DE2232221B2 - Method for injecting fresh gases into a molten metal - Google Patents
Method for injecting fresh gases into a molten metalInfo
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- C21C5/28—Manufacture of steel in the converter
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- C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
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- C22B9/05—Refining by treating with gases, e.g. gas flushing also refining by means of a material generating gas in situ
Description
undand
L„ = 0,527 + 0,87 P0 <*o Cos Θ L "= 0.527 + 0.87 P 0 <* o Cos Θ
Lh = 4,16 + 1,526 P0d0 Sin θ L h = 4.16 + 1.526 P 0 d 0 Sin θ
eingestellt wird, wobei Lv die senkrechte Eindringtiefe der Bläschen, Lh die waagerechte Eindringtiefe der Bläschen, cfc den Durchmesser der Düse, θ den Neigungswinkel der Düse in bezug auf die Senkrechte und P0 den Druck des Behandlungsgases vor der Düse bezeichnet.is set, where L v is the vertical penetration depth of the bubbles, L h is the horizontal penetration depth of the bubbles, cfc is the diameter of the nozzle, θ is the angle of inclination of the nozzle with respect to the vertical and P 0 is the pressure of the treatment gas in front of the nozzle.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung mehrerer Düsen der Ausdruck d0 den aufsummierten Durchmessern aller Düsen entspricht.2. The method according to claim 1, characterized in that when using several nozzles, the expression d 0 corresponds to the summed up diameters of all nozzles.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse verwendet wird, welche die Seitenwand eines die Metallschmelze enthaltenden Reaktionsgefäßes durchsetzt.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a nozzle is used, which penetrates the side wall of a reaction vessel containing the molten metal.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Düse verwendet wird, die am unteren Ende einer in die Metallschmelze eintauchenden Blaslanze angeordnet ist.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that a nozzle is used which is arranged at the lower end of a blowing lance immersed in the molten metal.
Aus der DE-OS 19 53 888 ist ein Verfahren zum Einblasen von Frischgasen in eine Metallschmelze bekannt, bei welchem das Gas aus wenigstens einer Blasdüse in die im Reaktionsgefäß enthaltene Metallschmelze eingeblasen wird. Bei diesem bekannten Verfahren wird die Gas/Metall-Kontaktfläche durch Verminderung der Größe der Frischgasblasen erhöht, um eine größtmögliche Gas-Schmelze-Grenzfläche zu erzielen. Es ist der genannten Offenlegungsschrift jedoch nicht zu entnehmen, auf welche Weise die angestrebte Verkleinerung der Frischgasblasen erreicht wird. Es kann jedoch angenommen werden, daß die Gasblasengröße durch geeignete Abstimmung von Gasblasendurchmesser und Gasdurchfluß gesteuert wird, da bekanntlich der durchschnittliche Gasblasendurchmesser, zumindest im laminaren Strömungsbereich, eine Funktion des Düsenöffnungsdurchmessers ist.DE-OS 19 53 888 discloses a method for blowing fresh gases into a molten metal known, in which the gas from at least one blowing nozzle into the molten metal contained in the reaction vessel is blown in. In this known method, the gas / metal contact surface is through Reduction in the size of the fresh gas bubbles increases in order to achieve the largest possible gas-melt interface achieve. However, it cannot be inferred from the published patent application in which way the Desired reduction in size of the fresh gas bubbles is achieved. However, it can be assumed that the Gas bubble size controlled by suitable adjustment of gas bubble diameter and gas flow is, as is known, the average gas bubble diameter, at least in the laminar flow range, is a function of the nozzle orifice diameter.
Das bekannte Verfahren hat den Nachteil, daß es keine größtmögliche Reaktionswirksamkeit bei gleichzeitig maximaler Schonung der feuerfesten Auskleidung des Frischgefäßes gestattet.The known method has the disadvantage that there is no greatest possible reaction efficiency at the same time maximum protection of the refractory lining of the fresh vessel is permitted.
Aus Brauer: »Grundlagen der Einphasen- und Mehrphasenströmungen«, Aarau (Schweiz), 1971, S. — 284 sind theoretische Grundlagen bezüglich des Durchmessers von am freien Ende einer Düse ausgebildeten Blasen bekannt, wobei herausgestellt wird, daß der auf den Düsendurchmesser bezogene Blasendurchmesser eine Funktion des Quotienten der Weberzahl und der Froudezahl ist Der Durchschnittsfachmann wird imstande sein, aus dieser Druckschrift den Hinweis zu entnehmen, daß für die Verwirbelung und Durchmischung im Bereich des Strahlgases der Düsendurchmesser, der Gasdruck und der Volumen-ο strom die maßgebenden Größen sind.From Brauer: "Fundamentals of single-phase and multiphase flows", Aarau (Switzerland), 1971, p. - 284 are theoretical principles regarding the diameter of the free end of a nozzle formed bubbles known, it being pointed out that the related to the nozzle diameter Bladder diameter is a function of the quotient of the Weber number and the Froude number. Those of ordinary skill in the art will be able to understand from this document refer to the note that for the swirling and mixing in the area of the jet gas The nozzle diameter, the gas pressure and the volume ο flow are the decisive parameters.
Aus der DE-PS 8 88 395 ist es ferner bekannt, durch Frischen mit Wind höherer Pressung die Stickstoff aufnahme des gefrischten Stahls herabzusetzen. Um die Windaufnahmefähigkeit des Bades zu erhöhen, wird in der genannten deutschen Patentschrift vorgeschlagen, den Gesamtblasenquerschnitt zu reduzieren, bis ein Zustand der maximalen Windaufnahmefähigkeit des Bades erreicht ist Aus der letztgenannten Druckschrift ist ferner bekannt, daß sich die Haltbarkeit des Windfrischgefäßbodens dadurch verlängern läßt, daß die einzelnen Blaslöscher einen vergleichsweise kleinen Durchmesser aufweisen.From DE-PS 8 88 395 it is also known by Freshen up with higher wind pressure the nitrogen uptake of the rejuvenated steel. In order to increase the wind absorption capacity of the bath, in the aforementioned German patent proposed to reduce the total bladder cross-section to one The state of the maximum wind absorption capacity of the bath has been reached from the last-mentioned publication it is also known that the shelf life of the bottom of the air freshener can be extended in that the individual extinguishers have a comparatively small diameter.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Gattung so auszubilden, daß möglichst kleine Bläschen und damit eine maximale Reaktionswirksamkeit erzielt werden und gleichzeitig der Verschleiß der feuerfesten Auskleidung des Frischgefäßes vermindert wird.The invention is based on the object of developing a method of the type mentioned at the outset in such a way that that the smallest possible bubbles and thus a maximum reaction efficiency can be achieved and at the same time the wear of the refractory lining of the fresh vessel is reduced.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.This object is achieved by the features listed in claim 1.
Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt ist in erster Linie darin zu sehen, daß das Eindüsen des Frischgases nunmehr so erfolgen kann, daß eine maximale Reaktionswirksamkeit als FolgeThe technical progress that can be achieved with the aid of the invention is primarily to be seen in the fact that the The fresh gas can now be injected in such a way that the reaction is as effective as possible
J5 möglichst kleiner Bläschen gewährleistet ist, wobei als Folge der erfindungsgemäßen Einstellung des Blasdrukkes dafür Sorge getragen ist, daß der Verschleiß der feuerfesten Auskleidung des Frischgefäßes trotz der lebhaften Badbewegung auf ein Minimum herabgesetzt ist. J5 the smallest possible bubbles is ensured, as a result of the adjustment of the blowing pressure according to the invention, care is taken that the wear of the refractory lining of the fresh vessel is reduced to a minimum despite the lively bath movement .
Diesem Umstand kommt eine besonders große Bedeutung zu, da es äußerst schwierig ist, eine Schonung der feuerfesten Auskleidung und gleichzeitig eine lebhafte Badbewegung zu erzielen. Der mit Hilfe der Erfindung erzielbare technische Fortschritt beruht in erster Linie darauf, daß das Blasen im Bereich turbulenter Strömungsgeschwindigkeiten erfolgt und gleichzeitig der Druck des Frischgases sowie die Neigung des Blasdüsenstrahls gegenüber der Senkrechten berücksichtigt werden.This fact is of particular importance because it is extremely difficult to take a break the refractory lining and at the same time to achieve a lively bath movement. With the help of the Invention achievable technical progress is based primarily on the fact that the blowing in the area turbulent flow velocities takes place and at the same time the pressure of the fresh gas as well as the The inclination of the nozzle jet relative to the vertical must be taken into account.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigenThe invention is described in more detail below with reference to the drawing. In this show
F i g. 1 bis 3 Vertikalschnitte durch Reaktionsgefäße mit unterschiedlichen, die Seitenwände des Reaktionsgefäßes durchsetzenden Blasformen,F i g. 1 to 3 vertical sections through reaction vessels with different side walls of the reaction vessel penetrating blow molds,
F i g. 4 einen Vertikalschnitt durch ein Schmelzgefäß, in welches eine Blaslanze hineintaucht, an deren Ende eine unter einem bestimmten Winkel gegenüber der Senkrechten angeordnete Blasdüse befestigt ist,F i g. 4 shows a vertical section through a melting vessel, into which a blowing lance dips, at its end a nozzle is attached at a certain angle to the vertical,
F i g. 5 und 6 Vertikalschnitte durch Reaktionsgefäße mit in diese hineinreichenden Blaslanzen mit daran angeordneten Mehrfachdüsen, wobei gemäß F i g. 5 die Gase parallel zur Achse des jeweiligen Auslasses heraustreten und gemäß Fig.6 die Düsenauslässe eineF i g. 5 and 6 vertical sections through reaction vessels with blow lances extending into them with attached thereto arranged multiple nozzles, wherein according to F i g. 5 the gases parallel to the axis of the respective outlet step out and according to Figure 6 the nozzle outlets a
b5 Biegung besitzen, undb5 have bend, and
F i g. 7 ein grafisches Schaubild, in welchem der mittlere Blasendurchmesser gegen die Reynoldssche Zahl der Düse aufgetragen ist.F i g. 7 is a graph showing the mean bubble diameter versus Reynolds' Number of nozzle is applied.
Ein in den Figuren der Zeichnung dargestelltes Reaktionsgefäß hat einen Außemnantel 10 aus Stahl oddgL mit einer feuerfesten inneren Auskleidung 12. Am oberen Ende des Gefäßes ist eine öffnung 14 für den Austritt von Gasen, gewöhnlich über eine oberhalb der öffnung 14 angebrachte Haube, vorhanden. Das Reaktionsgefäß enthält eine Metallschmelze 16, beispielsweise aus Stahl, welcher gefrischt werden soll. Ein Frischgas, wie etwa Sauerstoff, wird über eine die Seitenwandung des Gefäßes zunächst dem Boden durchsetzende feuerfeste Düsen 18 in das Schmelzbad 16 eingeblasen.A reaction vessel shown in the figures of the drawing has an outer jacket 10 made of steel oddgL with a refractory inner lining 12. At the upper end of the vessel is an opening 14 for gases to exit, usually via one above the hood attached to the opening 14 is present. The reaction vessel contains a molten metal 16, for example made of steel, which is to be refurbished. A fresh gas, such as oxygen, is passed through a die The side wall of the vessel first penetrates the floor through refractory nozzles 18 into the molten bath 16 blown in.
Beim Einblasen von Sauerstoff durch die Düse 18 bilden sich in der Schmelze Bläschen, welche in einem Bereich 20 in der Schmelze aufsteigen (F i g. 1). Wie aus der weiteren Beschreibung hervorgeht, gewährleistet die Erfindung die Ausbildung von turbulenten Bläschen mit im wesentlichen konstantem Durchmesser und damit eine vollständige Umsetzung des Reaktionsgases, beispielsweise Sauerstoff, mit den Verunreinigungen im Schmelzbad 16. Ferner schafft die Erfindung die Möglichkeit, die Eindringtiefe bzw. die Verteilung der Bläschen im Schmelzbad zu steuern. Ist nämlich die Eindringtiefe zu groß, so daß die Bläschenbahnen mit der feuerfesten Auskleidung in Berührung kommen, so bewirkt der in den Bläschen erhaltene Sauerstoff die Oxydation und Erosion der Auskleidung.When oxygen is blown through the nozzle 18, bubbles form in the melt, which in a Area 20 rise in the melt (FIG. 1). As can be seen from the further description, guaranteed the invention, the formation of turbulent bubbles with a substantially constant diameter and thus a complete conversion of the reaction gas, for example oxygen, with the impurities in the Melt bath 16. The invention also provides the possibility of the penetration depth or the distribution of the Control bubbles in the weld pool. If the penetration depth is too great, so that the vesicular pathways with come into contact with the refractory lining, the oxygen contained in the vesicles causes the Oxidation and erosion of the lining.
In F i g. 2 sind der Ausführung nach F i g. 1 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen. In dieser Ausführung sind mehrere Düsen 22 zunächst dem Boden des Reaktionsgefäßes um dessen Umfang herum verteilt, um so mehrere von Blasenbahnen durchzogene Bereiche zu bilden. Durch eine solche Anordnung steigt das geschmolzene Metall im mittleren Bereich des Schmelzbades 16 auf und strömt dann in Richtung der Pfeile entlang den Wandungen des Reaktionsgefäßes wieder abwärts zum Boden, von wo aus es, den Pfeilen 17 folgend, wieder im Mittelbereich aufsteigt. Dadurch ist eine gute Durchmischung des Schmelzbades und eine vollständige Umsetzung der Gasbläschen mit den zu verschlackenden Bestandteilen der Schmelze gewährleistet.In Fig. 2 are the execution according to F i g. 1 corresponding parts have been given the same reference numerals. In this embodiment, several nozzles 22 are initially attached to the bottom of the reaction vessel around its periphery distributed around so as to form several areas traversed by bladder paths. By such a Arrangement, the molten metal rises in the central region of the molten pool 16 and then flows into it Direction of the arrows along the walls of the reaction vessel back down to the bottom, from where from it, following the arrows 17, rises again in the central area. This ensures that the Molten bath and a complete conversion of the gas bubbles with the constituents to be slagged the melt guaranteed.
Die in F i g. 3 gezeigte Anordnung hat im wesentlichen die gleiche Wirkungsweise wie die in F i g. 2 dargestellte, wobei jedoch jede der zunächst dem Boden des Reaktionsgefäßes über dessen Umfang verteilten Düsen 24 mehrere Düsenöffnungen 26 hat. Daraus ergibt sich eine weitergehende und vollständigere Vermischung der Bläschen mit der Metallschmelze 16.The in F i g. The arrangement shown in FIG. 3 has essentially the same mode of operation as that in FIG. 2 shown, but each of the initially distributed the bottom of the reaction vessel over its circumference Nozzles 24 has several nozzle openings 26. This results in a more extensive and more complete one Mixing of the bubbles with the molten metal 16.
Die in F i g. 1 bis 3 gezeigten, seitlich angeordneten Blasformen rufen eine in Fig.2 durch die Pfeile 17 angedeutete Strömungsverteilung im Reaktionsgefäß hervor. Nach dem Aufsteigen sinkt die Schmelze entlang den Gefäßwandungen wieder abwärts zu der oder den Düse(n) hin. Sofern sich also der Bläschenbereich bis wenigstens zur Hälfte des Gefäßdurchmessers erstreckt, stellt sich eine kontinuierliche Zirkulation und Durchmischung der Flüssigkeit ein. Nun sind seitlich angeordnete Düsen der in F i g. 1 bis 3 gezeigten Art erfindungsgemäß zwar verwendbar, sie rufen jedoch bei großen Einblasmengen ein starkes Spritzen und Schwappen der Schmelze aus dem Gefäß hervor. Bei der Verwendung einer einzigen Düse wie im Beispiel nach F i g. 1 oder im Falle einer Anordnung von mehreren Düsen entlang dem Umfang des Gefäßes, bei der sich die durch die Düsenstrahlen entstehenden Reaktionskräfte nicht genau gegenseitig aufheben, ereibt sich ferner eine unerwünschte Vibration des Gefäßes, welche zuweilen so stark werden kann, daß verstärktes Spritzen und Schwappen eintrittThe in F i g. Laterally arranged blow molds shown in FIG. 1 to 3 call one in FIG. 2 by the arrows 17 indicated flow distribution in the reaction vessel. After rising, the melt sinks along the vessel walls down again to the nozzle (s). So if the vesicle area extends to at least half the diameter of the vessel, there is a continuous circulation and Mixing in the liquid. Now laterally arranged nozzles are the one shown in FIG. 1 to 3 shown art Although they can be used according to the invention, they cause a strong splash and a large amount of injection The melt sloshes out of the vessel. When using a single nozzle as in the example according to FIG. 1 or in the case of an arrangement of several nozzles along the circumference of the vessel which do not exactly cancel the reaction forces created by the nozzle jets, there is also an undesirable vibration of the vessel, which can sometimes become so strong that increased splashing and sloshing occurs
Aus diesen Gründen empfiehlt sich, wenn auch nicht zwangsläufig, die Verwendung einer von oben eintauchenden-Lanze einer in F i g. 4 bis 6 gezeigten Art. In der Ausführung nach F i g. 4 wird das Gas dem Schmelzbad 16 über einen einzigen Auslaß 28 am Ende einer senkrechten Lanze 30 zugeführt. Der Auslaß 28 verläuft zur senkrechten Achse der Lanze 33 in einem Winkel Θ.For these reasons it is recommended, if not inevitably, the use of a top-immersing lance one in FIG. 4 to 6 shown type. In the embodiment according to F i g. 4 the gas is the melt pool 16 is fed through a single outlet 28 at the end of a vertical lance 30. The outlet 28 runs to the vertical axis of the lance 33 at an angle Θ.
Wie aus der weiteren Beschreibung hervorgeht, bestimmt sich der Winkel θ aus der durch Tiefe und Breite gegebenen Größe der Schmelze, die wiederum die senkrechte und waagrechte Komponente der Eindringtiefe des Düsenstrahls bestimmt Die in F i g. 4 gezeigte Anordnung gewährleistet bei Anwendung der erfindungsgemäßen Grundgedanken eine ausreichende Verteilung oder Streuung der Bläschen sowie eine dem Weg der Bläschen eng angenäherte Zirkulation der Schmelze. Um eine optimale Durchmischung der Schmelze zu gewährleisten, sollte die wirksame Eindringtiefe des Düsenstrahls in der Waagerechten wenigstens gleich einem Drittel der Entfernung vom Auslaß zur gegenüberliegenden Gefäß wandung und in der Senkrechten wenigstens gleich einem Drittel der Tiefe des Schmelzbades sein.As can be seen from the further description, the angle θ is determined by the depth and Width given size of the melt, which in turn is the vertical and horizontal component of the The penetration depth of the jet determines the in F i g. 4 ensures the arrangement shown Applying the basic ideas according to the invention a sufficient distribution or scattering of the Bubbles and a circulation of the melt that closely approximates the path of the bubbles. To a The effective penetration depth of the nozzle jet should ensure optimal mixing of the melt horizontally at least equal to a third of the distance from the outlet to the opposite one The wall of the vessel and in the vertical must be at least equal to a third of the depth of the weld pool.
Die in F i g. 5 und 6 gezeigten Ausführungen stellen Abwandlungen von von oben eintauchenden Lanzen mit Mehrfachdüsen dar. Eine in F i g. 5 gezeigte Lanze 32 weist an ihrem unteren Ende mehrere entlang ihrem Umfang angeordnete Auslässe oder Düsen 34 auf. Die Ausbildung der einzelnen Auslässe entspricht der des Auslasses von Fig.4, und der Neigungswinkel θ der öffnung beträgt in Abhängigkeit von den vorstehend angeführten Bedingungen zwischen 0 und 180° in bezug auf die senkrechte Aufwärtsrichtung.The in F i g. The embodiments shown in FIGS. 5 and 6 represent modifications of lances immersing from above with multiple nozzles. One shown in FIG. 5 has lance 32 shown at its lower end several along its Circumferentially arranged outlets or nozzles 34. The design of the individual outlets corresponds to that of the Outlet of Fig.4, and the angle of inclination θ the The opening is between 0 and 180 ° in relation to the above-mentioned conditions on the vertical upward direction.
Die in F i g. 6 gezeigte Ausführung ist eine Abwandlung die in F i g. 5 dargestellten Ausführungsform mit all deren vorteilhaften Eigenschaften hinsichtlich Spritzvermeidung, Bläschenverteilung und Zirkulation der Schmelze. In dieser Ausführung trägt eine eingetauchte Lanze 38 mehrere seitlich daraus hervorstehende Auslässe oder Düsen 36. Die einzelnen Düsen 36 haben jeweils ein erstes, in einer Ebene mit der Achse der Lanze 38 abwärts geneigt verlaufendes Teilstück 36/4 und ein zweites, in bezug auf die Achse der Lanze schräg abwärts verlaufendes Teilstück 36Ä Durch diese Anordnung erzeugt ein aus den Düsen 36 austretendes Gas eine Umlauf- oder Wirbelbewegung innerhalb der Schmelze und bewirkt so ein sehr gutes Durchmischen und Rühren des Schmelzbades ohne Spritzen.The in F i g. The embodiment shown in FIG. 6 is a modification of that shown in FIG. 5 illustrated embodiment with all their advantageous properties in terms of spray avoidance, bubble distribution and circulation of the Melt. In this embodiment, a submerged lance 38 carries several protruding laterally therefrom Outlets or nozzles 36. The individual nozzles 36 each have a first one, in a plane with the axis of the Lance 38 downwardly inclined section 36/4 and a second, inclined with respect to the axis of the lance downwardly extending portion 36A With this arrangement, an emerging from the nozzles 36 is created Gas creates a circulating or vortex movement within the melt and thus causes very good mixing and stirring the molten bath without splashing.
Wie bereits erwähnt ist es zur Erzielung von möglichst großen Grenzflächen zwischen Gas und Flüssigkeit zweckmäßig, das Reaktionsgas derart in das Schmelzbad einzublasen, daß eine große Anzahl relativ kleiner turbulenter Bläschen entsteht. Der Durchmesser der Bläschen und ihre Turbulenz ist wiederum eine Funktion des Düsendurchmessers und der Reynoldsschen Zahl der Strömung in der Düsenöffnung, welche sich bestimmt ausAs already mentioned, it is to achieve the largest possible interfaces between gas and Liquid expedient, the reaction gas in such a way To blow molten bath that a large number of relatively small turbulent bubbles is formed. The diameter of the bubbles and their turbulence is in turn a function of the nozzle diameter and Reynolds' Number of flow in the nozzle opening, which is determined from
Vd0QVd 0 Q
4W4W
π do /ιπ do / ι
worinwherein
b5 NRe = die Reynoldssche Zahl,b5 NRe = the Reynolds number,
V = die Austrittsgeschwindigkeit des Düsenstrahls, do = den Durchmesser an der engsten Stelle der Öffnung oder der Düse, V = the exit speed of the nozzle jet, do = the diameter at the narrowest point of the opening or nozzle,
ρ = die Dichte des Gases,ρ = the density of the gas,
μ = die Viskosität des Gases und μ = the viscosity of the gas and
W = die Glasflußmenge W = the amount of glass flux
bedeuten.mean.
Änderungen des durchschnittlichen Bläschendurchmessers als Funktion der Reynoldsschen Zahl und des Düsendurchmessers sind in F i g. 7 dargestellt. Bei einer Reynoldsschen Zahl unter 10 000 stellt sich eine laminare Strömung ein, während sich bei Reynoldsschen Zahlen über 10 000 Turbulenz ausbildet. Ferner ist zu erkennen, daß der durchschnittliche Bläschendurchmesser im laminaren Strömungsbereich, also bei einer Reynoldsschen Zahl unter 10 000, bis wenigstens 4000 eine Funktion des Durchmessers der öffnung ist. In jedem Fall ist die Biäschengroße ausschließlich eine Funktion der physikalischen Gegebenheiten und der Gasdurchströmungsbedingungen, unabhängig von den Eigenschaften der Flüssigkeit, in der die Bläschen gebildet werden.Changes in the average vesicle diameter as a function of the Reynolds number and the The nozzle diameter are shown in FIG. 7 shown. If the Reynolds number is less than 10,000, a laminar flow, while at Reynolds numbers over 10,000 turbulence forms. Furthermore is to recognize that the average bubble diameter in the laminar flow range, i.e. at a Reynolds number below 10,000 until at least 4000 is a function of the diameter of the opening. In In any case, the size of the bubble is exclusively a function of the physical conditions and the Gas flow conditions, regardless of the properties of the liquid in which the vesicles are located are formed.
Aus der vorstehenden Gleichung (1) und F i g. 7 ist zu entnehmen, daß sich der Durchschnittsdurchmesser der erzeugten Bläschen zweckmäßig und vorbestimmbar dadurch steuern läßt, daß man die Gasströmung im Bereich der Düse unabhängig von deren Durchmesser im turbulenten Bereich, also bei einer Reynoldsschen Zahl über 10 000 hält. Unter solchen Umständen beträgt der durchschnittliche Durchmesser der Bläschen weniger als etwa 4,6 mm. Der Bläschendurchmesser db bei turbulenter Gasströmung bestimmt sich somit gemäß GleichungFrom the above equation (1) and FIG. 7 it can be seen that the average diameter of the bubbles produced can be controlled appropriately and in a predeterminable manner by keeping the gas flow in the region of the nozzle in the turbulent region, i.e. with a Reynolds number above 10,000, regardless of its diameter. In such circumstances, the average diameter of the vesicles is less than about 4.6 mm. The bubble diameter db in the case of a turbulent gas flow is thus determined according to the equation
d„ = 0,28 d " = 0.28
Bei der Konstruktion eines geeigneten Einblassystems ist zunächst der Gasdurchfluß zu bestimmen, welcher seinerseits vom Volumen und den metallurgischen Eigenschaften des Schmelzbades abhängt. Nach der Bestimmung des Durchflusses läßt sich der richtige Düsendurchmesser unter Ansatz einer Reynoldsschen Zahl von 10 000 oder darüber nach der Gleichung (1) berechnen. Im Falle der Verwendung von mehreren Düsen ist der Durchmesser jeder einzelnen Düse nach der Gleichung (1) zu bestimmen.When designing a suitable injection system, the gas flow must first be determined, which in turn depends on the volume and the metallurgical properties of the weld pool. To The correct nozzle diameter can be determined using a Reynolds' approach to determine the flow rate Calculate a number of 10,000 or more according to equation (1). In the case of using more than one Nozzles, the diameter of each individual nozzle is to be determined according to equation (1).
Bei den meisten für metallurgische Zwecke verwendbaren Gasen bestehen bei gleichen Strömungsbedingungen nur geringe Unterschiede hinsichtlich Dichte und Viskosität. Damit ist die Reynoldssche Zahl vorwiegend von der Strömungsgeschwindigkeit des Gases, dem Düsendurchmesser und dem Gasdurchfluß abhängig. Der Düsendurchmesser ist durch den gewünschten Durchfluß vorgegeben, welcher seinerseits eine Funktion des hinter dem engsten Düsenquerschnitt vorhandenen Drucks ist Unterschreitet das Verhältnis zwischen den absoluten Drücken P0 und P unmittelbar vor dem engsten Düsenquerschnitt bzw. am Düsenaustritt einen durch die GleichungIn most of the gases that can be used for metallurgical purposes, there are only minor differences in density and viscosity under the same flow conditions. The Reynolds number is therefore mainly dependent on the flow velocity of the gas, the nozzle diameter and the gas flow. The nozzle diameter is determined by the desired flow rate, which in turn is a function of the existing behind the narrowest nozzle cross-section pressure is falls below the ratio between the absolute pressures P 0 and P immediately before the narrowest nozzle cross-section or at the nozzle exit one by the equation
1010
1515th
2020th
2525th
3030th
3535
worinwherein
A = die Fläche des engsten Düsenquerschnitts, A = the area of the narrowest nozzle cross-section,
g = die Schwerkraftkonstante, g = the constant of gravity,
R = die Gaskonstante und R = the gas constant and
T = die Gastemperatur ist. T = the gas temperature.
Für die meisten in metallurgischen Verfahren verwendbaren zweiatomigen Gase ist das Verhältnis der spezifischen Wärme gleich 1,404. Bei einer angenommenen Gastemperatur von 15,5° C läßt sich der vorstehende Ausdruck in Gleichung (4) in bezug auf den Gasdurchfluß pro Minute Q und den Durchmesser do des engsten Düsenquerschnitts in Zoll umwandeln inFor most diatomic gases that can be used in metallurgical processes, the specific heat ratio is 1.404. With an assumed gas temperature of 15.5 ° C, the above expression in equation (4) with respect to the gas flow rate per minute Q and the diameter do of the narrowest nozzle cross-section can be converted into inches
Q = \3,5Podo 2 (S)Q = \ 3.5P o d o 2 (S)
Ist das Druckverhältnis kleiner als das vorstehend in Gleichung (3) angegebene kritische, so liegt die Strömungsgeschwindigkeit im engsten Düsenquerschnitt im Schallbereich und die Strahlaustrittsgeschwindigkeit wenigstens im Schallbereich, je nach der besonderen Ausbildung der Düse. Düsen mit konstantem Querschnitt oder konvergierende Düsen vermögen keine Austrittsgeschwindigkeiten des Gasstrahls im Oberschallbereich hervorzubringen. Demgemäß läßt sich die Reynoldssche Zahl der Gasströmung durch derart ausgebildete Düsen mittels des Gasdurchflusses und des Düsendurchmessers bestimmen. Unter solchen Bedingungen kann der Düsendurchmesser gemäß vorstehender Gleichung (1) berechnet werden. Demgegenüber ist mit konvergent-divergenten Düsen eine Geschwindigkeit des Gasstrahls im Überschallbereich bei unter den in der Gleichung (3) angegebenen liegenden kritischen Druckverhältnissen erzielbar.If the pressure ratio is smaller than the critical one given in equation (3) above, the Flow velocity in the narrowest nozzle cross-section in the sonic range and the jet exit velocity at least in the sonic range, depending on the particular design of the nozzle. Nozzles with constant Cross-section or converging nozzles are not capable of exit velocities of the gas jet in the Bring out upper sound range. Accordingly, the Reynolds number of the gas flow can be passed through determine nozzles designed in this way by means of the gas flow rate and the nozzle diameter. Among those Conditions, the nozzle diameter can be calculated according to equation (1) above. In contrast With convergent-divergent nozzles, the speed of the gas jet is in the supersonic range achievable at below the critical pressure ratios given in equation (3).
Die Auslegung des divergenten Teilstücks einer Überschalldüse ist durch die folgende Beziehung vorgegeben:The design of the divergent portion of a supersonic nozzle is given by the following relationship given:
4040
1/21/2
(6)(6)
worin dc der Austrittsdurchmesser der Düse ist und die anderen Symbole den vorstehend definierten entsprechen. Die bei Unterschallströmung im engsten Düsenquerschnitt theoretisch am Düsenaustritt erzielbare Geschwindigkeit ergibt sich auswhere d c is the exit diameter of the nozzle and the other symbols correspond to those defined above. The theoretically achievable speed at the nozzle outlet with subsonic flow in the narrowest nozzle cross-section results from
5050
P0 P 0
-[ttt]- [ttt]
*■- 1* ■ - 1
gegebenen kritischen Wert, wobei Jt das Verhältnis der spezifischen Wärme des Gases bei konstantem Druck und konstantem Volumen ist, dann ergibt sich als theoretisches Maximum für den Gasfluß durch die Düsegiven critical value, where Jt is the ratio of specific heat of the gas at constant pressure and constant volume, then results as theoretical maximum for gas flow through the nozzle
W = W =
\ IRT\ IRT
(7)(7)
worin Vs gleich der Schallgeschwindigkeit bei der Temperatur und dem Druck des Gases istwhere Vs is equal to the speed of sound at the temperature and pressure of the gas
Man erkennt somit, daß die Austrittsgeschwindigkeit V, der Druck des Behandlungsgases vor der Düse Po, die Durchmesser des engsten Düsenquerschnitts und des (3) 60 Düsenaustritts und der Gasfluß durch die Düse ohne Schwierigkeit bestimmbar sind. Somit ist auch der durchschnittliche Bläschendurchmesser sowohl vorhersehbar als auch beeinflußbar, und der Düsendurchmesser do läßt sich anhand der vorstehenden Gleichungen berechnen.It can thus be seen that the exit velocity V, the pressure of the treatment gas in front of the nozzle Po, the diameter of the narrowest nozzle cross-section and the nozzle outlet and the gas flow through the nozzle can be determined without difficulty. Thus, the average bubble diameter is both predictable and controllable, and the nozzle diameter do can be calculated from the above equations.
Wie vorstehend erwähnt, muß auch die EindringtiefeAs mentioned above, the depth of penetration must also
. pa ^ (4) bzw. der Weg der turbulenten Bläschen im Schmelzbad. pa ^ (4) or the path of the turbulent bubbles in the weld pool
bestimmbar sein, um einen Kontakt der Bläschen mitbe determinable to a contact of the vesicles with
der feuerfesten Wandung des Reaktionsgefäßes zu vermeiden und durch Zirkulation eine gute Durchmischung der Bläschen mit dem Schmelzbad zu erzielen. In praktischen Versuchen wurde ermittelt, daß sich in einer Metallschmelze die senkrechte Eindringtiefe Lv und die waagerechte Eindringtiefe Lh nach den folgenden Gleichungen bestimmen lassen:to avoid the refractory walls of the reaction vessel and to achieve thorough mixing of the bubbles with the molten bath through circulation. In practical tests it was found that the vertical penetration depth L v and the horizontal penetration depth Lh in a molten metal can be determined according to the following equations:
L1. = 0,527 + 0,87 P0 d0 Cos θ, (8)L 1 . = 0.527 + 0.87 P 0 d 0 Cos θ , (8)
Lh = 4.16 + 1,526 P0^0 Sin (■), (9) L h = 4.16 + 1.526 P 0 ^ 0 Sin (■) , (9)
worinwherein
β den Neigungswinke! der Düse in bezug auf die Senkrechte,β the angle of inclination! the nozzle in relation to the vertical,
P0 den Druck des Behandlungsgases vor der Düse und do den Düsendurchmesser oder im Falle von Mehrdüsenanordnungen den aufsummierten Durchmesser der Düsen angibt.P 0 indicates the pressure of the treatment gas in front of the nozzle and do the nozzle diameter or, in the case of multiple nozzle arrangements, the totalized diameter of the nozzles.
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist zunächst der Gasdurchfluß zu bestimmen, welcher vom Volumen und von den metallurgischen Eigenschaften der zu behandelnden Metallschmelze abhängig ist. Anhand der ermittelten Größe und der gewählten Reynoldsschen Zahl, gewöhnlich 10 000 oder darüber, läßt sich der Düsendurchmesser do im Falle einer geradwandigen Düse nach der Gleichung (1) und im Falle einer divergenten Düse nach der Gleichung (6) bestimmen. Nachdem der Düsendurchmesser festgelegt ist, kann der Druck P0 des Behandlungsgases vor der Düse im Hinblick auf die in den Gleichungen (8) und (9) definierten waagerechten und senkrechten Eindringtiefen ermittelt und mittels eines der Düse oder der in die Schmelze eintauchenden Lanze vorgeschalteten Druckreglers eingestellt werden. Durch das Einstellen des Drucks läßt sich also die gewünschte EindringtiefeTo carry out the method according to the invention, the gas flow rate must first be determined, which depends on the volume and the metallurgical properties of the molten metal to be treated. On the basis of the determined size and the selected Reynolds number, usually 10,000 or more, the nozzle diameter do can be determined in the case of a straight-walled nozzle according to equation (1) and in the case of a divergent nozzle according to equation (6). After the nozzle diameter has been determined, the pressure P 0 of the treatment gas upstream of the nozzle can be determined with regard to the horizontal and vertical penetration depths defined in equations (8) and (9) and by means of a pressure regulator connected upstream of the nozzle or the lance immersed in the melt can be set. By adjusting the pressure, the desired depth of penetration can be achieved
ίο steuern. Da ferner der Düsendurchmesser im Hinblick auf turbulente Bläschenbildung und im wesentlichen konstanten Bläschendurchmesser gewählt ist, läßt sich das Frischen oder eine andere Behandlung der Metallschmelze zur Erzielung höchster Wirksamkeit beeinflussen.ίο control. Furthermore, since the nozzle diameter in terms of is selected for turbulent bubble formation and essentially constant bubble diameter, can the freshening or other treatment of the molten metal to achieve maximum effectiveness influence.
Wie man aus vorstehender Beschreibung erkennt, schafft die Erfindung ein Verfahren für die Zufuhr von bestimmten Gasmengen bei einer vorbestimmten Durchflußmenge und einem Druck über eine oder mehrere unterhalb des Spiegels eines zu behandelnden metallischen Schmelzbades angeordnete Düse(n), wobei das Gas in Form eines Strahls mit hoher Geschwindigkeit in das Schmelzbad eintritt. Beim Eintritt in die Schmelze zerfällt der Gasstrahl in Bläschen mit kleinem Durchmesser, welche das Schmelzbad in vorbestimmter bzw. steuerbarer Anordnung durchwandern. Während der Zeitspanne des Kontakts zwischen flüssiger und gasförmiger Phase finden chemische oder andere Wechselwirkungen zur Reinigung der flüssigen Phase statt.As can be seen from the foregoing description, the invention provides a method for the supply of certain amounts of gas at a predetermined flow rate and a pressure above an or a plurality of nozzle (s) arranged below the level of a molten metal bath to be treated, wherein the gas enters the molten bath in the form of a jet at high speed. When entering the In the melt, the gas jet breaks up into small-diameter bubbles, which the melt pool in predetermined wander through or controllable arrangement. During the period of contact between liquid and gaseous phase find chemical or other interactions to purify the liquid phase instead of.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
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