KR20140108165A - 액체-기체 혼합물을 스프레이하기 위한 2 물질 노즐 및 방법 - Google Patents

액체-기체 혼합물을 스프레이하기 위한 2 물질 노즐 및 방법 Download PDF

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Abstract

2 물질 노즐 및, 액체-기체 혼합물의 스프레이 방법이 개시된다.
본 발명은 액체-기체 혼합물을 스프레이하기 위한 2 개 물질 노즐에 관한 것으로서, 이것은 혼합 챔버로 이어지는 적어도 하나의 액체 유입부 및 혼합 챔버로 이어지는 적어도 하나의 기체 유입부를 구비하는 노즐 하우징, 와류 삽입부, 유출 챔버의 단부 하류측상의 유출 개구와 와류 삽입부 사이의 유출 챔버를 포함하며, 제한부는 혼합 챔버의 하류측 단부상에 제공되고, 중간 챔버는 제한부와 와류 삽입부 사이에 제공된다.

Description

액체-기체 혼합물을 스프레이하기 위한 2 물질 노즐 및 방법{Two-substance nozzle and method for spraying a liquid-gas mixture}
본 발명은 액체-기체 혼합물을 스프레이하기 위한 2 물질 노즐에 관한 것으로서, 이것은 혼합 챔버로 이어지는 적어도 하나의 액체 유입부 및 혼합 챔버로 이어지는 적어도 하나의 기체 유입부를 구비하는 노즐 하우징, 와류 삽입부(swirl insert) 및 유출 챔버의 하류측 단부상에 있는 유출 개구와 와류 삽입부 사이의 유출 챔버를 포함한다. 본 발명은 또한 액체-기체 혼합물을 스프레이하기 위한 방법에 관한 것이다.
2 물질 노즐(two-substance nozzle)은 유럽 특허 문헌 EP 1 243 343 에 개시되어 있다.
본 발명의 목적은 향상된 2 물질 노즐 및, 액체-기체 혼합물을 스프레이하기 위한 향상된 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라서 제공되는 것은 액체-기체 혼합물을 스프레이하기 위한 2 물질 노즐로서, 이것은 혼합 챔버 안으로 이어지는 적어도 하나의 액체 유입부 및 혼합 챔버로 이어지는 적어도 하나의 기체 유입부를 구비하는 노즐 하우징을 포함하고, 와류 삽입부를 포함하고, 와류 삽입부와 유출 챔버의 하류측 단부상의 유출 개구 사이에 있는 유출 챔버를 포함하고, 제한부와 와류 삽입부 사이의 중간 챔버 및 혼합 챔버의 하류측 단부상의 제한부가 제공된다.
경이롭게도, 혼합 챔버의 하류측 단부상에 제한부를 제공하고 와류 삽입부의 상류측에 중간 챔버를 제공하면 2 물질 노즐이 구현될 수 있는데, 이것은 유출 개구를 통한 스프레이 제트 출력의 실질적으로 일정한 제트 각도를 가진다. 상기 실질적으로 일정한 제트 각도는 공급된 액체의 압력 및/또는 공급된 기체의 압력의 변화 동안에 유지된다. 그에 의하여, 본 발명에 따른 2 물질 노즐은 예를 들어 가변적이거나 또는 일정하지 않은 물의 압력이 있는 동안 실질적으로 일정한 제트 각도를 제공할 수 있다. 이는 본 발명에 따른 2 물질 노즐이 예를 들어 길이가 긴 제품을 위한 연속 주조 유닛(casting unit)들에서 가닥(strand)들을 냉각시키도록 채용될 경우에 특히 중요하다. 연속 주조 유닛에서 2 차적인 냉각의 주된 요건은 제어된 균일 냉각을 구현하는 것이다. 그러한 냉각은 2 물질 스프레이 노즐들에 의해 수행된다. 냉각은 무결함 주조 가닥의 응고를 일으키며, 즉, 전체적으로 크랙 및 분정(segregation) 없는 무결점의 가닥이 이루어지게 한다. 예를 들어, 소위 빌렛(billet), 치가 달린 주괴(cogged ingot) 또는 둥근 형상의 주괴들이 연속 주조 유닛에서 생산되고 2 물질 노즐을 이용하여 냉각된다. 다양하고 상이한 강철 품질 및 그것의 상이한 특성들에 기인하여, 그리고 주조 비율의 넓은 범위에 기인하여, 2 물질 노즐들에 대한 넓은 노즐 제어 범위를 제공할 필요가 있다. 이것은 한편으로 높은 체적 유동을 가진 매우 큰 폭의 냉각 및, 다른 한편으로 낮은 체적 유동으로 매우 부드러운 냉각이 가능하여야 함을 의미한다. 만약, 체적 유동의 변화시에, 예를 들어, 수압의 변화시에, 2 차 냉각에서의 2 물질 스프레이 노즐들의 제트 각도가 변화된다면, 그 결과는 제조된 가닥들에서의 흠결일 수 있으며, 이는 예를 들어 전체적인 외부 표면에 걸친 불충분한 냉각에 기인한다. 본 발명에 따른 2 물질 스프레이 노즐은 이러한 문제점을 극복하는데, 왜냐하면 가변적이거나 또는 일정하지 않은 수압에서도, 출력되는 스프레이의 제트 각도가 실질적으로 일정하게 유지되기 때문이다. 변화되는 액체 압력 및/또는 변화되는 기체 압력의 결과로서, 스프레이 제트 안에서의 체적 분포의 변화만이 발생되며, 즉, 출력 스프레이 제트에서 액체 분포가 변화된다. 이러한 특성은 액체 압력 및/또는 물의 압력 변화에 의해 스프레이 제트에서 정해진 상이한 액체 분포를 조절하도록 의도적으로 이용될 수 있고, 따라서 그에 의해 처리된 주조 가닥의 상이한 냉각을 조절할 수 있다. 경이롭게도, 실질적으로 일정한 제트 각도는 제한부와 와류 삽입부 사이의 중간 챔버 및 혼합 챔버의 하류측 단부상에 제한부를 제공함으로써 매우 간단한 방식으로 얻을 수 있다. 제한부의 하류측에는 액체-기체 혼합물에 액체 및 기체의 균일한 분포가 이루어지며, 분리가 방지된다. 제한부에 기인하여, 제트 각도에 의존하는 압력이 현저하게 감소되는 것이 관찰된다. 중간 챔버는 제한부와 와류 삽입부 사이에 분리가 발생되지 않도록 치수가 정해진다. 와류 삽입부에 의하여, 액체-기체 혼합물이 회전될 수 있고, 유출 개구의 하류측에서 예를 들어 완전한 원추 또는 중공형 원추가 발생될 수 있다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 제한부는 관통 플레이트를 포함한다.
관통 플레이트에 의하여, 혼합 챔버에 있는 액체-기체 혼합물의 제한부가 매우 간단한 방식으로 제공될 수 있다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 관통 플레이트는 오로지 플레이트 주위에 인접하게 배치된 복수개의 관통 구멍들을 가진다.
관통 플레이트의 주위에 인접한 곳에서만 제공된 복수개의 관통 구멍들은 중간 챔버에서 매우 균일한 액체-기체 분포를 일으키며, 따라서 액체 압력 및 기체 압력으로부터 제트 각도의 소망된 독립성이 얻어지는 것이 관찰되었다. 여기에서, 관통 구멍들은 주위에 대하여 거리를 두고 배치된 보어(bore)들일 수 있거나, 또는 예를 들어 관통 플레이트의 주위에 제공된 홈들일 수도 있다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 제한부는 단일의 중심 관통 구멍을 포함하는 오리피스를 가진다.
그러한 제한부는 중간 챔버에서, 특히 관통 플레이트와 함께, 매우 유리한 액체-기체 분포를 일으킬 수 있다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 유동 방향에서 보았을 때, 관통 플레이트는 오리피스의 상류측에 위치된다. 유리하게는, 오리피스가 유동 방향에서 보았을 때 관통 플레이트로부터 이격된다.
유동 방향에서 보았을 때, 오리피스는 대략 관통 플레이트의 반경의 거리로 관통 플레이트에 대하여 위치될 수 있다. 오리피스의 중심 관통 구멍의 크기는 관통 플레이트에 있는 관통 구멍들 사이의 거리보다 작은 직경이 관통 구멍에 구비되도록 유리하게 선택된다. 즉, 투영도에서, 관통 구멍들은 오리피스에 의해 완전하게 덮힌다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 와류 삽입부는 외측 원주상에 또는 주위 영역에 배치된 복수개의 보어들 또는 홈들을 가지며, 보어들 또는 홈들은 유출 챔버의 중심 길이 방향 축에 대하여 경사지게 또는 나선식으로 연장된다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 와류 삽입부는 스터드를 가지는데, 이것은 유동 방향으로 돌출되고 삽입부의 하류측상에서 중심 영역에 위치된다.
그러한 스터드를 제공함으로써, 본 발명에 따른 2 물질 노즐의 스프레이 특성은 변화될 수 있다. 그러한 스터드를 제공하는 것은 완전한 원추 스프레이 제트의 발생을 야기한다. 와류 삽입부상에 제공된 스터드 없이, 중공형 원추 스프레이가 발생된다. 여기에서, 와류 삽입부상의 스터드는 유출 챔버를 향하며, 따라서 유동 방향으로 연장된다. 스프레이 제트내의 액체 분포는 스터드의 길이에 의해 조절될 수 있다. 스터드가 더 길게 연장될수록, 더 많은 액체가 제트의 중심으로 지향된다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 스터드의 외측 원주는 원형이 아닌 형상을 가진다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 스터드는 와류 삽입부로부터 시작된 적어도 끝 부분에 인접하여 홈에 의해 둘러싸인다. 홈은 그 내부가 고리형이지만, 유리하게는 원형이 아닌 원주를 가진다. 예를 들어, 홈은 원에 배치된 복수개의 근접한 막힌 구멍들로 구성될 수 있다. 따라서, 막힌 구멍들은 스터드의 외측 원주 및 홈의 외측 원주 양쪽을 형성한다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 혼합 챔버는 중심 길이 방향 축을 가지며, 적어도 하나의 액체 유입부는 중심 길이 방향 축 둘레의 가상의 원에 전체적으로 접선 방향으로 혼합 챔버 안으로 이어진다.
액체를 혼합 챔버 안으로 접선 방향으로 공급함으로써, 액체 및 기체의 매우 균일한 혼합이 혼합 챔버 안에서 이미 달성된다. 여기에서 사용되는 바로서, 일반적으로 접선 방향이라는 용어는 중심 길이 방향 축에 직각임을 의미하지만, 혼합 챔버의 하류측 단부상에서 제한부의 방향으로 지향되지 않으며, 또한 반대 방향으로 지향되지도 않음을 의미한다. 결국, 전체적으로 접선 방향에서 끝나는 액체 유입부에 기인하여, 액체가 중심 길이 방향 축 둘레에서 회전(spin)되게 도입되도록, 액체는 혼합 챔버의 중심 길이 방향 축에 대하여 도입된다. 따라서, 액체는 접선 방향에 대하여 경사지게 혼합 챔버 안으로 도입될 수 있으며, 즉, 중심 길이 방향 축의 방향으로 경사지게 오프셋(offset)된다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 적어도 2 개의 액체 유입부들이 제공되는데, 각각의 액체 유입부는 중심 길이 방향 축 둘레의 가상 원에 전체적으로 접선 방향으로 혼합 챔버 안으로 이어지지만, 서로에 대하여 반대 방향이다.
이러한 방식으로, 혼합 챔버 안에서 액체 및 기체의 혼합이 더욱 향상된다.
본 발명의 목적은 2 물질 노즐을 이용한 액체-기체 혼합물의 스프레이 방법에 의해 달성되는데, 적어도 하나의 액체 유입부 및 적어도 하나의 기체 유입부를 구비하는 혼합 챔버 안에서 액체-기체 혼합물이 생성되고, 와류 삽입부에 의하여 액체-기체 혼합물이 중심의 길이 방향 축 둘레에서 회전되어 유출 개구를 통해 나가며, 혼합 챔버의 하류측 단부상에서 제한부를 통하여 액체-기체 혼합의 수행이 제공되고, 제한부와 와류 삽입부 사이의 중간 챔버를 통해 액체-기체 혼합의 수행이 제공된다.
본 발명의 향상된 실시예에서, 기체 및/또는 액체의 변화하는 압력에 의하여, 출력되는 스프레이 원추에서 액체-기체 혼합물의 분포 변화가 제공되며, 출력되는 스프레이 원추의 스프레이 각도는 기체 및/또는 액체의 압력 변화 동안에 실질적으로 일정하게 유지된다.
이러한 방식으로, 출력 스프레이 원추에서의 액체-기체 혼합물의 분포는 예를 들어 2 물질 스프레이 노즐을 이용하여 스프레이되는 가닥(strand)의 차별적인 냉각에서 한정된 변화를 허용하도록 선택적으로 그리고 의도적으로 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 도면과 함께 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 다음의 설명 및 청구 범위로부터 명백해질 것이다. 다양한 도면들에 도시된 개별적인 특징들은 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 임의로 조합될 수 있다.
도 1 은 본 발명에 따른 2 물질 노즐의 측면도이다.
도 2 는 도 1 의 2 물질 노즐의 측면도로서, 도 1 의 우측에 도시된 잠금 나사가 제거되어 있다.
도 3 은 도 2 의 절단면 A-A 를 따른 도면이다.
도 4 는 도 1 의 2 물질 노즐의 평면도이다.
도 5 는 도 1 의 2 물질 노즐을 위로부터 경사지게 도시한 것이다.
도 6 은 도 1 의 2 물질 노즐의 확대도이다.
도 7 은 도 1 의 2 물질 노즐의 짧은 파이프의 단면도이다.
도 8 은 도 1 의 2 물질 노즐의 관통 플레이트에서 위로부터 경사지게 도시한 것이다.
도 9 는 도 1 의 2 물질 노즐의 오리피스를 위로부터 경사지게 도시한 것이다.
도 10 은 도 1 의 2 물질 노즐의 와류 삽입부를 위로부터 경사지게 도시한 것이다.
도 11 은 도 10 의 와류 삽입부의 측면도이다.
도 12 는 도 10 의 와류 삽입부의 평면도이다.
도 13 은 도 12 의 절단면 A-A 를 따른 단면도이다.
도 14 는 도 1 의 2 물질 노즐의 액체 유입 부분의 측면도이다.
도 15 는 도 14 의 액체 유입 부분의 정면도이다.
도 16 은 절단면 D-D 의 단면이다.
도 17 은 도 14 의 액체 유입 부분의 위로부터 경사지게 도시한 도면이다.
도 18 은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 2 물질 노즐에 대한 와류 삽입부의 정면을 경사지게 도시한 것이다.
도 19 는 도 18 의 와류 삽입부의 측면도이다.
도 20 은 도 18 의 와류 삽입부의 정면도이다.
도 21 은 도 20 의 절단면 A-A 의 단면도이다.
도 22 는 도 1 의 본 발명에 따른 2 물질 노즐의 제트 각도의 변화를 수압의 함수로서 도시한 것이다.
도 23 은 도 1 의 본 발명에 따른 2 물질 노즐에 의해 제조된 스프레이 제트 안의 물의 분포 변화를 수압 및 공기 압력의 함수로서 도시한 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 2 물질 노즐(10)을 도시하며, 이것은 노즐 하우징(12)을 포함하는데, 여기에서 노즐 하우징(12)은 실질적으로 사각형 형상을 나타내는 제 1 하우징 섹션(14) 및, 제 1 하우징 섹션에 고정된 짧은 파이프 또는 마우스피스(mouthpiece, 16)를 구비한다. 마우스피스(16) 안에는 유출 개구(18)(도 1 에 도시되지 않음)가 제공되어 스프레이 제트를 출력시킨다. 스프레이 제트(20)는 도 1 에 점선으로 도시된 바와 같이 원추 형상을 가진다. 스프레이 제트는 제트 각도(α)를 가진다. 특히 물인, 스프레이되는 액체를 공급하기 위한 액체 연결부(24) 및, 특히 가압 공기인, 가압 기체를 공급하기 위한 가압 기체 연결부(22)가 제 1 하우징 섹션(14)상에 제공된다. 잠금 나사(26)는 도 1 에서 하우징의 우측에 제공된다.
도 2 는 도 1 의 2 물질 노즐을 측면도로 도시하는데, 잠금 나사(26)가 도시되어 있지 않다. 따라서, 액체 유입 부분(28)이 제 1 하우징 섹션(14) 안에서 볼 수 있으며, 이후에 도 3 및, 도 14 내지 도 17 과 관련하여 보다 상세하게 설명될 것이다.
도 3 의 단면도는 도 2 의 절단 평면(A-A)상의 단면을 나타낸다. 가압 기체는 가압 기체 연결부(22)를 통하여 혼합 챔버(30) 안으로 공급되는데, 혼합 챔버는 제 1 하우징 섹션(14) 안에 제공된다. 스프레이되어야 하는 물은 액체 연결부(24)를 통해 제 1 하우징 섹션(14)의 횡단 구멍 안으로 공급되고 다음에 액체 유입 부분(28)을 통해 혼합 챔버(30) 안으로 공급되기도 한다. 도 3 에서 우측에 위치하는 횡단 구멍의 단부는 잠금 나사(26)에 의해 폐쇄된다. 액체 유입 부분(28)은 액체를 위한 2 개의 통공 개구(33a,33b)들을 가지는데, 이것은 액체 유입 부분(28)의 혼합 챔버(30) 안으로 돌출된 스터드(stud)에 있는 횡단 구멍(32)에 의해 형성된다. 상기 횡단 구멍(32)은 도 14 및 도 16 에 도시되어 있다. 액체는 길이 방향 구멍(31)을 통하여 액체 유입 부분(28)으로 진입하여 횡단 구멍(32)을 직각 방향으로 가격한다. 그에 의하여, 액체는 액체 유입 부분 안에서 90℃ 의 각도로 편향되고, 횡단 구멍(32)의 2 개의 통공 개구(33a,33b)를 통하여 액체 유입 부분으로부터 배출되고, 따라서 혼합 챔버(30) 안으로 대략 접선 방향으로 진입한다. 그 안에서, 엄밀하게는 오직 횡단 구멍(32)의 중심만이 접선 방향이며, 횡단 구멍의 단부들은 통공 개구(33a,33b)들의 접선 방향에 대하여 오프셋되게 외측으로 나온다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 가압 개스 연결부(22)를 통해 진입하는 개스 제트 및 액체 유입 부분(28)을 통해 진입하는 액체가 즉각적으로 모이지 않는다. 액체는 2 개의 반대 방향에서 전체적으로 대략 접선 방향으로 횡단 구멍(32)을 통해 혼합 챔버(30) 안으로 도입된다. 그 결과는 혼합 챔버(30) 안에서 액체 및 개스의 적절하고 균일한 혼합이다.
혼합 챔버(30)로부터 시작하여, 액체-기체 혼합물은 다음에 중간 챔버(40)로 전달되어 관통 플레이트(38)를 통과한다. 중간 챔버(40)는 관통 플레이트(38) 및 와류 삽입부(42) 사이에서 연장된다. 오리피스(44)가 중간 챔버 안에 배치된다. 도시된 실시예에서, 도 8 의 관통 플레이트(38)에서 알 수 있는 바와 같이, 관통 플레이트는 전체 5 개의 관통 구멍(46)들을 구비한다. 여기에서 관통 구멍(46)들은 중심의 길이 방향 축(36)에 동일 중심인 원에서 서로 균일한 간격으로 배치된다. 관통 구멍(46)들은 관통 플레이트(38)의 주위 영역에 인접하여 배치된다. 관통 플레이트(38)는 관통 구멍(46)들에 더하여 그 어떤 다른 통공이나 통로를 포함하지 않는다. 그에 의하여, 혼합 챔버(30)로부터의 액체는 오직 관통 구멍(46)을 통해서만 중간 챔버(40)로 진입할 수 있다.
오리피스(44)는 오직 하나의 관통 구멍(48)을 구비하며, 이것은 중심 길이 방향 축에 대하여 동일 중심으로 배치되고 고리 형상으로 설계된다. 오리피스(44)에 있는 관통 구멍(48)의 직경은, 중심 길이 방향 축(36)을 따른 돌출부에서 관통 플레이트(38)에 있는 관통 구멍(46)들이 오리피스(44)에 의해 덮히지 않도록 치수가 정해진다.
따라서, 관통 플레이트(38)의 관통 구멍(46)들을 통해 중간 챔버(40)로 진입하는 액체-기체 혼합물은 오리피스(44)에 의해 편향되고 오리피스(44)의 관통 구멍(48)으로 이어진다. 관통 플레이트(38) 및 오리피스(44)는 액체-기체 혼합물에 대한 제한부를 구성한다.
오리피스(44)의 하류측에, 중간 챔버(40)의 직경은 다시 확대되고 액체-기체 혼합물은 와류 삽입부(42) 까지 이어진다. 와류 삽입부(42)에 의하여 액체-기체 혼합물은 중심 길이 방향 축(36)의 둘레에서 회전되게 움직이며, 다음에 유출 챔버(50)로 진입하는데, 그 곳에서 유출 개구(18)는 유출 챔버(50)로부터 시작된 실린더형 섹션 및, 유동 방향에서 도시된 바와 같이 실린더형 섹션과 접합된 원추형으로 벌어진 섹션을 가진다. 유출 개구(18)는 짧은 파이프 또는 마우스피스(16)에 제공되고, 배수 영역 또는 강하 가장자리(drop edge, 52)에 의해 동일 중심으로 둘러싸인다.
관통 플레이트(38)는 제 1 하우징 섹션(14)으로 나사 결합된 마우스피스의 단부상에 제공되고, 오리피스(44) 및 와류 삽입부(42)는 마우스피스(16)에 배치된다. 마우스피스(16)에는 도 7 과 비교하면 복수개의 단계들이 제공되는데, 각각의 단계는 관통 플레이트(38)의 직경, 오리피스(44)의 직경 및 와류 삽입부(42)의 직경과 각각 맞춰진다. 유출 개구(18)의 방향을 향하여, 마우스피스(16)의 내측 직경은 작아지게 된다. 유동 방향에서 볼 때, 관통 플레이트(38)는 제 1 원주 단계(52)상에 배치된다. 오리피스(44)는 제 2 원주 단계(54)상에 배치되고, 와류 삽입부(42)는 제 3 원주 단계(56)상에 배치된다. 마우스피스(16)의 내측 직경은 제 1 단계(52)로부터 제 3 단계(56)로 감소되기 때문에, 와류 삽입부(42), 오리피스(44) 및 관통 플레이트(38)는 차후에 어려움 없이 마우스피스(16)로 삽입될 수 있고, 원주 단계(56,54,52)들 각각에 기인하여 마우스피스(16) 안에 정해진 위치를 취할 수 있다. 원주 단계(52,54,56)들 사이에 설계된 실린더형 형상부 안에 실질적으로 마우스피스(16)의 내부 공간이 있다. 여기에서, 유동을 향하는 와류 삽입부(42) 및 오리피스(44)의 표면의 레벨 각각에서 추가적인 좁은 원주 단계들이 제공될 수 있다.
도 4 는 2 물질 노즐(10)의 평면도를 도시하고, 도 5 는 2 개 물질 노즐(10)을 위로부터 경사지게 도시한다.
도 6 은 2 물질 노즐(10)을 확대도로 도시한다. 와류 삽입부(42), 오리피스(44) 및 관통 플레이트(38)를 짧은 파이프(16) 안으로 삽입한 이후에, 상기 파이프는 제 1 하우징 섹션(14)으로 나사 결합된다. 도 6 은 혼합 챔버(30)를 떠나는 액체-기체 혼합물이 처음에 오직 관통 플레이트(38)에 있는 관통 구멍(46)을 통과하여야 하며, 다음에 오리피스(44)의 중심 관통 구멍(48)으로 편향되는 것을 나타낸다. 관통 구멍(48)의 하류측에서, 액체-기체 혼합물은 다시 반경 방향 외측으로 펼쳐지는 것이 허용되고, 다음에 와류 삽입부(42)의 외측 원주상에 있는 와류 도관(60)들을 통해 유출 챔버(50) 안으로 진입하고, 다음에 유출 개구(18)를 통해 스프레이 원추(spray cone)로서 나온다. 와류 도관(60)들은 와류 삽입부(42)의 외측 원주상에 배치되는데, 이것은 서로 균일한 간격으로 배치되고 중심 길이 방향 축(36)에 대하여 경사지게 배치된다. 그에 의하여, 와류 삽입부(42)에 기인하여 액체-기체 혼합물은 중심 길이 방향 축(36) 둘레에서 회전하게 되며, 결과적으로 중심 길이 방향 축(36)에 동일 중심으로 배치된 유출 개구(18)를 통하여 배출되고, 도 1 에 도시된 바와 같이 유출 개구의 하류측으로 스프레이 제트(20)를 형성한다.
도시된 실시예에서 관통 플레이트(38) 및 상기 관통 플레이트(38)로부터 거리를 두고 배치된 오리피스(44)로 구성된, 혼합 챔버(30) 하류측의 제한부를 제공함으로써, 2 물질 노즐(10)은 스프레이 원추(20)의 제트 각도(α)를 허용하도록 적합화되며, 이것은 도 1 에 도시된 바와 같이 공급되는 기체 및 공급되는 액체의 압력에 실질적으로 독립적이다. 그 어떤 경우에도, 본 발명에 따른 스프레이 노즐(10)은 기체 압력 및 액체 압력의 넓은 범위에 걸쳐서 실질적으로 일정한 제트 각도(α)을 달성할 수 있게 한다. 여기에서, 만약 오리피스(44)가 생략되면 제한부는 단지 관통 플레이트(38)에 의해서만 구성될 수 있다.
통상적으로, 스프레이 각도는 1 bar 의 공기 압력 및 4 bar 내지 8 bar 사이의 수압에서 실질적으로 일정하다. 2 bar 의 공기 압력으로써, 제트 각도는 4 bar 내지 8 bar 사이의 수압 변화시에 오직 10°보다 다소 작게 변화된다. 그러나, 수압의 변화시에, 스프레이 원추(20) 안에는 액체-기체 혼합물의 분포 변화가 있다. 실제로, 공기 압력을 증가시킴으로써, 스프레이 원추(20)의 중심에 위치한 액체-기체 혼합물이 더 많아진다. 이에 반해, 물의 압력이 증가하면, 중심 길이 방향 축(36)의 둘레에서 스프레이 원추(20)의 중심 영역에 위치한 액체-기체 혼합물이 적어진다. 본 발명에 따른 2 물질 노즐(10)을 이용함으로써, 스프레이 원추(20) 안에서 액체-기체 혼합물의 분포 및 액체 분포의 목표 제어가 각각 실행 가능하다.
도 10 은 와류 삽입부(42)의 정면을 경사지게 도시한 것이다. 와류 삽입부(42)의 외측 원주상에 배치되고 중심 길이 방향 축(36)에 대하여 경사지게 연장된 홈들이 도시되어 있다. 도 3 에서 유동으로부터 이탈되게 향하는 측에서, 와류 삽입부(42)에는 중심 길이 방향 축에 동일 중심으로 배치된 스터드(stud, 62)가 제공된다. 스터드는 도 3 에서 와류 삽입부(42)의 저부를 지나서 돌출된다. 스터드(62)의 외측 원주는 원이 아닌(non-circular) 형상을 가진다. 와류 삽입부(42)상의 스터드(62)의 베이스 지점에 인접하여, 스터드는 원주 홈(64)에 의해 둘러싸인다. 홈은 중심 길이 방향 축에 평행하게 와류 삽입부(42) 안으로 복수개의 막힌 구멍(blind hole)들을 가공함으로써 형성된다. 도시된 실시예에서, 중심 길이 방향 축(36)에 평행하게 와류 삽입부(42) 안으로 가공된 총 7 개의 막힌 구멍들이 있다. 따라서, 홈(64)의 외측 원주는 총 7 개인 원의 구획(segment)들로 구성된다. 막힌 구멍들의 중심들은 도 12 에 도시된 바와 같이 중심 길이 방향 축(36)을 동일 중심으로 둘러싸는 원에 위치된다. 스프레이 원추(20)에서의 액체-기체 혼합물의 분포는 스터드(62)의 길이를 통하여 제어될 수 있다. 만약 스터드(62)가 생략되고 유동으로부터 이탈되게 향하는 와류 삽입부(42)의 표면이 평탄하다면, 스프레이 원추(20)는 중공형 원추의 형상이 될 것이다. 스터드(62)를 제공하면 완전한 원추 형상의 스프레이 제트(20)가 형성된다.
도 11, 도 12 및 도 13 은 와류 삽입부(42)의 다른 형상을 도시한다.
도 18 내지 도 21 은 도 10 내지 도 13의 와류 삽입부(42)와 비교하여 변형된 와류 삽입부(70)를 도시하지만, 본 발명에 따른 도 1 의 2 물질 노즐(10)의 동일한 위치에 채용되도록 의도된 것이다. 도 12 및 도 13 의 와류 삽입부(42)에 대한 차이점은 이하에 설명될 것이다.
와류 삽입부(42)와 구분되게, 와류 삽입부(70)는 스터드(62)를 둘러싸는 홈(64)을 구비하지 않는다. 따라서, 스터드(62)는 와류 삽입부의 평탄 표면(72) 상에 배치되는데, 표면(72)은 도 3 에 도시된 와류 삽입부의 설치 상태에서 와류 삽입부의 하류측상에 위치된다. 와류 삽입부(42)와 같이 스터드(62)는 원형이 아닌 형상을 가지며, 스터드의 외주는 원형 실린더의 상호 접합된 오목한 부분적인 표면들로 구성된다. 전체적으로, 스터드(62)의 외주는 7 개의 상호 접합된 부분적인 원형의 실린더형 표면들로 형성된다. 와류 삽입부(70)의 외주상에서 유동 방향에 대하여 경사지게 연장된 홈들은 와류 삽입부(42)상의 홈들과 동일하다. 와류 삽입부(42)와 같이, 총 7 개의 경사지게 연장된 홈들이 외측 외주상에 제공된다.
도 22 는 도 1 의 본 발명에 따른 2 개 물질 노즐에서 수압이 변화하면서 제트 각도가 변화하는 것을 나타낸 총 4 개의 곡선들을 도시한다. 상이한 곡선들은 상이한 공기 압력들에 대응한다. 다이아몬드로 표시된 곡선은 1 bar 의 공기 압력에서 제트 각도의 변화를 나타내고, 정사각형으로 표시된 곡선은 2 bar 의 공기 압력에서 제트 각도의 변화를 나타내고, 삼각형으로 표시된 곡선은 2.5 bar 의 공기 압력에서 제트 각도의 변화를 나타내고, 원으로 표시된 곡선은 3 bar 의 공기 압력에서 제트 각도의 변화를 나타낸다.
수압의 변화시에, 제트 각도는 상대적으로 좁은 범위내에서 공기 압력과 독립적으로 변화된다는 점이 드러난다. 따라서, 본 발명에 따른 2 물질 노즐은 제트 각도에 관한 한, 수압의 변화에 영향을 받지 않는다.
도 23 은 도 1 에 도시된 본 발명에 따른 2 물질 노즐의 스프레이 제트에서의 물의 분포에 대한 정성적 변화(qualitative variation)를 가변적인 공기 압력 및 수압에서 각각 개략적인 그래프로 나타낸다. 도면 번호 74,76,78 는 스프레이 제트에서의 상이한 물의 분포를 나타내며, 공기 압력의 증가와 함께 제트의 중심에 더 많은 액체가 있다는 점이 드러난다. 물의 분포(74,76,78)는 스프레이 제트의 중심 축 둘레에서 전체적으로 대략 축에 대하여 대칭이다.
도 23 에 도시된 바와 같이, 물의 압력이 증가하면, 물의 분포(78)로부터 시작하여, 처음에는 물의 분포(76)가 발생되고 다음에는 물의 분포(74)가 발생된다. 선(80,82)들은 상이한 물의 분포(74,76,78)들의 개별적인 범위들 사이에서 대략적인 분리 선(parting line)들을 각각 나타낸다.
결국, 본 발명에 따른 2 물질 노즐은 실질적으로 일정한 제트 각도에서의 공기 압력 및/또는 수압의 조절에 의하여 소망되는 수압의 조절을 허용한다. 이러한 방식으로, 연속적인 주조 유닛(casting unit)에서 길이가 긴 제품들은 본 발명에 따른 2 물질 노즐의 수압 및/또는 공기 압력을 변화시킴으로써 상이한 냉각 체제를 경험할 수 있다.
10. 2 물질 노즐 12. 노즐 하우징
14. 하우징 섹션 16. 마우스피스
18. 유출 개구 20. 스프레이 제트

Claims (15)

  1. 혼합 챔버(30)로 이어지는 적어도 하나의 액체 유입부 및 혼합 챔버(30)로 이어지는 적어도 하나의 기체 유입부를 구비하는 노즐 하우징, 와류 삽입부(42), 유출 챔버(50)의 하류측 단부상의 유출 개구(18)와 와류 삽입부(42) 사이의 유출 챔버(50)를 포함하는, 액체-기체 혼합물을 스프레이하는 2 물질 노즐(10)로서,
    혼합 챔버(30)의 하류측 단부상의 제한부(restrictor) 및, 상기 제한부와 와류 삽입부(42) 사이의 중간 챔버(40)를 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제한부는 관통 플레이트(38)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  3. 제 2 항에 있어서,
    관통 플레이트(38)는 플레이트 주위에 인접하게 배치된 복수개의 관통 구멍(46)들을 오직 가지는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  4. 전기한 항들중 적어도 한 항에 있어서,
    제한부는 단일의, 중심 관통 구멍(48)을 구비한 오리피스(44)를 가지는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  5. 전기한 항들중 적어도 한 항에 있어서,
    제한부는 플레이트 주위에 인접하게 배치된 복수개의 관통 구멍(46)들을 구비한 적어도 하나의 관통 플레이트(38) 및, 단일의 중심 관통 구멍(48)을 구비한 적어도 하나의 오리피스(44)를 가지는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  6. 제 5 항에 있어서,
    유동 방향에서 보았을 때, 관통 플레이트(38)는 오리피스(44)의 상류측에 위치되는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  7. 제 6 항에 있어서,
    유동 방향에서 보았을 때, 오리피스(44)는 관통 플레이트(38)로부터 이격되는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  8. 전기한 항들중 적어도 한 항에 있어서,
    와류 삽입부(42)는 주위 영역에 배치된 복수개의 보어(bore)들 또는 외측 원주상에 배치된 홈들을 구비하고, 보어들 또는 홈들은 유출 챔버(50)의 중심 길이 방향 축(36)에 대하여 경사지게 또는 나선형으로(helically) 연장되는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  9. 전기한 항들중 적어도 한 항에 있어서,
    와류 삽입부(42)는, 유동 방향으로 돌출되고 와류 삽입부의 하류측상에서 중심 영역에 위치된 스터드(stud, 62)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  10. 제 9 항에 있어서,
    스터드(62)의 외측 원주는 비원형(non-circular) 형상을 가지는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서,
    스터드(62)는 와류 삽입부(42)로부터 시작된 스터드의 단부에 적어도 인접하여 홈(64)에 의해 둘러싸이는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  12. 전기한 항들중 적어도 한 항에 있어서,
    혼합 챔버는 중심 길이 방향 축(36)을 가지고, 적어도 하나의 액체 유입부는 중심 길이 방향 축(36) 둘레의 가상 원(imaginary circle)에 전체적으로 대략 접선 방향으로 혼합 챔버(30) 안으로 이어지는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  13. 제 12 항에 있어서,
    적어도 2 개의 액체 유입부들이 제공되고, 각각의 액체 유입부는 중심 길이 방향 축(36) 둘레의 가상 원에 대하여 전체적으로 접선 방향으로 혼합 챔버(30) 안으로 이어지되, 서로에 대하여 반대 방향인 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐.
  14. 2 물질 노즐을 이용한 액체-기체 혼합물의 스프레이 방법으로서, 적어도 하나의 액체 유입부 및 적어도 하나의 기체 유입부를 구비하는 혼합 챔버(30) 안에서 액체-기체 혼합물이 생성되고, 와류 삽입부(42)에 의하여 액체-기체 혼합물이 중심의 길이 방향 축(36) 둘레에서 회전되어 유출 개구(18)를 통해 유출되며,
    혼합 챔버(30)의 하류측 단부상에서 제한부를 통하여 액체-기체 혼합을 수행하는 단계 및,
    제한부와 와류 삽입부(42) 사이의 중간 챔버(40)를 통해 액체-기체 혼합을 수행하는 단계를 특징으로 하는, 2 물질 노즐을 이용한 액체-기체 혼합물의 스프레이 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    스프레이 제트(20)의 실질적으로 일정한 원추 각도(α)를 가지면서, 공급되는 액체의 압력 및/또는 공급되는 기체의 압력을 변화시킴으로써 스프레이 제트 내의 액체-기체 혼합물의 분포를 변화시키는 것을 특징으로 하는, 2 물질 노즐을 이용한 액체-기체 혼합물의 스프레이 방법.
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