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Ausguss für flüssige Metalle, insbesondere Stahl
Wenn flüssiges Metall, insbesondere Stahl, unmittelbar in Gefässe, beispielsweise Kokillen, Formen, Pfannen usw., oder kontinuierlich, z. B. im Strangguss, vergossen wird, so muss es in einer feuerfest aus- gekleideten Giesspfanne zum Giessort gebracht werden. Zum Giessen wird im Boden der Pfanne eine Öff- nung freigegeben, indem ein sie verschliessender Stopfen angehoben wird. Das flüssige Metall läuft als
Strahl aus.
Beim Giessen treten für die Ausbildung des Strahles, nachdem er den Ausguss verlässt, eine Reihe von
Problemen auf.
Der übliche Bodenausguss besteht aus einem den Boden der Giesspfanne durchdringenden, 1m Quer- schnitt kreisförmigen zylindrischen Kanal, der nach oben hin abgerundet oder abgerundet kegelförmig erweitert ist. Dieser Kanal wird von oben her durch Aufsetzen eines an seinem unteren Ende ab- gerundeten Stopfen. auf die Kanalerweiterung geschlossen bzw. durch entsprechend hohes Anheben des Stopfens mehr oder weniger für den Durchlauf des flüssigen Metalls geöffnet.
Die Ausbildung des Durchlaufkanals bestimmt im wesentlichen die Ausbildung des auslaufenden Strahles. Die Form des Durchlaufkanales muss so sein, dass der auslaufende Strahl soweit wie möglich geschlossen und glatt bleibt. Ein unebener flatternder Strahl besitzt dem glatten Strahl gegenüber eine weitaus grössere Oberfläche. Infolgedessen ist das Metall in erhöhtem Masse der Berührung mit der Luft und damit der Sauerstoffaufnahme ausgesetzt. Insbesondere reisst er Luft mit sich ins Bad.
Bei dem üblichen, im Querschnitt kreisförmigen zylindrischen Durchlaufkanal verliert der austretende Strahl meist seinen inneren Zusammenhalt ; er zerfällt. Die Ursache dieses Zerfalls liegt in der im Durchlaufkanal auftretenden Turbulenz des fliessenden Metalls, die dann während des freien Falls des Strahles dessen Auflockerung bewirkt. Unter Turbulenz sind hier der Hauptströmung überlagerte, regellose Querbewegungen zu verstehen.
Zur Vermeidung dieses Strahlzerfalls und der damit verbundenen Nachteile sind eine Reihe von Vorschlägen zur Gestaltung des Durchlaufkanals bekannt, die insofern aber nicht den gewünschten Erfolg brachten, als der Zerfall des Strahles nicht verhindert werden konnte. Solange man unter Beibehaltung des kreisförmigen Querschnittes lediglich den Kanal verengt und/oder erweitert, können keine Verbesserungen, bei zu plötzlichen Querschnittsänderungen sogar noch Verschlechterungen, erzielt werden.
Man hat auch schon im oberen Teil eines im Querschnitt kreisförmigen zylindrischen Durchlaufkanals geradlinige Leitflächen in Form von sich kreuzenden senkrechten Flächen vorgesehen. Diese Massnahme führt im Bereich der Leitflächen zwar zu einer Verminderung der Turbulenz, kann ihr Einsetzen im Bereich des zylindrischen Kanalabschnittes und dann insbesondere beim Austritt aus dem Durchlaufkanal jedoch nicht verhindern.
Das Ziel der Erfindung ist deshalb die Ausbildung eines Ausgusses für Metalle, insbesondere für Stahl, zur Erzeugung eines glatten ruhigen Giessstrahles sowohl bei voller Öffnung des Ausgusses als auch bei gedrosseltem Giessen, wobei zur Erreichung dieses Zieles und zur erfindungsgemässen Ausbildung eines
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solchen Ausgusses grundlegende strömungstechnische Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Ur- sache und Wirkung angewendet werden.
Ein Giessstrahl neigt umso stärker zum Zerfall, je intensiver seine Turbulenz im Augenblick des
Austritts aus dem Durchlaufkanal ist. Aus dieser theoretischen Erkenntnis zieht die Erfindung die praktische Lehre, dass der Durchlaufkanal so zu gestalten ist, dass die Turbulenz des austretenden Giessstrahles so'gering wie möglich ist.
Für die Intensität der Turbulenz einer Kanalströmung bzw. für ihre Neigung zur Turbulenz ist die so- genannte Reynoldssche Zahl Re massgebend, die begrifflich durch folgende Gleichung bestimmt wird :
EMI2.1
Hier ist
F der Kanalquerschnitt in m2,
U der Kanalumfang (Perimeter) in m, w die mittlere Strömungsgeschwindigkeit des Mediums in m/s,
EMI2.2
der Formfaktor bei gegebenem F nicht beeinflussen. Bei einem schmalen Schlitz, dessen Breite B klein gegen die Länge L sei, ist (mit F = BL und U = SB + 2L r. 2 2L F/U = B/2. Je schmaler man also den Schlitz macht, desto kleiner wird F/U und desto kleiner wird nach Gl (1) bei unverändertem Querschnitt F die Reynoldssche Zahl, d. h. die Neigung des Strahles zur Turbulenz und zum Zerfall.
Die Verminderung der Turbulenz im Durchlaufkanal und damit die Erzeugung eines glatten ruhigen Giessstrahles wird deshalb erfindungsgemäss dadurch erreicht, dass der Austrittsquerschnitt des Durchlaufkanals eine Form besitzt, bei der das Verhältnis des Querschnitts zum Umfang möglichst klein ist. Als grundsätzliche Form ergibt sich dabei ein schmaler Schlitz. Von der konstruktiven Seite her besteht zwar die Erschwerung, dass ein solcher Schlitz bei vorgegebenem Querschnitt entsprechend lang wird und dass diese grosse Länge auf gegebenem Raum meist nicht unterzubringen ist.
Diese Aufgabe wird im Rahmen der erfindungsgemässen Schlitzform für den Austrittsquerschnitt aber durch Unterteilung des Schlitzes in Abschnitte geringerer Länge und Zusammenfügen dieser Abschnitte zu raumsparenden Figuren für bisher übliche, zum grossen Teil genormte Ausgussformsteine gelöst.
Weiterhin wird eine Anregung der Turbulenz beim Übergang von dem oberen meist kreisförmigen Eintrittsquerschnitt zum vorschlagsgemässen Austrittsquerschnitt dadurch vermieden, dass in weiterer Ausbildung des Ausgusses der Querschnitt und die Querschnittsform des Durchlaufkanals sich so allmählich wie möglich ändern und dass die Querschnittsänderung eine monotone Verjüngung ist.
Damit werden möglichst alle Störungen vermieden, die zur vorzeitigen Auslösung der Turbulenz führen bzw. unter Umständen führen können. Nach den Erkenntnissen der Hydrodynamik. zählen zu solchen Störungen Einflüsse, wie beispielsweise in Strömungsrichtung liegende scharfe Richtungsänderungen an den Kanalwänden, hervorgerufen durch scharfe Änderungen der Grösse des Kanalquerschnitts oder der Querschnittsform, ferner auch in Strömungsrichtung liegende Erweiterungen des Kanals. Auch wenn sie milde sind, werden sie von der Strömung schlechter vertragen als Verjüngungen. Sogenannte Diffusoren sind immer in Gefahr der Bildung von Rückströmwirbeln, Strahlablösungen usw.
Die Zeichnungen veranschaulichen einige Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemässe Ausbildung des Ausgusses. Es zeigen Fig. l-7 Austrittsquerschnitte des Durchlaufkanals nach der Erfindung, Fig. 8 einen Schnitt durch einen Ausguss nach der Linie a-b der Fig. 9 und Fig. 9 einen Schnitt durch den Ausguss nach der Linie c-d der Fig. 8.
Die Fig. 1 veranschaulicht die erfindungsgemässe Form des Austrittsquerschnittes, bei der das Verhältnis des Querschnittes zum Umfang möglichst klein ist. Als grundsätzliche Form ergibt sich dabei ein schmaler Schlitz.
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Die Fig. 2-7 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen ein solcher Schlitz durch Unterteilung in Ab- schnitte geringerer Länge und durch Zusammenfügen dieser Abschnitte zu raumsparenden Figuren für die
Anwendung des erfindungsgemässen Querschnittes bei Ausgusssteinen ausgebildet ist.
So zeigt Fig. 2 den Schlitz in drei Abschnitte unterteilt und zu einem dreizinkigen Stern zusammen- gefügt, Fig. 3 den in Abschnitte unterteilten Schlitz zu einem symmetrischen Kreuz zusammengefügt oder nach Fig. 4-7 zu symmetrischen oder unsymmetrischen Figuren zusammengesetzt. Nach dieser Methode lässt sich die Anzahl der Abschnitte beliebig erhöhen oder vermindern und dabei zu weiteren anders- artigen raumsparenden Figuren zusammensetzen.
Die Fig. 8 und 9 veranschaulichen die Anordnung der Erfindung bei einem Ausguss. Der Austrittsquer- schnitt l besitzt hier die Form eines symmetrischen Kreuzes. Zur Erzielung der weiterhin vorgeschla- genen ganz allmählichen Querschnittsänderung vom meist kreisförmigen Eintrittsquerschnitt 2 des
Durchlaufkanals zur Querschnittsform des Austrittsquerschnittes 1 ist dessen Kreuzform zunächst ein
Stück weit in den Durchlaufkanal hineingeführt. Die Querschnittsänderung vom kreisförmigen Eintritts- querschnitt 2 zum Austrittsquerschnitt 1 als monotone Verjüngung veranschaulicht als Beispiel die
Linie 3 in Form einer Kurve, die Linie 4 in Form von zusammengefügten geraden Linien. Diese
Verjüngung kann sich ebenso auch, ohne dass die Form des Austrittsquerschnittes 1 ein Stück weit in den Durchlaufkanal hineingeführt ist, bis zum Austrittsquerschnitt 1 erstrecken.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Ausguss für flüssige Metalle, insbesondere Stahl, dadurch gekennzeichnet, dass der Aus- trittsquerschnitt (1) des Durchlaufkanals eine Form besitzt, bei der das Verhältnis des Querschnittes zum
Umfang klein ist, beispielsweise eine lange Schlitzform, wobei der Übergang vom oberen meist runden
Eintrittsquerschnitt (2) zum Austrittsquerschnitt (1) des Durchlaufkanals nur eine allmähliche Änderung des
Querschnittes und der Querschnittsform aufweist, und dass der Querschnitt sich monoton verjüngt.