吹气喷枪喷嘴 【技术领域】
本发明涉及一搅拌池铁浆的吹气喷枪喷嘴，其包括：
一供给搅拌气的中央管，其朝向池铁浆的一端由一装配有至少一个开孔的第一前壁闭合；
一内管，其与中央管形成一第一环腔，该环腔用作冷却液通道，并在其朝向池铁浆的一端由一第二前壁闭合，该前壁有一中央开孔和与所述第一前壁上的每一开孔对应的通道孔；
一外管，其与内管形成一第二环腔，该环腔用作冷却液通道并在其朝向池铁浆的一端由一第三前壁闭合，该前壁有与所述第一前壁上的每一开孔对应的出口孔；
一热交换空间，其一方面位于所述第二前壁与所述第三前壁之间，另一方面位于所述中央开孔与所述第二环腔之间，并且冷却液在其间流动；以及
一出口导管，其让搅拌气离开所述第一前壁的每个开孔，以搅拌气不会渗透到冷却液中的方式，通过前述的对应的通道孔，到达前述的对应的出口孔。
背景技术
该类型的吹气喷枪喷嘴早就为业内人士所知。例如援引在EP-A-0340207，WO-97/000973和US-A-4.432.534中所描述的吹气喷枪喷嘴。
为了用氧喷气搅拌炼钢厂转炉池铁浆，喷枪喷嘴在离池铁浆1至2.5米的距离工作，而池铁浆有一大约1400℃的温度。在这些工作条件下，喷嘴的温度可迅速地增至400℃且必须在该环境下保持近似20分钟。然后，当喷枪缩回时，喷嘴迅速地返回到常温，也就是说20℃。
因而采取措施，构造一由极佳导热体材料(例如，铜)制成地喷枪喷嘴的前壁，以允许一尽可能有效的与冷却液的热交换，在喷嘴内侧，冷却液以很大的速度流过该壁。然而，现有的喷枪喷嘴具有在显露于极端临界的热变化的条件下整个表面上提供不均匀冷却的缺点。这引起该壁不同区域的机械张力。
此外，在局部压力跌落后的冷却液中常出现气蚀现象。气蚀在冷却液和被冷却壁之间有引起不良冷却的作用，热交换器在气态和固态之间的效率远比不上其在液态和固态之间的效率。
已有人作了许多努力试图使喷枪喷嘴内部冷却液的流动平滑，例如，通过在喷嘴外前壁形成轻微凹陷(参见US-A-4.432.534和WO 96/23082中的实例)。然而这些构造，确实仍有不能提供足够的热交换表面的缺点，特别是在喷嘴的中央区域。
在EP-A-0340207中描述的喷枪喷嘴的中央区域，也设置有一冷却液的第二气流对准的大凹陷，其有引起液体流动紊流的作用。
【发明内容】
本发明的目的是提出一喷枪喷嘴，在大量连续使用的过程中，其能承受所受的高应力，而提供一制造简单且成本合理的喷枪喷嘴。
按照本发明，通过一如开始所描述的吹气喷枪喷嘴，可解决该问题，其中所述第三前壁有一中央凹陷，该中央凹陷朝向所述中央开孔且其有一等于或大于0.35的凹陷高度和凹陷底部的比，前述的热交换空间有一基本不变的冷却液通过的截面，这样，在有所述的凹陷存在的情况下，获得一大致不变的冷却液经过该空间的通过速度。
通过这样一凹陷，同来自池铁浆的热阵面的同一表面相比，热交换表面大大地增加，而不在液体中引起紊流或气蚀。有利地，所述中央凹陷有一等于或大于0.4的高度和底部之间的比值，尤其是0.5，较佳地甚至是0.8。
术语“冷却液的通道的截面”意为所涉及的截面是垂直于热交换空间内的冷却液流动的方向的截面。
这样，在一不变的流量下，流量/截面比值保持不变，因而液体的通过速度也保持不变。能够确保的是，在一给定的通过速度下和在待冷却的前壁的临界温度下，没有在冷却液内出现任何气蚀现象的风险，冷却液通常是水。有利地是，对于以上指出的前壁温度，将提供一介于8至12米/秒的液体流的通过速度。
按照本发明，基本不变的截面意为该截面的表面积不能在大于10％的限值范围内变化。
按照本发明的一实施例，喷枪喷嘴包括若干个环绕中心轴线布置的前述的通道导管，且所述中央凹陷从这些管的所述出口孔延伸。因此较佳地，凹陷的底部最大化并提供改进的凹陷内热交换的效能。在一改进方法中，第三前壁有一外直径，且所述凹陷的底部是一圆周，该圆周有一至少等于所述外直径0.25倍的直径，较佳的是至少是该外直径0.33倍。因此，按照本发明的中央凹陷决不是为了加强其刚性而设置在喷嘴壁上的一小型的中央空凹陷。
按照本发明一较佳的实施例，所述第三前壁有一锥体形的中央凹陷。按照本发明的一改进的实施例，所述第三前壁环绕中央开孔有一朝向所述第一前壁的截头圆锥体形的中央变形。所述锥体和所述截头圆锥体形较佳地有一共同的轴线，且锥形中央凹陷同该轴线形成有一夹角，该夹角比该轴线和截头圆锥体形中央变形形成的夹角大。这样，即使在位于第三前壁的中央凹陷和第二前壁的中央变形之间的热交换空间内，截面可保持不变且流动液体的通过速度也保持等于其沿整个第三前壁通过的速度。
按照本发明一特殊的实施例，中央凹陷至少部分地被一高耐热材料制成的保护屏覆盖。该保护屏可以是一由中央凹陷承载的或夹在其上、因而不需要焊接固定的盘形板。冷却液和第三前壁间的热交换保持不变，因而第三前壁的大部分表面积受到掩蔽而避免被过分加热。
按照本发明的其他喷枪喷嘴的实施例在附后的权利要求书中指明。
根据以下给出的本发明的示范性实施例(非限制性)，并参照附图，可以显现出本发明的其它细节和特点。
附图的简要说明
图1示出一按照本发明的一吹气喷枪喷嘴的轴线截面视图；
图2示出一变化的实施例的轴线截面视图；
图3示出一按照本发明的一喷枪喷嘴的详图，图解本发明必需的参数的量测方法。
【具体实施方式】
在诸图中，同一或类似的元件标以相同的标号。
图1示出一吹气喷枪喷嘴1。该喷嘴包括一供给搅拌气的中央管2。该中央管2由一前壁3闭合，在所示的实例中，前壁3装配有若干个开孔4。
一内管5，其同轴地环绕中央管2布置，且两管之间形成一环腔6，在所示实例中，该环腔用来沿箭头F1方向供给冷却水。该内管由一称之为分离件的前壁7闭合。该前壁7装配有一中央开孔8和一与中央管2内的每个开孔4对齐的小孔9。
一外管10，其同轴地环绕中央管2布置。该外管一般地是由钢制成的，且其与内管5形成一环腔11，在所示实例中，该环腔用来沿箭头F2的方向排出冷却水。该外管10由一前壁12闭合，前壁12面对待搅拌的池铁浆，其因此受到如上所述的临界热应力。该前壁最好由一良导热体材料制成(例如铜)，以允许在加热的前壁12和通过热交换空间13的冷却水之间得以实现一尽可能有效的热交换，热交换空间13位于内管5的前壁7和外管10的前壁12之间。在所示实施例中，冷却水从环腔6经过热交换区域13内的中央开孔8。冷却水沿箭头F3方向向外，也就是说朝向环腔11。
前壁12还装配有出口孔14，其与设置在前壁3的每个开孔4以及设置在前壁7的每个通道孔9对齐。在那些对齐的每个小孔和开孔中，装配有一将搅拌气喷出喷枪喷嘴外的出口导管15，这些导管最好由一耐腐蚀材料制成(例如，青铜)，且斜向于喷枪喷嘴的轴线19。
从实施例中清楚地看出，按照本发明的外前壁12在其中心处设配有呈锥形的凹陷16，其朝向中央开孔8。该凹陷较佳地明确为有一足以等于或大于0.35的锥的内壁的高度(h)对底直径(B)之比。在所示的实例中该比值约等于0.5。这样，对于喷枪喷嘴受到的同样热阵面，大大地增加了热交换区域13，从而提高前壁12的冷却效能。如图所示，非常有益地是，该凹陷16从出口导管15延伸，因而形成其底部最大的锥形。在如所示的例中，凹陷的底直径B和前壁12的外直径D之比近似等于0.33。此外，通过深凹陷，以最大可能的程度将受最强热应力的外前壁的中心区域和池铁浆的表面分隔开来。
图3示出按照发明的喷枪喷嘴的参数h和B须预先如何测量的。
在与轴线19垂直的喷枪喷嘴的底部相切的平面30和与凹陷的顶部相切的平行平面31之间计算高度h。如果在凹陷顶部设置有一凹陷之外的元件，例如，图2中所示的系杆20，平面31仍保持在如果该外元件不存在时其具有的位置。在测量中必须考虑到将凹陷的顶部看作是一假想的点。
底直径B位于底部切平面30内。由该平面30和凹陷的内表面34的延线33间的相交得到线32限定底直径B的界限。因此不考虑圆形的部分。
由图1可见，前壁12的外直径D取其最大的值。
前壁7，用作为一供水和排水间的分离件，也有一朝向前壁3的中央变形17。该变形17有一截头圆锥体，通过中央开孔8通向顶部。
该截头圆锥体17与由凹陷16形成的锥体同轴，它们共同的轴线就是喷枪喷嘴的轴线19。凹陷16的锥体同轴线19形成有一夹角，其大于该轴线和截头圆锥体17的假想的远至轴线的延线间的夹角。
因此截头圆锥体17在其峰部比在其底部更为远离锥体16。然而，在其峰部截头圆锥体更窄些。因而，即使在图1所示的实施例中装备中央凹陷16的情况下，位于前壁7和12间的热交换空间的截面仍保持不变，该截面在一与冷却液流动方向垂直的平面内测量。
此外，在出口导管15，冷却液只可能通过环绕地位于热交换空间13内这些导管间的空隙。结果，为了在该点保持一不变的使冷却液流动的截面以及一因此而不变的在一给定流量下的流动速度，每个前述的空隙中装备一在当作一分离件的前壁7上的内凸18。
按照本发明的喷枪喷嘴如此装配以便在整个热交换区域13的范围内提供一不变的冷却液流动的截面。在一给定的供水流量下获得一该流量(d)和在喷枪的运作期间保持不变的截面(s)间的比值，与流动液体通过速度对应的比值表达为米/每秒。有利地，为了获得一接近恒定并介于8到12米/秒的流动速度而决定流量和截面。这样可在尽可能最大的范围内避免气蚀现象，且大大地促进在喷嘴内获得热交换的效能。
在图2所示的实施例中，示出了一与图1中所示的不同的喷枪喷嘴，不同之处在于图2所示的凹陷16更为明显。凹陷16的顶部向上伸出开孔8因而甚至显露到前壁3和前壁7间的空间内，使其可能获得一等于或大于0.8的h对B的比值。为了更好地确保凹陷16的机械强度，可在凹陷的顶部和一安装在中央管2的前壁3上或内的螺母之间提供一保持元件，例如一系杆20。
此外，在该实施例中，一耐热板21完全地覆盖中央凹陷16。这样，允许在冷却水和由凹陷16形成的锥体之间不变的热交换，喷枪喷嘴的中央部分与池铁浆形成热隔开，因而提高热交换的效能且为喷枪喷嘴提供了一较长的使用寿命。
在图2所示的实施例中，板21是复合的，这就是说，其有一耐高温材料(如陶瓷或高熔点钢)制成的外层和一绝热材料(如纤维氧化铝)制成的内层。
在所示实例中，该板就夹紧在一穿过板21的螺纹杆23的头部22和旋入设置在系杆20头部的螺纹之间。当然也可提供固定该板的其他方法。
对比试验在相同条件下的炼钢厂池铁浆内进行。
采用三家竞争公司的传统喷嘴(下表中试验I至III)，申请人制造的一有h/B＝0.15的比值和D/B＝0.15的比值的轻微中央凹陷的喷嘴(试验IV)，以及按照本发明的h/B＝0.44的比值和D/B＝0.30的比值的喷嘴(试验V)进行试验。
表试验 I II III IV V平均使用寿命 130 130 223 282 366
喷嘴的使用寿命是在废弃该喷嘴前其可能搅拌的投入次数来计算的。从表中可以看出，按照本发明的喷嘴的平均使用寿命的提高是显著且完全出乎意料的。
应该理解的是本发明决不局限于上述的实施例，且在不离开附后权利要求书的范围可修改本发明。