DE2509076A1 - Anordnung zur erzeugung von ultraschallgeschwindigkeiten - Google Patents

Description

Koppers Company, Inc. Pittsburgh, Pennsylvania / USA

Anordnung zur Erzeugung von Ultraschallgeschwindigkeiten

Die Erfindung betrifft eine Anordnung, um in einem Düsenrohr oder einem vergleichbaren Rohrelement Ultraschallgeschwindigkeiten eines Strömungsmediums zu erzeugen, und zwar insbesondere eine verstellbare Anordnung in Verbindung mit Düsen von metallurgischen Reduzier- bzw. Frischbehältern.

Es ist bekannt, daß Brennstoffe, die durch eine Düse in einen Reduzierofen eingeführt werden, in ausreichendem Umfang zerstäubt und durchmischt sein müssen. Durch Verwendung von Ultraschalldüsen, in deren divergierenden Abschnitten Stoßwellen erzeugt werden, wird eine optimale Zerstäubung und Durchmischung erreicht. Derartige Düsen haben jedoch verhältnismäßig enge bzw. begrenzte Konstruktionsparameter, durch die ansonsten vorteilhafte Veränderungen der Strömungsgeschwindigkeiten der Brennstoffe ausgeschlossen sind.

In neuerer Zeit sind ein Verfahren für den Betrieb einer Düse und eine entsprechend konstruierte Düse vorgeschlagen worden, die innerhalb verhältnismäßig weiter Grenzen eine Veränderung der Strömungsgeschwindigkeit des Brennstoffes zulassen, wobei

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gleichzeitig innerhalb des divergierenden Abschnittes der Düse die für eine Brennstoffzerstäubung notwendige Stoßwelle gebildet wird. Es wird in diesem Zusammenhang auf die US-PS 3 771 473 hingewiesen, gemäß der der konvergierende Abschnitt einer Ultraschalldüse veränderbar ist, indem in axialer Richtung ein zentraler Körperabschnitt verstellt wird, der im wesentlichen koaxial innerhalb des konvergierenden Abschnittes angeordnet ist.

Die in der US-PS 3 771 473 beschriebene Anordnung, die bei Hochöfen in vorteilhafter Weise eingesetzt werden kann, läßt sich jedoch bei Düsen von Frischbehältern nur begrenzt benutzen, und zwar insbesondere bei Düsen von metallurgischen Behältern, bei denen Sauerstoff od.dgl. direkt in die Schmelze eingeblasen wird. Bei derartigen metallurgischen Behältern beeteht ein allgemeines Problem darin, daß die Geschwindigkeit des aus der Düse austretenden Gases, beispielsweise Sauerstoff, nicht ausreichend hoch ist, um eine Erosion bzw. ein Zurückbrennen des feuerfesten Materiales zu verhindern. Es ist daher erwünscht, eine Düse zur Verfügung zu haben, bei der das in das heiße Metallbad eingeblasene Gas mit Ultraschallgeschwindigkeit austritt. Da jedoch die Düsen von beispielsweise bodenblasenden Behältern zusammen mit dem feuerfesten Material verbraucht werden, werden die bekannten Düsen, die zur Erzeugung einer Ultraschallströmung geeignet sind, bereits verbraucht, bevor an sich die Standzeit der Düse selbst beendet ist. Bei einigen Prozessen ist es weiterhin erwünscht, mittels der Düse einen Brennstoff zuzuführen, der, damit er mit Ultraschallgeschwindigkeit in die heiße Schmelze eingeblasen werden kann, vorher ausreichend zerstäubt sein muß. Obwohl es in der Regel notwendig ist, ein Strömungsmedium mit Ultraschallgeschwindigkeiten in den metallurgischen Behälter einzublasen, ist es häufig auch erforderlich, mit geringeren Geschwindigkeiten als Ultraschallgeschwindigkeiten zu arbeiten.

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, mit der es einerseits möglich ist, am Ende einer erodierbaren bzw. sich selbst verbrauchenden Düse eine Ultraschallgasströmung zu erzeugen und andererseits die Geschwindigkeit auch auf niedrigere Geschwindigkeiten zu reduzieren. Eine weitere Aufgabe besteht darin, die Düse so zu gestalten, daß mitgeführte Brennstoffe bei sich ändernden Strömungsgeschwindigkeiten vollständig zerstäubt werden, während am Auslaß der sich ständig selbst verbrauchenden Düse Ultraschallzustände aufrechterhalten bleiben.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die erfindungsgemäße Anordnung dadurcn gekennzeichnet, daß sie ein Düsenelement enthält, das in dem Düsenrohr in axialer Richtung verstellbar ist und mindestens einen konvergierenden Abschnitt und einen divergierenden Abschnitt und einen zwischen diesen konvergierenden und divergierenden Abschnitten liegenden zylindrischen Abschnitt umfaßt, durch den der freie Strömungsquerschnitt für das Strömungsmedium eingeschnürt wird, und daß mindestens ein Betätigungsorgan zum axialen Verstellen des Düsenelementes innerhalb des Düsenrohres vorgesehen ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Düsenelement ein Venturirohr mit einem in axialer Richtung konvergierenden Abschnitt und einem in axialer Richtung divergierenden Abschnitt und einem dazwischen liegenden Mittelabschnitt umfaßt, durch den der freie Strömungsquerschnitt für das Strömungsmedium über einen bestimmten in axialer Richtung verlaufenden Längenabschnitt eingeschnürt wird.

Das Venturirohr ist vorzugsweise starr an einem Verstellmechaniamus befestigt, um das Venturirohr in dem Düsenrohr verlagern zu können. Durch geeignetes Betätigen des Verstellmechanismus kann das Venturirohr in die jeweils geeignete Stellung innerhalb des Düsenrohres verschoben werden, einschließlich einer Stellung, bei der der divergierende Abschnitt des Venturiroh-

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res über das Ende des Düsenrohres beispielsweise in die Metallschmelze ragt. Auf diese Weise wird eine Düse erhalten, mit der eine Ultraschallgeschwindigkeit in einem gasförmigen Medium erzeugt werden kann, wobei diese Ultraschallgeschwindigkeit aufrechterhalten werden kann, indem das Venturirohr bei sich selbst verbrauchender Düse zurückgezogen wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Düsenelement ein in axialer Richtung innerhalb des Düsenrohres verstellbares Düsenorgan mit einem in axialer Richtung divergierenden Abschnitt, einem in axialer Richtung konvergierenden Abschnitt und einem dazwischen liegenden Mittelabschnitt umfaßt, durch den zwischen diesem Mittelabschnitt und dem Düsenrohr der freie Strömungsquerschnitt für das Strömungsmedium eingeschnürt wird.

Der konvergierende Abschnitt des DUsenorgans befindet sich an dem Ausströmende der Düse. Das zentrale Düsenorgan ist starr an einem VerStellmechanismus befestigt, um das Düsenorgan entlang der Achse des Düsenrohres verstellen zu können.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, daß das Düsenelement ein Venturirohr mit einem in axialer Richtung konvergierenden Abschnitt, einem in axialer Richtung divergierenden Abschnitt und einem dazwischen liegenden Mittelabschnitt umfaßt, daß ein relativ zu dem Venturirohr in axialer Richtung verstellbares zentrales Düsenorgan mit einem in axialer Richtung divergierenden Abschnitt und einem in axialer Richtung konvergierenden Abschnitt und einem dazwischen liegenden Mittelabschnitt vorgesehen ist, durch den ein den freien Strömungsquerschnitt für das Strömungsmedium einschnürender Ringkanal bestimmt ist, wobei der konvergierende Abschnitt eine Konizität hat, die im wesentlichen der Konizität des konvergierenden Abschnittes des Venturirohres entspricht, und daß ein erstes Betätigungsorgan an dem Venturirohr und dem zentralen Düsenorgan angreift, um diese Organe relativ zum Düsenrohr zu verstellen, während ein zweites Betätigungsorgan

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an dem zentralen Düsenorgan angreift um dieses zentrale Düsenorgan relativ zum Venturirohr verstellen zu können.

Das Venturirohr, dessen divergierender Abschnitt zum Auslaß der Düse hin gerichtet ist, ist vorzugsweise zusammen mit dem zentralen Düsenkörper an einem gemeinsamen Betätigungsorgan angebracht, um das Venturirohr zusammen mit dem zentralen Düsenorgan innerhalb des Düsenrohres verstellen zu können. An dem zentralen Düsenorgan greift jedoch noch ein weiteres Betätigungsorgan an, um diesen zentralen Düsenkörper relativ zum Venturirohr verstellen zu können.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden an Hand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Schnitteinrichtung einer Düsenanordnung mit einem Venturirohr, das starr an einem Verstellmechanismus befestigt ist;

Fig. 2 eine Schnittansicht einer Düsenanordnung mit einem zentralen Düsenorgan, das innerhalb eines Düsenrohres verstellbar ist j und

Fig. 3 eine Schnittansicht einer kombinierten Düsenanordnung mit einem Venturirohr und einem zentralen Düsenorgan und mit Verstellmechanismen für das Venturirohr und den zentralen Düsenkörper.

Gemäß Fig. 1 ist eine Düse 10, die aus einem Stopfen 11 aus feuerfestem Material und einem in dem Stopfen 11 eingebeteten Düsenrohr 12 besteht, in die feuerfeste Wandung 13 eines metallurgischen Gefäßes, beispielsweise eines Frischgefäßes für die Stahlherstellung, eingesetzt. Die Düse 10 ist an eine Sauerstoffquelle 14 und gegebenenfalls an eine Brennstoffquelle 16 angeschlossen. Die Düse 10 kann auch als Doppelrohrkonstruktion ausgebildet sein, bei der das Düsenrohr 12 das innere Sauerstoffrohr bildet, das von einem einen Ringspalt freilassenden, nicht dargestellten Mantelrohr umgeben ist. In diesem Fall kann die die Brennstoffquelle darstellende Leitung 16 an eine Quelle für ein Schutzmedium angeschlossen sei n, das den

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durch das Düsenrohr 12 in eine Schmelze eingeblasenen Oxydiergasstrom umgibt.

Das Düsenelement 20 umfai3t ein Venturirohr 21 mit einem zum Düsenauslaß konvergierenden Abschnitt 22, dem der durch das Düsenrohr 12 strömende Sauerstoff von der Sauerstoffquelle zugeführt wird. An den konvergierenden Abschnitt 22 schließt sich in Strömungsrichtung ein eingeschnürter Mittelabschnitt

23 an, der in einen in Strömungsrichtung divergierenden Abschnitt 24 übergeht. An dem konvergierenden Abschnitt 22 des Venturirohres 21 ist ein Speichenkreuz 26 befestigt. Im Zentrum des Speichenkreuzes 26 ist eine Stange 27 befestigt, die sich durch das Düsenrohr 12 und durch einen Montageblock 28 am Ende des Rohranschlusses 30 für die Sauerstoff leitung 14 erstreckt; der Rohranschluß 30 ist mittels Schrauben 17 und am Frischgefäß befestigt. Der Montageblock 28 ist starr im unteren Ende des Rohranschlusses 30 befestigt und weist ein Innengewinde für den mit einem Außengewinde versehenen Gewindeabschnitt 29 der Stange 27 auf. An dem Gewindeabschnitt 29 ist ein Betätigungsorgan 31 befestigt. Durch Drehen des Betätigungsorganes 31 wird der Gewindeabschnitt 29 der Stange 27 relativ zum Montageblock 28 verstellt, so daß auch das "Venturirohr innerhalb des Düsenrohres 12 verstellt wird.

Das Venturirohr 21 besteht vorzugsweise aus einem stark leifefähigem Kupfer oder einem keramischen Material . Das Venturirohr 21 hat vorzugsweise einen solchen Außendurchmesser, daß das Venturirohr 21 innerhalb des Düsenrohres 12 entgegen Reibungskraft verstellbar ist. Wenn der divergierende Abschnitt

24 gegebenenfalls über die Düse 10 hinaus in das heiße Metallbad ragen soll, ist es vorteilhaft, das Venturirohr 21 aus einem hochwärmebeständigem keramischen Material herzustellen.

Das Venturirohr 21 und insbesondere dessen Abschnitte 22, 23 und 24 sind für eine bestimmte Geschwindigkeit, beispielsweise Mach 2 ausgelegt, wobei auf allgemein übliche Düsenparameter zurückgegriffen werden kann. Während im Betrieb Geschwindig-

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keiten, die größer als die optimale konstruktionsbedingte Geschwindigkeit sind, nicht erreicht werden können, lassen sich Geschwindigkeiten, die kleiner als die konstruktionsbedingte Geschwindigkeit sind, am Ende des Düsenrohres 12 dadurch erreichen, daß der divergierende Düsenabschnitt 24 in axialer Richtung von dem Auslaßende des Düsenrohres 12 wegbewegt wird. Es ist vorteilhaft, wenn ein lineares Verhältnis zwischen der Geschwindigkeitsveränderung und dem Abstand zwischen dem divergierenden Abschnitt 24 und dem Auslaß des Düsenrohres 12 vorhanden ist.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist ein Düsenelement 40 axial verschiebbar in dem Düsenrohr 12' gelagert, um eine Ultraschallströmung aus Sauerstoff und/oder Brennstoff erzeugen zu können. Das Düsenelement 40 umfaßt einen Körper mit einem axial divergierenden Abschnitt 41, an den sich ein mittlerer zylindrischer Abschnitt 42 anschließt. Der zylindrische Abschnitt 42 bildet zusammen mit der Innenwand des Düsenrohrs 12' einen eingeschnürten Ringkanal 43· An den zylindrischen Abschnitt 42 schließt sich ein konvergierender Abschnitt 44 an, der zum Auslaßende der Düse hin gerichtet ist. An dem divergierenden Abschnitt 41 des Düsenelementes 40 ist eine Stange 27' befestigt, an der ein Speichenkreuz 46 angebracht ist, um eine genaue axiale Führung der Stange 27' und des Düsenelementes 40 innerhalb des Düsenrohres 12' zu gewährleisten. Die Stange 27' ist in vergleichbarer Weise wie die Stange 27 der Ausführungsform gemäß Fig. 1 an einen Betätigungsmechanismus angeschlossen.

Um mittels des Düsenelementes 40 Ultraschallgeschwindigkeiten hervorzurufen, ist es notwendig, das äußere Ende des konvergierenden Abschnittes 44 über das Auslaßende des Düsenrohres 12' ragen zu lassen, um einen reduzierten Strömungsquerschnitt zu erzeugen, und zwar bezogen auf den Strömungsquerschnitt an der Speicherseite der Düse vor dem divergierenden Abschnitt 41, Der Winkel, die Länge und das Durchmesserverhältnis des konvergierenden Abschnittes 44 zum Innendurchmeeser des Düsenroh-

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res 12' sind so ausgelegt, daß die für den jeweilig ins Auge gefaßten Betriebszustand optimalen Geschwindigkeiten erzeugt werden können.

In Fig. 3 ist ein kombiniertes Düsenelement 50 dargestellt, das innerhalb des Düsenrohres 12·' verschiebbar geführt ist. Das Düsenelement 50 umfaßt ein Venturirohr 51 mit einem in axialer Richtung divergierenden Abschnitt 52 zur Erzeugung einer Ultraschallgasströmung. An den divergierenden Abschnitt 52 des Venturirohres schließt sich ein eine Einschnürung bildender zylindrischer Mittelabschnitt 53 an, auf den ein konvergierender Abschnitt 54 folgt. An dem konvergierenden Abschnitt 54 des Venturirohres 51 ist ein zylindrischer Ansatz

56 befestigt, an dem mehrere nach innen ragende Speichenarme

57 angebracht sind. Die Außenseite des Ansatzes 56 ist entgegen Reibungskraft innerhalb des Düsenrohres 12¹' verschiebbar.

Das Zentrum des durch die Speichenarme 57 gebildeten Speichenkreuzes wird durch eine mit Innengewinde versehene Stange 58 gebildet. Die Stange 58 ist an ihrem dem Speichenkreuz abgewandtem Ende mit einem ein Außengewinde aufweisenden Gewindeabschnitt 59 versehen, der durch einen mit Innengewinde versehenen Montageblock 61 geführt ist. Der Montageblock 61 ist in nicht dargestellter Weise am unteren Ende eines Rohranschlusses für eine Sauerstoffleitung befestigt. Am äußeren Ende des Gewindeabschnittes 59 der Stange 58 ist ein Betätigungsorgan 62 befestigt, um die Stange 58 innerhalb des Montageblockes 61 verdrehen und relativ dazu verlagern zu können. In die Stange 58 ist eine zweite Stange 63 eingeschraubt, die ein mit dem Innengewinde der Stange 58 zusammenwirkendes Außengewinde aufweist. Die Stange 63 ragt mit ihrem unteren Ende durch die Stange 58 nach außen und ist an diesem Ende mit einem Betätigungsorgan 64 versehen. Am anderen Ende der Stange 63 ist ein weiteres Düsenorgan 66 befestigt. Das Düsenorgan 6b besteht aus einem in Strömungsrichtung divergierenden Abschnitt 67, an den sich ein zylindrischer Abschnitt 68 anschließt, der zusammen mit dem zylindrischen Ansatz 5b einen Ringkanal 69

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begrenzt. An den zylindrischen Abschnitt 68 schließt sich ein in Strömungsrichtung konvergierter Abschnitt 71 an, dessen konischer Steigungswinkel dem Neigungswinkel des konvergierenden Abschnittes 54 des Venturirohres 51 entspricht.

Durch Drehen des Betätigungsorganes 62 ist das Düsenelement 50 in axialer Richtung innerhalb des Düsenrohres 12·' verstellbar. Durch Drehen des Betätigungsorganes 64 kann das weitere, zentrale Düsenorgan 66 unabhängig davon relativ zum Venturirohr 51 verstellt werden. Durch bestimmte Relativstellungen zwischen dem zweiten Düsenorgan 66 und dem Venturirohr 51 lassen sich verschiedene Gasströmungsgeschwindigkeiten erzeugen, wobei in dem divergierenden Abschnitt 52 ein Stoßwellenzustand erzeugt werden kann, um zugeführten Brennstoff gegebenenfalls zu zerstäuben. Der konvergierende Abschnitt 71 des zentralen Düsenorgane s 66 kann gegebenenfalls innerhalb des konvergierenden Abschnittes 64 des Venturirohres 51 verstellt werden, um eine schnelle und vollständige Unterbrechung der Gasströmung durch das Düsenrohr 12'' zu bewirken. Sobald die Relativstellung zwischen dem Venturirohr 51 und dem zentralen Düsenorgan 66 einmal eingestellt worden ist, wird diese Relativstellung aufrechterhalten, wenn das Düsenelement 50 in axialer Richtung innerhalb des Düsenrohres 12'' verstellt wird.

Es versteht sich, daß an Stelle der Handbetätigung auch ein automatischer Antrieb vorgesehen sein kann, d.h. an Stelle der verschiedenen Betätigungsorgane in Form von Handgriffen zum Verstellen der einzelnen Stangen können auch elektromechanische, hydraulische oder andere vergleichbare Antriebsaggregate verwandt werden. Diese Antriebsaggregate sind vorzugsweise an Steuereinrichtungen angeschlossen, um eine Erosion bzw. ein Zurückbrennen der Düse automatisch zu kompensieren.

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Claims (4)

Patentansprüche

1. Anordnung, um in einem Düsenrohr oder einem vergleichbaren Rohrelement Ultraschallgeschwindigkeiten eines Strömungsmediums zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß sie ein Düsenelement (20, 40, 50) enthält, das in dem Düsenrohr (12, 12', 12'') in axialer Richtung verstellbar ist und mindestens einen konvergierenden Abschnitt (22; 44; 54;71) und einen divergierenden Abschnitt (24; 41; 52; 57) und einen zwischen diesen konvergierenden und divergierenden Abschnitten liegenden mittleren Abschnitt (23; 42; 53; 68) umfaßt, durch den der freie Strömungsquerschnitt für das Strömungsmedium eingeschnürt wird, und daß mindestens ein Betätigungsorgan (31; 62; 64) zum axialen Verstellen des Düsenelementes innerhalb des Düsenrohres vorgesehen ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenelement (20) ein Venturirohr (21) mit einem in axialer Richtung konvergierenden Abschnitt (22) und einem in axialer Richtung divergierenden Abschnitt (24) und einem dazwischen liegenden Mittelabschnitt (23) umfaßt, durch den der freie Strömungsquerschnitt für das Strömungsmedium über einen bestimmten in axialer Richtung verlaufenden Längenabschnitt eingeschnürt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenelement (40) ein in axialer Richtung innerhalb des Düsenrohres (12') verstellbares Düsenorgan mit einem in axialer Richtung divergierenden Abschnitt (41), einem in axialer Richtung konvergierenden Abschnitt (44) und einem dazwischen liegenden Mittelabschnitt (42) umfaßt, durch den zwischen diesem Mittelabschnitt (42) und dem Düsenrohr (12¹) der freie Strömungsquerschnitt für das Strömungsmedium eingeschnürt wird.

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4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Düsenelement (50) ein Venturirohr (51) mit einem in axialer Richtung konvergierenden Abschnitt (54), einem in axialer Richtung divergierenden Abschnitt (52) und einem dazwischen liegenden Mittelabschnitt (53) umfaßt, daß ein relativ zu dem Venturirohr (51) in axialer Richtung verstellbares zentrales Düsenorgan (66) mit einem in axialer Richtung divergierenden Abschnitt (67) und einem in axialer
Richtung konvergierenden Abschnitt (71) und einem dazwischen liegenden Mittelabschnitt (68) vorgesehen ist, durch den ein den freien Strömungsquerschnitt für das Strömungsmedium einschnürender Ringkanal bestimmt ist, wobei der
konvergierende Abschnitt (71) eine Konizität hat, die im
wesentlichen der Konizität des konvergierenden Abschnittes (54) des Venturirohres (51) entspricht, und daß ein erstes Betätigungsorgan (62) an dem Venturirohr (51) und dem zentralen Düsenorgan (66) angreift, um diese Organe (51 und 66) relativ zum Düsenrohr (12'') zu verstellen, während ein
zweites Betätigungsorgan (64) an dem zentralen Düsenorgan
(66) angreift um dieses zentrale Düsenorgan (66) relativ
zum Venturirohr (51) verstellen zu können.

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