DE2834792A1

DE2834792A1 - Vorrichtung zur granulierung von schlackenschmelze

Info

Publication number: DE2834792A1
Application number: DE19782834792
Authority: DE
Inventors: Nobuhisa Ujiie
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1977-08-16
Filing date: 1978-08-09
Publication date: 1979-03-01
Also published as: DE2834792C3; GB2002820A; DE2834792B2; JPS5432195A; GB2002820B; FR2400385A1; FR2400385B1; US4180250A; JPS5761447B2

Description

Ishikawajima-Harima Jukogyo K.K. 1S 893 60/ko

Tokio Japan

Vorrichtung zur Granulierung von Schlackenschmelze

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Granulierung und zur Wärmerückgewinnung bei der kontinuierlichen Granulierung von Schlackeschmelze.'

Da Schlackeschmelze insbesondere im Zusammenhang mit der Raffinierung von Metallen in metallurgischen Öfen wie Hochöfen, Konvertern, Elektroöfen, Flammofen und dergl. in gewaltigen Mengen und mit hohem Wärmegehalt anfällt, ist anzustreben, die Schlacke in umweltfreundlicher Weise zu beseitigen, sie als nutzbare Substanz zu gewinnen und die Wärme als Energiequelle rückzugewinnen. Bei einer solchen Schlackeumwandlung ist die Größenverteilung des Granulats abhängig von dem weiteren Verwendungszweck, im Falle einer Verwendung als Zuschlagstoff mit leichtem Gewicht bei der Betonherstellung für Bauzwecke sind aber Schlackengranulate mit einem mittleren Durchmesser von '2 bis 3 mm, einem Maximal durchmesser von etwa 5 mm, einer gleichförmigen Größenverteilung und einer Festigkeit anzustreben, die etwa derjenigen von Flußsand entspricht.

Zur Granulierung der Schlackenschmelze zur Bildung solcher Zuschlagstoffe ist ein Verfahren bekannt, welches das Phänomen der Selbstgranulation der Schlackenschmelze beim Auftreffen auf eine nicht-benetzende Oberfläche ausnutzt. Dabei wird die Schlacke in Form eines kontinuierlich fallenden Strahles auf einen Zielkörper derart gelenkt, daß eine Kollision mit der Oberfläche des Zielkörpers mit einer bestimmten spezifischen

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Geschwindigkeit erfolgt und die Schlacke sofort von der Oberfläche wieder abspringt, ohne daran zu haften und ohne die
Oberfläche zu benetzen, so daß ein konusförmiger Schmelzschlackefilm an der KoIIisionsstelIe gebildet wird, wobei
die Normale zu der Oberfläche die Symmetrieachse des Konus
oder Kegels ist und der Kegel an seinem offenen Ende in eine Reihe von diskreten Ringen abgewandelt wird, die während des Schwebens in der Luft nach und nach in eine große Anzahl von Granulatkörnern koagulieren.

Diese Verhältnisse sind schematisch in Fig. 1 veranschaulicht, wobei ein Schmelzschlackestrahl 1 auf eine drehende Zieltrommel 2 gelenkt wird und beim nicht-benetzenden Abprallen einen Schlackefilmkegel bildet, dessen Zentri- oder Öffnungswinkel am Kollisionspunkt A um eine Normale B zur Zieloberfläche 20 beiträgt, wobei die Granulatkörner 3 gleichförmig verteilt in allen Richtungen von der Normalen B aus entlang des Mantels des erläuterten Kegels C wegfliegen.

Um die erläuterte Selbstgranulation beim nicht-benetzenden
Abprallen zu erzielen, sollte die Zielfläche aus einem solchen harten, wärmebeständigen und wärmeleitendem Material wie Eisen, Flußstahl, rostfreier Stahl, Kupfer, Graphit oder keramischen Stoffen bestehen, die im Bedarfsfalle mit einer harten Oberfläche verstärkt werden können, wozu beispielsweise eine Aluminisierung, Parkerisierung, Chrombeschichtung, Aufkohlung,
Nitrierhärtung oder mörtelartige Beschichtung mit einer Speziailegierung in Frage kommen. Weiterhin sollte die Oberfläche in hoher Oberflächengüte bearbeitet sein und sauber und kühl gehalten werden. Weiterhin ist es bekannt, daß eine Besprühung oder Beschichtung der Kollisionsfläche mit einem' Film aus einem solchen Material, welches eine Anhaftung der Schlackeschmelze auf der Fläche vermeidet, wie beispielsweise Wasser, Aluminiumpulveranstrich, Öl, Kalkmilch, Graphitpulveranstrich od. dgl. von Nutzen ist, um die Oberfläche einsatzfähig zu halten oder

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wieder zu machen. Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird eine solche Oberfläche als nicht-benetzende Oberfläche und ein solches Material, welches einen eine Anhaftung verhindernden Film ergibt, als nicht-benetzendes Material bezeichnet.

Zwar hat eine rotierende Zieltrommel sich als für das Verfahren durchaus geeignet erwiesen, jedoch ergibt sich dabei ein Nachteil. Da die Selbstgranulation durch die Gesetze der Strömungsdynamik beherrscht wird, kann die Größe des Schmelzenstrahles 1 nicht beliebig vergrößert werden, ohne andere Faktoren ebenfalls zu ändern. Dies bedeutet, daß für eine Verarbeitung einer großen Menge an Schlackeschmelze in einer einzigen Vorrichtung die Anzahl der Strahlen 1 erhöht werden muß. Dies ist schematisch in Fig. 2 veranschaulicht, wo die Ellipsen D die Konturlinien der sich ausbreitenden Granulatkegel C veranschaulichen. Da die Symmetrieachsen B der beiden Kegel parallel zueinander liegen, schneiden die Granulatkegel C einander in einem Bereich, in dem noch eine hohe Granulatdichte vorliegt, so daß die Kollision von Granulatkörnern in der Luft häufig ist und viele unerwünscht große Granulatkörner erzeugt werden.

Wesentliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Granulierungsvorrichtung, mit der eine große Anzahl von Schlackestrahlen verarbeitet werden kann, ohne daß die erläuterten übergroßen Granulatkörner auftreten. Weiterhin wird mit der Erfindung eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung geschaffen, die besonders zur Anwendung bei einer solchen Granulierungsvorrichtung geeignet ist.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Veranschaulichung der Vorgänge bei der Selbstgranulation durch nicht-benetzendes Abprallen,

Fig. 2 eine schematische Veranschaulichung der Verhältnisse

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bei der Arbeit mit zwei benachbarten Schlackestrahlen,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung eines kegelförmigen Granulatzielkörpers einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und

Fig. 4 einen schematischen Schnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Wärmegevinnungseinrichtung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 3 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Granulierungsvorrichtung in einem schematischen Schnitt veranschaulicht. Dabei ist mit 4 eine leonische Zielfläche mit einer nicht-benetzenden Oberfläche an der Auftreffseite bezeichnet, wobei die Achse des Kegels parallel zum Strahl 1 der Schlackeschmelze liegt und die Abmessungen des Kegels durch einen Öffnungs- oder Zentriwinkel 2γ , eine Höhe h und einen Kadius 2r am unteren Ende gegeben sind. Mit 5 ist eine Grundplatte bezeichnet, mit 6 eine drehende Welle, mit 7 ein Drehantriebsmechanismus, mit 8 eine Kühlmitteleinlaßleitung, welche die Welle 6 umgibt, jedoch ortsfest bleibt, mit 9 ein Satz von Kühlmitteldüsen, mit 10 eine Kühlmittelauslaßleitung, welche die Welle 6 und die Leitung 8 umgibt, dabei aber ortsfest bleibt, und mit 11 Dichtungen zur wasserdichten Verbindung der sich bewegenden Teile 4 und 5 mit den ortsfesten Teilen 8 und 10.

Die Schlaclceschmelze wird aus einem nicht näher dargestellten Behälter wie einem Tundish durch Düsen in der Form des Schlackeschmelzestrahles abgelassen, wobei die Anzahl der Düsen und damit der Strahle und deren Anordnung so gewählt sind, daß die vorbestimmte Gesamtmenge der Schlackeschmelzenströmung mehr oder weniger gleich auf die Düsen und damit auf die Strahlen aufgeteilt ist. Dabei sind die Strahlen geradlinig nach unten auf den Zielkörper 4 gerichtet und ist die Anordnung so getroffen, daß die Schlackeschmelze die erforderliche Auftreffgeschwindigkeit unter dem Einfluß des hydrostatischen Druckes im Schlackebad im Behälter und während des freien Falles er-

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hält. Die Schlackenschmelze trifft auf den Zielkörper 4 an entsprechenden Auftreffpunkten A auf und wird in Form von Granulatkörnern 3, die jedoch immer noch schmelzflüssig sind, konisch oder kegelig (Kegel C) mit einem Öffnungs- oder Zentriwinkel von 2Θ abgeschleudert. Dabei wird der Zielkörper 4 langsam gedreht, beispielsweise in einigen -zig Drehungen pro Minute, wozu der Antriebsmechanismus 7 und die Well ? 6 dienen. Gleichzeitig erfolgt eine Kühlung des Ziel körpers von innen über die Kühlmitteldüsen 9, die gegenüber der Auftreffzone oder den Auftreffpunkten A zur Erzieluna einer besonders intensiven Kühlwirkung entsprechend anaeordnet sind. Der Zielkörper 4 kann durch Aufbringung eines nicht-benetzenden Materials in irgendeiner bekannten Weise auf die Auftrefflache nichtbenetzend gemacht werden, wobei die nicht-benetzende Substanz auch als von außen her wirkendes Kühlmittel genutzt werden kann.

Da keine Zentrifugalwirkungen des Zielkörpers bei der erfindungsgemäßen Granulation der Schlackeschmelze eine Rolle spielen, dient die Drehung des Zielkörpers lediglich zur Verbesserung der Kühlung. Daher kann die Drehgeschwindigkeit des Zielkörpers in beliebiger Weise gewählt werden. Es ist auch möglich, den Zielkörper vollständig ortsfest zu halten, wenn entweder die Kühlung ausreichend wirkungsvoll ist oder die Oberfläche auch ohne Zwangskühlung nicht-benetzend bleibt, beispielsweise im Falle einer Ausbildung der Oberfläche aus Graphit oder Porzellan. Als Kühlmittel eignet sich am besten Wasser, jedoch kommen auch jegliche anderen bekannten Kühlmittel in Frace. In jedem Fall kann das Kühlmittel im Bedarfsfalle rezirkuliert werden, wozu ein geschlossener Kreislauf unter Einschluß der Einlaßleitung 8, der Düsen 9, der Grundplatte 5 und der Auslaßleitung 10 mit einer nicht näher dargestellten Pumpe dient.

Die erforderliche Auftreffgeschwindigkeit ist für jede Schlacke in Abhängigkeit von deren Viskosität und Oberflächenspannung im einzelnen zu bestimmen, wobei beispielsweise für Schlacke

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aus Hochöfen mit etwa 1400⁰C bekanntlich Auftreffgeschwind!gkeiten von 2 bis 20 m/s Granulatkörner mit mittleren Durchmessern zwischen 1 und 4 mm ergeben. Weiterhin ist bekannt, daß für diese Schlacken ein günstiger Halb-Öffnungswinkel des Kegels C bei etwa 60° bis 80° liegt, und daß, wenn zwei Auftreffpunkte im Abstand von etwa 30 cm auseinanderliegen, praktisch keine unerwünscht großen Granulatkörper auftreten, selbst wenn die beiden Achsen der Kegel im wesentlichen parallel liegen.

Wenn die Anzahl der Düsen und damit der Schlackeschmelzstrahlen 1 mit N angenommen wird, der Abstand zwischen zwei benachbarten Strahlen mit l., der Abstand und die Höhenlage der Auftreff punkte A mit r bzw. h/2 bezeichnet wird, so ergibt sich der Zusammenhang:

2%

\ S I I — (TAl^ -

Xj

τ = 1. ( 2 (1 - cos -ψ ) Γ^1/2, und

h = 2v/tanf .

Dabei sollte der Winkel ψ so groß als möglich gewählt werden, da diejenige Komponente der Auftreffgeschwindigkeit zur Selbstgranulation beiträgt, die senkrecht zur Zielfläche liegt. Andererseits, je größer der Winkel ψ wird, um so komplizierter wird die innere Konstruktion. Unter Berücksichtigung auch dieses Gesichtspunktes wird ein Winkel ψ in der Größenordnung zwischen etwa 60 und 80 bevorzugt.

Wenn somit N = 5, r = 45cm und h = 30cm gewählt wird, so ergibt sich 1. zu 52,9cm und der Win!
welche die Anforderungen erfüllen.

gibt sich 1. zu 52,9cm und der Winkel ψ zu 71,6°, also Werte,

Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Rückgewinnung der Wärme ist in Fig. 4 in einem schematischen Schnitt veranschaulicht. Hierbei ist wiederum mit 4 die kegelige Zielfläche veranschaulicht, welche im wesentlichen

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dieselbe ist, die auch in Fig. 3 dargestellt ist, jedoch mit einigen kleineren Abwandlungen. Mit 12 ist ein Tundish, mit 13 ein Schlackenschmelzbad, mit 14 ein Düsensatz, mit 15 ein Granulatkühler, mit 16 ein Schild, mit 17 eine Außenwand und mit 18 ein Abzugskanal bezeichnet.

Die Schlackenschmelze wird von einem nicht näher dargestellten Ofen aus in üblicher Weise entweder kontinuierlich oder intermittierend dem Tundish 12 zugeführt, wo das Schlackeschmelzbad 13 in einer vorbestimmten Tiefe h gehalten wird. Die Ausbildung der Düsen 14 mit Bezug auf die Zielfläche Λ entspricht der Erläuterung im Zusammenhang mit- Fig. 3, während innerhalb des Zielkörpers 4 der iCühlmittelauslaßkanal 10 nun als Kühlmittelspeicher 1OA ausgebildet ist, der zusammen mit der Grundplatte 5A, deren offener Rand in den Speicher 10A eintaucht, einen Kühlmittelzirkulationsumlauf bildet.

Die an der Zielfläche 4 gebildeten Granulatkörner fallen unmittelbar oder nach einer gewissen Anzahl von Kollisionen mit der Zielfläche in den Granulatkühler 15· Es existieren N verschiedene Granulatkegel, wobei jeder Kegel gegenüber den anderen unterschiedlich ausgerichtet ist. Deshalb erfolgt keine Verschneidung der Kegel, solange eine dichte Verteilung der einzelnen Granulatkörner vorliegt, jedoch ergibt sich infolge einer möglichen Überlappung der Kegel und einem wiederholten erneuten Auftreffen der einzelnen Granulatkörner eine Verteilung des, Granulates, die im wesentlichen gleichförmig in dem Raum oberhalb des Kühlers 15 ist. Daher ist es bevorzugt, den Kühler im wesentlichen in Ringform auszubilden, wobei die Zielfläche konzentrisch hierzu angeordnet ist. Bei einem Kühler 15 mit einer solchen Ausbildung kann jeder Granulator verwendet werden, der Granulatsymmetrisch zur Ringachse des Kühlers erzeugt, wie beispielsweise die horizontale Zieltrommel gemäß Fig. 1, bei der der Schlackestrahl direkt am obersten Punkt auftrifft.

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Der Kühler 15 ist bevorzugt als fluidisiertes Bett ausgebildet, welches beispielsweise aus einem pulverigen Kühlmittel wie hydro-granulierter Schlackesand, zertrümmerten feuerfesten Steinen oder Graphitpulver bestehen kann. Der Schild 16 verhindert eine Befeuchtung des Bettes des Kühlers 15 durch Spritzer des Kühlmittels im Speicher 1OA, und schützt umgekehrt den Kühlmittelspeicher 10A vor einer überhitzung durch das Hochtemperaturgas, welches der Kühler erzeugt. Weiterhin ist der Kühler 15 in nicht näher dargestellter Weise mit all den Ausrüstungen versehen, die erforderlich sind, um einen Wärmetausch zwischen den auftreffenden Schlackegranulatkör— pern und einem kühlenden und fluidisierenden Gasmedium wie beispielsweise Luft oder Stickstoff, die Trennung der gekühlten Granulatkörper vom Pulver des Bettes und die Wiedergewinnung der gekühlten Granulatkörper aus dem Kühler 15 zu ermöglichen. So ist der Kühler 15 wenigstens mit einem Fluidisierungsmechanismus, einem Granulatseparator, einer Granulataustragvorrichtung, einem Kühlpulver-Einspeiser und einem Kühlgas-Einspeiser versehen, zusammen mit den entsprechenden Steuerhandhaben.

Der konische Zielkörper 4, der Kühlmittelspeicher 1OA und der Granulatkühler 15 mit den zugehörigen Ausrüstungen sind alle innerhalb des Mantels 17 in Ausrichtung gegenüber dem Tundish angeordnet. Der Mantel 17 ist mit einem_oZugkanal 18 versehen, durch welchen hindurch das erwärmte Gas innerhalb des Mantels einer nicht näher· dargestellten, an sich bekannten Einrichtung zur Wärmenutzung wie etwa einem Abwärmekessel zugeleitet wird. Die Innenseite des Mantels 15 kann mit einem wärmebeständigen, wärmeisolierenden und bevorzugt nicht-benetzendem Material beschichtet sein. Graphit, Porzellan und, obwohl nicht besonders gut wärmeisolierend, Metallplatten mit Wassermänteln eignen sich hierfür. Es liegt auf der Hand, daß mit der Vorrichtung sowohl die fühlbare Wärme als auch die latente Wärme der Schlacke entzogen werden kann.

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Die Auslegung einer Anlage gemäß den Fig. 3 und 4 zur Beseitigung von Asche aus einem Hochofen mit einer Temperatur von 1400⁰C und einem Anfall von 30 t/h erfolgt folgendermaßen: Um Granulatkörner mit einem mittleren Durchmesser von 2 bis 3 mm zu erhalten, müssen als Faktoren oder Parameter der Massestrom q der durch die Düse 14 strömenden Schlackeschmelze sowie deren Geschwindigkeit v- bestimmt werden, weiterhin die Höhe h. des unteren Endes des Tundish 12 gemessen von der Oberfläche des fluidisierten Bettes des Granulatkühlers 15, die

Tiefe h des Schmelzschlackebades 13 innerhalb eines gewünschs

ten Tiefenbereiches, der Abstand h zwischen dem unteren Ende des Schlackebades 13 und dem unteren Ende der Düse 14, der gleich ist der Summe der Dicke t des Bodens des Tundish und der Länge 1 der Düse, also h = t. + 1 , der Abstand h zwischen dem unteren Ende der Düse 14 und der Spitze des konischen oder kegeligen Zielkörpers 4, der Radius r der Düse 14, der Abstand hp zwischen dem unteren Ende des Zielkörpers 4 und der Oberfläche des fluidisierten Bettes des Granulatkühlers 15, der innere Radius IE des Granulatkühlers 15, der gleichjgewählt werden kann zum Radius des Zielkörpers 4 an seinem unteren Ende, und der äußere Radius OR des Granulatkühlers 15, der dem inneren Radius des Mantels 17 entsprechen kann.

Bei den Werten von beispielsweise N = 5, q = 100 kg/min, r = 7,5mm_s h = 45 cm, h = 22 cm und h = 85 cm ergibt sich eine Geschwindigkeit V₁ von 3,6 m/s und ν von 8,1 m/s, eine Kollisionsgeschwindigkeit, welche den Anforderungen entspricht. Wenn t_t zu 12 cm gewählt wird, ergibt sich l zu 10 cm.

Wenn weiterhin hp zu 50 cm gewählt wird, so ergibt sich h. = hp + h + h- t_t = 1,75 m, OR = 5,1 m und IR = 90 cm (= 2r). Der Wert von OR wird so berechnet, daß alle Granulatkörper in das fluidisierte Bett des Kühlers 15 fallen, ohne den Mantel zu berühren. Wenn daher die Innenoberfläche des Mantels 17 in der erläuterten Weise nicht-benetzend ausgeführt wird, so daß

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die Granulatkörper davon zurückprallen, so kann der Wert von OR beliebig weit dem Wert von IR angenähert werden.

Viele Abwandlungen und Abänderungen sind möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So kann beispielsweise die konische Zielfläche 4 abgestumpft, also als Kegelstumpf ausgebildet sein. Die Auftreffpunkte können an irgendwelchen anderen Stellen der Zielfläche gewählt werden. Da die Granulatkörner im normalen Betrieb die Richtung nicht wechseln, wenn die Flugbahn einmal eingeschlagen worden ist, kann die Bodenplatte 5 vollständig entfallen. Weiterhin kann dadurch, daß der Granulatkühler 15 als bewegtes Bett mit einem darin angeordneten Wärmetauscher angeordnet ist, das Kühlmedium für die Wärmerückgewinnung beim Kühler 15 völlig unterschiedlich und unabhängig von dem Gas innerhalb des Mantels 17 gewählt werden. Der Granulatkühler 15 kann weiterhin in verschiedene Einheiten unterteilt werden, die jeweils unabhängig voneinander arbeiten.

Wie die vorstehenden Erläuterungen zeigen, ergeben die Granuli erungs vorrichtung und die Wärmerückgewinnungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung eine hohe Produktivität, da eine große Menge an Schlackenschmelze gleichzeitig verarbeitet werden kann. Dabei kann die Schlacke, die ansonsten einfacher Abfall wäre, in energie- und rohstoffsparender Weise in eine nutzbare Substanz umgewandelt werden und ergibt eine entsprechend ausnutzbare Wärmeenergiequelle. Infolge der geschlossenen oder gekapselten Anordnung, welche ein Entweichen von Stäuben und giftigen Gasen vermeidet, erfolgt keine Belastung der Umwelt. Der einfache und stabile Aufbau ergibt geringe Kosten für die Herstellung, Montage und Wartung.

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Granulierung von Schlackenschmelze, dadurch gekennzeichnet, daß ein Tundish (12) mit einem Satz von Düsen (14) vorgesehen ist, welche Schlackeschmelzenstrahlen (O auf einen konischen oder kegelförmigen Zielkörper (4) leiten, und daß der Zielkörper (4) mit seiner Kegelachse parallel zu den Schmelzestrahlen (1) angeordnet ist und eine Auftreffläche aus einem harten, wärmebeständigen und wärmeleitenden Material mit hoher Oberflächenfeinheit besitzt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Kühlmittelstrahldüsen (9) zur Beaufschlagung der Innenseite des kegelförmigen Zielkörpers (4) mit Kühlmittel, durch eine Kühlmitteleinlaßleitung (8) zum Anschluß der Düsen (9), und durch eine Sammel- und Rezirkulierungseinrichtung für das Kühlmittel nach Beaufschlagung der Innenseite des Zielkörpers- (4).

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Granulatkühler (15) unterhalb des kegeligen Zielkörpers (4) konzentrisch mit diesem im wesentlichen in der Form eines Ringes, durch einen den Zielkörper (4) und den Granulatkühler (1 5) an der Unterseite des Tundish (12) einschließenden Mantel (17), und durch einen Zugkanal (18) zur Abführung von Hochtemperaturgas zu einem Wärmeverbraucher.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Halb-Öffnungswinkel des kegeligen Zielkörpers (4) zwischen etwa 60° und 80 liegt.

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ORIGINAL INSPECTED