasen von Sauerstoff im Konverter) kann es generell zu variablen Einstellungen im Durchflussvolumen des Sauerstoffs kommen.
Da die bisher eingesetzten innenexpandierenden Düsen eine starre Geometrie haben, können die Prozesse nicht optimal ablaufen.
Neben der Prozesszeit werden auch Energien und Rohstoffe bei Sauerstoffblaslanzen bekannter Bauart nicht optimal zum Einsatz gebracht. Diese Einflüsse führen in Folge zu Unwägbarkeiten in den metallurgischen Prozessen, sowie zu vorzeitigem Verschleiß der Düsen. Hierdurch entstehen in Folge zusätzliche Kosten für Wartung und Material.
Erfindungsgemäß erfolgt gemäß Anspruch 1 die Verwendung einer oder mehrerer in der Luft- und Raumfahrttechnik als „höhenkompensierend” bezeichneter Düsen als Auslassdüsen einer Zuführeinrichtung für technische Gase in einen Behälter bei der Erschmelzung und/oder metallurgischen Behandlung von Metallen.
Diese höhenkompensierenden Düsen sind aus der Luft- und Raumfahrttechnik bekannt. Ausgestaltungsbeispiele solcher Düsen sind beispielsweise die sogenannten Aerospike-Düsen oder die sogenannten E-D-Düsen (Expansion-Deflection Düsen). In der Luft- und Raumfahrttechnik werden diese Düsen als höhenkompensierende Düsen bezeichnet, weil diese bei unterschiedlichen Umgebungsdrucken entsprechend den unterschiedlichen Höhen und damit den unterschiedlichen äußeren Druckverhältnissen während eines Fluges, einen ausreichenden Schub gewährleisten.
Beispiele für Fundstellen, an denen die höhenkompensierenden Düsen erläutert sind sind nachfolgend angegeben:

– Liquid rocket thrust chambers: Aspects of modeling, analysis and design, Seite 437 bis Seite 467 Vigor YANG; Mohammed HABIBALLAH; James HULKA, Michael POPP ISBN 1-56347-223-6 (2004) veröffentlicht durch: American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc.
– Rocket Propulsion Elements – An Introduction to the Engineering of Rockets Seite 70 bis Seite 72 George P. Sutton ISBN 0-471-52938-9 John Wiley & Sons, Inc. 6th edition (1992)
– Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets, Seite 189 bis Seite 213 Pof. Jack D. Mattingly ISBN 1-56347-779-3 AIAA Erschienen 2006

Für das Strömungsverhalten am Düsenaustritt kommt es auf das Verhältnis des Umgebungsdrucks zum Druck des aus der Düse ausströmenden Gases an. In der Luft- und Raumfahrttechnik weist der Umgebungsdruck über die unterschiedlichen Höhen bei einem Flug eine große Spannweite auf. Demgegenüber beruhen Veränderungen beim vorliegenden Anwendungsfall in erster Linie auf Druckschwankungen des aus der Düse austretenden Gases und somit des Druckverhältnisses Außendruck zu Innendruck.
Es hat sich gezeigt, dass sich auch bei diesen Verhältnissen durch die Verwendung der Düsen in Form der höhenkompensierenden Düsen aus der Luft- und Raumfahrttechnik eine Stabilisierung der Strömungsverhältnisse im Sinne einer zumindest weitgehenden Expansion des ausströmenden Gases außerhalb der Düse erreichen lässt.
Diese höhenkompensierenden Düsen sind auslegungsgemäß als außenexpandierende Düsen ausgelegt. Das bedeutet, dass unabhängig von der Betriebsweise die Expansion des technischen Gases auf den Umgebungsdruck zumindest weitgehend erst nach dem Verlassen der Düse erfolgt.
Da es sich bei dieser Außenexpansion um eine auslegungsbedingte Expansion weitestgehend außerhalb der Düse handelt, handelt es sich bei den höhenkompensierenden Düsen um eine geordnete Strömung.
Im Unterschied zu dem beschriebenen Überblasen bei den bekannten Laval-Düsen kommt es hierbei daher nicht zu einem Eindringen der Konverteratmosphäre in die Düse.
Während bei Lanzenköpfen bekannter Bauform die Expansion des Sauerstoffs gegen den Umgebungsdruck des Konverters innerhalb mindestens einer innenexpandierenden Düse erfolgt, ergibt sich bei der mindestens einen Düse des neuartigen Lanzenkopfes die für das Blasverhalten charakteristische Expansion des Gases gegen den Umgebungsdruck zu einem großen Teil (!) außerhalb der Lanzenkopfgeometrie. Das bedeutet, dass das Gas in der Auslassdüse allenfalls teilweise expandiert.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 2 ist bei der wenigstens einen Auslassdüse im Innenbereich der Auslassöffnung wenigstens ein Formkörper angebracht, durch den das ausströmende technische Gas in den Randbereich der wenigstens einen Auslassdüse geleitet wird.
Hierzu werden Formkörper in Form von Zusatzkörpern oder zusätzlichen Anformungen verwendet, welche das Gas noch nicht vollständig expandiert aus der Düse herausführen.
Die Expansion erfolgt durch die Konturgebung der Formkörper entsprechend der Auslegung innerhalb der Konverteratmosphäre. Die Anpassung an den jeweiligen Konverterdruck erfolgt zum größten Teil also gezielt innerhalb des Konverters und nicht wie bei innenexpandierenden Düsen, insbesondere Lavaldüsen oder Glockendüsen, innerhalb der Düsenkontur.
Während das Expandieren im Konverter (das heißt nach dem Düsenaustritt) bei Lanzen bisheriger Bauart einem Betriebspunkt entspricht, der vom Sollbetriebspunkt der Düsenauslegung stark abweicht, werden die erfindungsgemäßen Düsen mit zusätzlichen Düsenelementen wie Deflektoren oder Expansionskörpern dafür ausgelegt, eine Druckanpassung an den Konverterdruck weitestgehend erst außerhalb der geometrischen Grenzen der Sauerstofflanze zu erwirken.
Die Bauformen von Lanzenköpfen entsprechend der Erfindung können Zusatzgeometrien verwenden, die eine gerichtete Umlenkung des strömenden Mediums herbeiführen. Dies führt auch dazu, dass das Medium gegenüber einer Düse ohne eine solche Zusatzgeometrie komprimiert wird. Die Entspannung des strömenden Mediums erfolgt damit gezielt und gerichtet außerhalb der Düse nach dem Austritt des strömenden Mediums aus der Düse.
Der Aufbau derartiger entspricht den beispielsweise den Düsen, die unter der Bezeichnung „Aerospike Düsen” und insbesondere „E-D Düsen” (E-D = Expansion-Deflection) vor allem in der Raumfahrt verwendet werden.
Es erweist sich bei der vorliegenden Erfindung und dem Einsatz der Zusatzgeometrien in den Düsen bei einer Sauerstoffblaslanze als besonders vorteilhaft, dass sich ein selbstanpassendes Verhalten des Sauerstoffs an die Konverterverhältnisse ergibt. Bauartbedingt wird es hierdurch möglich, innerhalb eines Toleranzbandes mit unterschiedlichen Sauerstoff-Druckverhältnissen zu arbeiten, ohne dass es zu den bekannten Auswirkungen des Überblasens oder Unterblasens kommt.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 3 ragt der Formkörper über den Rand der Auslassdüse hinaus.
Diese Bauform entspricht den aus der Luft- und Raumfahrttechnik bekannten Aerospike-Düsen. Dabei wird durch den Formkörper noch eine Formgebung und Orientierung des expandierenden Gases nach dem Austritt aus der Düse bewirkt.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 4 ist der Formkörper so gelagert, dass dieser im laufenden Prozess in Auslassrichtung der Auslassdüse in seiner Position veränderbar ist.
Dadurch lässt sich vorteilhaft das Strömungsverhalten der Düse verändern.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 5 ist der Formkörper mittels eines Stellelementes in seiner Position einstellbar.
Dadurch kann der Formkörper mittels einer Steuerung oder Regelung in seiner Position verändert werden.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 6 ist der Formkörper federelastisch gelagert, wobei die Positionierung des Formkörpers durch die federelastische Lagerung des Formkörpers, den Druck des strömenden technischen Gases sowie den Umgebungsdruck erfolgt.
Hierbei müssen keine Stellelemente vorgesehen werden. Die Positionierung erfolgt selbsttätig entsprechend der Vorgabe durch die Federkennlinie und ansonsten abhängig von den Prozessparametern.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 7 weist der Formkörper wenigstens eine Durchlassöffnung auf, durch die in Auslassrichtung der Auslassdüse ein Teil des technischen Gases und/oder ein anderes Gas und/oder ein anderer Stoff ausbringbar ist.
Dieser andere Stoff kann beispielsweise auch Kohlestaub sein, der gezielt für bestimmte metallurgische Prozesse eingebracht werden kann.
Es hat sich gezeigt, dass bei dieser Ausgestaltung des Formkörpers der Formkörper gegenüber einer Aerospike-Düse verkürzt werden kann. Das durch die Durchlassöffnung austretende Medium wirkt für das expandierende Gas wie eine virtuelle Verlängerung des Formkörpers, so dass die Bedingungen für die Expansion des Gases weitgehend identisch oder zumindest ähnlich den Verhältnissen sind zu einer Aerospike-Düse mit einer üblichen Länge des Formkörpers (Spike). Der Effekt der virtuellen Verlängerung lässt sich durch den Druckunterschied des durch die Durchlassöffnung entstehenden Mediums zum expandierenden Gas erklären.
Die Verkürzung des Formkörpers erweist sich insofern als vorteilhaft, als sich ein überstehender Formkörper gegenüber der Austrittsöffnung der Düse nochmals näher an der Oberfläche des flüssigen Metalls befindet. Dies ist wegen der Temperaturbedingungen und der Konverteratmosphäre unter Umständen problematisch. Insoweit erweist sich die Verkürzung dieses Formkörper als vorteilhaft.
Vorteilhaft kann an die Durchlassöffnung ein Förderkanal oder ein Förderrohr angeschlossen sein oder anschließbar sein, durch das gezielt technische Gase oder Stoffe wie beispielsweise Kohlepartikel durch die Durchlassöffnung ausgegeben werden können.
Dadurch können vorteilhaft die Materialien (Stoffe bzw. Gase), die durch die Durchlassöffnung ausgegeben werden von den Materialien getrennt werden, die von der Düse im übrigen ausgegeben werden.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 8 befinden sich die Auslassdüsen in einem Kühlkanal, durch den ein Kühlmittel förderbar ist, wobei die Außenkontur der Auslassdüsen einen nicht kreisförmigen, gestreckten Querschnitt aufweist, wobei sich die Längsrichtung des Querschnitts in der Strömungsrichtung des Kühlmittels befindet.
Für diese Maßnahme des Anspruchs 8 wird ausdrücklich die Einreichung einer Teilanmeldung vorbehalten, in der für dieses Merkmal der Gestaltung der Außenkontur der Auslassdüse auch unabhängig davon Schutz beantragt wird, dass es sich bei der Düse um eine in der Luft- und Raumfahrttechnik als „höhenkompensierend” bezeichnete Düse handelt. Ersichtlich lässt sich mit der Maßnahme nach Anspruch 8 durch die Gestaltung der Außenkontur der Düse auch bei herkömmlichen Düsen eine Verbesserung der Kühlung erreichen.
Dies erweist sich insofern als vorteilhaft als diese angepasste Außenkontur der Auslassdüsen eine deutlich bessere Effizienz bei der Kühlung bewirkt. Durch den niedrigeren Strömungswiderstand ist eine größere Menge an Kühlflüssigkeit förderbar. Des weiteren lässt sich eine günstigere Strömung des Kühlmediums realisieren. Hierbei kann zum einen der Strömungsquerschnitt zwischen den Düsen bei einer Düsenzahl von mindestens zwei Düsen vergrößert und strömungsgünstiger ausgeführt werden. Während sich die Strömungsgeschwindigkeit zwischen den Düsen bei einer runden Ausführung stark erhöht, kommt es in Strömungsrichtung hinter den Düsen zu seiner starken Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit. Dies reduziert die Kühlleistung in dem langsamen Strömungsbereich erheblich und kann unter Umständen zu einer Reduzierung der Haltbarkeit der Düsenschale führen. Zudem ist es möglich, dass an diesen Stellen Wasser in die Dampfphase übergeht. Dies kann ebenfalls unerwünschte Folgen haben.
Durch die beschriebene Anpassung der Außenkontur der Düsen lässt sich eine größere Menge an Wärmeenergie abführen. Durch den in Strömungsrichtung des Wassers gestreckten Querschnitt ergibt sich eine bessere Umströmung der Außenkontur der Düse, da Verwirbelungen reduziert bzw. vermieden werden. Dadurch ergibt sich eine effizientere Kühlung.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere auch für den Einsatz in Lichtbogenöfen, die auch als EAF (= Elelctro Arc Furnace) bezeichent werden. Dort wurde bisher eine Strahlbündelung des aus der Lanze austretenden Gases (meistens Sauerstoff) vorgenommen, indem um den ausströmenden Sauerstoff eine Erdgashülle mit ausgegeben wurde. Durch ein Zünden der Erdgashülle bewirkt die Expansion des gezündeten Erdgases eine erhöhte Kohärenz des Sauerstoffstrahls. Durch die vorliegende Erfindung und die damit verbundene Strahlbündelung erfolgt eine Konzentration der kinetischen Energie und eine Strahlbündelung, die auch ohne ein solches Hüllgas ein Eindringen des technischen Gases in das Metall- bzw. Stahlbad bewirkt.
Nachfolgend folgen noch einige Erläuterungen zu den höhenkompensierenden Düsen bei der erfindungsgemäßen Verwendung.
Insbesondere die Bauart mit E-D Düsen bietet aufgrund Ihrer Eigenschaften zusätzliche Möglichkeiten eines optimierten Lanzenblasens durch angepasste „Betriebsmodi”. E-D Düsen sind durch zwei unterschiedliche Strömungsverhalten gekennzeichnet. Diese werden als „open” und „closed” bezeichnet.
Im sogenannten ”closed Wake” Modus füllt das ausströmende Gas die komplette Düse aus und funktioniert wie eine Glockendüse ohne Druckkompensation. Steigt das Druckverhältnis zwischen dem Sauerstoff im engsten Austrittsquerschnitt und dem Konverterdruck und erreicht einen bestimmten Wert – den Auslegungspunkt –, so ändert sich das Verhalten des expandierten Gases. Hierbei wird der Gasstrom innerhalb der Düsenkontur ringförmig ausgebildet und verlässt die innere Düsenkontur noch nicht vollständig expandiert. In diesem Stadium, der als ”open Wake” bezeichnet wird, erhält der Gasstrom die bereits beschriebene Kompensationscharakteristik, bei der der Konverterdruck selbst eine aus unterschiedlichen Gaszuständen gebildete Kontur ausbildet, an der die Expansion erfolgen kann. Das führt zu einem nahezu idealen Expansionsverhalten über einen erheblich größeren Bereich im Verhältnis Innendruck vor der Düse zum Außendruck, verglichen mit bisher verwendeten Düsen wie den konischen Lavaldüsen oder den Glockendüsen.
Hierdurch können gegenüber dem Stand der Technik unterschiedliche Bedürfnisse in Metall verarbeitenden Konvertern und anderen metallurgischen (Groß-)Gefäßen berücksichtigt werden. Die Ausführung von Blaslanzen gemäß der Erfindung kann somit weitreichende positive Einflüsse auf die Prozesse in Konvertern und deren Betrieb haben. Prozesse mit unterschiedlichen Sauerstoffströmen und dennoch vergleichsweise hohem Wirkungsgrad werden möglich.
Durch geeignete Auslegung der Düsen lassen sich weiterhin Rohstoffe und Energie sparen, was sich auch auf Folgekosten und die Umwelt positiv auswirkt.
Vorteilhaft ist auch der Einsatz bei Vakuumverfahren zur Stahlbehandlung, die mit sehr geringem Druck betrieben werden (beispielsweise im VOD (Vacuum Oxygen Decarburisation) Verfahren). Da es hier zum Teil Schwankungen in den Bereichen des Betriebsdrucks gibt (Vakuum, z. B. 0,01 bar–0,001 bar), kann ein Sauerstofflanzenkopf mit höhenkompensierender Düse sehr zur Prozesssicherheit beitragen, da das Verhalten dieser Düsengattung wesentlich toleranter gegenüber Druckunterschieden innen/außen ist.
Durch den großen Druckunterschied zwischen Innendruck (vor der Düse) und Konverterdruck kommt es außerdem bei bisherigen Düsenausführungen zu sehr unpraktikablen Düsenlängen. Dieses Problem besteht bei höhenkompensierenden Düsen nicht, da die Expansion zumindest größtenteils außerhalb der Düsengeometrie erfolgt.
Die höhenkompensierenden Düsenformen sind aus experimentellen Raumfahrtprogrammen bekannt. Dort kommen sie über einen enormen Bereich unterschiedlicher Außendruckbereiche zum Einsatz. Hierbei sind beispielsweise SSTO (Single Stage To Orbit) mit Aerospike-Düsen oder das Projekt STERN (Static Test Expansion deflection Rocket Nozzle) unter Einsatz von E-D Düsen zu nennen. Diese Düsen kommen zum Einsatz, da sie eine selbstanpassende Charakteristik gegenüber dem Außendruck aufweisen und die unterschiedlichsten Druckgegebenheiten von Bodennähe bis in den Orbit mit einer einzigen Stufe bewältigen können.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zu Grunde, derartige Düsen im Bereich der Stahlerzeugung zu verwenden. Damit wird erreicht, dass bei der Stahlerzeugung und insbesondere beim Frischen mit Sauerstofflanzen Düsen zum Einsatz kommen, bei denen zumindest weitgehend eine Außenexpansion des Gases erfolgt.
Es lässt sich weiterhin vorteilhaft ein kompatibles Anschließen an bestehende Sauerstofflanzen erreichen durch eine Konstruktionsart mit außenliegender Wasserführung und innenliegender Gasführung. Dies ist bei derzeit verwendeten Sauerstoffblaslanzen bereits meist der Fall. Bei einem notwendigen Ersatz des Lanzenkopfes kann dann in einfacher Weise ein Lanzenkopf nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Hierbei durchströmt ein Kühlmittelstrom wie z. B. Wasser die Lanze in den beiden äußeren Rohrbereichen. Im mittleren Rohr wird der Sauerstoff durch die Lanzenrohre zum Rohrende (dem Lanzenkopf) hin geführt. In diesem Bereich befindet sich mindestens eine Düse, durch die das Gas in den Konverter ausströmt.
Die Anordnung der Kühlwasser- und Gasbereiche kann jedoch auch anders sein wenn es eine vorteilhafte Ausführung ermöglicht.
Nachfolgend werden beispielhaft zwei Ausführungen von höhenkompensierenden Düsen im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung näher beschrieben.
1. Sauerstofflanzenköpfe mit Aerospike(s)
Bedingt durch die Querschnittsverengung der Leitung von dem gasführenden Rohr in den Einlass der Düse mit geringerem Strömungsquerschnitt hinein wird das Gas komprimiert. Im Verlauf des Düseneintritts bis zur engsten Stelle der Düse kommt es innerhalb einer ringförmigen Kontur zu einer weiteren Kompression über die Begrenzung des Düsenlochs sowie den zentrisch montierten Aerospike Körper. Hierbei umgibt die Düse den inneren Teil des Aerospikes, der ein Teil des Kompressionsquerschnitts ist.
Die Befestigung des Aerospikes kann auf unterschiedliche Arten erfolgen. So kann er beispielsweise mittels seitlich angebrachten Befestigungslaschen in den Düsenrohren befestigt werden oder auch an einem anderen Teil der Sauerstofflanze bzw. des Lanzenkopfes. Praxisgerecht ist auch das Befestigen des Formkörpers auf der Gaseintrittseite in einer Scheibe mit Gasdurchtrittsöffnungen. Eine weitere Möglichkeit ist auch die Anformung an ein bereits bestehendes, zu den Grundgeometrien eines Lanzenkopfs gehörigen Bauteils.
Am Ende des Kompressionsweges wird das Gas in einem festzulegenden Winkel zur Kontur des Aerospikes geleitet. Von dort expandiert das Gas in den Konverter hinein und wird durch den Aerospike im Außenbereich des Lanzenkopfes geleitet. Da ein idealer Formkörper auslegungsgemäß zu lang für einen praxisgerechten Betrieb ist, kann er eingekürzt werden. Hierbei sinkt in der Regel die erreichbare Machzahl, was zudem zu einer Anpassung an die gewünschte Blashärte genutzt wird.
Der Formkörper gliedert sich im wesentlichen in einen inneren sowie einen äußeren Bereich. Im inneren Bereich wird das Gas entsprechend der Auslegung geführt, auf den Druck bzw. die Austrittsfläche entsprechend der Düsenauslegung angepasst und zum Austritt aus dem Lanzenkopf gebracht. Dabei wird der Massenstrom gegen eine außerhalb des Lanzenkopfes liegende Düsengeometrie gelenkt. Bei Aerospike-Düsen wird der Punkt der maximalen Kompression sehr dicht an die geometrische Grenze zum Konverterraum gebracht.
An einer teilweise außen liegenden Geometrie expandiert das Gas direkt gegen den Umgebungsdruck.
Die Entspannung über eine außenliegende Kontur des Lanzenkopfs bietet den Vorteil, dass die Expansion über einen weiten Bereich von Druckverhältnissen und näher an dem idealen Verhalten geführt werden kann als dies bei einem Lanzenkopf bekannter Bauart unter gleichen Verhältnissen der Fall ist. Man spricht in diesem Zusammenhang von einer Düsengattung mit „Selbstanpassung”. Dies kann sich auch in einem höheren Wirkungsgrad außerhalb des Auslegungspunktes auswirken.
Die Außengeometrie kann unterschiedliche Konturen haben.
Bei einer rotationssymmetrischen Variante sind als Ausführungsformen kegelförmige, oder optimierte komplexe, meist in numerisch/mathematischen Verfahren ermittelte, parabolische Formen hervorzuheben. Die ideale Länge mit nur geringen Wirkungsgradverlusten kann auch eingekürzt werden, wodurch kegelstumpfförmige Geometrien entstehen.
Trotz zum Teil starker Einkürzungen der in den Konverterraum ragenden Geometrie können die verbleibenden Stümpfe ihre Wirkung entfalten, da die entfallenden Bereiche durch sich ausbildende Gasströmungen teilweise nachgeformt werden, wobei diese Bereiche selbst als fortgesetzte Düsenkontur über das Ende der Düse hinaus wirken.
Der Mündungsbereich der inneren Düse kann zum Beispiel als Ringdurchtritt oder mittels mehrerer gerichteter Austrittsöffnungen ausgeformt sein. Im Fall einer Einkürzung können optional axial zur Düse angebrachte Strömungsgeometrien angebracht sein. Diese Strömungsgeometrien können eine oder mehrere Bohrungen sein, die das Ausbilden erwünschter Strömungen unterstützen.
Das Anbringen der Düsengeometrien, die für die erfindungsgemäße Ausführung eines Lanzenkopfes erforderlich sind, kann je nach Ausführungsform direkt an dem Lanzenkopf angeformt sein oder auch mehrteilig sein. Die Düsengeometrien können mit einem Basiskörper durch Verbindungstechniken, wie beispielsweise Stecken, Kleben oder Schweißen an dem Lanzenkopf angebracht werden. Bei einer mehrteiligen Ausführung können unterschiedliche Materialien zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann Kupfer verwendet werden für den Basiskörper, der den inneren Düsenbereich enthalten kann, und Keramik für den kegelförmigen äußeren Düsenbereich.
2. Sauerstofflanzenköpfe mit E-D Düse(n)
Sauerstofflanzen mit E-D Düsen zeichnen sich durch Düsen mit einem im Sauerstoffstrom befindlichen Deflektor aus. Die Ausführung einer E-D Düse ähnelt einer Glockendüse mit einem zentrischen Formkörper, an den der Deflektor angebracht ist. Hierbei endet der Deflektor in der Regel vor der Düsenaustrittskante.
Dieser leitet den Sauerstoffstrom entsprechend der geometrischen Ausformung des zentrisch montierten Formkörpers gegen die seitliche Düsenbegrenzung. Je nach Druckverhältnis des Düsenvordruckes zum Konverterdruck können sich zwei unterschiedlich nutzbare Zustände einstellen, welche mit ”open Wake” oder ”closed Wake” bezeichnet werden. Während ”open Wake” größtenteils außenexpandierend ist und kompensierend auf unterschiedliche Druckverhältnisse wirkt, ist ”closed Wake” ähnlich wie eine Düse mit Innenexpansion zu verwenden.
Hierbei fließt jedoch ein erhöhter Gasstrom an den Wänden der Düse als bei einer innenexpandierenden Düse. Dies ist der Haltbarkeit der Düse zuträglich, da die aggressive Konverteratmosphäre nicht mehr so einfach die Austrittskante beschädigen kann wie bei den Bauformen von Lanzenköpfen mit bekannten Expansionsgeometrien.
Hervorgerufen wird dieser Effekt durch die umlenkende Wirkung des zentrisch montierten Formkörpers. Durch die besondere Formgebung des Formkörpers in dem dem Austritt aus der Düse zugewandten Bereich und insbesondere im Bereich des engsten Querschnitts lassen sich Düsen entwickeln, die den vielfältigen Anforderungen an metallurgische Prozesse hinsichtlich unterschiedlicher Prozessparameter sowie Haltbarkeit der Bauteile in einem höheren Maße Rechnung tragen, als es bei bekannten Bauformen der Fall war.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Es zeigt dabei:
1–4: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer E-D-Düse sowie eines Formkörpers (Pin) in der E-D-Düse
5–8: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer Aerospike-Düse sowie des Formkörpers (Spike) in der Aerospike-Düse,
9–12: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer weiteren Aerospike-Düse sowie des Formkörpers (Spike) in der Aerospike-Düse,
13–16: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer weiteren Aerospike-Düse sowie des Formkörpers (Spike) in der Aerospike-Düse,
17–20: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer weiteren E-D-Düse sowie des Formkörpers (Pin) in der E-D-Düse,
21–25: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer weiteren E-D-Düse sowie des Formkörpers (Pin) in der E-D-Düse,
26: die Darstellung eines Formkörpers (Spike) einer Aerospike-Düse,
27: ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung einer Düse nach der vorliegenden Erfindung in einem Elektroofen,
28: eine Düse in einem seitlichen Schnitt,
29: die Düse nach 28 in Draufsicht in Strömungsrichtung,
30: eine andere Ausgestaltung einer Düse in einem seitlichen Schnitt und
31: die Düse nach 30 in Draufsicht in Strömungsrichtung.
2 zeigt einen Lanzenkopf 1 mit einer E-D-Düse 201 in einem seitlichen Schnitt. 1 zeigt die zugehörige Draufsicht von oben auf den Lanzenkopf 1.
Der Lanzenkopf 1 weist in seinem Inneren einen Förderkanal 2 auf, durch den das technische Gas in Richtung der E-D-Düse 201 gefördert wird, um dort auszutreten. Weiterhin sind Vorlauf 3 und Rücklauf 4 eines Kühlkreislaufes zu sehen, über den der Lanzenkopf gekühlt werden soll durch die Zirkulation von Kühlwasser in diesem Kühlkreislauf 3, 4.
Es ist zu sehen, dass in der E-D-Düse 201 ein Formkörper 202 angeordnet ist, der drei Befestigungselemente 5, 6, 7 aufweist, die auf einer Schulter der E-D-Düse 201 aufliegen. Darüber wird der Formkörper 202 in der Position gehalten.
Die 3 und 4 zeigen den Formkörper 202 aus verschiedenen Perspektiven. Das Befestigungselement 7 ist bei dieser Darstellung verdeckt. Die Befestigungselemente 5 und 6 sind zu sehen.
6 zeigt einen Lanzenkopf 601 mit einer Aerospike-Düse 602 in einem seitlichen Schnitt. 5 zeigt die zugehörige Draufsicht von oben auf den Lanzenkopf 601.
Der Lanzenkopf 601 weist in seinem Inneren einen Förderkanal 603 auf, durch den das technische Gas in Richtung der Aerospike-Düse 602 gefördert wird, um dort auszutreten. Weiterhin sind Vorlauf 3 und Rücklauf 4 eines Kühlkreislaufes zu sehen, über den der Lanzenkopf gekühlt werden soll durch die Zirkulation von Kühlwasser in diesem Kühlkreislauf 3, 4.
Es ist zu sehen, dass in der Aerospike-Düse 602 ein Formkörper 604 angeordnet ist, der drei Befestigungselemente 5, 6, 7 aufweist, die auf einer Schulter der Aerospike-Düse 602 aufliegen. Darüber wird der Formkörper 604 in der Position gehalten.
Die 7 und 8 zeigen den Formkörper 604 aus verschiedenen Perspektiven. Das Befestigungselement 7 ist bei dieser Darstellung verdeckt. Die Befestigungselemente 5 und 6 sind zu sehen.
10 zeigt einen Lanzenkopf 1001 mit einer Aerospike-Düse 1002 in einem seitlichen Schnitt. 9 zeigt die zugehörige Draufsicht von oben auf den Lanzenkopf 1001.
Der Lanzenkopf 1001 weist in seinem Inneren einen Förderkanal 1003 auf, durch den das technische Gas in Richtung der Aerospike-Düse 1002 gefördert wird, um dort auszutreten. Weiterhin sind Vorlauf 3 und Rücklauf 4 eines Kühlkreislaufes zu sehen, über den der Lanzenkopf gekühlt werden soll durch die Zirkulation von Kühlwasser in diesem Kühlkreislauf 3, 4.
Es ist zu sehen, dass in der Aerospike-Düse 1002 ein Formkörper 1004 angeordnet ist, der drei Befestigungselemente 5, 6, 7 aufweist. Mittels dieser Befestigungselemente 5, 6, 7 wird dieser Formkörper 1004 in seinem unteren Bereich zum Rand der Aerospike-Düse 1002 abgestützt. Außerdem ist ein Auflageteller 1005 zu sehen, der Durchtrittsöffnungen 1006 für das technische Gas aufweist. Dieser Auflageteller 1005 liegt auf einer Schulter der Aerospike-Düse 1002 auf. Darüber wird der Formkörper 1004 in der Position gehalten.
Die 11 und 12 zeigen den Formkörper 1004 aus verschiedenen Perspektiven. Die Befestigungselemente 5, 6, 7 werden in die dargestellten Aufnahmeschlitze 1007, 1008 für diese Befestigungselemente 5, 6, 7 eingebracht.
14 zeigt einen Lanzenkopf 1401 mit einer Aerospike-Düse 1402 in einem seitlichen Schnitt. 13 zeigt die zugehörige Draufsicht von oben auf den Lanzenkopf 1401.
Der Lanzenkopf 1401 weist in seinem Inneren einen Förderkanal 1403 auf, durch den das technische Gas in Richtung der Aerospike-Düse 1402 gefördert wird, um dort auszutreten. Weiterhin sind Vorlauf 3 und Rücklauf 4 eines Kühlkreislaufes zu sehen, über den der Lanzenkopf gekühlt werden soll durch die Zirkulation von Kühlwasser in diesem Kühlkreislauf 3, 4.
Es ist zu sehen, dass in der Aerospike-Düse 1402 ein Formkörper 1404 angeordnet ist, der drei Befestigungselemente 5, 6, 7 aufweist, die auf einer Schulter der Aerospike-Düse 1402 aufliegen. Darüber wird der Formkörper 1404 in der Position gehalten.
Die 7 und 8 zeigen den Formkörper 1404 aus verschiedenen Perspektiven. Das Befestigungselement 7 ist bei der Darstellung der 15 verdeckt. Die Befestigungselemente 5 und 6 sind zu sehen.
Es ist zu sehen, dass der Formkörper 1404 eine Durchtrittsöffnung 1405 aufweist. Durch diese Durchtrittsöffnung 1405 kann das technische Gas ausgegeben werden, das auch im übrigen aus der Aerospike-Düse 1402 austritt. Gerade bei einem Formkörper 1402 mit einer reduzierten Länge erweist sich diese Durchtrittsöffnung 1405 als vorteilhaft, weil dadurch das Strömungsverhalten des austretenden Gases so beeinflusst wird, dass das Gas nach dem Austreten aus der Aerospike-Düse entlang dieses Strahls aus der Durchtrittsöffnung 1405 strömt. Dadurch wird der austretende Gasstrahl vorteilhaft kompakt zusammen gehalten.
Es ist auch möglich, durch eine derartige zentrale Durchtrittsöffnung 1405 im Formkörper 1404 auch andere Stoffe strömen zu lassen wie beispielsweise Kohlenstoffpartikel, Kohlepulver oder ähnliches. Dadurch lassen sich vorteilhaft metallurgische Prozesse beeinflussen.
Ersichtlich kann eine solche Durchtrittsöffnung auch bei einem Formkörper einer E-D-Düse vorhanden sein.
18 zeigt einen Lanzenkopf 1801 mit einer E-D-Düse 1802 in einem seitlichen Schnitt. 1 zeigt die zugehörige Draufsicht, von oben auf den Lanzenkopf 1801. Im Unterschied zur Darstellung der 2 handelt es sich hier nicht um eine Glockendüse sondern um eine Ausführung der Basisgeometrie als Lavaldüse.
Der Lanzenkopf 1801 weist in seinem Inneren einen Förderkanal 1803 auf, durch den das technische Gas in Richtung der E-D-Düse 1802 gefördert wird, um dort auszutreten. Weiterhin sind Vorlauf 3 und Rücklauf 4 eines Kühlkreislaufes zu sehen, über den der Lanzenkopf gekühlt werden soll durch die Zirkulation von Kühlwasser in diesem Kühlkreislauf 3, 4.
Es ist zu sehen, dass in der E-D-Düse 1802 ein Formkörper 1804 angeordnet ist, der drei Befestigungselemente 5, 6, 7 aufweist, die auf einer Schulter der E-D-Düse 1802 aufliegen. Darüber wird der Formkörper 1804 in der Position gehalten.
Die 19 und 20 zeigen den Formkörper 1804 aus verschiedenen Perspektiven. Das Befestigungselement 7 ist bei der Darstellung der 20 verdeckt. Die Befestigungselemente 5 und 6 sind zu sehen.
22 zeigt einen Lanzenkopf 2201 mit einer E-D-Düse 2202 in einem seitlichen Schnitt. 21 zeigt die zugehörige Draufsicht von oben auf den Lanzenkopf 2201.
Der Lanzenkopf 2201 weist in seinem Inneren einen Förderkanal 2203 auf, durch den das technische Gas in Richtung der E-D-Düse 2202 gefördert wird, um dort auszutreten. Weiterhin sind Vorlauf 3 und Rücklauf 4 eines Kühlkreislaufes zu sehen, über den der Lanzenkopf gekühlt werden soll durch die Zirkulation von Kühlwasser in diesem Kühlkreislauf 3, 4.
Es ist zu sehen, dass in der E-D-Düse 2202 ein Formkörper 2204 angeordnet ist, der drei Befestigungselemente 5, 6, 7 aufweist, die über eine federelastische Lagerung 2205 auf einer Schulter 2206 der E-D-Düse 2202 aufliegen. Darüber wird der Formkörper 2204 federelastisch in der Position gehalten. Durch diese federelastische Lagerung ist das Strömungsverhalten der E-D-Düse 2202 vorteilhaft veränderbar.
Es ist weiterhin zu sehen, dass der Formkörper 2204 wiederum eine Durchtrittsöffnung 2207 aufweist, die im Zusammenhang mit den 13 bis 16 bereits für einen Spike einer Aerospike-Düse erläutert wurde.
Die 23, 24 und 25 zeigen den Formkörper 2204 aus verschiedenen Perspektiven.
26 zeigt die Darstellung eines Formkörpers (Spike) 2602 einer Aerospike-Düse 2601. In der strichlinierten Verlängerung 2603 ist die volle Länge des Formkörpers (Spike) 2602 zu sehen. Es hat sich gezeigt, dass eine Aerospike-Düse ein optimales Strömungsverhalten aufweist mit einem Spike mit voller Länge. Allerdings hat sich auch gezeigt, dass ein annähernd optimales Strömungsverhalten immer noch erreichbar ist, wenn der Spike entsprechend abgekürzt wird.
Bei der vorliegenden Erfindung käme aber bei einer entsprechenden überstehenden Länge des Formköpers (Spike) 2602 die Spitze dieses Formkörpers entsprechend dicht an das Metallbad heran und wäre damit einer entsprechend hohen Temperatur ausgesetzt, ohne dass der Spike bis in die Spitze gekühlt werden könnte.
Es hat sich vorteilhaft gezeigt, gerade bei der beschriebenen Anwendung den Formkörper in seiner Länge zu kürzen. Dennoch bleibt vorteilhaft die Form der Ausdehnung des austretenden Gases weitgehend erhalten.
Gegebenenfalls kann der Formkörper 2602 noch mit einer zentralen Durchtrittsöffnung versehen werden, wie dies im Zusammenhang mit der Darstellung der 13 bis 16 bereits erläutert wurde.
27 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung einer Düse 2701 nach der vorliegenden Erfindung in einem Elektroofen 2702 mit einer feuerfesten Ausmauerung 2703. Derartige Elektroöfen werden auch als Lichtbogenöfen oder EAF bezeichnet. In diesen Öfen wird Stahlschrott geschmolzen zur erneuten Verwendung in neuen Stählen. Durch einen Gleichstrom oder einen Wechselstrom werden Lichtbögen zwischen einer Elektrode oder mehreren Elektroden und dem zu schmelzenden Einsatzgut gebildet.
Es ist zu sehen, dass die Düse 2701 einen Formkörper 2704 aufweist, der eine zentrale Durchtrittsöffnung 2705 hat.
Weiterhin ist die Oberfläche 2706 eines Metallbades zu sehen. Aus der Düse 2701 tritt ein zentraler Mittelstrahl 2707 aus. Die Linien 2708 und 2709 beschreiben die Hüllkurven des aus der Düse 2701 austretenden Gases. Durch die gerichtete Ausgabe des Gases kann dieses vorteilhaft durch die Oberfläche 2706 des Metallbades hindurch in das Metallbad eindringen. Durch die Eindringtiefe werden vorteilhaft metallurgische Prozesse unterstützt. Der zentrale Mittelstrahl 2007 besteht in dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus Kohlepartikeln. Die Begrenzungslinien 2708 und 2709 deuten an, dass sich das Gas durch die Düsencharakteristik verglichen mit dem Einsatz bisheriger Düsenkonzepte durch eine verbesserte Kohärenz auszeichnet. Hierdurch kann gegebenenfalls die bisher gängige Verwendung eines gezündeten Erdgas-/Sauerstoffgemisches als Hüllgas entfallen.
28 zeigt eine Düse 2801 in einem seitlichen Schnitt. Es ist wiederum ein Formkörper 2802 zu sehen. Anders als bei den bisher dargestellten Düsen ist die Düse 2801 lediglich spiegelsymmetrisch zur Mittelachse, die durch mittig durch den Formkörper 2802 geht. Allerdings ist die Düse 2801 nicht rotationssymmetrisch.
29 zeigt die Düse 2801 nach 28 in Draufsicht in Strömungsrichtung. Es ist zu sehen, dass die Düse 2801 ein gestrecktes (also nicht rotationssymmetrisches) Profil in Querrichtung aufweist. Dieses Profil kann im Schnitt rechteckig sein. Den Linien 2901 ist zu entnehmen, dass die Kanten dieses Profils auch abgerundet sein können.
Grundsätzlich können bei diesen Düsen mit gestreckten Profilen die Querschnittsprofile entlang der Verlaufachse zu den Querschnittsprofilen rotationssymmetrischer Düsen identisch oder zumindest ähnlich sein. Die Düsen mit den gestreckten Querschnittsprofilen sind allerdings nicht rotationssymmetrisch.
Dies erweist sich als vorteilhaft für die Kühlung der Düse 2801. Durch den Pfeil 2902 ist die Strömungsrichtung von einem Kühlmittel (Wasser) dargestellt, mit dem die Düse im laufenden Betrieb umströmt und dadurch gekühlt wird. Durch das Profil, das in Strömungsrichtung des Kühlmediums gestreckt ist, wird ein strömungsgünstigeres Profil erreicht und ein vergrößerter Strömungsquerschnitt erzielt. Dadurch wird ein besseres Strömungsverhalten des Kühlmediums erreicht und damit eine effizientere Kühlung der Düse 2801.
Es ist ersichtlich, dass dieses Profil der Düse nicht nur bei der dargestellten E-D-Düse Verwendung finden kann sondern auch bei Aerospike-Düsen.
Neben diesen Düsenarten im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung eignet sich dieses Profil auch bei herkömmlichen Düsen, weil auch hierbei eine effiziente Kühlung wichtig ist. Darauf wurde einleitend in der Beschreibungseinleitung bereits hingewiesen im Zusammenhang mit dem Vorbehalt einer hierauf gerichteten separaten Teilanmeldung.
30 zeigt eine andere Ausgestaltung einer Düse 3001 in einem seitlichen Schnitt. Es ist zu sehen, dass wiederum ein Formkörper 3002 vorhanden ist. Anstelle einer ringförmigen Öffnung der Düse sind mehrere Öffnungen 3003 vorhanden, die sich entlang des Außenumfangs der Düse 3001 befinden.
Dies ist in 31 nochmals in Draufsicht in Strömungsrichtung der Düse zu sehen. Das auszugebende technische Gas tritt bei dieser Düsenform also durch die Öffnungen 3003 aus.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 69603485 T2 [0023]
- DE 10102854 C2 [0023]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Liquid rocket thrust chambers: Aspects of modeling, analysis and design, Seite 437 bis Seite 467 Vigor YANG; Mohammed HABIBALLAH; James HULKA, Michael POPP ISBN 1-56347-223-6 (2004) veröffentlicht durch: American Institute of Aeronautics and Astronautics Inc. [0033]
- Rocket Propulsion Elements – An Introduction to the Engineering of Rockets Seite 70 bis Seite 72 George P. Sutton ISBN 0-471-52938-9 John Wiley & Sons, Inc. 6th edition (1992) [0033]
- Elements of Propulsion: Gas Turbines and Rockets, Seite 189 bis Seite 213 Pof. Jack D. Mattingly ISBN 1-56347-779-3 AIAA Erschienen 2006 [0033]

Claims

Verwendung einer oder mehrerer in der Luft- und Raumfahrttechnik als „höhenkompensierend” bezeichneter Düsen (201, 602, 1002, 1402, 1802, 2202,2601, 2701) als Auslassdüsen einer Zuführeinrichtung (1, 601, 1001, 1401, 1801, 2201) für technische Gase in einen Behälter bei der Erschmelzung und/oder metallurgischen Behandlung von Metallen (2706).
Verwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der wenigstens einen Auslassdüse (201, 602, 1002, 1402, 1802, 2202,2601, 2701) im Innenbereich der Auslassöffnung wenigstens ein Formkörper (202, 604, 1001, 1404, 1804, 2204, 2602, 2704) angebracht ist, durch den das ausströmende technische Gas in den Randbereich der wenigstens einen Auslassdüse (201, 602, 1002, 1402, 1802, 2202,2601, 2701) geleitet wird.
Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (604, 1004, 1404, 2602) über den Rand der Auslassdüse (602, 1002, 1402, 2601) hinausragt.
Verwendung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (2204) so gelagert ist, dass dieser im laufenden Prozess in Auslassrichtung der Auslassdüse in seiner Position veränderbar ist.
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper mittels eines Stellelementes in seiner Position einstellbar ist.
Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (2204) federelastisch gelagert ist (2205), wobei die Positionierung des Formkörpers durch die federelastische Lagerung (2205) des Formkörpers (2204), den Druck des strömenden technischen Gases sowie den Umgebungsdruck erfolgt.
Verwendung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (1404, 2204, 2704) wenigstens eine Durchlassöffnung (1405, 2207, 2705) aufweist, durch die in Auslassrichtung der Auslassdüse (1402, 2202, 2701) ein Teil des technischen Gases und/oder ein anderes Gas und/oder ein anderer Stoff ausbringbar ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Auslassdüsen in einem Kühlkanal befinden, durch den ein Kühlmittel förderbar ist, wobei die Außenkontur der Auslassdüsen (2801) einen nicht kreisförmigen, gestreckten Querschnitt aufweisen, wobei sich die Längsrichtung des Querschnitts in der Strömungsrichtung (2902) des Kühlmittels befindet.