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Blasdüse zum Frischen von Metallen Die Erfindung bezieht sich auf
eine Blasdüse zum Frischen von Metallen, die in das Metallbad eintaucht und das
gasförmige Frischmittel von oben her unter die Oberfläche des Bades einführt und
deren Kühlmittelmantel durch eine bis nahe an die Düsenmündung heranreichende wärmeisolierende
Wand in zwei konzentrische Ringräume geteilt ist, wobei das Kühlmittel vorzugsweise
in den inneren Ringraum eintritt und aus dem äußeren Ringraum austritt.
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Die bekannten wassergekühlten Eintauchdüsen der vorgenannten Art besitzen
ein zentrales, von dem Kühlwassermantel umgebenes Rohr als Frischgaszuleitung. Diese
Bauart bedingt, daß von dem gesamten Querschnitt der Düse nur ein geringer Querschnitt,
nämlich ein zentrales Rohr, für die Zufuhr des Frischmittels zur Verfügung steht,
so daß bei den anwendbaren Drücken nur verhältnismäßig geringe Frischgasmengen pro
Zeiteinheit in das Metallbad eingebracht werden können. Dadurch ergeben sich entsprechend
lange Frischzeiten. Man kann nicht den Druck des Frischgases und damit die Gasgeschwindigkeit
über das zulässige Maß erhöhen, wenn man eine größere Gasmenge pro Zeiteinheit einblasen
will, da bei der erreichbaren Eintauchtiefe der Düse das Bad verspritzen und das
Gas zu rasch das Bad verlassen und nur unvollkommen ausgenutzt würde. Die Vereinigung
mehrerer solcher wassergekühlter Eintauchdüsen zu einem Düsenbündel ist praktisch
undurchführbar, da ein derart voluminöses Gebilde schwierig zu handhaben ist und
einen unwirtschaftlich hohen Kühlwasserverbrauch zur Folge hat.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Eintauchdüse derart
auszubilden, daß sie bei einfacher Konstruktion und sparsamem Kühlmittelverbrauch
eine ausreichende Kühlwirkung aufweist und eine lange Lebensdauer besitzt und es
gestattet, große Mengen an Frischmittel pro Zeiteinheit in das Bad einzubringen.
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Die Erfindung besteht darin, daß bei einer Blasdüse der eingangs genannten
Gattung die wärmeisolierende Wand aus einem aus zwei mit Abstand voneinander übereinandergeschobenen
Rohren gebildeten Ringrohr oder aus einem aus einzelnen miteinander verbundenen
Rohren gebildeten Rohrkranz oder aus einem Ringrohr mit eingesetztem Rohrkranz besteht,
daß der Hohlraum der derartig ausgebildeten Wand als Zufuhrleitung für das Frischmittel
zur Düsenplatte dient und in der Nähe der Düsenplatte radiale Kanäle besitzt, die
die beiden Kühlmittelräume miteinander verbinden, und daß die Zufuhrleitung in einen
der Düsenplatte vorgelagerten Expansionsraum für das Frischmittel einmündet. Durch
die Zuführung des Frischmittels durch den ringförmigen Hohlraum der Trennwand, dessen
Querschnitt wesentlich größer ist als der Querschnitt des zentralen Gaszufuhrrohres
der bekannten Eintauchdüsen, wird erreicht, daß bei verhältnismäßig kleinem Gesamtquerschnitt
der Düse große Frischmittelmengen pro Zeiteinheit eingeblasen werden können. Ein
weiterer Vorteil dieser Ausbildung der Düse besteht darin, daß der Kühlmittelzufluß
und der Kühlmittelrückfluß durch eine hohle, gasdurchströmte Wand voneinander getrennt
sind und daß auf Grund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Frischgases eine vorzügliche
Isolation des zufließenden Kühlmittels gegen das abfließende heiße Kühlmittel eintritt.
Infolgedessen gelangt an die Düsenmündung, an der die höchsten Temperaturen auftreten,
möglichst kaltes Kühlwasser, so daß eine bestmögliche Kühlwirkung bei sparsamem
Kühlmittelverbrauch erzielt wird. Die Haltbarkeit der Düse wird ferner dadurch erhöht,
daß sich das unter Druck eingeleitete Frischgas in dem Expansionsraum ausdehnt und
durch die entstehende Expansionskälte die Düsenmündung zusätzlich gekühlt wird.
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Vorteilhafterweise wird die Düsenplatte durch die Anordnung einer
Vielzahl kleiner Ausströmöffnungen für das Frischmittel brausenartig ausgebildet,
um zu erreichen, daß das Frischmittel möglichst fein verteilt und innig mit dem
Metallbad in Berührung gelangt. Bei wassergekühlten Eintauchdüsen mit einem zentralen
Rohr als Frischmittelzuleitung sowie bei sogenannten Aufblasdüsen, die nicht in
das Metallbad eintauchen, ist es an sich bekannt, die Düsenmündung mit mehreren
Ausströmöffnungen für das Frischmittel zu versehen. Es ist ferner bei Aufblasdüsen
bekannt, das Frischmittel durch einen ringförmigen Kanal, der auf beiden Seiten
mit einer Kühlflüssigkeit in Berührang
steht, zu leiten und durch
einen ringförmigen Austrittsschlitz ausströmen zu lassen. Bei diesen Aufblasdüsen
besteht jedoch in der Nähe der Düsenmündung keine Verbindung zwischen den beiden
Kühl-CD so daß keine Zirkulation des Kühlmittels durch diese beiden Kühlmittelräume
stattfindet.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung des
Ausführungsbeispiels und den Ansprüchen.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Blasdüse gemäß der
Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 die Blasdüse im Längsschnitt mit dem
Blasdüsenkopf teilweise in Ansicht und teilweise im Längsschnitt, Fig. 2 den Blasdüsenkopf
in Ansicht in Richtung des Pfeiles II in Fig. 1, Fig. 3 die Blasdüse im Querschnitt
nach der Linie III-111 in Fig. 1 und Fig. 4 die Blasdüse im Querschnitt nach der
Linie IV-IV in Fig. 1.
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Die Blasdüse besteht im wesentlichen aus drei ineinandergesteckten
konzentrischen Rohrkörpern 1, 2 und 3. Der den Mantel der Düse bildende Rohrkörper
1 ist am Düsenkopf dicht durch einen rohrförmigen Verteiler 4 abgeschlossen und
besitzt seitlich einen Austrittsstutzen 5 für das Kühlwasser. In das untere Ende
des Mantels 1 ist eine die Düsenmündung bildende Platte 6 eingesetzt.
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Der Rohrkörper 2 besteht aus zwei mit Abstand voneinander übereinandergeschobenen
Rohren 7 und 8 und bildet so ein als wärmeisolierende Wand dienendes doppelwandiges
Ringrohr.
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Das Rohr 7 mündet am Düsenkopf in den Verteiler 4, während das Rohr
8 durch den Verteiler 4 hindurchführt und die Kühlwasserzuleitung bildet. Nach unten
reicht die von den Rohren 7 und 8 gebildete wärmeisolierende Wand bis nahe an die
Düsenmündung heran und erweitert sich in ihrem unteren Ende, wo das Rohr 7 in ein
Rohr 17 von größerem Querschnitt übergeht, so daß ein Expansionsraum 9 gebildet
wird. Unmittelbar über der Mündungsplatte 6 wird die wärmeisolierende Wand von radialen
Kanälen 10 durchbrochen, die oben und seitlich durch Trennwände 11 bzw. 12 gegenüber
dem die wärmeisolierende Wand 2 bildenden Ringrohr abgeschlossen sind. Zwischen
den Kanälen 10 setzt sich der Expansionsraum 9 bis auf die Mündungsplatte 6 fort,
die an diesen Stellen mit einer größeren Zahl von Öffnungen 13 versehen ist. Das
Rohr 7 ist auf seiner Außenseite mit Führungsrippen 14 versehen, welche die konzentrische
Lage der wärmeisolierenden Wand 2 im Mantel 1 sichern. In das von den Rohren 7 und
8 gebildete Ringrohr ist ein aus dicht aneinander liegenden Rohren 15 bestehender
Rohrkranz eingesetzt, der oben in den Verteiler 4 und unten in den Expansionsraum
9 mündet.
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Das Rohr 3 ist konzentrisch im Rohrkörper 2 angeordnet und endet mit
seinem unteren Ende in einer entsprechenden Öffnung der Mündungsplatte 6. An seinem
oberen Ende durchstößt das Rohr 3 das Rohr 8 und mündet in den Verteiler 4, der
aus drei Rohren 16 gespeist wird, welche aus einem gemeinsamen Zuleitungsrohr 18
abzweigen.
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Das Frischmittel wird durch das Zuleitungsrohr 18 und die Rohre 16
dem Verteiler 4 zugeführt und einerseits durch das Rohr 3, andererseits durch den
Rohrkranz 15 und den Expansionsraum 9 der Düsenmündung zugeführt. Durch die große
Zahl der kleinen, in der Düsenmündungsplatte 6 befindlichen öffnungen 13 wird das
Frischmittel in zahlreichen Teilströmen brausenartig in das Metallbad eingeleitet.
Auf diese Weise wird eine große Reaktionsfläche zwischen dem aus der Düse austretenden
Frischmittel und der Schmelze erzielt und die Bildung einer zusammenhängenden Reaktionszone
sowie eine örtliche Badüberhitzung vermieden. Ferner wird infolge der großen Reaktionsfläche
eine sehr gute Abführung der beim Frischen gebildeten Wärme auf das übrige Bad und
eine verringerte thermische Gefährdung der Düse erreicht, und das Frischmittel wird
in eine besonders innige Berührung mit der Schmelze gebracht, von dieser schnell
aufgenommen und in kürzester Zeit völlig ausgenutzt.
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Das Rohr 3 kann aber auch fortgelassen und das Frischmittel ausschließlich
durch den Rohrkranz 15 der Düsenmündung zugeführt werden. In diesem Fall erhält
der Rohrkranz 15 einen entsprechend größeren Querschnitt.
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Ferner kann der Rohrkranz 15 fortfallen und das von den Rohren 7 und
8 gebildete, als wärmeisolierende Wand dienende Ringrohr als Frischmittelleitung
verwendet werden. Man kann aber auch die zwischen dem Verteiler 4 und dem Expansionsraum
9 liegenden Teile der Rohre 7 und 8 fortlassen und als Frischmittelzuleitung einen
aus einzelnen miteinander verbundenen Rohren 15 gebildeten Rohrkranz verwenden.
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Das Kühlmittel, vorzugsweise Wasser, wird durch das Rohr 8 bis an
die Mündungsplatte 6 herangeführt, durchströmt die Kanäle 10 und den zwischen dem
Mantel 1 und der wärmeisolierenden Wand 2 liegenden Ringraum 19 und tritt durch
den Stutzen 5 wieder aus der Düse aus.
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Die Anordnung der Kühlwasserzufuhr in der Düsenachse, d. h. innerhalb
der wärmeisolierenden Wand 2, und die Verwendung des Hohlraumes der wärmeisolierenden
Wand 2 als Frischmittelleitung, gestatten es, das die Düse durchströmende Frischmittel
sowohl als Wärmeisolator für das durch das Rohr 8 zugeführte Kühlmittel als auch
zur Kühlung des durch den Ringraum 19 abgeführten Kühlmittels zu verwenden. Auf
Grund der schlechten Wärmeleitfähigkeit der Gase wird das zugeführte kalte Kühlmittel
vorzüglich gegen das abgeführte heiße Kühlmittel isoliert und gelangt praktisch
ohne Temperaturerhöhung an die Düsenmündung, an der die höchsten Temperaturen auftreten,
so daß an der Düsenmündung die bestmögliche Kühlwirkung erzielt wird. Die Verwendung
einer besonderen Trennwand aus wärmeisolierenden Stoffen erübrigt sich daher.
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Die vom Frischmittel aus dem im Ringraum19 fließenden heißen Kühlmittel
aufgenommene Wärme wird in die Schmelze zurückgeführt und kommt daher einerseits
dem Metallbad wieder zugute, andererseits wird hierdurch das Kühlmittel selbst gekühlt.
Dieser Wärmeaustausch kann dadurch gefördert werden, daß der Raum 20 zwischen dem
Rohrkranz 15 und dem Rohr 7 mit einem guten Wärmeleiter, z. B. Kupfer, ausgefüllt
wird.
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Die Kühlwirkung an der Mündungsplatte 6 wird dadurch erhöht, daß das
Kühlmittel auf dem Wege vom Rohr 8 durch die Kanäle 10 in den Ringraum 19 stark
umgelenkt und dadurch durchwirbelt wird. Desgleichen ist zur Erzielung einer guten
Kühlwirkung die
Innenwand des Mantels 1 aufgerauht, um eine laminare
Strömung des Kühlmittels zu vermeiden. Eine turbulente Strömung des Kühlmittels
kann auch dadurch erreicht werden, daß die Innenwand des Mantels 1 in Längsrichtung
gewellt ist, wie im unteren Teil der Fig. 1 dargestellt. Dadurch wird die Wärme
abgebende Oberfläche des Mantels vorteilhaft vergrößert. Jedoch darf die Wellung
nicht so stark sein, daß sich tote Ecken bilden, aus denen das erwärmte Kühlmittel
nicht fortgespült wird. Eine weitere zusätzliche Kühlung der Düsenmündung wird durch
die Expansionskälte des Frischgases bewirkt, die bei der Expansion des Frischgases
in dem Expansionsraum 9 entsteht.
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Um den in das Bad eintauchenden, insbesondere den in der Nähe der
Düsenmündung liegenden Teil des Mantels 1 der Düse vor Korrosionsangriffen durch
das Schmelzbad und die beim Frischen entstehenden Verbrennungsprodukte zu schützen,
ist die Oberfläche des Düsenmantels 1, die mit dem Schmelzbad in Berührung kommt,
mit Wülsten 21 versehen, die vorzugsweise Nuten besitzen. An den Wülsten bleibt
beim Eintauchen der Düse ins Bad und Herausziehen der Düse aus dem Bad Schlacke
haften, die eine Schutzschicht auf dem Düsenmantel bildet. Die Aufrechterhaltung
einer erstarrten Schlackenschicht auf der in das Bad eingetauchten Düse wird durch
die starke Kühlwirkung der durch die Wülste und die Nuten vergrößerten Manteloberfläche
bewirkt.
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Die Blasdüse gemäß der Erfindung kann daher, ohne zerstört zu werden,
relativ tief in das Bad eingetaucht werden. Durch die Anwendung einer ausreichendenEintauchtiefe
und dasVorhandensein einer großen Reaktionsfläche wird wiederum bewirkt, daß das
beim Frischen gebildete Eisenoxydul auf seinem Wege zur Badoberfläche genügend Gelegenheit
hat, seinen Sauerstoff an die Eisenbegleiter (Si, C, P usw.) im Schmelzbad abzugeben.
Man erzielt also mit dieser Düse Schlacken mit niedrigem Eisengehalt, d. h. ein
befriedigendes Eisenausbringen. Außerdem erfolgt gegenüber allen bisher bekanntgewordenen,
zum Frischen verwendeten Auf- und Einblasevorrichtungen eine wesentlich verringerte
Bildung von verdampftem Eisenoxyd in Form des bekannten braunen Rauches, was auf
die Erreichung verhältnismäßig großer Eintauchtiefen und die Vermeidung einer überhitzten
Reaktionszone zurückzuführen ist. Da mit der Düse bei sparsamem Kühlmittelverbrauch
und kleinem Gesamtquerschnitt der Düse überraschend große Sauerstoffmengen je Zeiteinheit
in das Schmelzbad eingebracht werden können, werden sehr hohe Frischgeschwindigkeiten
erreicht, so daß die Wärmebilanz derartiger Frischprozesse äußerst günstig ist.