WO2010136029A2 - Verwendung einer höhenkompensierenden düse - Google Patents

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WO2010136029A2
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Saar-Metallwerke Gmbh
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    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Definitions

  • the invention relates to the use of a height-compensating nozzle.
  • the pig iron produced in a blast furnace process contains various undesirable impurities such as carbon, manganese, silicon, phosphorus, sulfur. These can lead to embrittlement, poor forgeability or an unintentionally low melting point.
  • the oxygen lance consists essentially of a central O 2 - gas line with usually two concentrically arranged sheaths. These are used as a supply and discharge of a coolant.
  • the coolant absorbs the heat energy to a large extent, which is mainly absorbed by heat radiation and convection of the lance and lance head, and transports them from the thermally endangered lance head out of the converter.
  • the part of the lance head directly exposed to the thermal energy consists of copper or copper alloys. For a sufficient heat conduction is achieved.
  • the present state of the art corresponding, used coolant is water.
  • the main purpose of an oxygen lance, and in particular of the lance head, is the directional blowing of the oxygen onto the molten metal and into the molten metal.
  • the Oxygen mass flow according to the method expands to the ambient pressure of the converter, wherein the gas is accelerated within a Laval nozzle or, more rarely, a bell-shaped nozzle to in some cases multiple supersonic speed. By accelerating it is possible to blow the oxygen up and into the melt, where complex metallurgical processes are set in motion.
  • the lance in the converter atmosphere is exposed to extreme conditions, it comes despite the cooling to a wear of the lower portion of the oxygen lance. This affects in particular the nozzles. If the nozzles are not calculated correctly, or if the oxygen lance is not operated according to the design as a result of the process, under- or over-expansion of the oxygen occurs against the converter atmosphere. In one case, there is an uncontrolled behavior of the oxygen jet, which is associated with losses and in the other case to a damage of the nozzle geometry by suction effects and penetration of the converter atmosphere in the inner nozzle geometry.
  • nozzles By “internally expanding nozzles” is meant analogously nozzles in which the expansion of the gas at the ideal design point (almost) completely within the nozzle geometry runs .. The gas is adjusted at the nozzle exit edge in the theoretically ideal point to the ambient pressure of the diffuser-side system boundary.
  • the gas flows through the nozzle, starting from an overpressure volume, to the outside, with an acceleration as well as an adaptation of the gas to the external pressure conditions.
  • Typical representatives of internally expanding nozzles include, for example: Laval nozzles with rectilinear expansion geometry or "bell nozzles" with rotationally symmetrical, parabolic exit geometries.
  • Lance-head nozzles with internal expansion - such as the Laval nozzle with conical or parabolic contour - are designed in your mathematical calculation to an assumed, static ambient pressure and an assumed mass flow of the O 2 or the nozzle form.
  • this part - the "lance head" - is considered a wear part Lancet head by a stronger wear, such replacement is necessary according to more often.
  • the O 2 mass flow is reduced during a sublance use.
  • the sublance is used to perform measurements.
  • the oxygen mass flow in practice is often reduced by the converter operator to approx. 50% in order to protect the sublance.
  • one or more nozzles designated as "height compensating" in aerospace engineering as outlet nozzles of a feed device for industrial gases into a container during the melting and / or metallurgical treatment of metals.
  • nozzles are known from the aerospace industry. Exemplary embodiments of such nozzles are, for example, the so-called aerospike nozzles, “plug nozzles”, “single expansion ramp nozzles” or the so-called ED nozzles (expansion-deflection nozzles). Because these at different ambient pressures according to the different heights and thus the different external pressure conditions during a flight to ensure sufficient thrust.
  • Vigor YANG Vigor YANG; Mohammed HABIBALLAH; James HULKA, Michael POPP
  • the ratio of the ambient pressure to the pressure of the gas flowing out of the nozzle is important.
  • the ambient pressure over the different heights in a flight has a large span.
  • changes in the present application are based primarily on pressure fluctuations of the gas exiting the nozzle and thus the pressure ratio of external pressure to internal pressure.
  • these height-compensating nozzles are designed as outwardly expanding nozzles or as internally and externally expanding nozzles (example: stepped nozzle or extended nozzle).
  • the gas flow is first pre-expanded through a first nozzle (primary nozzle) (usually via Mach 1) and in the second step either by an outer contour (for example the spike of a Aerospikedüse or at a flow or shock edge (example: ED nozzle)) brought to the design spectrum.
  • a first nozzle primary nozzle
  • an outer contour for example the spike of a Aerospikedüse or at a flow or shock edge (example: ED nozzle)
  • At least one outlet nozzle in the inner region of the outlet opening at least one shaped body is attached, through which the outflowing technical gas is conducted into the edge region of the at least one outlet nozzle.
  • moldings in the form of additional bodies or additional moldings are used which do not yet lead the gas completely out of the nozzle.
  • the expansion takes place by the contouring of the moldings according to the design within the converter atmosphere.
  • the adaptation to the respective converter pressure is for the most part thus targeted within the converter and not as in the case of internally expanding nozzles, in particular Laval nozzles or bell nozzles, within the nozzle contour.
  • the expansion in the converter corresponds to an operating point at Lanzen previous design, which differs greatly from the nominal operating point of the nozzle design
  • the inventive nozzle with additional nozzle elements such as deflectors or expansion bodies are designed for the final pressure adjustment to the converter pressure only outside the geometric limits of the oxygen lance.
  • lance heads according to the invention can use additional geometries, which bring about a directed deflection of the flowing medium. This also means that the medium is compressed with respect to a nozzle without such additional geometry. The relaxation of the flowing medium is thus targeted and directed outside the nozzle after the discharge of the flowing medium from the nozzle.
  • the shaped body protrudes beyond the edge of the outlet nozzle.
  • This design corresponds to the Aerospike nozzles known from the aerospace industry.
  • a shaping and orientation of the expanding gas after exiting the nozzle is effected by the shaped body.
  • the shaped body is mounted so that it can be changed in its position in the outlet direction of the outlet nozzle.
  • the flow behavior of the nozzle can advantageously be changed.
  • the change in position can be done by positioning the molding before the start of the process.
  • Particularly advantageous is an embodiment in which the positioning of the shaped body can also be changed during the ongoing process.
  • the shaped body is adjustable by means of an actuating element in its position.
  • the shaped body can be changed by means of a control or regulation in its position.
  • the molded body is resiliently mounted, wherein the positioning of the shaped body is effected by the resilient mounting of the molded body, the pressure of the flowing technical gas and the ambient pressure.
  • the shaped body has at least one passage opening through which a part of the technical gas and / or another gas and / or another substance can be discharged in the outlet direction of the outlet nozzle.
  • This other substance can also be coal dust, for example, which can be introduced specifically for certain metallurgical processes.
  • the molded body can be shortened with respect to an aerospike nozzle.
  • the medium exiting through the passage opening acts as a virtual extension of the shaped body for the expanding gas. so that the conditions for the expansion of the gas are substantially identical or at least similar to the ratios to an aerospike nozzle with a usual length of the shaped article (spike).
  • the effect of the virtual extension can be explained by the pressure difference of the resulting medium through the passage to the expanding gas.
  • the shortening of the shaped body proves to be advantageous insofar as an overhanging shaped body is again closer to the surface of the liquid metal than the outlet opening of the nozzle. This may be problematic because of the temperature conditions and the converter atmosphere. In that regard, the shortening of this shaped body proves to be advantageous.
  • a conveying channel or a conveying pipe can be connected or connectable to the passage opening, through which specific technical gases or substances, such as coal particles, can be dispensed through the passage opening.
  • the materials (substances or gases) which are discharged through the passage opening can advantageously be separated from the materials which are otherwise dispensed from the nozzle.
  • the cooling nozzles are associated with the outlet nozzles, which extend outside the nozzles along the outer contour of the outlet nozzles at least substantially transversely to the direction of flow of the outlet nozzles, wherein a coolant is conveyed through the cooling channels, wherein the outer contour of the outlet nozzles not one have axisymmetric but elongated cross section, wherein the longitudinal direction of the cross section is in the flow direction of the coolant.
  • the cooling channels are introduced in the solid material of the outer contour of the outlet nozzles.
  • the adapted outer contour of the outlet nozzles with the extension in the direction of flow of the coolant proves to be advantageous in that a significantly better cooling efficiency is effected. Due to the lower flow resistance, a larger amount of cooling liquid can be conveyed. Furthermore, a more favorable flow of the cooling medium can be realized.
  • the flow cross-section between the nozzles can be enlarged and streamlined at a nozzle number of at least two nozzles. While the flow velocity between the nozzles in a round design greatly increases, it comes in the flow direction behind the nozzle to a strong reduction in the flow velocity. This considerably reduces the cooling capacity in the slow flow region and may possibly lead to a reduction in the durability of the nozzle shell. In addition, it is possible that at these points water passes into the vapor phase. This can also have undesirable consequences.
  • the described adaptation of the outer contour of the nozzles allows a larger amount of heat energy to dissipate.
  • stretched in the flow direction of the water cross-section results in a better flow around the outer contour of the nozzle, since turbulence can be reduced or avoided. This results in a more efficient cooling.
  • the molded body in its connection to the material of the outer contour of the outlet nozzle and in its interior at least one cooling channel.
  • the shaped body is cooled.
  • the shaped body has at least one connection to the material of the outer contour of the outlet nozzle, via which the shaped body is fastened in the interior of the outlet nozzle.
  • a cooling channel in this at least one connection and a further design of the cooling channel in the interior of the molded body can advantageously be used for direct cooling of the molded article from the inside.
  • the cooling channel in the molded body extends with the supply line and with the discharge in the flow direction. This results in turn for the direct cooling of the molded body, a low flow resistance. As a result, the cooling can advantageously be designed with good efficiency.
  • EAF Elektro Are Furnace
  • a concentration of the kinetic energy and a beam bundling which causes the technical gas to penetrate into the process space even without such an enveloping gas, take place.
  • E-D nozzles offer additional possibilities of optimized lance blowing through adapted "operating modes."
  • E-D nozzles are characterized by two different flow behaviors, which are referred to as “open” and “closed”.
  • the outflowing gas fills the entire nozzle and works like a bell-shaped nozzle without pressure compensation. Increases the pressure ratio between the oxygen in the narrowest outlet section and the converter pressure and reaches a certain value - the design point -, the behavior of the expanded gas changes.
  • the gas flow within the nozzle contour is annular and leaves the inner nozzle contour is not fully expanded.
  • the gas flow receives the already described compensation characteristic, in which the converter pressure itself forms a contour formed from different gas states, at which the expansion can take place. This leads to a nearly ideal expansion behavior over a much larger range in the ratio of internal pressure before the nozzle to the external pressure, compared to previously used nozzles such as the conical Laval nozzles.
  • blow lances according to the invention can thus have far-reaching positive effects on the processes in converters and their operation. Processes with different oxygen flows and nevertheless comparatively high efficiency become possible.
  • vacuum processes for steel treatment which are operated at very low pressure (for example, in the VOD (Vacuum Oxygen Decarburization) method). Since there are some fluctuations in the operating pressure ranges (vacuum, for example 0.01 bar - 0.001 bar), an oxygen head with height-compensating nozzle can greatly contribute to process safety, since the behavior of this type of nozzle is much more tolerant to pressure differences inside / outside.
  • VOD Vauum Oxygen Decarburization
  • the present invention is based on the realization of using such nozzles in the field of steelmaking. This ensures that in the steelmaking and especially when refining with oxygen lances nozzles are used in which at least largely an external expansion of the gas takes place.
  • a coolant flow such as, for example, flows through. Water the lance in the two outer tube areas. In the middle tube, the oxygen is led through the lance tubes to the tube end (the lance head). In this area there is at least one nozzle through which the gas flows into the converter.
  • cooling water and gas areas may also be different if it allows an advantageous embodiment.
  • oxygen lance heads with aerospike Due to the cross-sectional constriction of the conduit from the gas-carrying tube into the inlet of the nozzle with a smaller flow cross-section, the gas is compressed. In the course of the nozzle entry to the narrowest point of the nozzle occurs within an annular contour to a further compression on the limitation of the nozzle hole and the centrically mounted Aerospike body. In this case, the nozzle surrounds the inner part of the aerospike, which is part of the compression cross section.
  • the attachment of the aerospike can be done in different ways.
  • it can be fastened in the nozzle tubes by means of fastening straps attached to the side or also on another part of the oxygen unit or of the lance head.
  • Practical is also the fixing of the molding on the gas inlet side in a disc with gas passage openings.
  • Another possibility is the Anformung to an existing, belonging to the basic geometries of a lance head component.
  • the gas is directed at an angle to be determined to the contour of the aerospike. From there, the gas expands into the converter and is directed through the aerospike in the outer area of the lance head. Since an ideal shaped body is too long for a practical operation according to the design, it can be shortened. This reduces the efficiency. However, with reasonable curtailment, the losses are justifiable, as the missing edges are modeled by complex flows as the ideal contour of gas and complex shock layers.
  • the molded body is divided essentially into an inner and an outer region.
  • the gas is guided according to the design, adapted to the pressure or the exit surface according to the nozzle design and brought to the exit from the lance head.
  • the mass flow is directed against a nozzle geometry lying outside the lance head, wherein the jet can already be accelerated by an upstream expansion contour to a Mach number greater than 1.
  • the further adaptation of the beam is usually not yet completed.
  • the point of maximum compression is brought very close to the geometric boundary to the converter space.
  • the gas expands directly against the ambient pressure.
  • the relaxation over a constructively planned, external contour of the lance head has the advantage that the expansion over a wide range of pressure ratios and closer to the ideal behavior can be performed as is the case with a lance head of known design under the same conditions.
  • the "height compensation” therefore causes a "self-adaptation” in the sense that a better process behavior is achieved over a larger value range of the process parameters. This also results in a higher efficiency outside the design point.
  • the outer geometry can have different contours.
  • the remaining stumps can be effective because the attributable areas are partially reformed by forming gas flows, these areas themselves act as a continued nozzle contour beyond the end of the nozzle.
  • the mouth region of the inner nozzle can be formed, for example, as a ring passage or by means of a plurality of directed outlet openings.
  • optional flow geometries attached axially to the nozzle may be attached. These flow geometries may be one or more wells that assist in the formation of desired flows.
  • Such an additional nozzle is also referred to as "base bleeding" when the exit is at the center of the geometry.
  • the attachment of the nozzle geometries which are required for the inventive design of a lance head, depending on the embodiment directly on the lance head be molded or be multi-part.
  • the nozzle geometries may be attached to a base body by connection techniques such as mating, gluing, or welding to the lance head.
  • connection techniques such as mating, gluing, or welding to the lance head.
  • different materials can be used.
  • copper may be used for the base body, which may include the inner nozzle portion, and ceramic for the tapered outer nozzle portion.
  • Oxygen lances with E-D nozzles are characterized by nozzles with a deflector in oxygen flow.
  • the design of an E-D nozzle is similar to a bell nozzle with a centric shaped body to which the deflector is attached. In this case, the deflector usually ends before the nozzle exit edge.
  • Figures 1 - 4 different views of a lance head with an ED nozzle and a shaped body (pin) in the ED nozzle
  • Figures 5-8 different views of a lance head with an aerospike nozzle and the shaped body (spike) in the Aerospike nozzle .
  • FIGS. 9-12 show various views of a lance head with a further aerospike nozzle and of the shaped body (spike) in the aerospike nozzle,
  • FIGS. 13-16 different views of a lance head with another Aerospike nozzle and the shaped body (spike) in the Aerospike nozzle
  • Figures 17 - 20 different views of a lance head with another ED nozzle and the molded body (pin) in the ED nozzle
  • FIGS. 21-25 different views of a lance head with a further ED nozzle and the shaped body (pin) in the ED nozzle
  • FIG. 26 the representation of a shaped body (spike) of an aerospike nozzle
  • FIG. 27 shows an exemplary embodiment of the use of a nozzle according to the present invention in an electric furnace
  • FIG. 28 shows a nozzle in a lateral section
  • FIG. 29 shows the nozzle according to FIG. 28 in a top view in the flow direction
  • FIG. 30 shows another embodiment of a nozzle in a lateral section
  • FIG. 31 shows the nozzle according to FIG. 30 in a top view in the flow direction
  • Figure 32 a nozzle with a shaped body and cooling channels in a lateral
  • Section, Figure 33 the representation of the nozzle of Figure 32 in a plan view from below in a section and
  • Figure 34 a circular arrangement of outlet nozzles with moldings in one
  • FIG. 2 shows a lance head 1 with an ED nozzle 201 in a lateral section.
  • FIG. 1 shows the associated top view of the lance head 1 from above.
  • the lance head 1 has in its interior a delivery channel 2, through which the technical gas is conveyed in the direction of the ED nozzle 201 to exit there. Furthermore, flow 3 and return 4 of a cooling circuit can be seen, over which the lance head is to be cooled by the circulation of cooling water in this cooling circuit 3, 4th
  • a molded body 202 is arranged, which by way of example has three fastening elements 5, 6, 7, which rest on a shoulder of the E-D nozzle 201. In addition, the molded body 202 is held in position.
  • Figures 3 and 4 show the molded body 202 from different perspectives.
  • the fastener 7 is hidden in this illustration.
  • the fasteners 5 and 6 can be seen.
  • FIG. 6 shows a lance head 601 with, for example, an aerospike nozzle 602 in a lateral section.
  • FIG. 5 shows the associated top view of the lance head 601 from above.
  • the lance head 601 has in its interior a delivery channel 603, through which the technical gas is conveyed in the direction of the aerospike nozzle 602 to exit there. Furthermore, flow 3 and return 4 of a cooling circuit can be seen, over which the lance head is to be cooled by the circulation of cooling water in this cooling circuit 3, 4th
  • a molded body 604 is arranged, which has three fastening elements 5, 6, 7, which rest on a shoulder of the aerospike nozzle 602. In addition, the molded body 604 is held in position.
  • FIGS. 7 and 8 show the molded body 604 from different perspectives.
  • the fastener 7 is hidden in this illustration.
  • the fasteners 5 and 6 can be seen.
  • FIG. 10 shows a lance head 1001 with an aerospike nozzle 1002 in a lateral section.
  • FIG. 9 shows the associated top view of the lance head 1001 from above.
  • the lance head 1001 has in its interior a delivery channel 1003, through which the technical gas is conveyed in the direction of the aerospike nozzle 1002 to exit there. Furthermore, flow 3 and return 4 of a cooling circuit can be seen, over which the lance head is to be cooled by the circulation of cooling water in this cooling circuit 3, 4th
  • a molded body 1004 is arranged, which has three fastening elements 5, 6, 7.
  • this shaped body 1004 is supported in its lower region to the edge of the aerospike nozzle 1002.
  • a support plate 1005 can be seen, which has passages 1006 for the technical gas. This support plate 1005 rests on a shoulder of the aerospike nozzle 1002.
  • the molded body 1004 is held in position.
  • FIGS 11 and 12 show the molded body 1004 from different perspectives.
  • the fastening elements 5, 6, 7 are introduced into the illustrated receiving slots 1007, 1008 for these fastening elements 5, 6, 7.
  • FIG. 14 shows a lance head 1401 with an aerospike nozzle 1402 in a lateral section.
  • FIG. 13 shows the associated top view of the lance head 1401 from above.
  • the lance head 1401 has in its interior a delivery channel 1403, through which the technical gas is conveyed in the direction of the aerospike nozzle 1402 to exit there. Furthermore, flow 3 and return 4 of a cooling circuit can be seen, over which the lance head is to be cooled by the circulation of cooling water in this cooling circuit 3, 4th
  • a molded body 1404 is arranged, which has three fastening elements 5, 6, 7, which rest on a shoulder of the aerospike nozzle 1402. In addition, the molded body 1404 is held in position.
  • FIGS. 7 and 8 show the molded body 1404 from different perspectives.
  • the fastening element 7 is concealed in the representation of FIG.
  • the fasteners 5 and 6 can be seen.
  • the molded body 1404 has a passage opening 1405. Through this passage opening 1405, the technical gas can be output, which also emerges from the aerospike nozzle 1402 in the other.
  • this passage opening 1405 proves to be advantageous, because thereby the flow behavior of the exiting gas is so infiuated that the gas flows out of the passage opening 1405 after emerging from the aerospike nozzle along this jet. This allows the emerging gas jet with appropriate design in some cases form advantageous.
  • such a passage opening may also be present in the case of a shaped body of an E-D nozzle.
  • FIG. 18 shows a lance head 1801 with an E-D nozzle 1802 in a lateral section.
  • FIG. 1 shows the associated top view of the lance head 1801. In contrast to the representation of FIG. 2, this is not a bell nozzle but an embodiment of the basic geometry as a Laval nozzle.
  • the lance head 1801 has in its interior a delivery channel 1803, through which the technical gas is conveyed in the direction of the E-D nozzle 1802 to exit there. Furthermore, flow 3 and return 4 of a cooling circuit can be seen, over which the lance head is to be cooled by the circulation of cooling water in this cooling circuit 3, 4th
  • a molded body 1804 is arranged, which has three fastening elements 5, 6, 7, which rest on a shoulder of the ED nozzle 1802.
  • the molded body 1804 is held in position.
  • Figures 19 and 20 show the molded body 1804 from different perspectives.
  • the fastening element 7 is concealed in the representation of FIG.
  • the fasteners 5 and 6 can be seen.
  • FIG. 22 shows a lance head 2201 with an E-D nozzle 2202 in a lateral section.
  • FIG. 21 shows the associated top view of the lance head 2201 from above.
  • the lance head 2201 has in its interior a delivery channel 2203, through which the technical gas is conveyed in the direction of the E-D nozzle 2202 to exit there. Furthermore, flow 3 and return 4 of a cooling circuit can be seen, over which the lance head is to be cooled by the circulation of cooling water in this cooling circuit 3, 4th
  • a molded body 2204 is arranged, which has three fastening elements 5, 6, 7, which rest on a shoulder 2206 of the E-D nozzle 2202 via a spring-elastic mounting 2205.
  • the molded body 2204 is held elastically in position. Due to this resilient mounting, the flow behavior of the E-D nozzle 2202 is advantageously variable.
  • the shaped body 2204 again has a passage opening 2207, which has already been explained in connection with FIGS. 13 to 16 for a spike of an aerospike nozzle.
  • Figures 23, 24 and 25 show the molded body 2204 from different perspectives.
  • FIG. 26 shows the representation of a shaped article (spike) 2602 of an aerospike nozzle 2601.
  • the dashed extension 2603 shows the full length of the shaped article (spike) 2602.
  • an aerospike nozzle has optimal flow behavior with a full length spike.
  • an approximately optimal flow behavior is still achievable if the spike is shortened accordingly.
  • the tip of this shaped article would come close to the metal bath and would thus be exposed to a correspondingly high temperature without the spike being able to be cooled to the tip.
  • the molded body 2602 can still be provided with a central passage opening, as has already been explained in connection with the illustration of FIGS. 13 to 16.
  • Figure 27 shows an embodiment of the use of a nozzle 2701 of the present invention in an electric furnace 2702 with a refractory lining 2703.
  • electric furnaces are also referred to as electric arc furnaces or EAF.
  • Steel scrap is melted in these furnaces for reuse in new steels.
  • a direct current or alternating current arcs are formed between one or more electrodes and the material to be melted.
  • the nozzle 2701 has a molded body 2704 having a central passage 2705.
  • the surface 2706 of a metal bath can be seen. From the nozzle 2701 exits a central center jet 2707. Lines 2708 and 2709 describe the envelopes of the gas exiting the nozzle 2701. By the directed discharge of the gas, this can advantageously penetrate through the surface 2706 of the metal bath into the metal bath. The penetration depth advantageously supports metallurgical processes. It can also be a support of the melting process of scrap, which is positioned in front of the nozzle.
  • the central center jet 2007 consists in the illustrated embodiment of coal particles.
  • the boundary lines 2708 and 2709 indicate that the gas is passing through the Nozzle characteristic compared with the use of previous nozzle concepts characterized by improved coherence. As a result, if applicable, the hitherto customary use of a ignited natural gas / oxygen mixture as envelope gas can be omitted.
  • FIG. 28 shows a nozzle 2801 in a lateral section. Again, a shaped body 2802 can be seen. Unlike the nozzles shown so far, the nozzle 2801 is only mirror-symmetrical to the central axis, which passes centrally through the molded body 2802. However, the nozzle 2801 is not rotationally symmetric.
  • FIG. 29 shows the nozzle 2801 according to FIG. 28 in a top view in the flow direction. It can be seen that the nozzle 2801 has a stretched (ie not rotationally symmetrical) profile in the transverse direction. This profile can be rectangular in section. It can be seen from lines 2901 that the edges of this profile can also be rounded.
  • the cross-sectional profiles along the course axis to the cross-sectional profiles of rotationally symmetrical nozzles may be identical or at least similar.
  • the nozzles with the stretched cross-sectional profiles are not rotationally symmetrical.
  • this profile of the nozzle can be used not only in the illustrated E-D nozzle but also in aerospike nozzles.
  • this profile is also suitable for conventional nozzles, because also in this case an efficient cooling important is. This was already mentioned in the introductory part of the introduction in connection with the reservation of a separate divisional application directed thereto.
  • FIG. 30 shows another embodiment of a nozzle 3001 in a lateral section. It can be seen that again a shaped body 3002 is present. Instead of an annular opening of the nozzle, a plurality of openings 3003 are provided, which are located along the outer periphery of the nozzle 3001.
  • FIG. 32 shows a nozzle 3201 with a shaped body 3202 and cooling channels 3203, 3204 in a lateral section.
  • This can be an outlet nozzle, which is shown in FIG. 33 in a plan view from below. This means that this outlet nozzle is stretched in its outer contour in the flow direction of the cooling channels 3203, 3204. Of this extension is not seen in the representation of Figure 32, since the representation of Figure 32 shows a section transverse to the direction of this stretch.
  • the cooling channel 3203 extends outside the outlet nozzle 3201 along the outer contour at least substantially transversely to the direction of the flow of the outlet nozzles 3201.
  • This direction of the flow of the outlet nozzles is indicated by the arrow 3205.
  • this direction is meant the flow direction of the gas or particles emitted via the outlet nozzle 3201.
  • the molded body 3206 has in its connection to the material of the outer contour of the outlet nozzle 3201 and in its interior at least one cooling channel 3204.
  • the molded body 3206 has a first connection 3301 to the material of the outer contour of the outlet nozzle 3201, which is arranged on the one shorter side of the cross section.
  • the molded body 3206 has a further connection 3302 on the opposite side. It can be seen that the cooling channel 3204 is guided via the connection 3301 as a feed line to the molded body 3206 and via the further connection 3302 as a discharge of the cooling channel 3204 from the shaped body.
  • the arrows 3303 show the flow direction of the cooling medium.
  • Figure 34 shows a circular arrangement of outlet nozzles 3401 with moldings 3402 in a plan view from below.

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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

BESCHREIBUNG
Verwendung einer höhenkompensierenden Düse
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 der O2-Massenstrom durch mindestens eine im Kopf integrierte Düse mit anschließendem Diffusor geführt wird. Dadurch erfolgt eine Innenexpansion, wobei die Düse ohne weitere dahinter geschaltete/angeordnete Expansionseinrichtungen direkt im Konverterraum endet. Das Gas expandiert also innerhalb einer vorgegebenen Ausformung innerhalb des Lanzenkopfes an einer nach außen gerichteten divergierenden Ausformung. Als Bauform ist hier insbesondere die kegelförmige 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 durch verfrühtes Abreißen der Strömung zu Eindringen der Konverteratmosphäre in den Düseninnenraum. Beim Abreißen der Strömung treten unerwünschte Verdichtungsstöße auf. Hierbei erfährt das Gas eine schlagartige Änderung der Bedingungen wie Machzahl, Druckverhältnis, Dichte und Temperatur. Die Machzahl sinkt beispielsweise bei Sauerstoff von einer angenommenen Machzahl von 2,0 auf ca. 0,58 ab. An den 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 beschriften, 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.
Erfmdungsgemäß 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, „Plug Nozzles", Sern (Single Expansion Ramp Nozzle) 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 insbesondere 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 in der Regel auslegungsgemäß als außenexpandierende Düsen oder als innen- und außenexpandierende Düsen (Beispiel: stepped nozzle oder extended nozzle) ausgelegt. Bei innen- und außenexpandierenden Düsen wird die Gasströmung durch eine erste Düse (Primärdüse) zunächst vorexpandiert (meist über Mach 1) und im zweiten Schritt entweder durch eine Außenkontur (beispielsweise dem Spike einer Aerospikedüse oder an einer Strömungs- oder Schockkante (Beispiel: E-D-Düse)) auf das Auslegungsspektrum gebracht. 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 erfmdungsgemäßen Düsen mit zusätzlichen Düsenelementen wie Deflektoren oder Expansionskörpern dafür ausgelegt, die finale Druckanpassung an den Konverterdruck 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", „Plug nozzle" 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. Zumindest sollen diese Auswirkungen in ihrer Schädlichkeit reduziert werden.
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 in Auslassrichtung der Auslassdüse in seiner Position veränderbar ist.
Dadurch lässt sich vorteilhaft das Strömungsverhalten der Düse verändern.
Die Positionsveränderung kann durch eine Positionierung des Formkörpers vor Prozessbeginn erfolgen. Besonders vorteilhaft ist eine Ausgestaltung, bei der die Positionierung des Formkörpers auch während des laufenden Prozesses verändert werden kann.
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 sind den Auslassdüsen Kühlkanäle zugeordnet, die sich außerhalb der Düsen entlang der Außenkontur der Auslassdüsen zumindest im wesentlichen quer zur Richtung der Strömung der Auslassdüsen erstrecken, wobei durch die Kühlkanäle ein Kühlmittel förderbar ist, wobei die Außenkontur der Auslassdüsen einen nicht axialsymmetrischen sondern gestreckten Querschnitt aufweisen, 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.
Die Kühlkanäle sind im Vollmaterial der Außenkontur der Auslassdüsen eingebracht. Die angepasste Außenkontur der Auslassdüsen mit der Streckung in Strömungsrichtung des Kühlmittels erweist sich insofern als vorteilhaft, als eine deutlich bessere Effizienz bei der Kühlung bewirkt wird. 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 einer 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.
Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 9 weist der Formkörper in seiner Verbindung zum Material der Außenkontur der Auslassdüse sowie in seinem Inneren wenigstens einen Kühlkanal auf.
Hierbei erweist es sich als vorteilhaft, dass auch der Formkörper gekühlt wird. Der Formkörper weist wenigstens eine Verbindung zum Material der Außenkontur der Auslassdüse auf, über die der Formkörper im Inneren der Auslassdüse befestigt ist. Über einen Kühlkanal in dieser wenigstens einen Verbindung sowie eine weitere Gestaltung des Kühlkanals im Inneren des Formkörpers kann vorteilhaft eine unmittelbare Kühlung des Formkörpers von innen erfolgen. Bei der Ausgestaltung nach Anspruch 10 weist der Formkörper bei dem gestreckten Querschnitt der Auslassdüse eine erste Verbindung zum Material der Außenkontur der Auslassdüse auf der einen kürzeren Seite des Querschnitts auf sowie eine weitere Verbindung auf der gegenüber liegenden Seite, wobei der Kühlkanal mit einer Zuleitung zum Formkörper über die erste Verbindung geführt ist, wobei die Ableitung des Kühlkanals über die weitere Verbindung geführt ist.
Vorteilhaft verläuft dabei der Kühlkanal in dem Formkörper mit der Zuleitung und mit der Ableitung in Strömungsrichtung. Dadurch ergibt sich für die direkte Kühlung des Formkörpers wiederum ein geringer Strömungswiderstand. Dadurch kann die Kühlung vorteilhaft mit gutem Wirkungsgrad ausgestaltet werden.
Die vorliegende Erfindung eignet sich insbesondere auch für den Einsatz in Lichtbogenöfen, die auch als EAF (== Elektro Are 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 den Prozessraum 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.
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. Zudem können mehrere Düsen unterschiedlicher Auslegung mit unterschiedlichem Durchfluss durch eine einzige Düse ersetzt werden. 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 Sauerstoffianze 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 der Wirkungsgrad. Die Verluste sind bei einer angemessenen Einkürzung jedoch vertretbar, das die fehlenden Kanten durch komplexe Strömungen als ideale Kontur aus Gas und komplexen Schocklayern nachgebildet 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, wobei der Strahl durch eine vorgeschaltete Expansionskontur bereits auf eine Machzahl größer als 1 beschleunigt sein kann. Die weitere Anpassung des Strahls ist in der Regel noch nicht abgeschlossen. 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 konstruktiv geplante, 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. Im Zusammenhang mit der Anwendung gemäß der vorliegenden Erfindung bewirkt die „Höhenkompensation" daher eine „Selbstanpassung" in dem Sinne, als ein besseres Prozessverhalten über einen größeren Wertebereich der Prozessparameter erreicht wird. Daraus resultiert auch ein höherer Wirkungsgrad außerhalb des Auslegungspunktes.
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. Eine solche zusätzliche Düse wird auch als „Base Bleeding" bezeichnet, wenn der Austritt im Zentrum der Geometrie ausgeführt wird.
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:
Figuren 1 - 4: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer E-D-Düse sowie eines Formkörpers (Pin) in der E-D-Düse Figuren 5 - 8: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer Aerospike-Düse sowie des Formkörpers (Spike) in der Aerospike-Düse,
Figuren 9 - 12: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer weiteren Aerospike- Düse sowie des Formkörpers (Spike) in der Aerospike-Düse,
Figuren 13 - 16: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer weiteren Aerospike- Düse sowie des Formkörpers (Spike) in der Aerospike-Düse, Figuren 17 - 20: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer weiteren E-D-Düse sowie des Formkörpers (Pin) in der E-D-Düse, Figuren 21 - 25: verschiedene Ansichten eines Lanzenkopfes mit einer weiteren E-D-Düse sowie des Formkörpers (Pin) in der E-D-Düse,
Figur 26: die Darstellung eines Formkörpers (Spike) einer Aerospike-Düse,
Figur 27: ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung einer Düse nach der vorliegenden Erfindung in einem Elektroofen, Figur 28: eine Düse in einem seitlichen Schnitt,
Figur 29: die Düse nach Figur 28 in Draufsicht in Strömungsrichtung,
Figur 30: eine andere Ausgestaltung einer Düse in einem seitlichen Schnitt,
Figur 31 : die Düse nach Figur 30 in Draufsicht in Strömungsrichtung,
Figur 32: eine Düse mit einem Formkörper und Kühlkanälen in einem seitlichen
Schnitt, Figur 33: die Darstellung der Düse nach Figur 32 in einer Draufsicht von unten in einem Schnitt und
Figur 34: eine kreisförmige Anordnung von Auslassdüsen mit Formkörpern in einer
Draufsicht von unten.
Figur 2 zeigt einen Lanzenkopf 1 mit einer E-D-Düse 201 in einem seitlichen Schnitt. Figur 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 beispielhaft 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 Figuren 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.
Figur 6 zeigt einen Lanzenkopf 601 mit beispielhaft einer Aerospike-Düse 602 in einem seitlichen Schnitt. Figur 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 Figuren 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.
Figur 10 zeigt einen Lanzenkopf 1001 mit einer Aerospike-Düse 1002 in einem seitlichen Schnitt. Figur 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 Figuren 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.
Figur 14 zeigt einen Lanzenkopf 1401 mit einer Aerospike-Düse 1402 in einem seitlichen Schnitt. Figur 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 Figuren 7 und 8 zeigen den Formkörper 1404 aus verschiedenen Perspektiven. Das Befestigungselement 7 ist bei der Darstellung der Figur 15 verdeckt. Die Befestigungselemente 5 und 6 sind zu sehen. Es ist zu sehen, dass der Formkörper 1404 eine Durchtrittsöffhung 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 beeinfiusst wird, dass das Gas nach dem Austreten aus der Aerospike-Düse entlang dieses Strahls aus der Durchtrittsöffnung 1405 strömt. Dadurch kann sich der austretende Gasstrahl bei entsprechender Auslegung in machen Fällen vorteilhaft ausbilden.
Es ist auch möglich, durch eine derartige zentrale Durchtrittsöffnung 1405 im Formkörper 1404 auch andere Stoffe strömen zu lassen wie beispielsweise andere Gase, 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.
Figur 18 zeigt einen Lanzenkopf 1801 mit einer E-D-Düse 1802 in einem seitlichen Schnitt. Figur 1 zeigt die zugehörige Draufsicht von oben auf den Lanzenkopf 1801. Im Unterschied zur Darstellung der Figur 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 Figuren 19 und 20 zeigen den Formkörper 1804 aus verschiedenen Perspektiven. Das Befestigungselement 7 ist bei der Darstellung der Figur 20 verdeckt. Die Befestigungselemente 5 und 6 sind zu sehen.
Figur 22 zeigt einen Lanzenkopf 2201 mit einer E-D-Düse 2202 in einem seitlichen Schnitt. Figur 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 Figuren 13 bis 16 bereits für einen Spike einer Aerospike-Düse erläutert wurde.
Die Figuren 23, 24 und 25 zeigen den Formkörper 2204 aus verschiedenen Perspektiven.
Figur 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 Figuren 13 bis 16 bereits erläutert wurde.
Figur 27 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die Verwendung einer Düse 2701 nach der vorliegenden Erfindung in einem Elektroofen 2702 mit einer feuerfesten Ausmauerung 2703. Derartige Elektroofen 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. Es kann auch eine Unterstützung des Schmelz Vorgangs von Schrott erfolgen, der vor der Düse positioniert ist.
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.
Figur 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 mittig durch den Formkörper 2802 geht. Allerdings ist die Düse 2801 nicht rotationssymmetrisch.
Figur 29 zeigt die Düse 2801 nach Figur 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 Querschnittsprofüen 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.
Figur 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 Figur 31 nochmals in Draufsicht in Strömungsrichtung der Düse zu sehen. Das auszugebende technische Gas tritt bei dieser Düsenform also durch die Öffnungen 3003 aus. Diese können beispielsweise auch als Laval-Düsen ausgeführt sein, um eine „unvollständige" Vor-Expansion zu erreichen. Dabei erfährt der Strahl erst an dem Formkörper 3002 seine vollständige und gerichtete Expansion.
Figur 32 zeigt eine Düse 3201 mit einem Formkörper 3202 und Kühlkanälen 3203, 3204 in einem seitlichen Schnitt. Es kann sich hierbei um eine Auslassdüse handelt, die in Figur 33 in Draufsicht von unten dargestellt ist. Das bedeutet, dass diese Auslassdüse in ihrer Außenkontur in Strömungsrichtung der Kühlkanäle 3203, 3204 gestreckt ist. Von dieser Streckung ist in der Darstellung der Figur 32 nichts zu sehen, da die Darstellung der Figur 32 einen Schnitt quer zur Richtung dieser Streckung darstellt.
Es ist zu sehen, dass sich der Kühlkanal 3203 außerhalb der Auslassdüse 3201 entlang der Außenkontur zumindest im wesentlichen quer zur Richtung der Strömung der Auslassdüsen 3201 erstreckt. Diese Richtung der Strömung der Auslassdüsen ist mit dem Pfeil 3205 gekennzeichnet. Mit dieser Richtung ist die Strömungsrichtung des Gases bzw. der Partikel gemeint, die über die Auslassdüse 3201 ausgegeben werden. Durch die Kühlkanäle 3203 ist ein Kühlmittel förderbar.
Durch die Streckung der Außenkontur der Auslassdüsen 3201 ergibt sich ein günstiges Strömungsverhalten des Kühlmittels.
Der Formkörper 3206 weist in seiner Verbindung zum Material der Außenkontur der Auslassdüse 3201 sowie in seinem Inneren wenigstens einen Kühlkanal 3204 auf. In der Darstellung der Figur 33 in einer Blickrichtung von unten, verbunden mit einem Schnitt, ist zu sehen, dass der Formkörper 3206 eine erste Verbindung 3301 zum Material der Außenkontur der Auslassdüse 3201 aufweist, die auf der einen kürzeren Seite des Querschnitts angeordnet ist. Weiterhin weist der Formkörper 3206 eine weitere Verbindung 3302 auf der gegenüber liegenden Seite auf. Es ist zu sehen, dass der Kühlkanal 3204 über die Verbindung 3301 als Zuleitung zum Formkörper 3206 geführt und über die weitere Verbindung 3302 als Ableitung des Kühlkanals 3204 aus dem Formkörper.
Die Pfeile 3303 zeigen die Strömungsrichtung des Kühlmediums.
Daraus ergibt sich vorteilhaft, dass der Kühlkanal 3204 in dem Formkörper 3206 in Strömungsrichtung des Kühlmediums geführt ist. Daraus ergibt sich ein gutes Strömungsverhalten des Kühlmediums im Formkörper 3206.
Figur 34 zeigt eine kreisförmige Anordnung von Auslassdüsen 3401 mit Formkörpern 3402 in einer Draufsicht von unten.
Im Rahmen der vorgenannten und beschriebenen Erfindung kann es auch zweckmäßig sein, den Formkörper durch eine metallische oder keramische Beschichtung gegenüber der heißen Atmosphäre zu schützen. Dadurch kann ggf. eine separate aktive Kühlung des Formkörpers entfallen. Dies gilt für alle im Zusammenhang mit dieser Anmeldung beschriebenen Ausführungsbeispiele.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. 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).
2. 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.
3. Verwendung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (604, 1004, 1404, 2602) über den Rand der Auslassdüse (602, 1002, 1402, 2601) hinausragt.
4. Verwendung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (2204) so gelagert ist, dass dieser in Auslassrichtung der Auslassdüse in seiner Position veränderbar ist.
5. Verwendung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper mittels eines Stellelementes in seiner Position einstellbar ist.
6. 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.
7. 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.
8. Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass den Auslassdüsen (3201) zugeordnete Kühlkanäle (3203) vorhanden sind, die sich außerhalb der Auslassdüsen (3201) entlang der Außenkontur zumindest im wesentlichen quer zur Richtung der Strömung der Auslassdüsen (3201) erstrecken, wobei durch die Kühlkanäle (3203) ein Kühlmittel förderbar ist, wobei die Außenkontur der Auslassdüsen (3201) einen nicht axialsymmetrischen sondern gestreckten Querschnitt aufweisen, wobei sich die Längsrichtung des Querschnitts in der Strömungsrichtung des Kühlmittels befindet.
9. Verwendung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (3206) in seiner Verbindung (3301, 3302) zum Material der Außenkontur der Auslassdüse (3201) sowie in seinem Inneren wenigstens einen Kühlkanal (3204) aufweist.
10. Verwendung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper (3206) bei dem gestreckten Querschnitt der Auslassdüse (3201) eine erste Verbindung (3301) zum Material der Außenkontur der Auslassdüse (3201) auf der einen kürzeren Seite des Querschnitts aufweist sowie eine weitere Verbindung (3302) auf der gegenüber liegenden Seite, wobei der Kühlkanal (3204) mit einer Zuleitung zum Formkörper (3206) über die erste Verbindung (3301) geführt ist, wobei die Ableitung des Kühlkanals über die weitere Verbindung (3302) geführt ist.
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