JP2004524437A - 吹込やりノズル - Google Patents

Abstract

吹込やりノズル（１）に関する本発明は、撹拌ガスを供給する中央管（２）、冷却液を取り入れるための内側管（５）、冷却液排出用の外側管（１０）、熱交換スペース（１３）、そして前壁（３）内において各オリフィス（４）から出て行く撹拌ガス用の出口導管（１５）から構成しており、前記熱交換スペースは、ほとんど不変である前記スペースを経由して冷却液通過スピードを得るために、実質的に不変の前記スペースを通過し冷却液を通過することを可能にする区域を有している。

Description

【０００１】
本発明は、槽を撹拌するための吹込やりノズルに関するものであり、以下から構成される。
− 少なくとも一つの開口を備えた第一前壁により、撹拌ガス供給用中央管が槽に向かって向きを変えた一端において閉鎖されており、
− 内側管が中央管と共に冷却液の通路として第一環状空洞を形成しており、かつ中央開口及び前記第一前壁に設けた開口ごとに一つの通路オリフィスを有している第二前壁を経て槽に向かって向きを変えた一端において閉鎖されており、
− 外側管が内側管と共に冷却液の通路として第二環状空洞を形成しており、かつ前記第一前壁に備えた開口ごとに一つの出口オリフィスを有している第三前壁を経て槽に向かって向きを変えた一端において閉鎖されており、
− 熱交換スペースが、一方では前記第二前壁と前記第三前壁の間に配置され、他方では前記中央開口と前記第二環状空洞の間に配置され、かつそこを冷却液が流れ、そして
− 撹拌ガスが前記第一前壁の各開口を去りかつ前述の対応する出口オリフィスまで行くための出口導管が、冷却液を浸透させない前述の対応する通路オリフィスを貫通している。
【０００２】
このタイプの吹込やりノズルは、前々から周知であった。その吹込やりノズルは、複数の実例で言及されるＥＰ−Ａ−０ ３４０ ２０７、ＷＯ−９７／０００９７３そして ＵＳ−Ａ−４．４３２．５３４において描写されている。
【０００３】
酸素噴射口を備えた製鋼所転炉槽を撹拌するために、やりノズルは槽から１〜２．５メートル隔てて作動し、その上槽は約１，４００℃の温度をもつ。これらの作動条件下で、やりノズルの温度を４００℃まで急激に上昇させ、さらに約２０分間この環境を維持しなければならない。その後、やりが引き戻されたとき、周囲温度すなわち２０℃に急速に復帰する。
【０００４】
それ故に設備は、この壁に沿って非常に速い速度で流れる冷却液と効果的な熱交換を可能にするようにノズルの内側で、例えば銅のような非常に良質の熱伝導体材料からやりノズルの前壁が構成される。しかしながら、やりノズルは極度に危険な温度状態の中で変動にさらされるこの壁の全表面を超えて均一ではない冷却を提供する欠点を有することがすでに知られている。これは結果として様々な区域の壁の間の機械張力となる。
【０００５】
その上、その中に局部圧力低下に続いて冷却液に空洞化現象がしきりに観測される。この空洞化は、冷却液と冷却される壁の間で弱い冷却を引き起こす作用をもち、熱交換器は、液相と固相の間よりも気相と固相の間の方がなおさら良好にはならない。
【０００６】
例えばやりノズル（例えば ＵＳ−Ａ−４．４３２．５３４ と ＷＯ ９６／２３０８２に見られる）の外側前壁にわずかなくぼみを形成することにより、多くの試みがやりノズルの内側の冷却液の流れを伸ばすように成されてきた。しかしながらこれらの処置の実行は、とりわけノズルの中央区域において、十分な熱交換表面を提供しない欠点を有している。
【０００７】
さらにＥＰ−Ａ−０３４０２０７に記載されたやりノズルの中央区域に、冷却液の第二ノズルの上に割り当てられ、液体流に乱流を引き起こす効果をもつ大きなくぼみが提供される。
【０００８】
本発明のねらいは、かなりの連続的な使用下に置かれて高応力に耐えることができるやりノズルを提案することであり、その上製造することが容易で正当なコストのやりノズルを提供することである。
【０００９】
この問題は、まず最初に前記第三前壁が前記中央開口に向かって方向づけられた中央くぼみを有し、かつ０．３５と等しいか０．３５より大きいくぼみの高さとくぼみの基部の間の割合を有しており、そして前記くぼみが存在する状態でおよそ一定のこのスペースを通る冷却液の通過スピードが得られるように、前述の熱交換スペースが実質的に不変の冷却液を通過させる断面積を有している本発明により解決される。
【００１０】
そのようなくぼみを介して、熱交換表面は、液体内にいくらかの乱流又はキャビテーションを引き起こすことなく、槽から来る熱前面の同一表面と比較して大きく増加する。
有利な点として前記中央くぼみは、０．４、特に０．５、そして優先的に一様な０．８より大きい又は等しい高さと基部の間の割合を有する。
【００１１】
”冷却液の通路の断面”という表現は、熱交換スペースに冷却液の流れの方向に対して直角を呈する断面を意味する。それで、一定の流量において、その流量／断面比は依然として不変であり、そしてそれ故に液体の通過速度もまた依然として不変である。このようにして付与した通過スピードにおいて、そして冷却された前壁の危険温度において、概して水である冷却液に生じているいくらかのキャビテーション現象の危険性がないことを保証することができる。上記前壁温度に対して、８ｍ／ｓｅｃと１２ｍ／ｓｅｃの間の液体流の通過スピードが提供されるのが有利である。
実質的に不変の断面とは、本発明によりこの断面の表面領域が１０％より大きい限度内で変化することができないことを意味する。
【００１２】
本発明の一実施例によると、やりノズルは、様々な前述の中心軸周りに配置された通路導管とこれらの導管の前記出口オリフィスから伸びる前記中央くぼみから成る。くぼみの基部は、このように最高の有利さであり、かつくぼみにおける熱交換の改善した効果を提供する。改良した方法において、第三前壁は外径を有しており、そして前記くぼみの基部は、少なくとも前記外径の０．２５倍、好ましくは少なくとも前記外径の０．３３倍に等しい直径を有している円である。中央くぼみはしたがって本発明によりその硬度を補強するために、決して小さな中央穴がノズルの壁に提供されない。
【００１３】
本発明の一つの好ましい実施例によると、前記第三前壁は、円錐形の中央くぼみを有する。本発明の改善した実施例によると、前記第二前壁は中央開口の周囲に、前記第一前壁に向かって方向付けられた先端を切った円錐形の中央くぼみを有する。前記円錐と前記先端を切った円錐が、好ましくは共通軸を有しており、そして円錐形状をした中央くぼみがこの軸と共に形成する角度は、この軸と先端を切った円錐の形状をした中央くぼみの間で形成した角度よりも大きい。このような方法で、第三前壁の中央くぼみと第二前壁の中央くぼみの間に位置した熱交換スペース内においてさえ、断面積は依然として不変でありかつ流れる液体の通過スピードは第三前壁全体に沿って得られたスピードに対して依然としてほとんど同等である。
【００１４】
本発明の特有の実施例によると、中央くぼみは、少なくとも高い耐熱性を備えた材料から作られた保護スクリーンで部分的に覆われている。これは中央くぼみで支持される又は中央くぼみに接触してクランプされる円盤形式のプレートでもよく、そしてその結果、中央くぼみに固定するために溶接が不要である。第三前壁の表面領域の大部分が必要以上の過熱から守られている間、冷却液と第三前壁の間の熱交換は、依然として不変である。
【００１５】
本発明によるやりノズルの他の実施例は、添付の請求の範囲において示される。
本発明の他の詳細と特異点は、以下の本発明の実施例と添付図面に関連して非限定的に付与される記述から明らかになる。
図１は、本発明による吹込やりノズルの横断面図である。
図２は、異なる実施例の横断面図である。
図３は、本発明に必須のパラメータ計量手段を説明するための本発明によるやりノズルの詳細図である。
各図面において、一致する又は類似する要素は、同じ言及で示してある。
【００１６】
図１は吹込やりノズル１を描写している。このノズルは、供給する撹拌ガス用の中央管２からなる。この中央管２は、実例において示したいくつかの開口４が提供される前壁３により閉鎖されている。
【００１７】
内側管５が中央管２の周囲に同軸に配置されており、そしてこれらの管は、それらの間に実例に示した環状空洞６を形成し、矢印Ｆ１の方向に冷却水を供給する役目を果たす。この内側管５は、分離器として引用される前壁７により閉鎖される。この前壁７には、中央開口８及び中央管２内の各開口４に沿ったオリフィス９が提供されている。
【００１８】
外側管１０は、中央管２の周囲に同軸に配置されている。この外側管は一般に鋼製であり、さらに矢印Ｆ２の方向に冷却水を放出する役目を果たす実例に示した環状空洞１１を、内側管５と共に形成する。この外側管１０は、撹拌されるように槽に向かいかつそれ故に上述したように危険な熱応力を受ける前壁１２により閉鎖される。都合のよいことに、加熱された前壁１２と、内側管５の前壁７と外側管１０の前壁１２の間に配置される熱交換スペース１３を通過する冷却水の間で、可能な限り効果的に熱交換を行うように、この前壁は例えば銅のような良好な熱伝導材料で製造されている。実施例に示すように、空洞６からくる冷却水は、熱交換領域１３内の中央開口８を通過する。冷却水は、外側に向かって、すなわち空洞１１の方へ矢印Ｆ３の方向に流れる。
【００１９】
前壁１２は、さらに前壁３に設けた各開口４に沿いそして前壁７に設けた各通路オリフィス９と一体に出口オリフィス１４を備えている。これら整列した各オリフィス及び開口において、やりノズルの外側に撹拌ガスの噴出のための出口導管１５を配置している。これらの導管は、耐腐食性材料、例えば青銅で良好に製造され、そしてやりノズルの軸９に関して間接的に方向付けられる。
【００２０】
実施例から明らかになることであるが、中央開口へ向けて方向付けた円錐形のくぼみ１６と一体に中央に設けた本発明による外側前壁１２を例証する。このくぼみは、円錐の内部壁高さ（ｈ）と基部直径（Ｂ）とが０．３５か又はそれ以上の割合を有することが十分に好ましいと断言される。例証したこの割合の場合は、およそ０．５と同じである。このようにして、やりノズルが支配される同一の熱正面に対して熱交換領域１３が非常に増大し、そしてそれ故に前壁１２の冷却効果が増大する。描写したように、このくぼみ１６が出口導管１５から延び、そしてその結果、基部が最大の円錐を形成することがもっぱら有利である。実例に示すように、くぼみ基部Ｂと前壁１２の外径Ｅの間の割合は、およそ０．３３である。その上、くぼみ深さを介して、最大熱応力がかかる外側前壁の中央領域が、槽の表面から最大限可能な範囲に分離される。
【００２１】
図３は、本発明によるやりノズルのパラメータｈとＢの計測方法を説明している。
高さｈは、軸１９と直角なやりノズルの一方の底部接平面３０とくぼみの頂点に接する平行面３１の間で計算される。仮にくぼみに対して例えば図２のタイロッド２０のような外的なエレメントがくぼみの頂部に設けられても、平面３１は、仮にこの外的エレメントが存在しない場合にくぼみが備える位置に依然として残る。くぼみの頂部はそのとき、寸法計測にとる仮想位置になるように考えなければならない。
【００２２】
基部Ｂは底部接平面３０に位置を定められる。基部Ｂは、この平面３０とくぼみの内面３４の延長部３３の間に交差部を生じる線３２により制限される。その結果計算は、曲線的な部分が採用されない。
図１に見ることが出来るように、前壁１２の外径は、その値が最大になるところが採用される。
【００２３】
水供給部と水出口の間の分離器として機能する前壁７は、さらに前壁３に向かって方向付けた中央変形部１７を有する。この変形部１７は、中央開口８を介して頂部へ向かって開く先端を切った円錐形状を有する。
【００２４】
この先端を切った円錐部１７は、くぼみ１６で形成した円錐と同軸であり、それらの共通軸がやりノズルの軸１９になっている。くぼみ１６の円錐は、この軸に関する限りは、この軸と先端を切った円錐部１７の想像上の拡張部の間で形成した角度よりも大きい角度を軸１９と共に形成する。
【００２５】
結果として先端を切った円錐部１７は、頂点が基部よりもさらに円錐１６から離れる。しかしながら頂点において、先端を切った円錐は幅が狭くなる。冷却液の流れ方向に対して直角面に測定される前壁７と１２の間に位置した熱交換スペースの断面積は、図１に示した実施例において提供した中央くぼみ１６の存在の中に一様に不変に残存する。
【００２６】
その上、出口導管１５において、冷却液は熱交換スペースの中のこれらの導管の間の円周上に位置した隙間を介してのみ通過することができる。従って、ここで冷却液流不変断面を維持し、かつその結果付与された流量において不変の流速を維持するために、分離器として機能を果たす前壁７に内部隆起部１８が、前述の各隙間に提供される。
【００２７】
本発明によるやりノズルは、その結果、冷却液の不変流れ断面積を熱交換領域１３の全範囲に及んで提供するように改良される。そこに供給する水の一定流量は、この流量（ｄ）とやりの動作中において一定のままである断面積（Ｓ）の間の割合が得られ、この割合は、ｍ／ｓｅｃで表示した流れる液体の通過速度表示に対応している。好ましくは、流量と断面積はほぼ一定でかつ８ｍ／ｓｅｃと１２ｍ／ｓｅｃの間の流速を得るように決定される。したがってキャビテーション現象は、最大限可能な範囲において回避することができ、ノズルにおいて熱交換効果を大いに改善する。図２で説明した実施例において、くぼみ１６がよりはっきりするという事実により、やりノズルが図１に表した一方から区別されて表される。くぼみ１６の頂点は、開口１８を通過して突出し、そしてそれ故に前壁３と前壁７の間のスペースに現れ、０．８かそれより大きいｈとＢの割合を得ることが可能になる。くぼみ１６の機械的強度をより一層保証するために、固定エレメント、例えばくぼみの頂点と中央管２の前壁３の上か又は中に配置したナットの間にタイロッド２０を提供することが可能である。
【００２８】
さらに、この実施例における中央くぼみ１６は、耐熱板２１で完全に覆われている。このような方法で、冷却水とくぼみ１６で形成した円錐の間の熱交換を不変にすることを可能にすると同時に、やりノズルの中央部が槽内の熱から温度的に隔離され、熱交換効果が向上しかつやりノズルの長い耐用年数を提供する。
【００２９】
図２に示した実施例において、板２１は合成物である。すなわち、耐熱材料、例えばセラミック、又は耐熱鋼から作られた外層と、例えば繊維状のアルミナのような熱絶縁材から作られた内層とを有する。
【００３０】
実例に示すように、板２１を貫通するねじを切ったロッド２３の頭部２２とタイロッド２０の頭部に設けたねじのねじ込み部の間で、この板は簡単にクランプされている。この板を固定する他の方法も、もちろん提供されている。
【００３１】
比較テストが製鋼所の槽と同じ状況の下で行われる。そのテストは、３つの競合会社（以下の表のテストＩ〜ＩＩＩ）から従来のノズル、ｈ／Ｂ比＝０．１５でかつＤ／Ｂ比＝０．１５（テストＩＶ）でわずかな中央くぼみと共に出願者により製造されたノズルと、ｈ／Ｂ＝０．４４でかつＤ／Ｂ比＝０．３０（テストＶ）の本発明によるノズルと共に行われる。

【００３２】
ノズルの耐用年数は、このノズルを破棄しなければならなくなる前に動かすことができるいくつかの傾向で予想される。この表から見られるように、本発明によるノズルの平均耐用年数の改善は、例外的でありまた全く予期されない。
本発明は上述の実施例に限定されることなく、さらに多くの改良が添付の請求の範囲から逸脱することなく為されると解釈しなければならない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による吹込やりノズルの横断面図である。
【図２】異なる実施例の横断面図である。
【図３】本発明に必須のパラメータ計量手段を説明するための本発明によるやりノズルの詳細図である。

Claims (12)

1. 槽の撹拌を対象とした吹込やりノズルにおいて、
   − 少なくとも一つの開口（４）を備えた第一前壁（３）により、撹拌ガス供給用中央管（２）が槽に向かって向きを変えた一端において閉鎖されており、
   − 内側管（５）が中央管と共に冷却液の通路として第一環状空洞（６）を形成しており、かつ中央開口（８）及び前記第一前壁（３）に設けた開口（４）ごとに一つの通路オリフィス（９）を有している第二前壁（７）を経て槽に向かって向きを変えた一端において閉鎖されており、
   − 外側管（１０）が内側管（５）と共に冷却液の通路として第二環状空洞（１１）を形成しており、かつ前記第一前壁（３）に備えた開口（４）ごとに一つの出口オリフィス（１４）を有している第三前壁（１２）を経て槽に向かって向きを変えた一端において閉鎖されており、
   − 熱交換スペース（１３）が、一方では前記第二前壁（７）と前記第三前壁（１２）の間に配置され、他方では前記中央開口（８）と前記第二環状空洞（１１）の間に配置され、かつそこを冷却液が流れ、そして
   − 撹拌ガスが前記第一前壁（３）の各開口（４）を去りかつ前述の対応する出口オリフィス（１４）まで行くための出口導管（１５）が、冷却液を浸透させない前述の対応する通路オリフィス（９）を貫通しており、
   前記第三前壁（１２）が、前記中央開口（８）に向かって方向付けられた中央くぼみ（１６）を有し、かつ０．３５と等しいか０．３５より大きいくぼみの高さとくぼみの基部の間の割合を有しており、そして前記くぼみが存在する状態でおよそ一定のこのスペースを通る冷却液の通過スピードが得られるように、前述の熱交換スペース（１３）が実質的に不変の冷却液を通過させる断面積を有していることを特徴とする吹込やりノズル（１）。
2. 様々な前述の中心軸（１９）周りに配置された通路導管（１５）とこれらの導管の前記出口オリフィス（１４）から伸びる前記中央くぼみ（１６）を構成することを特徴とする請求項１に記載のやりノズル。
3. 第三前壁が外径を有しており、そして前記くぼみの基部が、少なくとも前記外径の０．２５倍に等しい直径を有している円であることを特徴とする請求項２に記載のやりノズル。
4. 前記第二前壁（７）が中央開口（８）の周囲に、前記第一前壁（３）に向かって方向付けられた先端を切った円錐形の中央くぼみ（１７）を有することを特徴とする請求項１から３のうちのいずれか一つに記載のやりノズル。
5. 中央くぼみ（１６）が円錐形であり、前記円錐と前記先端を切った円錐が共通軸（１９）を有しており、この軸と先端を切った円錐の形状をした中央くぼみ（１７）の間で形成した角度よりも大きい角度を、円錐形の中央くぼみ（１６）がこの軸と共に形成することを特徴とする請求項４に記載のやりノズル。
6. 中央くぼみ（１６）が前記第一前壁（３）に向かって中央開口（８）を貫いて突出することを特徴とする請求項１から５のうちのいずれか一つに記載のやりノズル。
7. 中央くぼみ（１６）の頂部を前記第一前壁（３）に固定する固定エレメント（２０）を包含することを特徴とする請求項１から６のうちのいずれか一つに記載のやりノズル。
8. 中央くぼみ（１６）が高い耐熱性材料から作られた保護スクリーン（２１）で少なくとも部分的に覆われていることを特徴とする請求項１から７のうちのいずれか一つに記載のやりノズル。
9. 保護スクリーン（２１）が中央くぼみ（１６）の頂部に固定したロッド（２３）上で維持されていることを特徴とする請求項８に記載のやりノズル。
10. いくつかの前述の通路導管（１５）が間隔を置いて円周方向に分散配置されており、前記第二前壁が各前述の間隔ごとに内側を向いた突出部（１８）を有していることを特徴とする請求項１から９のうちのいずれか一つに記載のやりノズル。
11. くぼみ高さとくぼみ基部の間の割合が、０．４、有利に０．５、好ましくは０．８より大きいかまたは等しい割合を有していることを特徴とする請求項１から１０のうちのいずれかに記載のやりノズル。
12. 熱交換スペース（１３）に予め設定した流量の水が供給され、かつこの流量と前記断面積の間の割合（ｄ／Ｓ）が、８ｍ／ｓｅｃと１２ｍ／ｓｅｃの間に達する液流の通過スピードを付与することを特徴とする請求項１から１１のうちのいずれか一つに記載のやりノズル。