DE102019214278A1

DE102019214278A1 - Spritzdüse

Info

Publication number: DE102019214278A1
Application number: DE102019214278.8A
Authority: DE
Inventors: Axel Stavenow; Tobias Wissen
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2018-10-29
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2020-04-30
Also published as: WO2020089171A1; DE102019216456A1; WO2020089174A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Spritzdüse 100 zum Spritzen von einem Mediengemisch auf einen zu kühlenden Gegenstand. Bekannte Spritzdüsen dieser Art weisen einen Düsenschaft 110 auf mit einem ersten Kanal zum Führen des Kühlmediums und einem zweiten Kanal zum separaten Führen des Zerstäubermediums. Es ist eine Mischkammer 120 zum Mischen des Kühlmediums und des Zerstäubermediums zu dem Mediengemisch. An dem düsenseitigen Ende des Düsenschaftes 110 ist in diesem ein Mischkörper 130 eingebaut zum Umlenken des durch den Düsenschaft zugeführten Kühlmediums in die Mischkammer. Weiterhin ist ein Mundstück vorgesehen, welches in axialer Verlängerung an das mischkammerseitige Ende des Düsenschaftes montiert ist mit einer Öffnung zum Spritzen des Mediengemisches auf den zu kühlenden Gegenstand. Um eine Entmischung des Kühlmediums von dem Zerstäubermedium auf dem Weg von der Mischkammer 120 zu der Öffnung 142 in dem Mundstück 140 zu vermeiden und um auf diese Weise eine verbesserte Kühlwirkung zu erzielen, ist bei der erfindungsgemäßen Spritzdüse der Mischkörper dem Mundstück in axialer Richtung unmittelbar vorgeschaltet. Darüber hinaus ist das Mundstück becherförmig ausgebildet und zu dem Mischkörper 130 hin geöffnet angeordnet. Außerdem ist der Mischkörper 130durch den von dem becherförmigen Mundstück 140 aufgespannten Innenraum gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Spritzdüse zum Spritzen von einem Mediengemisch auf einen zu kühlenden Gegenstand. Das Mediengemisch besteht typischerweise aus einem Kühlmedium und einem Zerstäubermedium und dient zum Kühlen von warmem metallischem Gut, insbesondere zum Kühlen von einem Gießstrang in einer Stranggießanlage für Metallschmelzen.
Derartige Spritzdüsen, insbesondere Zweistoff-Schaftdüsen für Stranggießanlagen sind im Stand der Technik bekannt, beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 102 00 662 B4 . Die dort offenbarte Spritzdüse umfasst alle Merkmale gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Konkret zeigt die Spritzdüse einen Düsenschaft mit einem ersten Kanal zum Führen des Kühlmediums und einen zweiten Kanal zum separaten Führen des Zerstäubermediums. An einem Ende des Düsenschaftes ist in diesen ein Mischkörper eingebaut zum Umlenken des durch den Düsenschaft zugeführten Kühlmediums in eine Mischkammer. In diese Mischkammer wird gleichzeitig auch das Zerstäubermedium zugeführt. Die Mischkammer befindet sich innerhalb des Düsenschaftes. An dem mischkörperseitigen Ende des Düsenschaftes, aber beabstandet zu dem Mischkörper, ist an dem Düsenschaft ein Mundstück angebracht, wobei das Mundstück eine Öffnung aufweist zum Spritzen des Mediengemisches auf einen zu kühlenden Gegenstand, beispielsweise auf einen frisch gegossenen Gießstrang.
Der relativ große Abstand zwischen dem Mundstück und der Mischkammer, wie er aus der besagten deutschen Patentschrift bekannt ist, hat den Nachteil, dass das Kühlmedium und das Zerstäubermedium auf ihrem Weg von der Mischkammer zum Mundstück bereits teilweise wieder entmischt werden, bevor sie als das Mediengemisch auf den zu kühlenden Gegenstand gespritzt werden.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine bekannte Spritzdüse konstruktiv dahingehend weiterzubilden, dass eine Entmischung des Mediengemisches auf seinem Weg von der Mischkammer zu dem Mundstück bzw. zu der Öffnung in dem Mundstück möglichst verhindert wird, um eine maximale Kühlwirkung zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Demnach ist die erfindungsgemäße Spritzdüse dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkörper dem Mundstück in axialer Fließrichtung des Kühlmediums unmittelbar vorgeschaltet ist, dass das Mundstück becherförmig ausgebildet ist und zu dem Mischkörper hin geöffnet angeordnet bzw. montiert ist und dass die Mischkammer durch den von dem becherförmigen Mundstück aufgespannten Innenraum gebildet ist.
Der Begriff „unmittelbar“ bedeutet in der vorliegenden Beschreibung, dass kein konstruktives Bauelement mehr zwischen den Mischkörper und das Mundstück geschaltet bzw. montiert ist, welches deren Abstand zueinander vergrößern würde. Einzige Ausnahme wäre ein Distanzstück zur Vergrößerung der Wandhöhe des Mundstücks und damit zur Vergrößerung des Volumens der Mischkammer. Ein solches Distanzstück zählt im Sprachgebrauch der vorliegenden Erfindung zu dem Mundstück dazu; es zählt nicht als separates konstruktives Bauelement.
Durch die beanspruchte Ausgestaltung der Mischkammer innerhalb des Mundstücks und damit unmittelbar angrenzend an den Bodenbereich des Mundstücks mit der Öffnung zum Ausgeben des Mediengemisches ist der Weg zwischen der Mischkammer und der Öffnung in dem Mundstück minimal; eine Entmischung des Mediengemisches in seine Einzelkomponenten Kühlmedium und Zerstäubermedium auf dem Weg von der Mischkammer zur Düse bzw. zur Öffnung in dem Mundstück ist damit ausgeschlossen. Das Mediengemisch trifft deshalb bei maximaler Vermischung auf den zu kühlenden Gegenstand und erreicht damit eine maximale Kühlwirkung.
Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine weiter verbesserte Vermischung und damit auch eine weiter verbesserte Kühlwirkung dadurch erreicht, dass an dem mischkammernahen Ende in einem ersten und/oder einem zweiten Verbindungskanal innerhalb des Mischkörpers ein Strömungsteilerelement angeordnet ist zum Umlenken des ersten und/oder des zweiten Verbindungskanals innerhalb des Mischkörpers aufeinander zu, so dass die beiden Verbindungskanäle vorzugsweise unter einem Winkel von 90° aufeinander zulaufen. Das Kühlmedium und das Zerstäubermedium treffen dann in der Mischkammer unter diesem besagten Winkel aufeinander, wodurch eine besonders gute Vermischung und damit letzten Endes auch eine besonders gute Kühlwirkung erreicht wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es vorteilhaft, wenn die Seitenwände des Mundstücks in ihrer Höhe veränderbar ausgebildet sind, beispielsweise durch Anmontieren eines hülsenförmigen Distanzstücks. Je nach Bedarf kann auf diese Weise das Volumen der Mischkammer innerhalb des Mundstücks und damit auch der Grad der Vermischung des Kühlmediums mit dem Zerstäubermedium zumindest ein Stück weit beeinflusst werden.
Das Mundstück und der Mischkörper können einstückig ausgebildet sein; daraus ergeben sich insbesondere fertigungstechnische Vorteile. Eine noch weiter verbesserte Mischung der beiden Medien ergibt sich dann, wenn der Mischkörper in dem Düsenschaft verdrehsicher angeordnet ist. Eine konstruktiv besonders einfache Ausgestaltung der Spritzdüse ergibt sich dadurch, dass in dem Düsenschaft ein Innenrohr angeordnet ist, wobei der erste Kanal durch den Innenraum des Innenrohres und der zweite Kanal konzentrisch zu dem Innenrohr durch den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr und der Wand des Düsenschaftes gebildet wird. Der Mischkörper kann dann beispielsweise sehr einfach an dem mischkammernahen Ende des Innenrohres auf diese aufgesteckt sein.
Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Der Erfindung sind 5 Figuren beigefügt, wobei

1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Spritzdüse;
2 einen Querschnitt durch den erfindungsgemäßen Mischkörper der Spritzdüse;
3 eine perspektivische Ansicht des Mischkörpers;
4 eine Draufsicht auf die mischkammernahe Stirnseite des Mischkörpers; und
5 einen Querschnitt durch das Mundstück und den Mischkörper bei einstückiger Ausführung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Spritzdüse

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die genannten Figuren in Form von Ausführungsbeispielen detailliert beschrieben. In allen Figuren sind gleiche technische Elemente mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
1 zeigt einen Querschnitt 100 durch die erfindungsgemäße Spritzdüse 100 zum Spritzen von einem Mediengemisch auf einen zu kühlenden Gegenstand. Die Spritzrichtung für das Mediengemisch ist mit dem Bezugszeichen R bezeichnet. Die erfindungsgemäße Spritzdüse 100 weist einen Düsenschaft 110 auf, in welchem ein erster Kanal 112 zum Führen des Kühlmediums und ein zweiter Kanal 114 zum Führen des Zerstäubermediums unabhängig von dem Kühlmedium ausgebildet sind. In 1 ist der erste Kanal innerhalb eines Innenrohres 116 innerhalb des Düsenschaftes 110 dargestellt und der zweite Kanal konzentrisch zu dem ersten Kanal zwischen dem Innenrohr und der Außenwand des Düsenschaftes 110. Selbstverständlich kann die Medienführung auch umgekehrt erfolgen, d. h. das Zerstäubermedium könnte durch den ersten Kanal und das Kühlmedium könnte durch den zweiten Kanal 114 geleitet werden; der erste Kanal und der zweite Kanal sind dafür geeignet ausgebildet.
Innerhalb des Düsenschaftes 110 ist ein Mischkörper 130 eingesteckt, welcher über eine periphere Dichtung 160, beispielsweise in Form von O-Ringen gegenüber der Innenseite der Außenwand des Düsenschaftes 110 abgedichtet ist.
Der Mischkörper 130 ist in besonders einfacher Ausgestaltung, wie in 1 gezeigt, im Inneren des Düsenschaftes 110 auf ein Ende des Innenrohres 116 aufgesteckt und ebenfalls mit einer Dichtung gegenüber dessen Innenwand abgedichtet. Im Inneren des Mischkörpers 130 ist ein erster Verbindungskanal 132 ausgebildet, welcher als Verlängerung des ersten Kanals 112 in dem Düsenschaft 110 fungiert zum Durchleiten von beispielsweise dem Kühlmedium aus dem ersten Kanal 112 in eine Mischkammer 120. Neben dem ersten Verbindungskanal ist in dem Mischkörper ein zweiter Verbindungskanal ausgebildet zum Verlängern des zweiten Kanals 114 in dem Düsenschaft 110 in die Mischkammer 120.
Der Mischkörper 130 hat die Aufgabe, eine Vermischung des Kühlmediums und des Zerstäubermediums zu begünstigen, indem der erste und der zweite Verbindungskanal innerhalb des Mischkörpers 130 aufeinander zulaufend gebogen bzw. umgelenkt werden. Die umgelenkten Verbindungskanäle 132, 134 treffen an einer Abrisskante 138 innerhalb des Mischkörpers 130 aufeinander und schneiden sich dort. Der Winkel der Abrisskante definiert den Winkel, unter welchem sich die beiden Verbindungskanäle schneiden; der Winkel α beträgt vorzugsweise 90°; dann wird eine maximale Vermischung des Kühlmediums und des Zerstäubermediums erreicht. Der fiktive Schnittpunkt S der beiden Verbindungskanäle liegt hier beispielsweise außerhalb des Mischkörpers in der Mischkammer 120.
Die Umlenkung von zumindest einem der Verbindungskanäle wird innerhalb des Mischkörpers 130 durch ein Strömungsteilerelement 170 realisiert. Es handelt sich dabei beispielsweise, wie in 1 zu erkennen ist, um ein rotationssymmetrisches kegelförmiges Bauelement, welches mit seiner Spitze gegen die Strömungsrichtung der Medien in den Verbindungskanal eingebaut ist. Konkret wird das Strömungsteilerelement beispielsweise über radiale Stege 172, siehe 3, mit welchen es an den Wänden des Verbindungskanals befestigt ist, in dem jeweiligen Verbindungskanal gehalten.
In 1 ist weiterhin zu erkennen, dass die Spritzdüse gegenüberliegend zu dem Mischkörper 130 an dem zunächst freien Ende des Düsenschaftes 110 ein Mundstück 140 aufweist, welches beispielsweise mit Hilfe einer Überwurfmutter auf das freie Ende des Düsenschaftes 110 angeschraubt ist. Auf diese Weise ist das Mundstück dem Mischkörper in axialer Fließrichtung R des Mediengemisches unmittelbar vorgeschaltet. Zwischen das Mundstück 140 und den Mischkörper 130 ist kein den Abstand vergrößerndes Bauelement zwischengeschaltet. Das Mundstück 140 ist, wie in 1 zu erkennen, becherförmig ausgebildet und zu dem Mischkörper 130 hin geöffnet angeordnet. Die Mischkammer 120 ist durch den von dem becherförmigen Mundstück aufgespannten Innenraum gebildet.
Nach der Ausbildung des Mediengemisches durch Vermischen des Kühlmediums und des Zerstäubermediums in der Mischkammer tritt das Mediengemisch durch eine Öffnung 142 im Boden des Mundstücks 140 aus der Spritzdüse aus, beispielsweise auf einen zu kühlenden Gegenstand.
2 zeigt den erfindungsgemäßen Mischkörper 130 herausgelöst aus dem Düsenschaft 110 in separater Darstellung.
3 zeigt ebenfalls den Mischkörper 130, dieses Mal in perspektivischer Ansicht. Sowohl in 3 wie auch in 4 sind Stege 172 erkennbar, mit welchen das Strömungsteilerelement 170 an den Wänden der Verbindungskanäle gehalten wird. Durch diese sich radial erstreckenden Verbindungsstege 172 werden der ersten und/oder der zweite Verbindungskanal jeweils in mindestens zwei Austrittskanäle 132`, 134` unterteilt, welche jeweils in Umfangsrichtung benachbart nebeneinanderliegen. Durch das Vorsehen der Verbindungsstege 172 entsteht ein ringsegmentförmiger Querschnitt der Austrittskanäle für das Kühlmedium und/oder das Zerstäubermedium. Wenn das Kühlmedium durch den ersten Kanal in dem Düsenschaft 110 und durch den ersten Verbindungskanal geleitet wird, tritt es durch den Austrittskanal 132` aus dem Mischkörper 130 aus.
In diesem Fall wird dann das Zerstäubermedium durch den zweiten Kanal 114 innerhalb des Düsenschaftes 110 und nachfolgend durch den zweiten Verbindungskanal 134 durch den Mischkörper 130 geleitet. Das Zerstäubermedium tritt dann durch den Austrittskanal 134` an dem mischkammernahen Ende aus dem Mischkörper 130 aus. In den 3 und 4 ist außerdem jeweils die Misch- bzw. Abrisskantekante 138 gut zu erkennen, an welcher die jeweiligen Austrittskanäle aufeinandertreffen.
Nasen 182 und Ausnehmungen 184 an dem mischkammernahen Ende des Mischkörpers 130 dienen zum verdrehsicheren Anordnen des Mischkörpers innerhalb des Düsenschaftes 110.
5 zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Spritzdüse gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, wobei der Mischkörper 130 und das Mundstück 140 einstückig ausgebildet sind. Durch die einstückige Ausbildung ergeben sich insbesondere fertigungstechnische Vorteile. Beispielsweise kann dieses kombinierte Bauelement dann praktischerweise z. B. mit Hilfe eines 3D-Druckers einfach hergestellt werden. Außerdem entfallen jegliche Dichtungsprobleme im Übergang zwischen dem Mundstück 140 und dem Mischkörper 130.
Bezugszeichenliste

100: Spritzdüse
110: Düsenschaft
112: erster Kanal
114: zweiter Kanal
116: Innenrohr
120: Mischkammer
130: Mischkörper
132: Verbindungskanal für das Kühlmittel
132`: Austrittskanal am mischkammernahen Ende des Verbindungskanals für das Kühlmittel
134: Verbindungskanal für das Zerstäubermedium
134`: Austrittskanal an dem mischkammernahen Ende des Verbindungskanals für das Zerstäubermedium
138: Abrisskante
140: Mundstück
142: Öffnung des Mundstückes
150: Überwurfmutter
160: Periphere Dichtung
170: Strömungsteilerelement
172: radiale Stege
182: Nasen am Umfang des Mischkörpers
184: Ausnehmungen am Umfang des Mischkörpers
R: Fließrichtung des Kühlmittels
S: Schnittpunkt
α: Winkel der Abrisskante

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10200662 B4 [0002]

Claims

Spritzdüse (100) zum Spritzen von einem Mediengemisch auf einen zu kühlenden Gegenstand, aufweisend: einen Düsenschaft (110) mit einem ersten Kanal (112) für ein Kühlmedium und einem zweiten separaten Kanal für ein Zerstäubermedium; eine Mischkammer (120) zum Vermischen des Kühlmediums und des Zerstäubermediums zu dem Mediengemisch; einen an dem mischkammernahen Ende des Düsenschaftes (110) in den Düsenschaft (110) eingebauten Mischkörper (130) zum Umlenken des durch den ersten Kanal (112) zugeführten Kühlmediums in die Mischkammer (120); und ein Mundstück (140), welches in axialer Verlängerung an das mischkammernahe Ende des Düsenschaftes (110) montiert ist mit einer Öffnung (142) zum Spritzen des Mediengemisches auf den zu kühlenden Gegenstand; dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkörper (130) dem Mundstück (140) in axialer Fließrichtung (R) des Kühlmediums unmittelbar vorgeschaltet ist; dass das Mundstück (140) becherförmig ausgebildet ist und zu dem Mischkörper (130) hin geöffnet angeordnet ist; und dass die Mischkammer (120) durch den von dem becherförmigen Mundstück (140) aufgespannten Innenraum gebildet ist.
Spritzdüse (100) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkörper (130) einen ersten Verbindungskanal (132) zum Durchleiten des Kühlmediums von dem ersten Kanal (112) in dem Düsenschaft (110) in die Mischkammer (120) und einen zweiten Verbindungskanal (134) zum Durchleiten des Zerstäubermediums von dem zweiten Kanal (114) in dem Düsenschaft (110) in die Mischkammer (120) aufweist; und dass der erste und/oder der zweite Verbindungskanal an ihren mischkammernahen Enden / an seinem mischkammernahen Ende in dem Mischkörper (130) - vorzugsweise mit Hilfe eines Strömungsteilerlementes (170) - derart aufeinander zulaufend umgelenkt sind, dass ihr fiktiver Schnittpunkt (S) außerhalb des Mischkörpers (130) in der Mischkammer (120) liegt.
Spritzdüse (100) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mischkammernahen Ende in dem Mischkörper (130) eine Abrisskante ausgebildet ist, an welcher sich der erste und der zweite aufeinander zulaufende Verbindungskanal unter einem Winkel α, mit beispielsweise α=90° schneiden.
Spritzdüse (100) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Strömungsteilerelement (170) über sich radial erstreckende Stege (172) an der Wand des ersten und/oder zweiten Verbindungskanals gehalten ist, wodurch der erste Verbindungskanal (132) und/oder der zweite Verbindungskanal (134) in mindestens zwei Austrittskanäle (132', 134') mit jeweils einem Querschnitt in Form eines Ringsegmentes verzweigt sind.
Spritzdüse (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwände des Mundstücks (140) in ihrer Höhe veränderbar ausgebildet sind, beispielsweise durch Anmontieren eines hülsenförmigen Distanzstücks.
Spritzdüse (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Mundstück (140) und der Mischkörper (130) einstückig ausgebildet sind.
Spritzdüse (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkörper (130) verdrehsicher in dem Düsenschaft (110) angeordnet ist.
Spritzdüse (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (142) des Mundstücks (140) in dem Boden des becherförmigen Mundstücks (140) angeordnet ist.
Spritzdüse (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Dichtung (160) vorgesehen ist zum Abdichten des Mischkörpers (130) gegen die Innenseite der Außenwand des Düsenschaftes (110).
Spritzdüse (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein in dem Düsenschaft (110) angeordnetes Innenrohr (116), wobei der erste Kanal für das Kühlmedium durch den Innenraum des Innenrohres (116) und der zweite Kanal für das Zerstäubermedium durch den Zwischenraum zwischen dem Innenrohr (116) und der Wand des Düsenschaftes (110) gebildet sind; oder umgekehrt.
Spritzdüse (100) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Mischkörper (130) an dem mischkammernahen Ende es Innenrohres (116) auf das Innenrohr (116) aufgesteckt ist.